电火花微细电极标准球在线检测方法

2015-01-23何晨龙邓集松

电加工与模具 2015年5期

曹彧，何晨龙，邓集松

（中国空空导弹研究院，河南洛阳471099）

用简单形状的微细电极对微细孔和微观三维结构进行电火花加工已成为当前电火花加工的关键技术之一[1]。在进行微细孔和微观三维结构的稳定加工时，微细电极的在线制作和检测是两项关键技术。若用离线方式加工电极，二次装夹使用会产生装夹误差和变形误差；若在线制作电极，则需稳定、可靠的电极在线检测系统。

在线测量电极尺寸最初采用的是试切法，利用事先加工好的电极对工件进行打孔，并通过测量孔的尺寸间接推算电极尺寸。但由于电火花加工存在放电间隙与电极损耗，该方法的效率和精度都不高。张勇等[2]利用电火花加工机床的接触感知功能，使微细电极在x、y两个方向分别接触标准棒，实现了电极在线测量，但由于标准棒与电极轴线的平行度不易保证，使其应用受到了一定程度的限制。郭锐等[3]用卤素光源、变焦显微镜头及CCD摄像机构建了微细电极在线测量系统，实现了微细电极的光学在线检测，但该方法需对电火花加工机床进行较大的改动，制造难度和成本都比接触感知法更高。为了高效、方便、低成本地实现电火花微细电极的在线测量。

本文提出了标准球在线检测方法，其操作简便、制造成本低，还能有效地避免传统接触测量法引起的误差。

1 在线测量系统的设计

标准球在线测量系统由标准球、支杆及被测电极构成（图1）。标准球固定在竖直的支杆上，标准球的直径D通过千分表测得。在获得标准球在机床中的准确位置后，利用电火花加工机床的电感应功能，分别感知标准球的两边，结合系统标定就可计算出电极直径d。

标准球在机床中的位置测量步骤如下：

（1）找出标准球球心在x方向的值xc。先将标准球固定安装在机床中，将待测电极移动到标准球附近，保证电极下端低于标准球水平截面，保持y方向和z方向的坐标不变，在x方向对称的两个位置进行接触感知，并分别记录两个坐标值x1、x2，标准球的球心必然在x1x2的中线上，则（图 2a）。

图1 标准球在线检测方法及原理

（2）寻找标准球球心在y方向的值yc。如图2b所示，保持待测电极的z值不变，将电极移动到标准球外的xc处，并从对称的两边分别感知标准球，记录 y1、y2，则

图2 标准球法的电极在线测量过程

（3）寻找标准球球心在z方向的值zc。抬起电极，确保其底端高于标准球的最高点；依次将电极移动到xc、yc处，仅移动z轴，使电极底端与标准球顶端进行感知，记录z0值，则zc=z0-D/2（图3）。

图3 标准球法球心z向找正方法

在测量电极处于某一高度时的直径h时，先将电极z方向移动到（zc-h）处，并用图2b所示的方法分别从两个方向对标准球进行接触感知，记录y1′、y2′，则待测电极直径 dy=2r=Δy-D=-D（图4）。然后，以同样方法在x轴方向进行接触感知，得到 dx=Δy-D=-D。为了减小测量误差，最后需将两个方向求得的电极直径进行平均，即可得到所测电极的直径d=

图4 距离端面h高度处的电极直径测量示意图

该方法能有效避免因电极轴与标准棒不平行而引起的误差（图5），即使支杆在一定程度上有所歪斜，也不会对测量结果造成影响。但由于在接触感知时，被测电极与标准球之间具有放电间隙，因其造成的测量误差仍无法避免。

图5 标准球测量法与标准棒测量法的误差对比

2 试验研究

2.1 系统标定

如果要精确测量电极的尺寸，必须先对测量系统进行标定。在本试验中，可采用标准件测量法。即已知在电火花加工机床上校直的标准电极离线测量直径为d0，再用标准球电极在线测量法对其进行测量，测出的目标值为dm，则系统误差值K=dm-d0。在测量未知尺寸电极的过程中，用上述方法测得的电极直径为dc，则电极的实际尺寸应为d=dc+K。这样就能消除系统误差对测量准确度的影响。

2.2 试验方案

在多种电极在线加工方式中，块电极反拷是一种相对简单且高效的方法。为了达到更好的试验效果，采用切向进给方式对电极进行反拷加工[4]，其原理见图6。其中，A为电极最初放电尖点，d为放电间隙，dE为目标电极直径，dS为加工前的电极直径。先将电极与反拷块通过电感应碰边找正，再设置轴向进给量沿反拷块切向边旋转、边进给放电，理论上，只要切向进给距离足够长，反拷加工结束阶段对应的反拷块表面损耗将极小，甚至接近无损耗。这样，电极的最终尺寸精度几乎不会受到反拷块损耗的影响。

图6 切向进给方式反拷示意图

为了兼顾试验效率和电极质量，试验对不同目标直径的电极均采用电极分层反拷，粗加工用较大的放电参数以提高效率，精加工用较小的放电参数以提高精度。每根电极各进行一次粗、精加工后，分别用标准球电极测量法和非接触式三坐标测量机对电极直径进行检测，结果见表1。可看出，相同待测电极、不同测量方法的相对误差值均在5%以内，能满足日常生产的电极在线测量精度要求。