基于多功能微機(jī)床的復(fù)合微細(xì)電火花模塊設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究
2017-1-17 來(lái)源：廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 作者：曲興旺，郭鐘寧，吳濤，楊業(yè)成
摘要：針對(duì)實(shí)驗(yàn)室塊反銬加工中出現(xiàn)的難以加工較細(xì)的微細(xì)工具電極問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)有多功能微機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出了微細(xì)電火花復(fù)合加工模塊，該模塊包括在線塊電極磨削加工與在線電極磨削加工兩部分。采用塊電極磨削與線電極磨削相結(jié)合的方法，通過(guò)運(yùn)用不同電源模式實(shí)現(xiàn)塊反銬加工粗加工、線電極作為中、精磨削的微細(xì)電火花電極制作流程，采用蒸餾水為工作液，研究電參數(shù)對(duì)工具電極影響，并通過(guò)該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該加工工藝方法，且能穩(wěn)定加工出長(zhǎng)直徑為50 μm、長(zhǎng)徑比大于84的微細(xì)工具電極。
關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)；電火花復(fù)合加工；蒸餾水
0.引言
微細(xì)加工技術(shù)在難加工材料如工具鋼、碳化鎢、超級(jí)合金材料等的加工中有廣泛應(yīng)用[1-4]。微細(xì)加工技術(shù)主要有微細(xì)電火花、微細(xì)電化學(xué)、微細(xì)放電沉積、電鑄[5]等，實(shí)施這些工藝的前提是要獲得微細(xì)工具電極，所以微細(xì)電極制備就成為微細(xì)加工技術(shù)的關(guān)鍵。
微機(jī)械加工與微細(xì)電加工作為微細(xì)電極制作的兩項(xiàng)重要方法在微細(xì)電極制作中具有廣泛的應(yīng)用。微機(jī)械加工技術(shù)主要包括微車(chē)削微銑、金剛石刀具磨削加工等[6]。微車(chē)微細(xì)雖然能夠加工微細(xì)軸但是也有致命的缺點(diǎn)[7-8]，主要是加工過(guò)程中存在切削力的作用，除此之外還存在二次裝夾誤差。此兩缺點(diǎn)限制了微車(chē)微銑的進(jìn)一步應(yīng)用。微細(xì)電加工技術(shù)則能避免以上微車(chē)微銑的缺點(diǎn)，這是因?yàn)殡娂庸な菬o(wú)接觸式加工，能夠避免接觸應(yīng)力。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電加工是在線加工能夠在線修正主軸的回轉(zhuǎn)精度與裝夾偏心，對(duì)后續(xù)工藝有了極大的保證。微細(xì)電加工技術(shù)主要包括電火花加工、電化學(xué)加工[9-10]。其中電火花加工又包括電火花塊反銬與微細(xì)線電極磨削兩種。
作為常見(jiàn)的微細(xì)在線制作微細(xì)工具電極的方法，微細(xì)塊反銬與微細(xì)線電極加工在微細(xì)加工中有廣泛應(yīng)用。
塊反銬法是一種逆電火花技術(shù)。在加工過(guò)程中往往以塊電極作為成型電極，而需要加工的電極以毛坯軸作為工件隨主軸旋轉(zhuǎn)。依靠軸坯不斷靠近塊電極產(chǎn)生火花放電來(lái)除去材料加工出微細(xì)工具電極。該方法的優(yōu)點(diǎn)是磨削裝置簡(jiǎn)單、成本低廉、加工效率高[11]，當(dāng)然也有其缺點(diǎn)主要包括：安裝精度影響工具電極精度、工具電極表面質(zhì)量差、損耗比計(jì)算困難等[12]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)賈寶賢等利用塊反拷法加工出直徑為10 μm的微細(xì)軸[13]。南京航空航天大學(xué)采用電火花塊反拷法加工出直徑44 μm、長(zhǎng)約為1.5 mm、長(zhǎng)徑比為34的微細(xì)軸[14]。而自1984年日本學(xué)者研制出線電極電火花磨削技術(shù)（WEDG） [15]以來(lái)，線電極已得到長(zhǎng)足發(fā)展，如趙萬(wàn)生等人[16]利用研制的高精度微細(xì)電火花系統(tǒng)已經(jīng)能夠加工出直徑為4.5 μm的軸和直徑為8 μm的孔。清華大學(xué)利用WEDG加工出直徑38 μm、長(zhǎng)為0.6 mm的微小紫銅圓軸[17]。
1.復(fù)合微細(xì)放電模塊設(shè)計(jì)
1.1導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)
在線電極電火花磨削加工中線電極的走絲穩(wěn)定性決定了工具電極在線制作的精度。目前國(guó)內(nèi)外研制的WEDG裝置放電加工區(qū)線電極導(dǎo)向方式可分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)兩種[18]。由于雙支點(diǎn)型放點(diǎn)區(qū)線電極懸空，當(dāng)放電發(fā)生時(shí)線電極由于受到爆炸力沖擊作用而產(chǎn)生振動(dòng)不利于線電極的穩(wěn)定，所以采用雙支點(diǎn)型放電導(dǎo)輪。對(duì)于“單支點(diǎn)”導(dǎo)向方式，需要在導(dǎo)向輪的圓周方向加工V型槽。加工過(guò)程中，線電極在線電極張力的作用下緊貼V 型槽，并在該V 型槽內(nèi)沿圓弧線方向滑動(dòng)，V 型槽的上下面既可以約束線電極上下振動(dòng)，也對(duì)線電極進(jìn)行導(dǎo)向輪徑向上的定位。對(duì)于圓周向一定深度的V 型槽往往只能適應(yīng)一定直徑的線電極，這是因?yàn)榫€電極直徑過(guò)粗則線電極不能很好的固定，過(guò)細(xì)則線電極在V 型槽內(nèi)或者不能裸露一部分與工具電極發(fā)生放電反應(yīng)。所以為了解決一定尺寸V 型槽適應(yīng)不同線電極直徑問(wèn)題設(shè)計(jì)出了新型放電導(dǎo)輪如圖1所示在圓周面上開(kāi)設(shè)不同寬度的U型槽以解決線電極不能裸露的問(wèn)題，由于不同寬度的U型槽都圓心的距離不同，對(duì)于較細(xì)的線電極U型槽距圓心的距離較近，對(duì)于較粗的線電極U型槽距離圓心的距離較遠(yuǎn)。合理安排U型槽到圓心的距離就能解決不同直徑線電極在V型槽內(nèi)的過(guò)粗和過(guò)細(xì)的問(wèn)題。
圖1 導(dǎo)輪示意圖
1.2塊電極反銬模塊設(shè)計(jì)
由于塊電極與工具電極之間的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)于工具電極的形狀至關(guān)重要，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮塊電極的位置可調(diào)性。其原理圖如圖2所示。將工件電極安裝到V塊主軸上并且接脈沖電源的正極，將紫銅塊電極安裝到正方體液槽的牙槽內(nèi)并且接脈沖電源的負(fù)極。整個(gè)裝置安裝到微三維平臺(tái)上。在伺服運(yùn)動(dòng)控制下工具電極逐漸靠近塊電極，當(dāng)工具電極運(yùn)動(dòng)到恰當(dāng)?shù)拈g隙時(shí)兩電極放電從而蝕除材料實(shí)現(xiàn)加工電極的加工。但是在安裝塊電極時(shí)由于存在安裝誤差使塊電極與工具電極之間不能保持平行，造成加工出來(lái)的微細(xì)電極成錐形。為了減少安裝誤差設(shè)計(jì)出了可調(diào)平臺(tái)，如圖3 所示。該裝置可以調(diào)整水平度與垂直度兩個(gè)方向的誤差。
圖2 塊反銬加工示意圖
1.3 微細(xì)電火花加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
微細(xì)電火花控制部分主要有兩部分組成，工控機(jī)部分和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。而控制軟件采用LabVIEW 軟件。具體包括：圓盤(pán)形大理石平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、立式滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，主軸的旋轉(zhuǎn)與微三維平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、微能脈沖電源、間隙檢測(cè)反饋系統(tǒng)等。多軸運(yùn)動(dòng)控制卡采用的是雷賽公司的DMC2610，用于控制大理石轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、立式滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖3 可調(diào)塊電極輔助夾具
由于德國(guó)PI 微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自帶運(yùn)動(dòng)控制器，所以可以通過(guò)RS-232串口與工控機(jī)相連。微細(xì)反銬加工檢測(cè)間隙電流經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再經(jīng)NI 公司生產(chǎn)的NIX 系列中的NIUSB-6361型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)調(diào)用微三維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)LabVIEW控制程序，驅(qū)動(dòng)德國(guó)PI三維微細(xì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，其中反饋的電壓信號(hào)作為控制信號(hào)調(diào)節(jié)塊電極與工具電極之間的間隙，是兩電極之間的火花放電一直持續(xù)。其反銬加工控制流程如圖4所示。
圖4 微細(xì)反銬加工控制流程圖
2.電極在線制作
2.1實(shí)驗(yàn)方法
本文將塊電極磨削（BEDG）（圖5） 與線電極磨削（WEDG）（圖6） 結(jié)合在一起，以達(dá)到既
圖5 塊反銬原理
有效率又有極限加工的目的。塊電極磨削的主要優(yōu)點(diǎn)是加工效率高，缺點(diǎn)是加工出來(lái)的工具電極有一定的錐度，電極直徑一致性差，損耗比難以精確控制。線電極以其安裝精度高、表面質(zhì)量好、電極一致性好等優(yōu)點(diǎn)而著名，但缺點(diǎn)也很明顯就是加工效率低。為了綜合利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，本文采用塊電極磨削與線電極磨削相結(jié)合的工藝，即塊電極粗加工，然后線電極精加工，以實(shí)現(xiàn)精度與效率的兼顧。
2.2實(shí)驗(yàn)條件
塊反銬加工實(shí)驗(yàn)采用蒸餾水作為工作液，因?yàn)榕c煤油相比，蒸餾水方便獲得，且加工時(shí)不產(chǎn)生污染、冷卻速度高、流動(dòng)性好、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)所用的工具電極材料為碳化鎢圓棒，直徑為1 mm，長(zhǎng)度為50 mm。線電極材料為黃銅線直徑為0.2 mm，電極一致性好誤差在±0.2 μm， 塊電極材料為黃銅大小為10 mm ×10 mm × 1 mm。
圖6 線電極磨削原理
線電極作為一套獨(dú)立的系統(tǒng)需保持其穩(wěn)定性，因?yàn)榫€電極磨削時(shí)，電極絲的抖動(dòng)對(duì)工具電極的影響很大，抖動(dòng)過(guò)大時(shí)工具電極一致性得不到保證。線電極走絲系統(tǒng)原理見(jiàn)圖7。供線部分依靠線電極經(jīng)過(guò)磁滯制動(dòng)器輪時(shí)依靠帶輪的摩擦給電極絲運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)，阻力大小可以通過(guò)磁滯制動(dòng)器供電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。收線部分則通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)摩擦輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)速度連續(xù)可調(diào)。通過(guò)供線與收線確保電極絲在恒張力作用下平穩(wěn)單向運(yùn)行。工具電極直徑為1 mm的碳化鎢圓棒電極，線電極實(shí)驗(yàn)所需絲線為黃銅電極，直徑為0.2 mm，一致性好，冷卻液為蒸餾水。供給方式為噴液法。
圖7 線電極裝置走絲原理圖
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與制作并裝配后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，該機(jī)床主要由鑲嵌陶瓷V型塊主軸系統(tǒng)、立式滑臺(tái)、高精密的微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、工作液槽以及可調(diào)的塊電極輔助夾具組成。主軸的旋轉(zhuǎn)精度為1 μm，立式滑臺(tái)的分辨率為1 μm。微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為德國(guó)PI公司提供，其X 軸、Y 軸與Z 軸的行程分別為100 mm、100 mm、100 mm，三軸的最小分辨率都為0.1 μm。設(shè)計(jì)好復(fù)合微細(xì)電火花模塊置于PI工作平臺(tái)上，如圖8所示。
圖8 復(fù)合微細(xì)電火花模塊示意圖
2.3實(shí)驗(yàn)方案
本工藝的目的是制作出一致性好，形狀精度高的微細(xì)電極，為實(shí)現(xiàn)這一目的需要分兩步來(lái)完成。第一步是塊反銬加工，把直徑為1 mm的碳化鎢電極粗加工到400 μm左右的微細(xì)電極。然后換成線電極磨削加工把400 μm左右的電極加工到理想的直徑。通過(guò)大量工藝試驗(yàn)選擇出每個(gè)工序較優(yōu)的加工參數(shù)，確保每個(gè)工序都能達(dá)到預(yù)期的加工目標(biāo)，最終確定整個(gè)工藝流程的優(yōu)化工藝參數(shù)組合，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
3.加工實(shí)驗(yàn)
3.1塊反銬加工
塊反銬加工時(shí)電源采用脈沖電源，脈沖電源電壓分為高壓和低壓， 高壓為80 V 低壓位60 V。脈沖電源的脈沖頻率為20 kHz，脈寬功率可調(diào)。其中脈寬的調(diào)節(jié)方規(guī)則為基本脈寬的1到15 倍而脈間的調(diào)節(jié)規(guī)則為脈間的2～10 倍。加工參數(shù)脈沖電源電壓80 V、脈寬為47.2 μs、脈間為79.2 μs、主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min、進(jìn)給率為2 μm/s。加工出的微細(xì)階梯工具電極如圖9所示，一級(jí)階梯平均直徑約為120 μm、長(zhǎng)徑比達(dá)35的工具電極。
3.2線電極磨削加工
在完成塊反銬加工之后，無(wú)需更換加工電極平臺(tái)直接將線電極模塊通過(guò)微三維平臺(tái)移動(dòng)到V塊主軸在線加工。線電極加工所用電源為RC電源，之所以采用RC電源是因?yàn)椋?） RC電源放電頻率高，提高加工效率（2） 單脈沖放電穩(wěn)定有利
圖9 塊反銬加工微細(xì)電極
于提高加工質(zhì)量（3） RC電源放電峰值高有利于降低表面粗糙度。加工時(shí)參數(shù)為：電壓60 V，電容800 pF，電阻100 Ω，主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，線電極走絲速度為6 mm/min。采用閾值電壓法控制策略，因?yàn)殚撝惦妷悍梢詫?shí)時(shí)控制兩電極之間的距離，使其始終處于正常放電狀態(tài)，降低非正常放電的概率，提高加工效率。線電極加工出來(lái)的微細(xì)電極如圖10所示，平均直徑為50 μm、長(zhǎng)徑比達(dá)84的微細(xì)工具電極。
圖10 線電極磨削加工微細(xì)電極
4.結(jié)論
本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室多功能微機(jī)床現(xiàn)有條件研制出復(fù)合微細(xì)電火花加工模塊，將塊反銬加工與線電極磨削加工結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)并制造出非懸空放電輪，其能適應(yīng)不同線徑。除此之外，還研究了塊電極反銬與線電極磨削工藝特點(diǎn)，在線制作出了直徑為50 μm、長(zhǎng)徑比達(dá)84的微細(xì)工具電極，為在線制作微小孔以及微三維型腔結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
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