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
2017-2-20 來源：上海交通大學(xué) 作者：梁統(tǒng)生 陳葆娟 朱力敏 顧琳
摘要： 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、占空比對工件材料去除率（MRR）、相對電極損耗率（TWR） 和表面粗糙度（SR） 的影響， 并對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。
關(guān)鍵詞：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
該工藝方法的電極損耗不能自動補(bǔ)償，從而難以控制加工尺寸精度，需要反復(fù)加工—測量—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
圖3 切向進(jìn)給法原理
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：
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
圖4 圓盤電極切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)給電火花加工原理圖
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)
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
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)
表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
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SR 是顯著的，而D 對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。
圖6 MRR、SR與Ip、TON的等值線圖
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。對同一批次完成的6 根反饋桿零件進(jìn)行檢測，
圖7 反饋桿樣件圖
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 反饋桿檢測數(shù)據(jù)
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。
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