姜國(guó)振 ， 劉 波 ， 范麗華 ， 孫 鳳 ， 徐程程

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展和制造業(yè)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)加工技術(shù)的要求越來越高，但同時(shí)也為其提供了新的發(fā)展方向[1]。本文針對(duì)電火花加工原理應(yīng)用范圍及特殊場(chǎng)所加工高效的特點(diǎn)，在保持其加工優(yōu)勢(shì)的前提下，基于單因素實(shí)驗(yàn)，合理設(shè)置電磁驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)機(jī)床參數(shù)，通過對(duì)比找出影響加工的因素，優(yōu)化電火花深長(zhǎng)孔加工，以提高電火花加工效率與加工質(zhì)量。

1 電火花機(jī)床加工原理

特種加工技術(shù)已經(jīng)成為能否在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)，電火花加工技術(shù)就是其中之一。電火花加工[2]（Electrical Discharge Machining, EDM）是在一定工作介質(zhì)中，利用脈沖火花放電對(duì)被加工材料進(jìn)行蝕除。與其他傳統(tǒng)的加工方法相比，在電火花加工中，工具電極與工件不接觸，即無宏觀切削力，而是直接依靠脈沖放電，瞬間產(chǎn)生高溫來熔化、汽化工件，從而完成一定形狀尺寸要求和表面要求的特種加工方法[3-4]。電火花加工機(jī)理示意圖如圖1所示，圖1（a）為放電脈沖形成放電通道圖，圖1（b）為表面產(chǎn)生熔化甚至汽化物質(zhì)圖，圖1（c）為電蝕材料在放電通道內(nèi)匯集圖，圖1（d）為極間熔化、汽化產(chǎn)物匯集形成蝕除產(chǎn)物圖。

圖1 電火花加工機(jī)理示意圖

總之，電火花加工的物理周期過程是非常短暫而復(fù)雜的，每個(gè)周期的放電過程包括電動(dòng)力、電磁力、熱動(dòng)力、流體動(dòng)力及電化學(xué)的作用[5]，然后將工具電極的形狀反拷在工件上，完成加工過程。

2 電火花深長(zhǎng)孔加工應(yīng)用領(lǐng)域及加工方法

深孔加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、汽車等行業(yè)。例如，加工發(fā)動(dòng)機(jī)上帶冠渦輪盤、葉片，空心透平葉片上打冷卻孔等，熔融沉積型3D打印技術(shù)中噴頭出絲結(jié)構(gòu)微孔的制造[6]。深孔加工的大部分工藝依然采用傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔加工的方法，比如早期的扁鉆、20世紀(jì)初期的槍鉆技術(shù)、后期經(jīng)過改進(jìn)加工方法的BTA法、DF法深孔加工[7]。接觸式的工件切除，尤其大深徑比的深孔加工刀具細(xì)長(zhǎng)、剛性差、強(qiáng)度低，易引起刀具偏斜、排屑困難等問題。隨著新技術(shù)的發(fā)展，深長(zhǎng)孔加工技術(shù)呈現(xiàn)多樣化，激光加工、電子束加工、電解加工和電火花加工等特種加工對(duì)于深長(zhǎng)孔加工在某些領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[8]，尤其是電火花類設(shè)備在特殊材料深孔類加工中占據(jù)十分重要的地位。例如，精密小型腔、復(fù)雜型面、較大深寬比和長(zhǎng)徑比的深窄槽和拐角、小孔等，采用電火花加工往往具有較好的效果。電火花孔類加工設(shè)備主要有高速電火花小孔機(jī)、電火花線切割機(jī)、電火花成型機(jī)等[9]。

1）高速電火花小孔機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)極大地解決了機(jī)械行業(yè)的深小孔加工難題，尤其它的一些加工特點(diǎn)是目前其他加工方法無法替代的。細(xì)管電極旋轉(zhuǎn)穿孔速度很快，操作簡(jiǎn)便，具有穿孔效率高、加工精度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但也存在放電間隙狹窄、容易出現(xiàn)加工錐度和圓角、工具電極損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

2）電火花線切割機(jī)加工除具有電火花加工的基本特點(diǎn)外，不需要制造形狀復(fù)雜的工具電極就能加工出以直線為母線的任何二維曲面，且切割窄縫小。在加工過程中，該工藝并不會(huì)把全部多余材料加工成為廢屑，提高了能量和材料的利用率。但其缺點(diǎn)也很明顯，電極絲切割過程中容易突然斷絲，穿絲比較麻煩，進(jìn)行孔類加工時(shí)需要預(yù)鉆孔進(jìn)行穿絲，孔位置精度有些不理想。

3）電火花成型機(jī)主要用于對(duì)各類模具、精密零部件等各種導(dǎo)電體的復(fù)雜型腔、曲面形體進(jìn)行加工，具有加工精度高、光潔度高、速度快等特點(diǎn)。實(shí)用性強(qiáng)，可以直接從斜面、曲面穿入，用于加工盲孔、深孔、斜孔及異型孔等，但電火花成型機(jī)需要制作相對(duì)應(yīng)的成型電極，復(fù)雜、特殊電極的制作比較麻煩。

隨著技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)企業(yè)在新設(shè)備與新方法方面不斷推陳出新。例如，蘇州電加工機(jī)床研究所的SE-WK018數(shù)控電火花微孔機(jī)，瑞士GF公司生產(chǎn)的DRILL 300五軸電火花鉆孔機(jī)床，并制定GF加工方案，對(duì)深長(zhǎng)孔加工起到明顯改善作用[10]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一款新的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了一種新的深長(zhǎng)孔加工方法。

3 電火花深長(zhǎng)孔加工新工藝及實(shí)驗(yàn)研究

本研究為探索一種深長(zhǎng)孔加工新工藝，在蘇州新火花型號(hào)為SPZ450的機(jī)床上安裝了自主設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)器，通過對(duì)傳統(tǒng)電火花加工機(jī)、PID控制磁力驅(qū)動(dòng)器與該電火花加工機(jī)協(xié)同控制兩種加工方式的分析，優(yōu)化了加工參數(shù)，對(duì)比驗(yàn)證了基于電磁驅(qū)動(dòng)器的電火花在深長(zhǎng)孔加工放電狀態(tài)、加工速度、工具損耗速度及加工精度方面的優(yōu)勢(shì)。

3.1 電火花深長(zhǎng)孔加工實(shí)驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)主要加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 加工實(shí)驗(yàn)裝置圖

通過綜合考慮，采用正極性加工，使用直徑2mm的黃銅作為工具電極，在45號(hào)鋼加工孔深度為1 mm的小孔。電火花極間間隙電壓作為反饋信號(hào)，用Vk表示，Vk信號(hào)由外圍平均電壓檢測(cè)電路檢測(cè)和處理。參考電壓VL設(shè)置為1.5 V，對(duì)應(yīng)于實(shí)際加工中電極與工件之間的間隙電壓為45 V。Vk作為控制器的反饋信號(hào)，反饋信號(hào)通過DSPACE1104輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)比反饋電壓Vk與VL，將極間電壓誤差e及其變化率ec作為控制器的輸入信號(hào)?？刂破鬏敵龅碾妷盒盘?hào)Ur由DSPACE1104輸出端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換后，最終電壓信號(hào)Ur經(jīng)過功率放大器轉(zhuǎn)換成能夠控制驅(qū)動(dòng)器的電流信號(hào)，這時(shí)通過閉環(huán)控制磁力驅(qū)動(dòng)器能夠保證電極加工時(shí)始終保持在有效放電范圍。

為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，根據(jù)加工手冊(cè)及加工經(jīng)驗(yàn)，電火花加工機(jī)床參數(shù)在兩種加工情況下設(shè)置相同參數(shù)，如表1所示。加工過程中采用多次測(cè)量取平均值方法，分為兩組加工，每種加工方式都是加工深度為1 mm的孔，孔數(shù)為10個(gè)，并記錄每個(gè)孔的加工時(shí)間及每個(gè)孔的實(shí)際反饋電壓值。

表1 電火花機(jī)床加工參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于電磁驅(qū)動(dòng)器的電火花機(jī)床加工相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床在加工孔上的優(yōu)勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)將從間隙反饋電壓、加工速度、電極損耗及加工精度方面進(jìn)行驗(yàn)證。

1）在用兩種方式進(jìn)行電火花孔加工時(shí)，使用間隙電壓檢測(cè)電路對(duì)反饋電壓Vk進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放電狀態(tài)，再通過數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。放電狀態(tài)短路時(shí)，反饋電壓為0 V；放電狀態(tài)打開時(shí)，反饋電壓為3 V，放大30倍，實(shí)際極間電壓為90 V。傳統(tǒng)電火花加工反饋電壓圖如圖3所示，電磁驅(qū)動(dòng)器與機(jī)床協(xié)同電火花加工反饋電壓圖如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)電火花加工反饋電壓圖

圖4 電磁驅(qū)動(dòng)器與機(jī)床協(xié)同電火花加工反饋電壓圖

通過對(duì)比兩種加工方式下的反饋電壓值，可以發(fā)現(xiàn)基于磁力驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)下的孔加工在1.5 V范圍內(nèi)波動(dòng)，響應(yīng)頻繁，增加了放電次數(shù)，減少斷路和短路的情況，以保證加工的順利進(jìn)行。而傳統(tǒng)電火花機(jī)加工反饋電壓波動(dòng)范圍明顯，無效放電較多。

2）驗(yàn)證電火花加工速度，針對(duì)兩種加工方式，分為兩組在相同條件下加工，為避免加工的偶然性、異常放電等的影響，每組加工10個(gè)孔，采用厚度為2 mm的金屬擊穿，統(tǒng)計(jì)加工的總時(shí)間，然后取平均值。兩種加工方式加工深度與時(shí)間變化的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 兩種加工方式下加工深度與時(shí)間變化圖

通過分析可知，傳統(tǒng)電火花加工速度低于基于驅(qū)動(dòng)器控制的加工速度，在孔深1 mm前，兩者加工速度差別不大，隨著深度增加，協(xié)同加工速度明顯高于傳統(tǒng)電火花加工速度?；隍?qū)動(dòng)器控制可改善極間放電狀態(tài)，保持相對(duì)穩(wěn)定的加工間隙，促進(jìn)排屑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效的電火花加工過程。

3）電極損耗方面，加工前保證屬性相同的銅電極長(zhǎng)度與質(zhì)量相同，機(jī)床加工參數(shù)一樣。在兩種加工方式下，分別加工5個(gè)深度相同的孔，加工完成后通過測(cè)量裝置觀察電極形貌與剩余長(zhǎng)度，傳統(tǒng)電火花加工電極損耗圖如圖6所示，電磁驅(qū)動(dòng)器與機(jī)床協(xié)同電火花加工電極損耗圖如圖7所示。通過對(duì)比可知，圖6電極端面圓角、曲率變化高于圖7協(xié)同加工電極。由于協(xié)同加工能夠在Z軸微動(dòng)，促進(jìn)電蝕產(chǎn)物的排除，尤其在深孔加工時(shí)，金屬顆粒的及時(shí)排除可防止電極出現(xiàn)短路、拉弧等非正常放電現(xiàn)象，減少電極的損耗。

圖6 傳統(tǒng)電火花加工電極損耗圖

圖7 電磁驅(qū)動(dòng)器與機(jī)床協(xié)同電火花加工電極損耗圖

4）電火花加工的表面質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為加工后表面粗糙度高、裂紋等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)直接影響零件的機(jī)械性能與使用年限。電火花孔加工形貌實(shí)際圖如圖8所示，圖8左側(cè)為傳統(tǒng)電火花加工，右側(cè)為PID控制磁力驅(qū)動(dòng)器與傳統(tǒng)電火花加工機(jī)床協(xié)同控制加工。通過掃描電鏡觀察其形貌，協(xié)同控制加工工件的表面質(zhì)量得到了有效改善。

圖8 電火花孔加工形貌實(shí)際圖

總之，通過實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用電磁驅(qū)動(dòng)器控制的電火花加工，不僅提高了加工效率，也改善了加工質(zhì)量，本研究探索了一條深長(zhǎng)孔加工的新工藝、新方法。

4 結(jié)語(yǔ)

1）相比傳統(tǒng)的電火花加工，基于磁力驅(qū)動(dòng)器的電火花特種加工，在深長(zhǎng)孔加工中能夠改善加工過程中的放電狀態(tài)。

2）通過單因素實(shí)驗(yàn)，研究加工原理，找出了影響加工速度、工具損耗速度及加工精度的因素。

3）基于磁力驅(qū)動(dòng)器與傳統(tǒng)電火花加工機(jī)床協(xié)同控制的深長(zhǎng)孔電火花加工不僅提高了效率，也改善了加工工件的表面質(zhì)量。為進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)中深長(zhǎng)孔加工的發(fā)展，研究了一種新的加工工藝，使特種加工可以在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮出更大的價(jià)值與作用。

4）研究深長(zhǎng)孔加工的影響因素，建立精確的電火花加工過程模型，開發(fā)基于電磁驅(qū)動(dòng)器的電火花加工深長(zhǎng)孔生產(chǎn)設(shè)備是未來的主要方向。