管电极微细电火花铣削加工

管电极微细电火花铣削加工 迟 关 心，褚 旭 阳，狄 士 春，王 振 龙（哈尔滨工业大 学 机电工程学院 ，哈 尔 滨 ；厦门大学 物理与机电工程学院 ，厦 门 ）摘 要 ：提出了采 用对轴向损 耗不敏感的微细管电极进行微细电火 花 分 层 铣削 的加工方法 ，并对管 电极在加 工过程中的损耗特性进行了 理 论 分 析 。 在 此 基 础 上 ，分 别采用铜管电 极 和实心 电极 进行了微 细电火花铣削加工实验 。结 果 表 明 ：采 用 中 空 结 构 的 管 电 极 不 仅 减 小 了 铣 削 过 程 中 电 极 端 部 的 损 耗 半 径 ，提 高 了 加 工 精 度 ，而且简化了微细电火 花 铣削 的 分 层 策略和电极损 耗 补 偿 策 略 。关 键 词 ：材 料 合 成 与 加 工 工 艺 ；微 细 电 火 花 ；铣 削 ；管 电 极中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：（） ， ，（ ， ，； ，）： ， ， ， ：；轮、微 传 感 器等 具 有 复 杂 结 构 的 微 三 维 零 件 。同 时 ，微 细 电 火 花 加 工 具 有 非 接 触 式 的 特 点 ，使 其 在 硬 质 合 金 、镍 合 金 及 钛合金等难加工材料的加 工 上 具 有 独 特 的 优 势。 目 前 ，微 细 电 火 花 铣 削 加 工 在 微 机 械 、微 型 模 具制造等领域取得了广泛 的 应 用 ，成 为 一 种 不 可 或 缺 的 微 细 加 工 技 术 。目 前 ，微 细 电 火花铣削加工技术也 存 在 着 一 定 的 问 题 。相 比于常规的电火 花 加 工 ，微 细 电 火 花加工中放电间 隙 较小 ，加 工 条 件 较 恶 劣 ，微 细 工引言微 细 电 火 花 铣 削 加 工采 用简单形状的电 极 ，按 照 类 似 于 机 械 铣 削 的 成 型 运 动 ，通 过 火 花 放 电 来 蚀 除 多 余 材 料 ，获 得 所 需 的 零 件 形 状 。 该 技 术 具 有 工 具 电 极 简 单 、工具 与工件之间无宏 观 作 用 力 等 特 点 ，可 实 现 微 细 复 杂 三 维 结 构 的 加 工 。 国 内 外 学 者 利 用开发出的微细 电 火 花加工 装置 ， 相 继 制 造 出 了 微 小 球 冠、微 型 涡 轮 盘、微 型 齿收 稿 日 期 ：基 金 项 目 ：国家自然科学基金重点项目 （）作 者 简 介 ：迟 关 心 （），男 ，副 教 授 研 究 方 向 ：电 火 花 加 工 ：通 信 作 者 ：禇 旭 阳 （），男 ，讲 师 研 究 方 向 ：微细电火花加工 ： 吉 林 大 学 学 报 （工 学 版 ）第 卷具 在 加 工 过程中极易损耗 。 电 极 端 部 的 尖 角 、棱边 处 的 损 耗 ，将 直 接 影 响 到 微 细 电 火 花 铣 削 的 加 工 精 度 。虽 然 ，许 多 学 者 通 过 使 用 直 径 更 小 的 微 细 工 具、规 划 更 复 杂 的 铣 削 路 径以 及 采 取 多 种 电 极 损 耗 补 偿 策 略，等 方 法 来 提 高 铣 削 精 度 ，但 是 依 然 无 法 避 免 电 极 损 耗 对 加 工 精 度 的 影 响 。更 为 重 要 的 是 ，这些方 法都是以牺牲铣 削 效 率 和 增 加 铣 削 系 统复杂性为代价的 ，限 制 了 微 细 电火 花铣 削加工技 术在微小零件加工中的进一步 应 用 。因 此 ，如 何 降 低 电 极 损 耗 对 加 工 精 度 及 加 工 效 率 的 影 响 ，一 直 是 微 细 电 火 花 加 工 技 术 需 要 解 决 的 问 题 。本文 将对微细电火花铣削中电极的 损 耗 问 题 进 行 研 究 ，以寻求 更为有效的提高 铣 削 精 度 和 效 率 的 方 法 。耗 。图 所示为等 损耗 加 工 中 电极端部形状的变 化 情 况 。在 加 工 初 始 阶 段 ，由 于尖端放电的作用 ， 电 极 底 面 的 锐 边 处首先出现导钝现象 ，随 着 扫 描 运 动 的 继 续 ，放 电 间 隙 逐 渐 拉 大 ，放电点逐渐减少 并 发 生 在 极 间 距 离 最 近 处 ，导钝圆角将逐渐减小 直 到 消 失 ，进而恢复电极的理想形状 。 上 述 过 程 表 明 ，在 分 层 铣 削 过 程 中 ，电 极 端部的形状并非一 直 保 持 平 整 ，而 是 经 历 着 “平 整 导 钝 平 整 ”的 周 期 性 变 化 。 在 周 期 内 部 ，电极实际上一直处于 尖 端 磨 损 的 状 态 ，这 对 高精度的微细加工极为不 利 。微细电极的损耗 电 极 损 耗 对 铣 削 精 度 的 影 响微细 电火花铣 削通常采用分层去除的方式进 行 ，如 图 所 示 。为 了 提 高 铣 削 精 度 ，工 件 的 分 层厚 度 通 常 取 值 较 小 （），使 工 具 电 极 在 加 工 完 每 一 层 后 ，端 部 可 以 自 动 恢 复 平 整 ，实 现 所 谓 的“等 损 耗 加 工 ”。 事 实 上 ，在 微 细 电 火 花 分 层 铣 削 过 程 中 出 现 电 极等损耗的条件 较 为苛 刻 ，还 受 到 其 他 条 件 的 制 约 。图 电极平动时端部的损耗过程 从 上 面 的 分 析 可 以 看 出 ，在 微 细 电 火 花 铣 削 过 程 中 ，电 极 的 损 耗 ，特 别 是 电 极端部形状的改变 是影响铣削精度 的 一个 重 要 原 因 。尽 管 采 用 了 等 损 耗 的 加 工 策 略 ，加 工 过程中电极端部也很难一 直保持平整状态 。管 电 极 的 损 耗 特 性减小加工过程 中电 极 端 部 的损耗可通过两个 途 径 来 实 现 ：采 用 低 损 耗 的 加 工 条 件 ，减 少 电 极 材料在加工中 的 剥 落 速 度 ； 使用一些对损耗不 敏 感 的 结 构 ，以 达 到 减 小 加 工 误 差 ，提 高 加 工 精 度 的 目 的 。具有中空 结构 的 管 状 电极恰恰具备了这 种 特 性 。管 电 极 作 为 电 火 花 加 工 工 具 由 来 已 久 ，其 首 先在电火花小孔 加 工中 使 用 。通过向管电极中通 入 高 压 工 作 液 ，电 火 花 小孔加工可制作出深径比 为 的 小 孔 。 近 年 来 ，管电极被越来 越 多 的 应 用 于 电 火 花 铣 削 加 工 中 ，管电极中喷出的工作液 的 类 型 也 扩 展 为 煤 油、空 气、水 雾等 多 种 绝 缘 介 质 。 但 是 ，这些管电极铣削均应用在粗 加 工 场 合 ，加 工 电 流 在 以 上 ，管 电 极 的 直 径 也 都 大 于 。管 电 极 在 加 工 过 程 中 只 起 到 了强 迫 冲 液 的 作 用 ，其 主 要以获得较高的铣削速度 为 主 要 目 的 ，而 非 提 高 加 工 精 度 。事 实 上 ，管 电 极图 电火花分层铣削示意图 首 先 ，铣 削 中 电极轨 迹需要合理的 规 划 才 能 保 证 层 与 层 之 间 电 极 的 等 损 耗。这 是 由 于 在 加工 轮 廓 的 侧 壁 时 ，轮 廓 面 的 存 在 使 得 电 极 底 面 的 棱 边 处 产 生 较 大 的 导 钝 圆 角 ，即 使 采 用 旋 转 的 圆 柱 形 电 极 ，这 种 现 象 也 不 能 避 免 。因 此 ，为 获 得 高 精 度 的 加 工 表 面 ，需 要 对 电 极 轨 迹 进 行 合 理 规 划 ， 使电 极在 加工轮廓 边缘时产生的导钝现象在层面 中 央 部 位 加 工 时 予 以 消 除 ，以 保 持 进 入 下 一 层 加工 面 时 ，电 极 具 有 平 整 的 端 面 。其 次 ，在 每 一 层加工 面内电极也并 非 均 匀 损 增 刊 迟 关 心 ，等 ：管电极微细电火花铣削加工 还 具 有 对 损 耗 不 敏 感 的 结 构 ，有 助 于 对 提 高 微 细电 火 花 铣 削 加 工 精 度 。图 所示为理 论上相同直径的实心电极和管 电极 在电 火花加工 中电极端面所能产生的最大损 耗 。其 中 为 电 极 外 径 ；为 管 电 极 厚 度 ； 为 加 工 深 度 ；、 分 别 为 实 心 电 极 和 管 电 极 在 加 工中 产 生 的 最 大 端 部 损 耗 半 径 值 ；、 分 别 为 实 心 电 极 和 管 电 极 沿 轴 线 方 向 所 能 产 生 的 最 大 锥 角 值 。根 据 相 应 的 几 何 关 系 ，对 实 心 电 极 有 ： ， （）；对 管 电 极 有 ：，（）。 可 见 ，在 相 同 的 外 径 下 ，管 电 极 在铣 削过 程中端部 的最大损耗半径和轴向最大损 耗 锥 角 均 小 于 实 心 电 极 。其损耗值主要由管壁厚 度 来 决 定 ，而 不 像 实 心 电 极 那 样 与 整 个 轴 的 半 径 有 关 。在 电 火 花铣削加工过程中 ，当 管 电 极 外 部 的 电 极 材 料 损 耗 到 一 定 程 度 后 ，中空的结构会使 损 耗 表 现 在 轴 向 长 度 上 ，而 避 免 了 径 向 误 差 的 增 加 。这样 保证了加 工中的电极具有较小的端部损 耗 半 径 和 锥 度 ，减 小 了 工 件 上 的 残 留 误 差 。因 此 ， 与 实 心 电 极 相 比 ，管 电 极 在 铣 削 过 程 中 电 极 端 部 产 生 的 变 化 更 小 ，理 论 上 可 以 获 得 较 小 的 加 工 误 差 。电 极 电 火 花 加 工 不 同 ，在铣削过程中工作液并未 从 管 电 极 中 喷 出 ，而 是 采取外部冲液的方式进行 排 屑 ，因 此 并 没 有 增 加 铣 削 系 统 的 复 杂 性 。图 管电极与实心电极损耗的比较 铣 削 的 分 层 厚 度为 验 证 管 电 极 铣 削 对 分 层 厚 度 的 影 响 ，进 行如 下 实 验 。分 别 采 用 直 径 的 实 心 电 极 和 外 径 、内 径 的 管电极进行侧壁结 构（直 径 、高 的 微 轴 ）的 铣 削 。 实 验 条 件 如 下 ：加 工 电 压 ，脉 宽 ，占 空 比，主 轴 转 速 ，铣 削 分 层 厚 度 ，机 床 进 给 速 度 。 铣 削 过 后 实 心 电 极 和管电极端部的 扫 描电 镜 图 片 如图 所 示 。可 以看 出 ，由 于 采 用 了 较 大 的分层厚度连续进行侧壁 结 构 的 铣 削 ，实 心 电 极 端 部 无 法 恢 复 平 整 ，而 且 沿 轴 线 方 向 存 在 锥 度 。 相 反 ，管电极在铣削过后仍 然 具 有 平 整 的 端 面 ，侧 面 的 锥 度 也 较 小 。 端 面 外侧 的 最 大 圆 角 半 径 仅 为 ，这 大 概 相 当 于 直 径 的 实心 电 极 所产生的圆角半径 误 差 。图 管电极与实心电极损耗的比较 管电极微细电火花铣削实验 为 验 证 管 电 极 的 损 耗 特 性 ，研 究 管 电 极 在 微 细 电 火 花 分 层 铣 削中的加工效果 ，本 文 将 对 管 电 极微 细电 火花铣削 进行相关的实验研究 。实验 装置采用 哈尔滨工业大学自行研制的微 细 电 火 花 加 工 机 床 。 该 装 置 具 有 三 轴 联 动 功 能 ， 轴 上 安 装 有 回 转 跳 动 小 于 的 旋 转 主 轴 ，转 速 在 连 续 可 调 ，可 实 现 微 细 电 火 花 铣 削 加 工 。 铣 削用 电 极为中空的铜管电 极 。在 铣 削 过 程 中 ，主 轴 带 动 电 极 作 高 速 旋 转 ，并 同 时 进 行 分 层 铣 削 运 动 ，如 图 所 示 。 与 其 他 管图 铣削加工后的实心电极和管电极端部形状 图 所示分别 为实 心 电 极 和管电极铣削加工 出 的 微 轴 。可 以 看 出 ，实心电极加工出的微轴具 有 较 大 的 圆 角 误 差 和 锥 度 误 差 ，加 工 精 度 较 差 。而 采 用 管 电 极 铣 削 的 微 轴底部圆角误差为 ，锥 度 误 差 大 约 为 ，加工精度相对较高 。 管 电 极 在 铣 削 中 具有保持端面平整的能力 ，尽 管 吉 林 大 学 学 报 （工 学 版 ）第 卷采 用 了 较 大 的 分 层 厚 度 ，管 电 极 铣 削 仍 然 可 以 获得 较 高 的 铣 削 精 度 。铣 削 分 层 厚 度 ，机 床 进 给 速 度 分 别 为 和 。由 于 管 电 极 为 中 空 结 构 ，电 极 体 积 损 耗 率 由 下 式 计 算 ：（）（） （）式 中 ：、 分 别 为电 极和工件的蚀除体积 ；为 型 腔 的 直 径 ； 为 管 电 极 的 外 径 ； 为 管 电 极 的 内 径 ； 为 管电极轴向损 耗 的 长 度 ； 为 型 腔 的 深 度 。图 所示为管 壁厚 度 对 电 极损耗率和端部损 耗 半 径 的 影 响 规 律 。 可 见 ，随着管电极壁厚的不 断 降 低 ，电 极 端 部 的 圆 角 半 径 不 断 减 小 ，与 前 面 的 理论分析结果一致 。但 是 ，随 着管壁厚的减小 ，电 极损耗率也逐渐 增 加 。这 可 能 是由于薄壁零件的 散 热 能 力 差 导 致 的 。 由 于 管 电 极 具 有 中 空 的 结 构 ，当壁厚减小到 一 定 程 度时 ，其截面面积明显变 小 ，但管电极的外 径 变 化 不大 ，单位时间内扫过的 面 积 并 未 显 著 减 小 ，导致管电极在长度方向上损 耗 较 快 。因 此 ，在 实 际 加 工 过 程 中 ，要 综 合 考 虑 加 工精度和效率的 要 求 ，选 取合 适壁厚的管电极 。图 实心电极和管电极铣削效果对比 为进 一步研究 分层厚度对管电极端部损耗的 影 响 规 律 ，本 文 还 进 行 了 不 同 分 层 厚 度 （）的 铣 削 试 验 ，实 验 条 件 同 上 。 实 验 结 果 如 图所 示 。当 分 层 厚 度 较 小 时 ，铣 削 后 管 电 极 端 部的 圆 角 半 径 较 小 。而 当 分 层 厚 度 大 于 时 ， 铣 削 后 的 管 电 极 端部的圆角半径 变 化不 大 ，保 持 在 左 右 。 可 见 ，在 实 际 加 工 过 程 中 ，管 电 极端 部的 损耗半径 值要小于理论计算值 。这 可 能 是由 于电 火花加工 中尖角的蚀除特性所造成的 。图 管壁厚度对加工性能的影响 图 分层厚度对电极端部损耗半径的影响 管 电 极 铣 削 的 加 工 效 率在 实 验 中 ，管 电极的铣削效率较实 心 电 极 有 管 电 极 的 壁 厚管 电 极 具 有 薄 壁 的 结 构 ，使 其 在 微 细 电 火 花较 大 的 提 高 。 以 铣 削 精 度 相 近 的 直 径 实心 电 极 和 壁 厚 、外 径 的 管 电 极 为 例 ，在 连 续 铣 削 侧 壁 结 构时的最高蚀除效率分别 为 和 。加工效率相差近 倍 ，这 主 要 是由于以下的几个 原 因 造 成 的 ：（）管 电 极 铣 削 可 采 用 较 大 的 分 层 厚 度 。 对 于 铣 削 同 一 工 件 来 说 ，分层厚度的增加意味着铣 削层数及电极运 动 轨迹 步 数 的 减小 。铣削 加工 中可保持 一致的端部形状 。为 研 究 管 壁厚 度 对 管 电 极 端 部损耗的影响规律 ，本 文 进 行 了 不 同 管 壁 厚 度 （）的 铣 削 试 验 ，利 用 这 些 管 电 极 对 同 一 窄槽进行铣削加工 ，加 工 后 记 录 下铣 削后 管电极的 损耗长度并测量管电极的端部 损 耗 。试 验中不同 壁厚的管电极通过电火花磨削 的 方 式 来 获 得 。实 验 条 件 如 下 ：加 工 电 压 ， 脉 宽 ，占 空 比 ，主 轴 转 速 ， 增 刊 迟 关 心 ，等 ：管电极微细电火花铣削加工 （）管 电 极 铣 削 可 减 少 电 极 在 同 一 层 内 的 轨迹 步 数 。例 如 直 径 的 管 电 极 在 相 同 行 程 内 扫 过 的 面 积 为 直 径 实 心 电 极 的 倍 。 因 此 在 每 一 层 内 ，管 电 极 所 需 的 轨 迹 步 数 要 远 远 小 于 实 心 电 极 。（）管 电 极 可提高铣削的进给 速 度 。 由 于 管 电 极 的 管 状 结 构 ，电 极 本 身 的 刚 度 较 高 。 相 比 于 小 直 径 的 实 心 电 极 ，管电极 在铣削中可采用 较 高 的 进 给 速 度 ，有 助 于 提 高 加 工 速 度 。（）在 相 同 的 主 轴 转 速 下 ，由于管电极的外径 较 大 ，其 在 旋 转 时 外 缘 的 线 速 度 较 高 ，高 速 旋 转 产 生 的 流 体 效 应 使 蚀除产物得到及 时 排除 ，可 获 得 稳 定 的 放 电 状 态 ，进 一 步 提 高 了 加 工 效 率 。基 于 以 上 原 因 ，在 保 持 相 同 加 工 精 度 下 ，管 电 极 加 工 可 显 著 提 高 铣 削 效 率 。心 电 极 和 管 电 极 铣 削 时 ，两次走刀的残留痕迹的 对 比 图 。在 使 用实心电极铣削时 ，由 于 电 极 端 部 存 在 损 耗 ，即 使 两 次 走 刀轨迹相互重叠也很难消 除 残 留 的 痕 迹 。 而当使用管电 极 进 行 铣削时 ，电 极 端 部 一 直 处 于 平 整 状 态 ，相邻两次走刀之间重 叠的距离等于管 电 极的 壁 厚 的 倍即可完全消除 残 留 痕 迹 。因 此 ，管 电 极的壁厚决定了铣削轨迹 重 合 率 的 大 小 。管电极对铣削加工的影响 上述实验表明，管电极在微细电火花铣 削 过 程 中对分层厚度不敏感，电极的端部可以一直保持平 整状态，有助 于 提 高 铣 削 精 度 和 效 率。同 时，这 些 特点还对微细电火花铣削的分层策 略、电 极 运 动 轨 迹规划及加工表面修整等问题产生积极的影响。图 两次走刀间的残留痕迹 加 工 表 面 的 修 整微 细 电 火 花 分 层 铣 削 加 工 后 ，工 件 表 面 会 产生 大 量 的 台 阶 残 余 ，如 图 （）所 示 。 为 去 除 这些 残 余 台 阶 ，可 根 据 实 体 轮 廓 表 面 的 向 和 向 矢 量 ，使 用 电 极 对 轮 廓 表 面 进 行 修 整 ，以 提 高 工 件的 轮 廓 精 度，如 图 （）所 示 。 但 是 ，在 工 件 轮 廓 修 整 阶 段 ，运动轨 迹 上 各点 的去除量不一致 ，使电极各部分损耗 不 均匀 ，无法 实现等损耗状态 ，补 偿 较 为 困 难 。虽然 可以 使 用 片 状电极将实心电极 的 底 面 定 期 “切 平”，但 是 由 于 电 极 的 尖 角 损 耗 较 快 ，电极端部很难 长 时 间 内保 持平整 ，修 整 精 度 很 难 提 高 。 而 当 使 用 管 电 极 对 轮 廓 表 面 进 行 修 整 时 ，其底面可实时 的 保 持 平整 ，修 整 精 度 较 高 。同 时 ，电极损耗后也 不 需 要 “切 平”，直接在长度方向 上进行补偿即可 ，提 高 了 修 整 效 率 。分 层 策 略微细 电火花分 层铣削的优点在于将复杂三维 实 体 的 制 造 过 程 演化为简单二维 层 面的 叠 加 ，简 化 了 加 工 过 程 。 但 是 ，微细 电火花加工实体 模 型 的 分 层 厚 度 不 仅 与其本身结构有关 ，还 需 要 满 足 等 损 耗 条 件 。事 实 上 ，为 提 高 加 工 精 度 ，许 多 学 者 均 采 用 电 极 端 部 放电的方法来进 行 分层 铣 削 ，限 制 了 实 体 的 分 层 厚 度 ，降 低 了 加 工 效 率 。然 而 ，管 电 极 铣 削 在 加 工 中对分层厚度不 敏 感 ，使 实 体 模 型 分 层 厚 度的选择范围更加广泛 。 因 此 ，在 实 际 加 工 过 程 中 可 以 根据零件的结构 及 加工 要 求 ，适 当 的 增 加 分 层 厚 度 ，提 高 铣 削 效 率 。铣 削 路 径 的 规 划管电极 的 使 用 有 助 于 简 化 铣 削 路 径。在 节的分析中曾指出，微细电极的端部在连续铣削侧 壁时无法自动恢复平整，因此需要对电极轨迹进行 特殊的规划，以满足等损耗条件。而 管 电 极 在 铣 削 过程中端部可以一直保持平整，无需 考 虑 电 极 端 部 的恢复 问 题，因 此 大 大 简 化 了 铣 削 路 径 的 规 划