基于多功能微機床的復合微細電火花模塊設計及實驗研究
2017-1-17 來源：廣東工業大學機電工程學院 作者：曲興旺，郭鐘寧，吳濤，楊業成
摘要：針對實驗室塊反銬加工中出現的難以加工較細的微細工具電極問題，根據現有多功能微機床進行設計，按照模塊化設計思路，設計出了微細電火花復合加工模塊，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合的方法，通過運用不同電源模式實現塊反銬加工粗加工、線電極作為中、精磨削的微細電火花電極制作流程，采用蒸餾水為工作液，研究電參數對工具電極影響，并通過該實驗驗證了該加工工藝方法，且能穩定加工出長直徑為50 μm、長徑比大于84的微細工具電極。
關鍵詞：模塊化設計；電火花復合加工；蒸餾水
0.引言
微細加工技術在難加工材料如工具鋼、碳化鎢、超級合金材料等的加工中有廣泛應用[1-4]。微細加工技術主要有微細電火花、微細電化學、微細放電沉積、電鑄[5]等，實施這些工藝的前提是要獲得微細工具電極，所以微細電極制備就成為微細加工技術的關鍵。
微機械加工與微細電加工作為微細電極制作的兩項重要方法在微細電極制作中具有廣泛的應用。微機械加工技術主要包括微車削微銑、金剛石刀具磨削加工等[6]。微車微細雖然能夠加工微細軸但是也有致命的缺點[7-8]，主要是加工過程中存在切削力的作用，除此之外還存在二次裝夾誤差。此兩缺點限制了微車微銑的進一步應用。微細電加工技術則能避免以上微車微銑的缺點，這是因為電加工是無接觸式加工，能夠避免接觸應力。還有一個優點是電加工是在線加工能夠在線修正主軸的回轉精度與裝夾偏心，對后續工藝有了極大的保證。微細電加工技術主要包括電火花加工、電化學加工[9-10]。其中電火花加工又包括電火花塊反銬與微細線電極磨削兩種。
作為常見的微細在線制作微細工具電極的方法，微細塊反銬與微細線電極加工在微細加工中有廣泛應用。
塊反銬法是一種逆電火花技術。在加工過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。依靠軸坯不斷靠近塊電極產生火花放電來除去材料加工出微細工具電極。該方法的優點是磨削裝置簡單、成本低廉、加工效率高[11]，當然也有其缺點主要包括：安裝精度影響工具電極精度、工具電極表面質量差、損耗比計算困難等[12]。哈爾濱工業大學賈寶賢等利用塊反拷法加工出直徑為10 μm的微細軸[13]。南京航空航天大學采用電火花塊反拷法加工出直徑44 μm、長約為1.5 mm、長徑比為34的微細軸[14]。而自1984年日本學者研制出線電極電火花磨削技術（WEDG） [15]以來，線電極已得到長足發展，如趙萬生等人[16]利用研制的高精度微細電火花系統已經能夠加工出直徑為4.5 μm的軸和直徑為8 μm的孔。清華大學利用WEDG加工出直徑38 μm、長為0.6 mm的微小紫銅圓軸[17]。
1.復合微細放電模塊設計
1.1導輪的設計
在線電極電火花磨削加工中線電極的走絲穩定性決定了工具電極在線制作的精度。目前國內外研制的WEDG裝置放電加工區線電極導向方式可分為單支點和雙支點兩種[18]。由于雙支點型放點區線電極懸空，當放電發生時線電極由于受到爆炸力沖擊作用而產生振動不利于線電極的穩定，所以采用雙支點型放電導輪。對于“單支點”導向方式，需要在導向輪的圓周方向加工V型槽。加工過程中，線電極在線電極張力的作用下緊貼V 型槽，并在該V 型槽內沿圓弧線方向滑動，V 型槽的上下面既可以約束線電極上下振動，也對線電極進行導向輪徑向上的定位。對于圓周向一定深度的V 型槽往往只能適應一定直徑的線電極，這是因為線電極直徑過粗則線電極不能很好的固定，過細則線電極在V 型槽內或者不能裸露一部分與工具電極發生放電反應。所以為了解決一定尺寸V 型槽適應不同線電極直徑問題設計出了新型放電導輪如圖1所示在圓周面上開設不同寬度的U型槽以解決線電極不能裸露的問題，由于不同寬度的U型槽都圓心的距離不同，對于較細的線電極U型槽距圓心的距離較近，對于較粗的線電極U型槽距離圓心的距離較遠。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型槽內的過粗和過細的問題。
圖1 導輪示意圖
1.2塊電極反銬模塊設計
由于塊電極與工具電極之間的相對位置關系對于工具電極的形狀至關重要，所以設計時必須考慮塊電極的位置可調性。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并且接脈沖電源的負極。整個裝置安裝到微三維平臺上。在伺服運動控制下工具電極逐漸靠近塊電極，當工具電極運動到恰當的間隙時兩電極放電從而蝕除材料實現加工電極的加工。但是在安裝塊電極時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，造成加工出來的微細電極成錐形。為了減少安裝誤差設計出了可調平臺，如圖3 所示。該裝置可以調整水平度與垂直度兩個方向的誤差。
圖2 塊反銬加工示意圖
1.3 微細電火花加工控制系統設計
微細電火花控制部分主要有兩部分組成，工控機部分和多軸運動控制卡。而控制軟件采用LabVIEW 軟件。具體包括：圓盤形大理石平臺的旋轉、立式滑臺運動，主軸的旋轉與微三維平臺的運動、微能脈沖電源、間隙檢測反饋系統等。多軸運動控制卡采用的是雷賽公司的DMC2610，用于控制大理石轉臺的旋轉、立式滑臺的運動與主軸的旋轉運動。
圖3 可調塊電極輔助夾具
由于德國PI 微三維運動平臺自帶運動控制器，所以可以通過RS-232串口與工控機相連。微細反銬加工檢測間隙電流經霍爾傳感器轉換成電壓信號再經NI 公司生產的NIX 系列中的NIUSB-6361型號數據采集卡，通過調用微三維平臺運動LabVIEW控制程序，驅動德國PI三維微細平臺運動，其中反饋的電壓信號作為控制信號調節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。其反銬加工控制流程如圖4所示。
圖4 微細反銬加工控制流程圖
2.電極在線制作
2.1實驗方法
本文將塊電極磨削（BEDG）（圖5） 與線電極磨削（WEDG）（圖6） 結合在一起，以達到既
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點是加工效率高，缺點是加工出來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、表面質量好、電極一致性好等優點而著名，但缺點也很明顯就是加工效率低。為了綜合利用兩者的優點，本文采用塊電極磨削與線電極磨削相結合的工藝，即塊電極粗加工，然后線電極精加工，以實現精度與效率的兼顧。
2.2實驗條件
塊反銬加工實驗采用蒸餾水作為工作液，因為與煤油相比，蒸餾水方便獲得，且加工時不產生污染、冷卻速度高、流動性好、加工效率高等優點。實驗所用的工具電極材料為碳化鎢圓棒，直徑為1 mm，長度為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
線電極作為一套獨立的系統需保持其穩定性，因為線電極磨削時，電極絲的抖動對工具電極的影響很大，抖動過大時工具電極一致性得不到保證。線電極走絲系統原理見圖7。供線部分依靠線電極經過磁滯制動器輪時依靠帶輪的摩擦給電極絲運動提供一個阻力來實現，阻力大小可以通過磁滯制動器供電電流進行調節。收線部分則通過伺服電機帶動摩擦輪來實現，伺服電機速度連續可調。通過供線與收線確保電極絲在恒張力作用下平穩單向運行。工具電極直徑為1 mm的碳化鎢圓棒電極，線電極實驗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
經過設計與制作并裝配后的實驗裝置如圖8所示，該機床主要由鑲嵌陶瓷V型塊主軸系統、立式滑臺、高精密的微三維運動平臺、工作液槽以及可調的塊電極輔助夾具組成。主軸的旋轉精度為1 μm，立式滑臺的分辨率為1 μm。微三維運動平臺為德國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。設計好復合微細電火花模塊置于PI工作平臺上，如圖8所示。
圖8 復合微細電火花模塊示意圖
2.3實驗方案
本工藝的目的是制作出一致性好，形狀精度高的微細電極，為實現這一目的需要分兩步來完成。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。通過大量工藝試驗選擇出每個工序較優的加工參數，確保每個工序都能達到預期的加工目標，最終確定整個工藝流程的優化工藝參數組合，并進行試驗驗證。
3.加工實驗
3.1塊反銬加工
塊反銬加工時電源采用脈沖電源，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。其中脈寬的調節方規則為基本脈寬的1到15 倍而脈間的調節規則為脈間的2～10 倍。加工參數脈沖電源電壓80 V、脈寬為47.2 μs、脈間為79.2 μs、主軸轉速為400 r/min、進給率為2 μm/s。加工出的微細階梯工具電極如圖9所示，一級階梯平均直徑約為120 μm、長徑比達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，無需更換加工電極平臺直接將線電極模塊通過微三維平臺移動到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電源是因為（1） RC電源放電頻率高，提高加工效率（2） 單脈沖放電穩定有利
圖9 塊反銬加工微細電極
于提高加工質量（3） RC電源放電峰值高有利于降低表面粗糙度。加工時參數為：電壓60 V，電容800 pF，電阻100 Ω，主軸轉速為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，因為閾值電壓法可以實時控制兩電極之間的距離，使其始終處于正常放電狀態，降低非正常放電的概率，提高加工效率。線電極加工出來的微細電極如圖10所示，平均直徑為50 μm、長徑比達84的微細工具電極。
圖10 線電極磨削加工微細電極
4.結論
本文結合實驗室多功能微機床現有條件研制出復合微細電火花加工模塊，將塊反銬加工與線電極磨削加工結合在一起，設計并制造出非懸空放電輪，其能適應不同線徑。除此之外，還研究了塊電極反銬與線電極磨削工藝特點，在線制作出了直徑為50 μm、長徑比達84的微細工具電極，為在線制作微小孔以及微三維型腔結構奠定了基礎。
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