摇动半径与中心抬刀对电火花加工效果影响的试验研究

李殿新，刘建勇，张慧杰，杨晓宇

（北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617）

电 火 花 加 工（Electrical discharge machining,EDM）具有无切削力[1-2]、表面缺陷少[3]等优点，适合加工超硬材料、脆性材料以及难加工材料[4-5]，尤其在加工形状复杂的型腔、深窄槽、异型孔时有着不可或缺的作用[6]。随着自适应伺服控制的广泛应用，电火花加工能够实现更高的加工精度[7-8]，但加工复杂孔状结构时，存在排屑困难、加工不稳定、加工效率低等缺点[9-10]。在加工中使用高速抬刀技术[11]是大幅提高电火花加工效率的常用方法， Flaño 等[12]研究了抬刀时冲液对加工精度和加工效率的影响，提出了一种可以加工10 mm 深槽的电极，可以减少65%的加工时间，显著提高了加工效率。李淋等[13]研究了电火花深小孔加工抬刀过程中底部工作液的置换模型，得到了最优抬刀参数。加入摇动控制技术[14]可以有效降低加工型腔的表面粗糙度，刘洋等[15]采用有限元仿真的方法，研究了电火花摇动加工双孔挠性薄壁的变形，设计了双孔薄壁件电火花摇动加工的工艺路线，改善了小孔的加工精度。Yu 等[16]以一台卧式微细电火花机床加工304 不锈钢为对象，提出电极摇动的同时在工件上施加超声振动，加工出了高精度的微孔。高速抬刀和摇动加工在理论方面已经有了广泛研究[17-18]，但由于要对原有数控系统进行大的修改，仍然是亟待提高的薄弱环节。

基于开放式PC 平台，开发出具备高速复杂抬刀功能、多轴联动摇动加工功能的电火花成形加工数控系统，并进行了一系列相关试验研究，验证了本系统的加工能力，也研究了摇动功能和中心抬刀功能对加工结果的影响规律。

1 电火花成形加工试验系统

1.1 电火花数控系统

本研究的机床使用某型精密数控电火花机床，如图1a）所示。X、Y、Z轴的行程分别是300 mm、300 mm、200 mm。数控系统的硬件采用NC 控制卡与PC 机结合的方式，软件为Visual Studio 编程工具，程序采用C 语言进行编程。在PC 机的PCI 扩展板上扩展有NC 控制卡、IO 控制卡和电源控制卡，组成数控底层控制系统。NC 控制卡用来进行运动轨迹控制，IO 控制卡进行IO 信号控制，电源控制卡负责控制脉冲电源，控制系统如图1b）所示。

图1 电火花数控加工系统Fig.1 EDM CNC machining system

1.2 试验条件

根据电火花成形加工的发展趋势，开发出的系统具备中心抬刀功能和摇动功能。本试验工件材料为模具钢，电极为直径10 mm、长度60 mm 的紫铜棒，如图2a）所示。

图2 电极及工件效果Fig.2 Effects of electrode and workpiece

本文开展两组对比试验。首先分析摇动加工对试验结果的影响，在中心抬刀模式下，加入不同参数的摇动模式，摇动轨迹选取圆轨迹，摇动半径分别设定为30 μm、60 μm、90 μm，摇动模式采用自由摇动。然后分析中心抬刀对试验结果的影响，摇动半径设定为90 μm。其他加工参数如下：加工深度20 mm，抬刀高度2 mm，放电时间0.75 s，脉冲宽度100 μs，脉冲间隔100 μs，电流12 A。以中心抬刀和非中心抬刀对比为例，试验结果分别如图2b）与图2c）所示。

2 摇动加工与非摇动加工对比

2.1 摇动加工对加工效率影响

加工深度与加工时间的关系如图3 所示。由图3 可知，加工20 mm 深的孔时，无摇动加工和30 μm摇动加工所用的时间基本相同（仅相差约3 min），曲线的变化趋势也非常接近。这说明30 μm 摇动加工的摇动半径太小，还不足以体现出摇动加工的效果。由图3 还可以看出，刚开始加工时曲线的斜率比较小，随着加工的进行，曲线的斜率逐渐变大，这说明随着加工的进行，排屑逐渐困难，加工稳定性也随之下降。随着摇动半径的增加，60 μm 摇动加工抬刀过程中回中心时间变长，导致加工总时间变长（约221 min）。但是60 μm 摇动方式下加工曲线的斜率衰减更小，说明随着摇动半径的增大排屑更容易，提高了加工稳定性。90 μm 摇动加工的总时间更长（约341 min），但加工深度与加工时间基本呈直线关系，曲线的斜率基本恒定。原因可能是两点：一是摇动半径的增加导致抬刀时间变长，因此总的加工时间变长；二是摇动半径的增加使得电极与工件之间的侧面间隙更大，排屑更容易，由于排屑不畅导致的加工不稳定现象基本消失。

图3 加工效率对比Fig.3 Comparison of machining efficiency

2.2 摇动加工对加工蚀除率影响

加工蚀除率和加工深度之间的变化关系如图4所示。由图4 可知，随着加工深度的增加，无摇动加工的加工蚀除率逐渐减慢，从开始的0.096 g/min 减小至结束时的0.048 g/min。30 μm 摇动加工的结果和无摇动加工结果比较相似，加工蚀除率曲线和无摇动加工的蚀除率曲线也相仿。相对于无摇动加工，60 μm 摇动加工的加工蚀除率曲线下降幅度较小，由于摇动半径较大，初始时刻加工蚀除率为0.082 g/min。但是随着加工深度的变化，速度下降趋势较小，加工完成时的加工蚀除率为0.062 g/min，这表明在加工深度为20 mm 处时，60 μm 摇动加工的加工蚀除率超过无摇动加工和20 μm 摇动加工。90 μm 摇动加工的加工蚀除率曲线基本恒定，起始加工速度为0.048 g/min，结束时为0.045 g/min，说明该条件下加工深度对加工蚀除率的影响已经非常小。

图4 加工蚀除率对比Fig.4 Comparison of processing and etching rates

2.3 摇动加工对孔直径影响

孔的直径精度如图5 所示。由于切割倾斜误差的存在，导致切割后孔的断面不是标准的直线，而是类似椭圆的曲线，所以表现为中间部分的直径较大，而两边部分的直径较小。因此，摇动加工和非摇动加工在孔直径的变化趋势上都是上大下小，即开口处的直径较大，底端直径较小，这也符合电火花加工的特点，即由于侧面放电导致加工的型腔有一定的锥度。

图5 孔直径对比Fig.5 Comparison of hole diameters

为了对比不同摇动参数对孔直径精度的影响，测量深度2 mm 和18 mm 处孔的直径尺寸，两者的差值如表1 所示，以观察不同加工形式对孔锥度的影响。由表1 可知，当摇动半径为30 μm 时，整体表现与无摇动情况基本相同，说明此时难以起到摇动应有的效果。而随着摇动半径的增大，孔的直径误差减小，说明采用摇动方式能有效减少侧面放电现象的发生。

表1 直径偏差统计Tab.1 Statistics of diameter deviation

2.4 摇动加工对底部圆角影响

由于电火花加工时工具电极会出现损耗，尤其在尖角处尤为严重，而且由于放电加工的特点，型腔拐角处有一定的弧度，所以型腔底部圆角的大小是衡量电火花加工质量的重要指标之一。各加工方式下底部圆角的显微图对比如图6 所示。由图6 可知，随着摇动半径的增大，圆角半径逐渐减小。原因可能是摇动半径的增大有利于排屑，底面加工屑浓度降低，使得异常放电和侧面放电现象减少，抑制了圆角的形成，因此底面圆角半径减小。

图6 底部圆角半径尺寸Fig.6 Radius size of bottom fillet

2.5 摇动加工对加工深度精度影响

影响电火花加工深度精度的原因主要有两个，一是电极损耗，即由于工具电极在加工过程中发生损耗，所以实际的加工深度小于理想值；二是放电间隙，即由于工具电极和工件材料之间存在间隙，会导致实际的加工深度大于理想值。测量得到各项结果的深度精度对比如表2 所示。由表2 可知，无摇动时的加工深度小于理想值约0.048 mm，30 μm 摇动加工的深度非常接近目标值，仅小于理想值约0.011 mm，而60 μm 和90 μm 摇动加工的深度略大于目标值。原因是无摇动加工时，数控程序按照设定的20 mm深度进行加工，加工完成后立即停止，导致电极损耗引起的误差没有得到补偿，因此实际加工深度小于设定值。而由于摇动加工自身的特点，在加工至20 mm后还要再摇动一周后停止，会将工具电极损耗造成的影响抵消掉一部分，使得实际加工深度趋向于理想值。

表2 加工深度对比Tab.2 Comparison of processing depth

2.6 摇动加工对表面粗糙度影响

不同加工方式下的表面粗糙度结果如表3 所示。由表3 可知，表面粗糙度结果基本相同，4 种工况下的表面粗糙度最大仅相差约0.098 μm，说明电火花加工的表面粗糙度基本只受脉冲电源参数的影响，当采用同一脉冲电源参数时，表面粗糙度基本相同，不同摇动参数对其影响较小。

表3 表面粗糙度对比Tab.3 Comparison of surface roughness

2.7 摇动加工对电极损耗影响

不同加工方式下的电极损耗结果如表4 所示。3 种摇动加工模式下的电极损耗率均低于无摇动加工，并且随着摇动半径的增大，电极损耗率逐渐下降。相比无摇动加工，90 μm 摇动加工的电极损耗率下降了约18.4%。但由试验结果可知，本数控平台的电极损耗率比较小。

表4 电极损耗对比Tab.4 Comparison of electrode loss

3 中心抬刀加工与非中心抬刀加工对比

以上在中心抬刀模式下，对比了不同摇动半径对加工结果的影响，本节将对比中心抬刀与非中心抬刀对试验结果的影响。为了体现出摇动加工的效果，两种模式下的摇动半径均设定为90 μm。

3.1 中心抬刀对加工效率影响

加工深度与加工时间的关系如图7 所示。由图7 可知，非中心抬刀模式的加工速度更快，加工时间少大约60 min，原因是该模式在抬刀时没有回中心操作，因此抬刀总时间更短。

图7 加工效率对比Fig.7 Comparison of machining efficiency

3.2 中心抬刀对加工蚀除率影响

加工蚀除率和加工深度之间的变化关系如图8所示。由图8 可知，两种模式下的加工蚀除率都比较稳定，随加工深度的增加变化不大，而且非中心抬刀的加工蚀除率整体偏大。说明中心抬刀模式在维护加工稳定性方面效果并不明显。

图8 加工蚀除率对比Fig.8 Comparison of processing and etching rates

3.3 中心抬刀对孔直径影响

孔的直径精度如图9 所示。由图9 可知，中心抬刀加工的直径尺寸整体上更小，而且中心抬刀加工的直径锥度更小。原因是非中心抬刀加工时侧面放电现象更频繁，导致加工出的孔直径偏大且锥度偏大。而中心抬刀加工时，由于抬刀过程中工具电极的侧面和孔侧壁距离较远，所以侧面放电较少，因此加工的孔精度更高。

图9 孔直径对比Fig.9 Comparison of hole diameters

为了对比中心抬刀对孔直径精度的影响，测量深度2 mm 和18 mm 处孔的直径尺寸，中心抬刀模式下底部与顶部直径偏差为0.055 μm，非中心抬刀模式下该参数为0.074 μm。中心抬刀加工出孔的上下直径差值明显小于非中心抬刀加工，说明中心抬刀加工可以有效较少侧面放电现象的发生，从而提高型腔的加工精度。

3.4 中心抬刀对底部圆角影响

两种加工模式下底部圆角显微测量结果如图10所示，测量得到两者的结果基本相同，说明随着摇动半径的增大，排屑更容易，两种加工模式下型腔内的切屑都相对较少。

图10 底部圆角半径尺寸Fig.10 Radius size of bottom fillet

3.5 中心抬刀对加工深度精度影响

中心抬刀模式下实际加工深度为20.021 mm，非中心抬刀模式下实际加工深度为20.029 mm，两者都略大于理想值。原因是自由摇动模式下，两种加工方式都是在加工至目标深度后再摇动加工一周，一方面为了补偿电极损耗，另一方面为了修光底面。由于两个结果比较接近，可以认为中心抬刀模式对加工精度影响不明显。

3.6 中心抬刀对表面粗糙度影响

中心抬刀和非中心抬刀模式下的表面粗糙度分别是3.014 μm 和3.115 μm，两者比较接近。说明表面粗糙度与脉冲电源参数相关性更强，与加工方式的关系不大。

3.7 中心抬刀对电极损耗影响

两种加工模式下的电极损耗结果如表5 所示。相比非中心抬刀模式，中心抬刀模式下的电极损耗率减小了约15.3%，说明中心抬刀模式下的电极损耗明显减小。

4 结论

1）在中心抬刀模式下，摇动半径增加会降低加工效率、降低加工蚀除率、减小底部圆角直径、减小电极损耗率、加大加工深度、增加孔直径但减小孔的直径误差，对表面粗糙度的影响不大。

2）在90 μm 摇动模式下，中心抬刀会降低加工效率、降低加工蚀除率、减小孔直径并降低孔的直径误差、减小电极损耗率，对底部圆角直径、加工深度、表面粗糙度的影响不大。

3）后续将进一步开展试验研究，探究理想的加工参数。本数控系统也需进一步改进，如脉冲电源前端直流部分需增加电压可调电路，数控系统的加工参数库仍需完善等。