基于電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法的低剛度錐桿類零件精密電火花加工

梁統(tǒng)生，陳葆娟，朱力敏，顧琳

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海200233）

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基于電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法的低剛度錐桿類零件精密電火花加工

梁統(tǒng)生1，陳葆娟2，朱力敏2，顧琳1

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海200233）

提出了基于圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法的低剛度錐桿類零件的電火花精密加工方法。首先介紹了基于等厚損耗原則的圓盤電極設(shè)計(jì)原理，進(jìn)而通過電火花加工工藝的三因素全因子實(shí)驗(yàn)考察了峰值電流、脈寬、占空比對(duì)工件材料去除率（MRR）、相對(duì)電極損耗率（TWR）和表面粗糙度（SR）的影響，并對(duì)電火花加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化從而應(yīng)用于錐桿類零件的加工。加工出的反饋桿性能一致性高、表面質(zhì)量好，加工時(shí)間短，試驗(yàn)結(jié)果表明基于圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法的電火花加工工藝對(duì)提高低剛度錐桿的加工工藝的可靠性和加工效率、提高電極利用率方面有較大優(yōu)勢(shì)。

圓盤電極；切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法；低剛度錐桿；全因子實(shí)驗(yàn)；電火花加工

0　引言

航天設(shè)備中的某型反饋桿，其關(guān)鍵部分為細(xì)長錐桿結(jié)構(gòu)，屬于低剛度細(xì)長桿類零件。由于該型反饋桿的剛度和精度要求特別高，因此其形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量及性能一致性要求極高。通常，此類零件采用精密車削加工，通過反復(fù)加工—測(cè)量—再加工及大量生產(chǎn)、嚴(yán)格選配的方式來保證尺寸及性能的一致性要求，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，廢品率及返修率高。對(duì)此類零件，一般機(jī)械加工容易使其受力變形，難以達(dá)到加工要求，而電火花加工是利用電火花放電產(chǎn)生的高溫來蝕除工件材料，加工過程中，電極和工件不直接接觸，沒有機(jī)械加工宏觀的切削力，因此適合低剛度工件及微細(xì)軸的加工［1］。最初電火花加工微細(xì)軸的方法是塊狀火花磨削法，亦稱反拷塊法，如圖1所示。

圖1　成形塊反拷法原理Fig.1Racial feeding with block electrode

該工藝方法的電極損耗不能自動(dòng)補(bǔ)償，從而難以控制加工尺寸精度，需要反復(fù)加工—測(cè)量—再加工等較多人工干預(yù)，加工成品率很低。采用線電極磨削（WEDG）技術(shù)，如圖2所示，雖然可以實(shí)現(xiàn)高精度的加工［2-8］，但WEDG加工的效率非常低，并不適于在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用［9］。對(duì)此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的耿春明等提出了塊狀電極切向進(jìn)給電火花磨削方法［10-12］，既保持了成形塊反拷法的高加工效率又可實(shí)現(xiàn)電極損耗的自動(dòng)補(bǔ)償。然而，利用塊狀電極切向進(jìn)給法在磨削錐桿時(shí)，由于沿錐桿軸向的材料去除體積并不相同，直徑較小的前端去除量遠(yuǎn)小于直徑較大的錐桿根部的去除量，如圖3所示。當(dāng)錐桿前端達(dá)到預(yù)定尺寸時(shí)，其根部尚有部分余量需要去除。若此時(shí)停止加工，會(huì)導(dǎo)致錐角偏大，因此電極塊需要繼續(xù)進(jìn)給，從而增加了加工時(shí)間和電極塊的使用長度，也降低了電極利用率。針對(duì)這些問題，本文基于電極等厚度損耗原則設(shè)計(jì)了用于錐桿類零件加工的圓盤電極，并采用切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給的方法實(shí)現(xiàn)3J40材料微細(xì)錐桿的電火花精密加工，從而大大提高了電極利用率和加工效率。

圖2　線電極磨削原理Fig.2Principle of WEDG

圖3　切向進(jìn)給法原理Fig.3Tangent feeding with block electrode

1　圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給電火花加工

1.1基于等厚度損耗理論的圓盤電極設(shè)計(jì)

等厚度損耗是指加工時(shí)，電極沿錐桿軸線方向的平均損耗厚度ΔHm相同。假定在同一加工參數(shù)下，相對(duì)電極損耗率沿錐桿軸線不變，電極沿錐桿軸線損耗平均厚度ΔHm和工件沿軸線蝕除厚度Δh相同。在加工完成時(shí)，圓盤電極轉(zhuǎn)過角度為α，在圓盤電極的錐頂處，直徑為d，電極損耗的體積微元為：

工件蝕除體積微元為：

在圓盤電極的外徑D處，電極損耗的體積微元為：

工件蝕除體積微元為：

根據(jù)以上假定，有：

式中，R為錐桿大端半徑；r為錐桿小端半徑；L為錐桿的部分的長度。

1.2圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給電火花加工

圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給電火花加工的原理如圖4所示，圓盤電極預(yù)先加工出所需的錐面，安裝在Z軸上，其旋轉(zhuǎn)軸線與Z軸主軸共線，并且可以繞主軸旋轉(zhuǎn)。工件夾持于R軸并水平放置，工件軸線指向圓盤電極旋轉(zhuǎn)軸線。加工過程中，電極不旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給到指定位置，此時(shí)圓盤電極的錐面與工件最終形狀的錐面距離為放電間隙e，然后電極開始緩慢旋轉(zhuǎn)，使用未損耗的部分蝕除工件，當(dāng)無放電產(chǎn)生時(shí)結(jié)束加工，最終獲得的形狀即為所需形貌。

2　電火花加工工藝參數(shù)探索實(shí)驗(yàn)

實(shí)際使用時(shí)，反饋桿除了尺寸精度要求外，表面還必須滿足優(yōu)于Ra0.4μm的要求。前期實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)工件為正極性，峰值電流IP為1A，寬TON為6μs，占空比D為17%時(shí)，可滿足SR小于Ra0.4μm的要求，但此時(shí)MRR極低僅為0.016mm3/min，TWR則高達(dá)36%。IP增加到5A時(shí)，MRR提高為0.04 mm3/min，TWR降為24%，但SR為Ra1.2μm。以上參數(shù)加工效率極低，不適合實(shí)際生產(chǎn)，迫切需要探索一個(gè)MRR較高，但SR 為Ra1.5左右的加工參數(shù)，用于對(duì)工件進(jìn)行半精加工，然后采用較小能量的加工參數(shù)進(jìn)行精加工。

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在BIEM-Sodick C40電火花成型機(jī)床上實(shí)施，工件裝夾在精密旋轉(zhuǎn)R軸上（System 3R公司：轉(zhuǎn)速范圍為200r/min～2000r/min），裝置如圖5所示。為了方便測(cè)量表面粗糙度，工藝參數(shù)探索實(shí)驗(yàn)時(shí)，工件不旋轉(zhuǎn)；探討這種新型的加工工藝的可行性試驗(yàn)時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)。表面粗糙度用MitutoyoSJ-210表面粗糙度儀測(cè)量；加工前后，工件清洗烘干并用量程為210g、分辨率為0.001g的電子稱稱重。

圖5　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5The experimental setup

2.2實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)過程中，電極材料為紫銅，工件材料為高溫恒彈性鎳鐵精密合金3J40。3J40是常用的精密儀器儀表元件材料，密度為8.2g/cm3。該材料除了具有良好的彈性性能外，還具有硬度高、彈性模量溫度系數(shù)低和內(nèi)耗小等性能。本實(shí)驗(yàn)采用參數(shù)如表1所示。

2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響電火花加工參數(shù)的參數(shù)很多，前期的部分因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Ip、TON、D對(duì)MRR、TWR和SR三個(gè)響應(yīng)具有顯著作用，因此在全因子實(shí)驗(yàn)中選用它們作為考察因素，利用Minitab軟件設(shè)計(jì)了兩水平外加4個(gè)中心點(diǎn)的全因子實(shí)驗(yàn)，研究了三個(gè)主要參數(shù)對(duì)MRR、TWR和SR的影響及其交互作用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示。

表1　電火花加工工藝參數(shù)Table 1EDM parameters

表2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2Design and results of the experiment

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與加工驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)分析顯示Ip、TON、D和Ip與TON的交互作用對(duì)MRR的影響是顯著的。在實(shí)驗(yàn)所選參數(shù)范圍內(nèi)，D越大MRR越大，MRR與Ip、TON的等值線圖如圖6（a）所示，D一定時(shí)，同時(shí)增大Ip和TON可以提高M(jìn)RR；Ip、TON以及Ip與TON的交互作用對(duì)SR是顯著的，而D對(duì)SR幾乎沒有影響，SR與Ip、TON的等值線圖如圖6（b）所示，同時(shí)減小Ip和 TON可以減小SR。由此可見要同時(shí)獲得較大的MRR與較小的SR是相互矛盾的，因此，本文利用Minitab的優(yōu)化響應(yīng)器求解得到一個(gè)理想的加工參數(shù)，使獲得較大的MRR時(shí)，SR不至于過大。優(yōu)化時(shí)，設(shè)置MRR為望大，望目為3.0，下限為0.3；SR為望小，望目為Ra0.4μm，上限為Ra2.0μm；TWR為望小，望目為0，上限為15%。優(yōu)化結(jié)果如下，當(dāng)Ip為7.97A，TON為6μs，D為75%時(shí)，理論MRR為0.66mm3/min，TWR為3.5%，SR為Ra1.68μm，適合半精加工。

3.2加工驗(yàn)證

本文最后采用優(yōu)化后的加工參數(shù)，采用半精加工再精加工的策略，利用圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法對(duì)反饋桿錐桿進(jìn)行半精加工，保留單邊余量10μm，而后采用Ip為1A，TON為2μm，D為75%進(jìn)行精加工，加工完成的試件及其表面形貌如圖7所示。對(duì)同一批次完成的6根反饋桿零件進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法電火花精密加工低剛度錐桿類零件的加工工藝方法是可行的，加工出的錐桿剛度等性能一致性高、表面質(zhì)量好，而且電極利用率高。

表3　反饋桿檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 3Test data of feedback rods

4　結(jié)論

本文在理論和實(shí)驗(yàn)上研究了基于圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法的低剛度錐桿精密電火花加工工藝的可行性，并對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

1）理論計(jì)算表明，采用圓盤電極旋轉(zhuǎn)切向進(jìn)給法可實(shí)現(xiàn)電極等厚度損耗，能縮短低剛度細(xì)長錐桿的加工時(shí)間。

2）在實(shí)驗(yàn)所選參數(shù)范圍內(nèi)，增大占空比、同時(shí)增大峰值電流和脈寬均能增大3J40的MRR，然而同時(shí)增大峰值電流和脈寬時(shí)，表面粗糙度值SR變大，而占空比對(duì)SR幾乎沒有影響；

3）基于圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給法電火花加工低剛度錐桿的加工工藝方法是可行的，加工出的反饋桿性能一致性高、表面質(zhì)量好，加工時(shí)間短，電極利用率高。

對(duì)于錐桿頭部圓球的加工工藝，目前采用車削加磨削的方法加工。由于電火花磨削法可以加工出質(zhì)量較好的錐桿，同樣可以考慮采用杯形電極電火花磨削法來嘗試加工錐桿頭部圓球，如果此方法可行，便可實(shí)現(xiàn)在同一電火花機(jī)床上完成反饋桿的錐桿與錐桿頭部圓球的加工，從而大大減少工件裝夾次數(shù)從而提高生產(chǎn)效率。

［1］劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004. LIU Jin-chun，ZHAO Jia-qi，ZHAO Wan-sheng.Nontraditional machining［M］.Beijing：China Machine Press，2004.

［2］Masuzawa T，F(xiàn)ujino M，Kobayashi K，Suzuki T.Wire electro discharge grinding for micromachining［J］.CIRP Ann.，1985，34（1）：431-434.

［3］Masuzawa T，F(xiàn)ujino M，Kobayashi K，Suzuki T，F(xiàn)ujii H. Wire electro discharge grinding system for machining very fine rods［C］.International Conference on Computer-Aided Production Engineering，Edinburgh，1986：247-254.

［4］Kuo C L，Masuzawa T，F(xiàn)ujino M.High-precision micronozzle fabrication［J］.IEEE Micro Electro Mechanical Systems 92，Travemunde Germany，1992：116-121.

［5］Masuzawa T，Kuo C L，F(xiàn)ujino M.A combined electrical machining process for micronozzle fabrication［J］.CIRP Ann.，1994，43：189-192.

［6］Albert W J Hsue，W C Wei，Yin Chuan.Ultrasonic assisted multi-axial wire electrical discharge grinding（WEDG）processes for micro-EDM and cylindrical-WEDM［C］.Proceedings of the 16thInternational Symposium on Electro-Machining，Shanghai，China.2010：623-628.

［7］Sun Xi-Qing，Masuzawa T，F(xiàn)ujino M.Micro ultrasonic machining and self-aligned multilayer machining/assembly technologies for 3D micromachines［J］.Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems（MEMS）Piscata-way，NJ，1996：312-317.

［8］趙萬生，韋紅雨.應(yīng)用線電極磨削法的電火花微孔加工［J］.電加工，1997（3）：13-17. ZHAO Wan-sheng，WEI Hong-yu.Micro-holes machining by EDM using WEDG［J］.Electro Machining，1997 （3）：13-17.

［9］王振龍，趙萬生.微制造系統(tǒng)中的微細(xì)電火花加工技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2003（9）：23. WANG Zhen-long，ZHAO Wan-sheng.Technology of micro EDM machining in micro manufacturing system［J］.ManufacturingTechnologyandMachineTools，2003（9）：23.

［10］耿春明，趙萬生.精密電火花磨削加工的切向進(jìn)給法［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2001（7）：31-32. GENG Chun-ming，ZHAO Wan-sheng.Precise electro discharge grinding with tangential feed method［J］.ManufacturingTechnology and MachineTools，2001（7）：31-32.

［11］耿春明，趙萬生，劉晉春，等.提高電火花磨削加工一致性的新方法［J］.電加工與模具，2000（6）：4. GENG Chun-ming，ZHAO Wan-sheng，LIU Jin-chun，et al.A new method to enhance conformance in electro discharge grinding［J］.Electromachining&Mould，2000 （6）：4.

［12］耿春明.低剛度桿切向進(jìn)給電火花磨削工藝及其剛度檢測(cè)的研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001. GENG Chun-ming.Study on processing of rod parts with low stiffness by EDM tangent feeding and measurement of the stiffness of the rod［D］.Harbin Institute of Technology，2001.

Precise Processing of Cone Rod Parts with Low Stiffness by EDM Based on a Rotating Disc Electrode with Tangent Feeding

LIANG Tong-sheng1，CHEN Bao-juan2，ZHU Li-min2，GU Lin1
（1.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240；2.Shanghai Research Institute ofAerospace Control Technology，Shanghai 200233）

This paper presents a precise EDM method for processing cone rod parts with low stiffness，which is based on a rotating disc electrode with tangent feeding.We introduced the method of designing the disc electrode based on equal wear principle.A group of full factorial experiments was implemented to investigate the effects of peak current，pulse duration and duty ratio on work piece material removal rate（MRR），relative tool wear ratio（TWR）and surface roughness（SR）.Then optimized EDM parameters are used in processing of cone rod parts.And the processing feedback rods are of properties of high conformance，good surface quality，and short processing time.The test results show that the EDM method based on rotating disc electrode has significant advantages in improving reliability of processing technology of cone rods with low stiffness，efficiency of machining parts and utilization rate of electrode.

rotating disc electrode；tangent feeding；cone rod parts with low stiffness；full factorial experiment；electric discharge machining（EDM）

V261.6+1

A

1674-5558（2016）04-01056

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.016

梁統(tǒng)生，男，機(jī)械工程專業(yè)，碩士，研究方向?yàn)殡娀鸹ň苤圃臁?/p>

2014-12-29