搖動半徑與中心抬刀對電火花加工效果影響的試驗研究

李殿新，劉建勇，張慧杰，楊曉宇

（北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617）

電 火 花 加 工（Electrical discharge machining,EDM）具有無切削力[1-2]、表面缺陷少[3]等優點，適合加工超硬材料、脆性材料以及難加工材料[4-5]，尤其在加工形狀復雜的型腔、深窄槽、異型孔時有著不可或缺的作用[6]。隨著自適應伺服控制的廣泛應用，電火花加工能夠實現更高的加工精度[7-8]，但加工復雜孔狀結構時，存在排屑困難、加工不穩定、加工效率低等缺點[9-10]。在加工中使用高速抬刀技術[11]是大幅提高電火花加工效率的常用方法， Fla?o 等[12]研究了抬刀時沖液對加工精度和加工效率的影響，提出了一種可以加工10 mm 深槽的電極，可以減少65%的加工時間，顯著提高了加工效率。李淋等[13]研究了電火花深小孔加工抬刀過程中底部工作液的置換模型，得到了最優抬刀參數。加入搖動控制技術[14]可以有效降低加工型腔的表面粗糙度，劉洋等[15]采用有限元仿真的方法，研究了電火花搖動加工雙孔撓性薄壁的變形，設計了雙孔薄壁件電火花搖動加工的工藝路線，改善了小孔的加工精度。Yu 等[16]以一臺臥式微細電火花機床加工304 不銹鋼為對象，提出電極搖動的同時在工件上施加超聲振動，加工出了高精度的微孔。高速抬刀和搖動加工在理論方面已經有了廣泛研究[17-18]，但由于要對原有數控系統進行大的修改，仍然是亟待提高的薄弱環節。

基于開放式PC 平臺，開發出具備高速復雜抬刀功能、多軸聯動搖動加工功能的電火花成形加工數控系統，并進行了一系列相關試驗研究，驗證了本系統的加工能力，也研究了搖動功能和中心抬刀功能對加工結果的影響規律。

1 電火花成形加工試驗系統

1.1 電火花數控系統

本研究的機床使用某型精密數控電火花機床，如圖1a）所示。X、Y、Z軸的行程分別是300 mm、300 mm、200 mm。數控系統的硬件采用NC 控制卡與PC 機結合的方式，軟件為Visual Studio 編程工具，程序采用C 語言進行編程。在PC 機的PCI 擴展板上擴展有NC 控制卡、IO 控制卡和電源控制卡，組成數控底層控制系統。NC 控制卡用來進行運動軌跡控制，IO 控制卡進行IO 信號控制，電源控制卡負責控制脈沖電源，控制系統如圖1b）所示。

圖1 電火花數控加工系統Fig.1 EDM CNC machining system

1.2 試驗條件

根據電火花成形加工的發展趨勢，開發出的系統具備中心抬刀功能和搖動功能。本試驗工件材料為模具鋼，電極為直徑10 mm、長度60 mm 的紫銅棒，如圖2a）所示。

圖2 電極及工件效果Fig.2 Effects of electrode and workpiece

本文開展兩組對比試驗。首先分析搖動加工對試驗結果的影響，在中心抬刀模式下，加入不同參數的搖動模式，搖動軌跡選取圓軌跡，搖動半徑分別設定為30 μm、60 μm、90 μm，搖動模式采用自由搖動。然后分析中心抬刀對試驗結果的影響，搖動半徑設定為90 μm。其他加工參數如下：加工深度20 mm，抬刀高度2 mm，放電時間0.75 s，脈沖寬度100 μs，脈沖間隔100 μs，電流12 A。以中心抬刀和非中心抬刀對比為例，試驗結果分別如圖2b）與圖2c）所示。

2 搖動加工與非搖動加工對比

2.1 搖動加工對加工效率影響

加工深度與加工時間的關系如圖3 所示。由圖3 可知，加工20 mm 深的孔時，無搖動加工和30 μm搖動加工所用的時間基本相同（僅相差約3 min），曲線的變化趨勢也非常接近。這說明30 μm 搖動加工的搖動半徑太小，還不足以體現出搖動加工的效果。由圖3 還可以看出，剛開始加工時曲線的斜率比較小，隨著加工的進行，曲線的斜率逐漸變大，這說明隨著加工的進行，排屑逐漸困難，加工穩定性也隨之下降。隨著搖動半徑的增加，60 μm 搖動加工抬刀過程中回中心時間變長，導致加工總時間變長（約221 min）。但是60 μm 搖動方式下加工曲線的斜率衰減更小，說明隨著搖動半徑的增大排屑更容易，提高了加工穩定性。90 μm 搖動加工的總時間更長（約341 min），但加工深度與加工時間基本呈直線關系，曲線的斜率基本恒定。原因可能是兩點：一是搖動半徑的增加導致抬刀時間變長，因此總的加工時間變長；二是搖動半徑的增加使得電極與工件之間的側面間隙更大，排屑更容易，由于排屑不暢導致的加工不穩定現象基本消失。

圖3 加工效率對比Fig.3 Comparison of machining efficiency

2.2 搖動加工對加工蝕除率影響

加工蝕除率和加工深度之間的變化關系如圖4所示。由圖4 可知，隨著加工深度的增加，無搖動加工的加工蝕除率逐漸減慢，從開始的0.096 g/min 減小至結束時的0.048 g/min。30 μm 搖動加工的結果和無搖動加工結果比較相似，加工蝕除率曲線和無搖動加工的蝕除率曲線也相仿。相對于無搖動加工，60 μm 搖動加工的加工蝕除率曲線下降幅度較小，由于搖動半徑較大，初始時刻加工蝕除率為0.082 g/min。但是隨著加工深度的變化，速度下降趨勢較小，加工完成時的加工蝕除率為0.062 g/min，這表明在加工深度為20 mm 處時，60 μm 搖動加工的加工蝕除率超過無搖動加工和20 μm 搖動加工。90 μm 搖動加工的加工蝕除率曲線基本恒定，起始加工速度為0.048 g/min，結束時為0.045 g/min，說明該條件下加工深度對加工蝕除率的影響已經非常小。

圖4 加工蝕除率對比Fig.4 Comparison of processing and etching rates

2.3 搖動加工對孔直徑影響

孔的直徑精度如圖5 所示。由于切割傾斜誤差的存在，導致切割后孔的斷面不是標準的直線，而是類似橢圓的曲線，所以表現為中間部分的直徑較大，而兩邊部分的直徑較小。因此，搖動加工和非搖動加工在孔直徑的變化趨勢上都是上大下小，即開口處的直徑較大，底端直徑較小，這也符合電火花加工的特點，即由于側面放電導致加工的型腔有一定的錐度。

圖5 孔直徑對比Fig.5 Comparison of hole diameters

為了對比不同搖動參數對孔直徑精度的影響，測量深度2 mm 和18 mm 處孔的直徑尺寸，兩者的差值如表1 所示，以觀察不同加工形式對孔錐度的影響。由表1 可知，當搖動半徑為30 μm 時，整體表現與無搖動情況基本相同，說明此時難以起到搖動應有的效果。而隨著搖動半徑的增大，孔的直徑誤差減小，說明采用搖動方式能有效減少側面放電現象的發生。

表1 直徑偏差統計Tab.1 Statistics of diameter deviation

2.4 搖動加工對底部圓角影響

由于電火花加工時工具電極會出現損耗，尤其在尖角處尤為嚴重，而且由于放電加工的特點，型腔拐角處有一定的弧度，所以型腔底部圓角的大小是衡量電火花加工質量的重要指標之一。各加工方式下底部圓角的顯微圖對比如圖6 所示。由圖6 可知，隨著搖動半徑的增大，圓角半徑逐漸減小。原因可能是搖動半徑的增大有利于排屑，底面加工屑濃度降低，使得異常放電和側面放電現象減少，抑制了圓角的形成，因此底面圓角半徑減小。

圖6 底部圓角半徑尺寸Fig.6 Radius size of bottom fillet

2.5 搖動加工對加工深度精度影響

影響電火花加工深度精度的原因主要有兩個，一是電極損耗，即由于工具電極在加工過程中發生損耗，所以實際的加工深度小于理想值；二是放電間隙，即由于工具電極和工件材料之間存在間隙，會導致實際的加工深度大于理想值。測量得到各項結果的深度精度對比如表2 所示。由表2 可知，無搖動時的加工深度小于理想值約0.048 mm，30 μm 搖動加工的深度非常接近目標值，僅小于理想值約0.011 mm，而60 μm 和90 μm 搖動加工的深度略大于目標值。原因是無搖動加工時，數控程序按照設定的20 mm深度進行加工，加工完成后立即停止，導致電極損耗引起的誤差沒有得到補償，因此實際加工深度小于設定值。而由于搖動加工自身的特點，在加工至20 mm后還要再搖動一周后停止，會將工具電極損耗造成的影響抵消掉一部分，使得實際加工深度趨向于理想值。

表2 加工深度對比Tab.2 Comparison of processing depth

2.6 搖動加工對表面粗糙度影響

不同加工方式下的表面粗糙度結果如表3 所示。由表3 可知，表面粗糙度結果基本相同，4 種工況下的表面粗糙度最大僅相差約0.098 μm，說明電火花加工的表面粗糙度基本只受脈沖電源參數的影響，當采用同一脈沖電源參數時，表面粗糙度基本相同，不同搖動參數對其影響較小。

表3 表面粗糙度對比Tab.3 Comparison of surface roughness

2.7 搖動加工對電極損耗影響

不同加工方式下的電極損耗結果如表4 所示。3 種搖動加工模式下的電極損耗率均低于無搖動加工，并且隨著搖動半徑的增大，電極損耗率逐漸下降。相比無搖動加工，90 μm 搖動加工的電極損耗率下降了約18.4%。但由試驗結果可知，本數控平臺的電極損耗率比較小。

表4 電極損耗對比Tab.4 Comparison of electrode loss

3 中心抬刀加工與非中心抬刀加工對比

以上在中心抬刀模式下，對比了不同搖動半徑對加工結果的影響，本節將對比中心抬刀與非中心抬刀對試驗結果的影響。為了體現出搖動加工的效果，兩種模式下的搖動半徑均設定為90 μm。

3.1 中心抬刀對加工效率影響

加工深度與加工時間的關系如圖7 所示。由圖7 可知，非中心抬刀模式的加工速度更快，加工時間少大約60 min，原因是該模式在抬刀時沒有回中心操作，因此抬刀總時間更短。

圖7 加工效率對比Fig.7 Comparison of machining efficiency

3.2 中心抬刀對加工蝕除率影響

加工蝕除率和加工深度之間的變化關系如圖8所示。由圖8 可知，兩種模式下的加工蝕除率都比較穩定，隨加工深度的增加變化不大，而且非中心抬刀的加工蝕除率整體偏大。說明中心抬刀模式在維護加工穩定性方面效果并不明顯。

圖8 加工蝕除率對比Fig.8 Comparison of processing and etching rates

3.3 中心抬刀對孔直徑影響

孔的直徑精度如圖9 所示。由圖9 可知，中心抬刀加工的直徑尺寸整體上更小，而且中心抬刀加工的直徑錐度更小。原因是非中心抬刀加工時側面放電現象更頻繁，導致加工出的孔直徑偏大且錐度偏大。而中心抬刀加工時，由于抬刀過程中工具電極的側面和孔側壁距離較遠，所以側面放電較少，因此加工的孔精度更高。

圖9 孔直徑對比Fig.9 Comparison of hole diameters

為了對比中心抬刀對孔直徑精度的影響，測量深度2 mm 和18 mm 處孔的直徑尺寸，中心抬刀模式下底部與頂部直徑偏差為0.055 μm，非中心抬刀模式下該參數為0.074 μm。中心抬刀加工出孔的上下直徑差值明顯小于非中心抬刀加工，說明中心抬刀加工可以有效較少側面放電現象的發生，從而提高型腔的加工精度。

3.4 中心抬刀對底部圓角影響

兩種加工模式下底部圓角顯微測量結果如圖10所示，測量得到兩者的結果基本相同，說明隨著搖動半徑的增大，排屑更容易，兩種加工模式下型腔內的切屑都相對較少。

圖10 底部圓角半徑尺寸Fig.10 Radius size of bottom fillet

3.5 中心抬刀對加工深度精度影響

中心抬刀模式下實際加工深度為20.021 mm，非中心抬刀模式下實際加工深度為20.029 mm，兩者都略大于理想值。原因是自由搖動模式下，兩種加工方式都是在加工至目標深度后再搖動加工一周，一方面為了補償電極損耗，另一方面為了修光底面。由于兩個結果比較接近，可以認為中心抬刀模式對加工精度影響不明顯。

3.6 中心抬刀對表面粗糙度影響

中心抬刀和非中心抬刀模式下的表面粗糙度分別是3.014 μm 和3.115 μm，兩者比較接近。說明表面粗糙度與脈沖電源參數相關性更強，與加工方式的關系不大。

3.7 中心抬刀對電極損耗影響

兩種加工模式下的電極損耗結果如表5 所示。相比非中心抬刀模式，中心抬刀模式下的電極損耗率減小了約15.3%，說明中心抬刀模式下的電極損耗明顯減小。

4 結論

1）在中心抬刀模式下，搖動半徑增加會降低加工效率、降低加工蝕除率、減小底部圓角直徑、減小電極損耗率、加大加工深度、增加孔直徑但減小孔的直徑誤差，對表面粗糙度的影響不大。

2）在90 μm 搖動模式下，中心抬刀會降低加工效率、降低加工蝕除率、減小孔直徑并降低孔的直徑誤差、減小電極損耗率，對底部圓角直徑、加工深度、表面粗糙度的影響不大。

3）后續將進一步開展試驗研究，探究理想的加工參數。本數控系統也需進一步改進，如脈沖電源前端直流部分需增加電壓可調電路，數控系統的加工參數庫仍需完善等。