喷丝板微孔电火花高效铣削加工工艺研究

徐琳俊，庄昌华，陆晓华，宣寒玉

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

我国是世界化纤生产大国，各种化纤是将原料在喷丝机中高温熔化，再施加一定压力使之通过表面布满微孔的一种模板（喷丝板）喷流而出，继而冷凝形成[1]。喷丝板上的孔形、质量、精度是纺丝工艺的关键因素[2]，直接影响着成形纤维的性能。喷丝板上的微群孔大多采用电火花微孔加工工艺完成。

电火花喷丝板微孔加工是利用电蚀加工原理，在金属喷丝板上加工出微细的小孔（图1），其孔形除了圆孔外，各种精密异形微孔越来越多[3-4]，常见的有Y形、雪花形、三角形、骨形等（图2）。

图1 喷丝板结构图

纺丝孔的尺寸微小且形状各异，常见的微孔尺寸约为0.09 mm×0.25 mm，通常需在100倍以上的放大镜下观测，其精度和表面粗糙度要求极高。这些孔形可采用整体电极一次放电加工成形，对单一孔形而言加工效率高，孔形精度一致性好[5]。但也有很大的局限性，只能加工特定的一种孔形，不同的孔形需要不同的电极，对微细异形电极的要求也很高。并且，微细异形电极价格昂贵，制作难度大且周期较长，所以使总的加工成本变得非常高[6]。

图2 各种异形喷丝板微孔

本文针对化纤行业喷丝板微孔加工需求，研发了电火花喷丝板微孔加工机床。该设备既可通过拼花方式加工高精度异形喷丝微孔，又可通过铣槽方式获得微孔[7]。在该设备上采用铣槽方式进行了大量工艺实验，得到了一种喷丝板微孔精密高效加工的工艺方法。该方法基本可满足大多数异形喷丝孔的加工需求，具有操作简单、加工成本低、自动化程度高等优点，大大缩小了我国喷丝板加工技术与国外同类技术的差距[8-9]，技术成果已在国内多家喷丝板制造企业得到广泛应用。

1 实验条件及指标

实验中，采用自主研发的五轴数控电火花空间组合高精度微孔加工设备，只用简单的圆形电极丝安装在数控旋转分度轴 （C轴）上。电极丝直接为0.05 mm，工件为0.5 mm厚的不锈钢板，通过XYZC轴的插补，实现了采用简单低成本电极加工高精度异形喷丝微孔。该设备具有以下特点：

（1）采用自主研制的专用微细电极导向器，用于对微细电极的精密微阻尼高寿命导向。

（2）高精度全闭环控制XYZWC五轴数控主机。

（3）实现电极丝滚轮伺服进给、高精度旋转分度为一体的精密电火花微孔多功能加工头。

（4）具有电导率检测控制的工作液系统，通过对工作液的电导率检测和控制，可保证加工的精度和稳定性。

（5）微精放电状态精准、快速检测及数字化纳秒级微能量脉冲电源，加工过程中对数字化微精脉冲电源参数、电极微量伺服进给进行智能适应控制。

（6）专用数控系统对加工过程实现异形喷丝板微孔加工的智能控制。

实验过程中，加工时间决定了产品生产制造周期，对企业经济效益有直接影响；产品加工形状质量的好坏及稳定性对企业竞争力也尤为重要[10]。本实验分别从加工时间及铣槽宽度方面进行考查。

2 工艺实验结果分析

以图2所示骨形微孔进行加工工艺实验，通过G代码编制骨形槽加工程序，对不同实验条件及不同电参数下的加工结果进行对比分析。

（1）实验一

电极进给速度过慢会导致加工效率明显下降，过快又会引起短路、损耗过大、加工不稳定等情况，同样造成生产率降低。为了验证进给速度参数对加工结果的影响，在其他电参数都不变的情况下，仅通过设置进给速度由慢变快，所得加工结果见图3。可看出，进给速度对铣槽的加工结果影响较大，当速度增大到最快时，加工形状质量最佳，微孔边缘光滑均匀，各方向的槽粗细均匀（图3f）。

图3 不同进给速度下的工艺实验结果

不同进给速度的加工时间见表1。结合图表分析可知，增大进给速度后，加工形状渐好，铣槽边缘轮廓清晰、无毛刺，槽宽适中（图3f），虽然加工时间不是最短，但可获得更好的加工质量。综合考量加工形状与耗时，初步选定图3f所示的进给速度，而如何进一步提高加工效率是后续实验的方向。

表1 增大进给速度的实验结果

（2）实验二

本实验采用自主研制的专用微细电极导向器，成本较国外同类产品大幅降低，每套可节约生产成本近万元，且可根据电极丝的粗细程度选用不同规格的导向器，方便灵活。

选用直径0.05 mm的软钨电极，分别与不同间隙导向器（1#、2#、3#、4#）进行工艺实验，通过结果对比，最终选定合适的导向器。在参数及实验条件都一致的情况下，四种自制导向器的实验结果见图4。可见，使用1#、2#导向器的铣槽宽度过宽，形状不理想，电极丝与导向器的间隙明显过大。3#导向器的加工结果显示，X向槽宽合适，但斜向四个角度的槽宽略宽，不同方向的槽宽不均匀，说明导向器与电极丝间隙仍不匹配。采用4#导向器后，获得了较理想的槽型，各向的槽宽一致性好。因此，在相同加工条件下，不同的导向器对加工形状有着直接影响，选用合适的导向器可使加工形状更好更稳定。

图4 不同间隙导向器对加工结果的影响

对应的综合实验结果见表2。结合图表可看出，电参数相同时，加工时间差异不大，但加工结果却大相径庭。1#导向器间隙过大，加工结果无法达到要求；只有当电极丝与导向器的间隙合理、配合恰当（4#），才能获得理想的加工结果。但根据实际操作经验，当导向器间隙过小时，阻尼增大会造成穿丝困难、电极受力变形。因此，选用与电极丝匹配的导向器能获得更优的加工结果和更高的工作效率，无论是铣槽形状还是槽宽都在要求的范围之内。

表2 不同导向器的试验结果

（3）实验三

在上述二项实验结果的基础上，进行了旋转分度轴（C轴）的转速影响实验，观察不同转速对加工结果的影响，结果见图5。可看出，转速从600 r/min增加至1100 r/min时，骨形质量由差变优，边缘轮廓清晰，烧弧现象减少。当转速在900～1100 r/min时加工结果都符合要求。但随着转速不断增加至1200 r/min后，出现了烧弧现象，孔形质量较差。

图5 不同电极丝转速下的加工结果

对应的加工时间及槽宽结果见表3。结合图表可知，在选用同一导向器且在相同电参数下，不同的电极丝转速会对加工结果产生影响。转速增大，微孔加工结果逐渐变好且耗时缩短，但转速超过1100 r/min后，耗时又增加且槽型质量欠佳，同时电极丝损耗过大，造成电极丝浪费和频繁更换电极丝的麻烦。因此，综合分析槽宽和加工时间可得出，当旋转轴转速为900 r/min时，槽型最佳且耗时最短。

表3 电极丝不同转速的试验结果

通过上述工艺实验，以喷丝板微孔中的骨形微孔为例，分别从进给速度、导向器、C轴转速三个方面对高效加工工艺进行了分析研究，得到了一组喷丝板微孔的高效加工参数。经多次反复实验证明，该组参数下的加工结果可行且稳定。

3 结束语

本文针对高效低成本的微孔加工工艺寻求了更优的工艺参数，在较短时间内获得了较好的微孔孔形，可满足大多数异形喷丝孔的加工需求，具有操作简单、加工成本低、自动化程度高等优点。实验采用自主研制的导向器与软钨电极丝，每套成本比进口产品节约上万元，大大降低了生产成本。该加工技术及设备填补了国内空白，所研究的高效高质加工微孔技术尚属国内外首创。

[1] 异形孔喷丝板的研制[J].合成纤维通讯，1977（4）：19-24.

[2] UHRNER H.喷丝板的热清洗[J].高善荣，译.国外纺织技术，2000（12）：5-6.

[3] 王永恒，石彩杰，崔再治.喷丝板的设计[J].聚酯工业，2006，19（3）：27-30.

[4] 向群.国内外非织造布行业的发展及展望 [J].非织造布，2006，14（3）：3-7.

[5] 张云.谈微小孔的加工技术[J].内燃机，2008（5）：21.

[6] 刘晓东，许耀东.不锈钢的切削研究 [J].机械，2005（10）：52-53.

[7] 胡帮，刘德平，刘武发.高速铣削加工动静态监测技术的研究[J].机床与液压，2011，39（7）：9-10.

[8] PEI Yongchen，TAN Qingchang，YANG Zhaojun.A study of dynamic stresses in micro-drills under high-speed machining[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，46（14）：1892-1900.

[9] ADAMSD P，VASILE M J，BENAVIDESG，etal.Micromilling of metal alloys with focused ion beamfabricated tools[J].Precision Engineering，2001，25（2）：107-113.

[10]ONIKURA H，OHNISHI O，TAKE Y，et al.Fabrication of micro carbide tools by ultrasonic vibration grinding[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2000，49（1）：257-260.