王元剛，焦 鵬，李曉鵬，賈婷婷，唐 欣

（ 大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116622 ）

電火花銑削技術(shù)具有電極制造簡單、 控制性好、宏觀切削力小等優(yōu)點，是加工難加工材料的重要方法[1]。 經(jīng)過幾十年發(fā)展，該技術(shù)已成為微細(xì)機(jī)械制造領(lǐng)域的一個重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于航空航天各類微小尺寸軸、孔和三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造[2]。

高效率、高精度加工是每一種加工方法追求的目標(biāo)。 由于存在工具電極損耗，在微細(xì)電火花銑削加工中，效率和精度之間產(chǎn)生了矛盾。 基于均勻損耗理論，分層厚度較小時，可利用均勻補償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行分層加工[3]。 當(dāng)分層厚度較大時，有研究提出了電極形狀的預(yù)測與補償方法[4-5]； 通過定長補償加工，可得到穩(wěn)定的圓錐面電極，并建立了補償與銑削深度的擬合關(guān)系式[6-8]。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，針對大分層厚度的電火花銑削工件側(cè)面加工進(jìn)行了相關(guān)研究，采用工件側(cè)面輪廓電火花銑削加工方法，通過不同線性補償量進(jìn)行實驗，總結(jié)了電火花銑削側(cè)面加工電極穩(wěn)定過程以及補償量與銑削深度、 角度的相關(guān)規(guī)律，并通過曲面與斜面加工進(jìn)行了驗證。

1 實驗設(shè)計

實驗方法是通過圖1 所示的工件側(cè)面輪廓電火花銑削加工方式，按照線性補償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行電火花銑削工件側(cè)面加工。

實驗設(shè)備為AD30Ls 電火花成形加工機(jī)床；檢測設(shè)備為SMZ745T 體式顯微鏡； 工具電極為直徑1.0 mm 的紫銅圓柱電極；工件為45 鋼。

工件寬度大于電極直徑，通過表1 所示實驗參數(shù)進(jìn)行銑削加工。 電極沿著工件一側(cè)邊緣按照設(shè)定的切削深度切入，并沿著工件邊緣在線性補償條件下走刀，切入時參與銑削的電極寬度為0.55 mm。

表1 實驗參數(shù)

圖1 工件側(cè)面輪廓放電銑削

實驗?zāi)康氖歉鶕?jù)線性補償下電火花工件側(cè)面銑削實驗結(jié)果， 得到銑槽與電極損耗的相關(guān)規(guī)律；通過增加線性補償率， 探究補償率與銑削穩(wěn)定深度、銑削槽側(cè)面角度之間的數(shù)值關(guān)系；通過對圓弧形工件和傾角45°工件的側(cè)面銑削加工進(jìn)行驗證。

2 實驗結(jié)果

取13 μm/mm（每銑削長度1 mm 的槽，電極線性補償13 μm）為基本線性補償率，遞增線性補償率至78 μm/mm，進(jìn)行了六組銑槽實驗。 實驗編號見表2。 圖2 是工件側(cè)面輪廓電火花銑削后的電極形狀。 圖3 是不同補償率條件下的銑槽側(cè)面形狀。

圖4 是第五組實驗（對應(yīng)實驗編號為e）的銑槽側(cè)面與橫截面對比圖。 可見，銑槽橫截面與銑槽側(cè)面尺寸形狀高度一致，通過銑槽側(cè)面可觀察到線性補償條件下的銑槽平穩(wěn)性，因此可用銑槽側(cè)面形貌和深度代替銑槽橫截面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表2 實驗變量表

圖2 不同線性補償率下加工后電極形狀

圖3 不同補償率條件下銑槽側(cè)面圖

圖4 銑槽側(cè)面與截面對比圖

3 討論與分析

3.1 電極損耗規(guī)律分析

由圖3 可見，在線性補償條件下能得到不同深度的銑槽；在確定的補償率條件下，銑槽深度最終達(dá)到恒定狀態(tài)。 圖5 是通過工件側(cè)面輪廓電火花銑削所得到的完整銑槽側(cè)面圖。 圖5a 中銑槽所用電極為圓柱電極，電極從工件右側(cè)切入、在工件左側(cè)切出。 銑削過程中，電極一側(cè)暴露在電火花油中，在電極旋轉(zhuǎn)作用下， 蝕除產(chǎn)物得到較為有效的排出，很大程度減小了電蝕產(chǎn)物對加工的影響[9]。 根據(jù)圖5a 所示銑槽結(jié)果可將電極損耗劃分成三個階段。第一階段，圓柱電極逐漸修形成圓錐狀，銑槽逐漸變深，電極底面邊緣部分由于尖端效應(yīng)，放電蝕除更快，電極出現(xiàn)錐形；第二階段，電極修形為圓錐形后，銑槽深度在第一階段的積累下，深度較大，此時電極損耗大于補償量，銑槽由深變淺，趨于穩(wěn)定；第三階段，穩(wěn)定后的圓錐電極在線性補償?shù)臈l件下銑槽深度恒定，這一階段的錐形電極側(cè)面電場分布均勻，電極側(cè)面集膚效應(yīng)[10]減弱，在電極旋轉(zhuǎn)和路徑補償作用下，電極圓錐形狀穩(wěn)定。 圖5b 為圓錐電極銑槽結(jié)果，可見電極從工件右側(cè)打孔切入、從工件左側(cè)中部切出。 圓錐電極用于銑槽時，初始深度和線性補償量合適的情況下，電極形狀穩(wěn)定，銑槽深度改變微小，銑槽可快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 完整銑槽側(cè)面圖

隨著線性補償率增加，銑槽深度變深，電極錐度逐漸減小，錐體變長。 在相對損耗率較為穩(wěn)定的條件下，穩(wěn)定銑槽深度變深，電極損耗量逐漸增加。放電點在錐面電極底端中心的圓角處集中，隨著銑削進(jìn)行，圓角部分產(chǎn)生損耗，在線性補償?shù)臈l件下維持電極形狀與銑削深度恒定不變。

將工件側(cè)面輪廓電火花銑削接觸曲面延展成平面， 簡化為圖6a 所示的小分層厚度條件的電火花電極端面銑削示意圖。 其中，柱狀電極左下角由于尖端放電效應(yīng)，使其鈍化為圓弧狀；電極左下部對應(yīng)位置為實際銑削圓錐電極下端錐角處。 因此，穩(wěn)定后的錐形電極底端會出現(xiàn)弧形圓角。

3.2 補償與銑削深度規(guī)律分析

圖7 是線性補償率與穩(wěn)定西操深度的對應(yīng)關(guān)系圖。 圖8 是線性補償率與電極損耗率的對應(yīng)關(guān)系圖。 當(dāng)線性補償較小時，電極為端面銑削，側(cè)面參與銑削部分較小，按照電極均勻損耗原理發(fā)生周期性損耗。 因此，電極端面形貌趨于圓柱形（圖2），電極端面為銑削主要放電點， 電極相對損耗率η 最大，可達(dá)到30%。 隨著補償量的增加，電極放電由端面放電轉(zhuǎn)化為側(cè)面放電，電極相對損耗率η 迅速減小至22.5%以下， 且約穩(wěn)定為20%。 當(dāng)銑削深度達(dá)到752 μm 時，電極相對損耗率再次降低至16.3%。 隨著銑削深度增加， 電極損耗率整體出現(xiàn)減小趨勢。由于銑削實驗電參數(shù)保持恒定， 隨著銑削深度增加，參與銑削電極面積增大，而放電能量不變，單位面積放電能量降低，電極損耗率降低。

圖7 線性補償量與銑削深度對應(yīng)圖

3.3 銑槽深度規(guī)律驗證實驗

通過圓弧工件側(cè)面銑削加工對以上結(jié)論進(jìn)行驗證。 選用表 1 所示參數(shù)， 按照 39 μm/mm 的線性補償率進(jìn)行工件環(huán)形側(cè)邊槽的銑削加工。 銑削結(jié)果如圖9 所示，圓弧形工件側(cè)面銑槽平整、穩(wěn)定。 其中，圖9a 是半徑為20 mm 的四分之一圓弧工件；圖9d 是圓弧銑削橫截面圖， 經(jīng)測量弧形銑削深度為270 μm。 在圓弧加工實驗時，由于電極內(nèi)側(cè)路徑小于外側(cè)路徑，按照電極內(nèi)側(cè)路徑進(jìn)行編程，實際平均路徑長于計算值，實際銑槽寬度為565 μm，大于程序預(yù)設(shè)的值（550 μm），因此銑削得到的槽深低于預(yù)期結(jié)果。

3.4 補償與銑削角度規(guī)律分析

通過對圖4 銑槽側(cè)面圖的銑槽傾角進(jìn)行測量，可得到圖10 所示的補償量與銑槽傾角對應(yīng)曲線。當(dāng)補償量在一定范圍內(nèi)時，角度與補償呈近線性關(guān)系。 按照銑削后的電極為理想錐形計算可得出：當(dāng)銑削深度達(dá)到3/4 電極直徑時， 銑削槽側(cè)面傾角為125°；當(dāng)銑削深度達(dá)到電極直徑量時，銑削槽側(cè)面傾角為117°；在銑削深度到達(dá)3/4 電極直徑后，再增加銑槽深度對角度的影響微弱。

圖10 線性補償量與銑槽角度對應(yīng)關(guān)系

3.5 銑槽角度規(guī)律驗證實驗

通過傾角為45°的傾斜側(cè)面銑削加工驗證以上銑削傾角規(guī)律。 如圖11 所示，選用表1 所示參數(shù)按照52 μm/mm 的線性補償量進(jìn)行銑削， 實驗結(jié)果為深度穩(wěn)定且具有一定傾角的銑槽， 其銑削深度為525 μm、銑槽傾角為 57°。

圖11 斜面銑槽圖

在相同深度下， 傾斜面銑削蝕除的體積更小，因此在同樣補償率條件下的銑槽深度更深、水平傾角更大。 由圖11c 所示銑槽橫截面圖可見，電極底部實際參與銑削的寬度為667 μm， 電極端面圓角曲線更加平緩。 錐形電極底部由于尖端效應(yīng)集中放電，工件邊緣也會因為邊緣效應(yīng)集中放電，由于工具電極損耗較小， 電極邊緣放電效應(yīng)占主導(dǎo)因素，在二者共同作用下，錐形電極底部出現(xiàn)圓角，因此底部參與銑削電極寬度增大，底部圓角增大，曲線變緩。

4 結(jié)論

本文通過采用尺寸為1 mm 的電極在不同線性補償率下開展工件側(cè)面銑削實驗，得出如下結(jié)論：

（1）在線性補償條件下進(jìn)行工件的側(cè)面銑削加工，可得到具有穩(wěn)定深度與一定傾斜角度的銑槽和底端出現(xiàn)圓角的錐形電極。 當(dāng)參與銑削電極底部變寬時，錐形電極端部圓弧曲線更加平緩。

（2）圓柱電極在銑削過程中的變化為穩(wěn)定圓錐電極，錐形電極側(cè)面電場分布均勻，電極側(cè)面集膚效應(yīng)的減弱，在電極旋轉(zhuǎn)和路徑補償作用下，可保持形狀穩(wěn)定，銑槽深度與形貌可達(dá)到恒定。

（3）銑槽深度隨著線性補償率增大而增大。 當(dāng)銑槽深度較淺時，電極相對損耗率約為30%；銑槽深度為180～470 μm 時，相對損耗率約穩(wěn)定為20%；當(dāng)銑削深度達(dá)到752 μm 時， 電極相對損耗率降至16.3%。 在銑削深度逐漸增至752 μm 的過程中，銑槽側(cè)面水平夾角與線性補償率保持近線性關(guān)系。

（4）圓弧側(cè)面與斜坡工件的側(cè)面加工，大致符合垂直面直線輪廓銑削下的相關(guān)規(guī)律。 相同補償率下斜面銑槽深度更深，水平傾角更大。