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碳化硅反射鏡安裝面電火花平動加工工藝研究

2017-2-24 來源：南京航空航天大學機電學院作者：王昆汪煒耿其東

摘要：針對大型SiC 反射鏡的加工需求，提出了一種電火花平動加工工藝。通過改造電火花線切割機床，搭建了加工實驗平臺，設計了采用內部高速高壓沖液方式的電火花平動加工電極。在此基礎上，以大型SiC 反射鏡為加工對象進行實驗，驗證了該工藝方法的可行性。

關鍵詞：平動加工；陣列電極；電參數

近年來，電火花加工技術得到了迅猛發展，在模具制造、航空、汽車電子、輕工儀表等領域獲得了廣泛的應用，并正在向著高效化、微細化、精密化、智能化、自動化方向發展[1]。

空間飛行器是航天技術的研究熱點，其運行依賴于光學系統。光學系統的外形結構一般采用反射式，其中最關鍵的部分就是反射鏡。碳化硅（SiC）材料是一種發展了近50 年的新型材料，具有優越的綜合性能，如熱膨脹系數小、導熱系數高、彈性模量高、密度較低、耐熱沖擊性良好、尺寸高度穩定、機械性能及熱性能各向同性良好。由于上述特性在空間反射系統中能發揮十分重要的作用，因此碳化硅反射鏡越來越受到國內外研究人員的重視[2]。

由于SiC 材料的高硬脆性，碳化硅反射鏡用傳統的機械磨削方法很難加工[3]，因此，本文提出了一種電火花平動加工方法，并對碳化硅反射鏡進行粗加工，以證明其可行性。

1.電火花平動加工實驗平臺

1.1 加工原理

所謂電火花平動加工，就是工具電極相對工件在平面內做二維軌跡運動。圖1 是電火花平動加工字理圖。電火花平動加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的正、負兩極，保持一定的間隙，并對間隙進行穩定充液，即可得到持續穩定的放電效果。當一定大小的脈沖電壓施加到電極兩端時，極間距離最近的兩點間的介質被擊穿，從而形成放電通道。極間電場使放電通道內的電子和正離子分別奔向電源的正、負極，且正、負極表面分別成為瞬時熱源，達到很高溫度，進而使工作液氣化，金屬材料熔化汽化。熱膨脹造成很高的瞬時壓力，形成氣泡，并將金屬液體和蒸氣排擠和拋出到工作液中，從而去除了材料。隨著脈沖電壓的結束，脈沖電流迅速降為0，脈沖放電結束。之后的脈間便是消電離的時段，放電通道中的帶電粒子復合為中性粒子，且介質恢復絕緣強度[4]。工具電極平動使放電點不斷轉移，放電通道隨著電極移動，達到平面加工的效果。

圖1 電火花平動加工原理圖

1.2 實驗平臺

電火花平動加工工藝的實驗平臺由大型電火花線切割機床改造得到[5-6]。當進行電火花平動加工時，工具電極可在平面內運動，同時和工件作相對運動。電火花線切割機床的主要技術參數見表1。

表1 電火花線切割機床技術參數

實驗平臺見圖2。機床改造過程如下：將工具電極安裝在電火花線切割機床的線架一端。電極材料選用石墨，形狀為塊狀。石墨電極安裝在鋁合金板上，鋁合金板通過一塊塑料板與步進電機相連，步進電機通過一安裝板安裝在線切割機床的線架一端。步進電機、驅動器及可編程電機控制器等組成微進給系統，可完成工具電極向下的微進給。此外，鋁合金板通過快插接頭接水泵，水泵將工作液通過快插接頭高速噴向鋁合金下的石墨電極進行沖液。電火花平動加工所用的脈沖電源為專門定制的電火花磨削電源。

2.工具電極的設計

工具電極所用的材料主要有紫銅和石墨。石墨電極因其導電性好、密度小、價格低等特點，在電火

圖2 電火花平動加工實驗平臺

花放電加工中應用得越來越多。本實驗所用的石墨電極見圖3，石墨采用板狀結構，中間銑槽，槽與槽交叉呈井字形，將板狀電極分成一個個方形的小電極，呈陣列狀。工作液從槽中高速流過，可將電火花放電產物迅速排出并且迅速冷卻消電離。更為重要的是，這種設計可減少極間的“潛布電容”[7]，使放電更順暢，提高加工質量。

圖3 工具電極

眾所周知，電火花加工時，如果工具電極面積較大，放電會很難，且能達到的表面粗糙度也較差。這是由于工具和工件相當于電容器的兩個極，具有“潛布電容”，相當于在放電間隙上并聯了一個電容器。當小能量的單個脈沖到達工具和工件時，電能被此電容吸收，只能起到充電作用，卻不會放電。只有當多個脈沖累積充電達到較高的電壓，儲存了較多的能量后，才能引起擊穿放電，這時因為能量較大，放電凹坑也較大。因此，理論上加工所能達到的表面粗糙度較差。但當電極形式采用上述設計時，便可將原來的大電極分成數個小電極，從而相當于在多處同時進行小電極電火花加工，也就避開了大面積加工的各種弊端。

3.電火花平動加工的運動系統及數控編程

電火花線切割機床工作臺X、Y 兩個方向可作相對運動。當機床控制器每發出一個脈沖時，工作臺就移動一個脈沖當量（0.001 mm），2 個方向的運動均可通過編程實現；另外，通過搖動X、Y 兩個方向的手柄，同樣可實現工作臺的位移。而機床線架上的導輪、排絲輪具有可維持電極絲沿一定軌跡高速、往復運動的功能。錐度的調節依靠錐度調節裝置實現，簡單地說，是在線架的一端安裝2 個小的步進電機，通過步進電機控制線架端部水平方向的運動，從而做出U、V 軸方向的運動，實現錐度切割。由于工具電極通過安裝板安裝在錐度裝置上，因此可實現U、V 方向的平動。

這樣，在利用線切割機床的數控程序編程、實現工具電極和工件沿著一定路線相對運動的同時，還可利用程序控制電火花平動頭作平動運動。此外，還可通過修改程序對其運動軌跡進行控制，從而利用形狀簡單的小尺寸電極加工復雜形狀的大尺寸工件，同時使放電面積減小，改善放電時的沖液情況，對電蝕產物的排除也十分有利。

電火花線切割機床控制部分采用的是HF 線切割數控自動編程軟件系統，該系統智能化程度高，且可實現圖形交互。用戶可借助繪圖界面上簡單易懂的功能，在界面上畫出所需的最終零件形狀，并結合工藝要求處理所畫的零件圖形。但如需實現的軌跡較復雜，將給繪圖及后處理帶來困難。因此，本文將手動編寫G 代碼，并將其導入執行（圖4）。

圖4 程序執行界面

4.電火花平動加工實驗

首先，對碳化硅反射鏡的內圈進行磨削，但磨削內圈并不是走一個圓軌跡，而是采用數個小圓軌跡，每個小圓軌跡相互交叉，從而組成一個大圓。內圈由12 個小圓組成，每隔30° X、Y 軸走一個小圓，每走一個小圓的同時，U、V 軸平動走一個小圓，這樣便可將內圈加工出來（圖5）。工具電極的中心沿著黑色的十二邊形直線插補，并在12 個位置走小圓軌跡。由于工具電極有一定大小，所以它大致走出了大圓的區域軌跡。

加工時發現，工作液中產生了大量氣泡。其中，石墨電極附近產生的大量氣泡隨著沖液的作用四散飄走，而加工區域也有大量氣泡附著在工件上，慢慢消散（圖6）。這是因為加工采用的是水基工作