斜轴电火花铣削加工研究初探

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电火花铣削加工(也叫电火花创成加工)，是一种新型的电火花加工方法。它是用高速旋转的简单管状或棒状电极作三维或二维轮廓加工，像数控铣床一样，不再需要制造复杂的成形电极。这种加工方法与电火花成型加工相比较，具有节省大量成形电极、生产周期短、加工费用低、加工柔性高等优点。目前，国外已有多家公司生产出具有铣削功能的电火花成品机床，而国内这方面的研究尚处起步阶段。电极高速旋转，是电火花铣削加工的特点。与普通机械铣削类似，电火花铣削加工，按照电极旋转轴的倾斜位置，又可分为立轴、横轴和斜轴电火花铣削。当电极轴水平横放或斜放时，电极与工件的相对进给运动，可以由数控电火花机床的X、Y、Z作三轴联动来实现，也可以由数控电火花机床的X、Z二轴与工件的旋转运动作联动来实现。前者通常用于大直径圆柱或圆锥零件的侧向三维型面的加工，所用电极一般为实心球头电极。而后者应用较广。对于大直径的圆柱或圆锥零件，其侧向的螺旋型槽、二维轮廓的台或坑，均可通过后者的加工方法，利用空心圆柱电极加以实现。本文就是针对某航空预研项目中某大直径难加工小锥度薄壁圆锥面上的螺旋槽、二维型台的具体对象，对斜轴电火花铣削加工作一初步探索。

1　实现电火花斜轴铣削的基本条件

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　　航空大直径的薄壁零件，在其侧向壁上常会有一些异型二维坑、台、槽，这类零件受电火花机床油槽等限制，一般只能竖轴放置，显然，这些异型加工面用机械加工方法，由于材料难加工及零件刚性差等因素，是很难加工的。采用电火花斜轴或横轴铣削加工是可行、有效的加工方法。要实现这类零件侧向异型面的电火花铣削加工，必须有实现零件周向伺服进给的进给机构。为此，我们自行设计制造出一台大型数控旋转工作台，该工作台的台面直径约650mm，能满足一般大型零件的放置需要。该部件的基本传动副为大减速比的同步齿形带传动副。齿形带传动具有传动平稳、无明显反向间隙、寿命长的优点。电火花加工时，伺服进给性能会极大地影响加工过程的稳定性。由于工件直径较大，电机驱动旋转工作台上安装的工件转一很小的角度，都会在周向进给方向上产生较大的进给弧长，使加工产生过量进给。因而，驱动电机的低速驱动性能就成为影响旋转工作台伺服平稳性和加工指标的关键。为此，我们选用了中、低速性能良好，并与电源驱动系统相适配的日本产交流伺服电机。该电机的脉冲分辨率为2500脉冲/转，若按外直径为650mm的工件计算，最小进给弧长约为0.04mm。试验表明，这一最小进给当量，基本满足电火花斜轴铣削时周向进给的进给要求，加工进给平稳。
　　要实现斜轴电火花铣削加工，还必须配有夹持斜轴放置电极的专用电火花铣削附件—电极旋转夹头，以实现管状电极的高速旋转、高压冲油和调整电极轴线倾斜角度。我们自行设计、制造出的电极旋转夹头，也主要采用同步齿形带传动，其转速可通过简单电路进行调节。电极旋转精度要求较高，必须有很小的径向跳动和轴向窜动，还要求有很好的防油密封性。整个电火花铣削实验结构，如图1所示。

图1　斜轴电火花铣削试验结构图

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　　我们选用了日本Sodick公司的NF40电源控制柜，并对机床作了相应的对接改造。该电控柜，控制功能强，电参数丰富，可以实现三轴联动加工。所需数控程序，可以在本机上编制完成，也可以借助于其它计算机CAD/CAM编程系统编制完成后，再移植到本机上来，或者直接通过外部接口进行通讯联络。

2　工艺试验

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　　电火花铣削加工，大多以电极先作一轴向进给，在实体工件上加工出一圆柱形坑开始，这个圆柱形坑的深度称为预进给深度。斜轴电火花铣削加工主要受电极材料、尺寸、电极旋转速度、工件材料、冲液压力、预进给深度、电参数(脉宽t_i、脉间t_o、峰值电流I_p)等因素的影响。本试验主要研究脉宽t_i、脉间t_o、峰值电流I_p、电极直径、电极旋转速度对普通钢材料的加工蚀除速度和电极相对损耗的影响。全部试验采用紫铜—45钢电极对；预进给深度为3mm；工作液为煤油；冲油压力为1.5MPa；试验件的旋转直径为450mm；负极性加工。试验装备见图1。试验采用单因素法。
　　(1)脉宽t_i对加工蚀除速度V_w及电极损耗θ的影响
　　电火花铣削加工，由于工具电极高速旋转，并常附有高压冲液，排屑性能良好，加工较稳定，故脉宽t_i与脉间t_o的比值大致定为3:1，电极外径为10mm，内径为3mm的空心圆柱紫铜管。电极旋转速度n＝300r/min。试验结果如图2所示。

图2　脉宽t_i对V_w、θ的影响

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　　试验发现，随着脉宽t_i的增大，蚀除速度V_w逐渐增大，加工表面粗糙度也逐渐增大，这是由于单个脉冲的能量也逐渐增大。而随着t_i的增大，电极相对损耗θ则逐渐下降。
　　(2)峰值电流I_p对蚀除速度V_w及电极损耗θ的影响
　　峰值电流I_p也是影响单个脉冲放电能量的主要参数，其对V_w及θ的影响试验，见图3。

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图3　峰值电流I_p对V_w、θ的影响

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　　试验发现，随着I_p的逐渐增大，V_w逐渐提高，但I_p过大，则加工不太稳定，从放电波形观察，拉弧波形与空载波形都有增加，因而，V_w反而有所下降。这就说明，对应于不同旋转速度，不同电极直径，应有相应的最佳峰值电流I_p，相应地，随着I_p的增大，θ逐渐增大，当I_p大于45A时，电极表面有烧伤迹象。
　　(3)电极外径D对蚀除速度V_w及电极损耗θ的影响
　　电火花铣削加工，一般应结合具体零件的结构，选择相应直径的管状或棒状电极。研究D对V_w及θ的影响很有必要。其试验结果如图4所示。

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图4　电极外径D对V_w、θ的影响

　　试验发现，随着电极外径D的增大，V_w也逐渐增大，这与放电面积增大，脉冲利用率提高有关；但D大于12mm以后，V_w的增大则不太明显，很显然，这主要由于脉冲能量的限制。相应地，随着D的增大，电极相对损耗θ逐渐下降。D过小，工具电极壁厚太薄，电流密度过大，因而，电极相对损耗严重。
　　(4)电极旋转速度n对蚀除速度V_n及电极损耗θ的影响
　　电火花铣削特征之一，是电极的高速旋转。电极高速旋转，有利于加工过程的排屑和加工的稳定。电极旋转速度n对V_w及θ的影响试验，见图5。

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图5　电极旋转速度n对V_w、θ的影响

　　试验发现，对于外径为10mm的紫铜电极，随着n的增加，V_w也相应增加，但n大于300r/min后，n对V_w的影响就不太明显了。这说明，对于某一直径的电极，有一相应的使加工稳定、高效的基本转速。随着n的增加，电极相对损耗逐渐下降，当n大于基本转速后，影响则很小。这与转速大幅提高后，高压冲液对加工区的冲刷作用增强、电极镀覆效应减弱有关。

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3　结论

　　(1)利用国产主机，配以先进电控系统和自行设计的数控旋转工作台以及专用电极旋转夹头，可以方便地实现斜轴电火花铣削加工。
　　(2)对大直径薄壁复杂件，运用斜轴电火花铣削加工方法，是有效可行的选择手段。
　　(3)电火花斜轴铣削时，主要电参数对加工蚀除速度V_w及电极相对损耗θ的影响规律，与电火花成型加工时相似。
　　(4)试验全过程发现，电极损耗会较大影响加工面的形状、尺寸精度。进一步研究电极损耗的实时检测和补偿，很有必要。【MechNet】