唐佳靜，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

基于高速旋轉(zhuǎn)圓盤電極的深窄槽電火花加工方法

唐佳靜，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

傳統(tǒng)機械銑削和電火花成形方法加工深窄槽，效率低、精度差，因此提出利用主軸高速旋轉(zhuǎn)圓盤電極加工深窄槽的電火花加工方法。對不同主軸轉(zhuǎn)速下的加工速度、電極損耗及表面粗糙度進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明：提高主軸轉(zhuǎn)速，有利于提高深窄槽的加工速度，并能降低電極損耗，改善加工表面質(zhì)量。

主軸高速旋轉(zhuǎn)；電火花加工；圓盤電極；深窄槽；加工速度；電極損耗

在航空、航天和兵器等行業(yè)，為了達(dá)到消振、散熱等目的，常在零件表面設(shè)計深窄槽，且零件多為難加工材料。目前常用的窄槽加工方法有機械銑削和電火花成形加工。機械銑削加工窄槽時，由于要求銑刀刀尖尺寸較小，導(dǎo)致銑刀強度差，不易加工難加工材料；而電火花成形方法在難加工材料的加工方面具有明顯優(yōu)勢，但在加工深窄槽時，當(dāng)窄槽深度增加，加工中產(chǎn)生的放電屑不易排出，導(dǎo)致加工效率低、槽底表面質(zhì)量差[1]。利用高速抬刀進(jìn)行深窄槽的電火花成形加工[2]，雖然加工效率有所提高，但頻繁的抬刀動作會使整個加工過程的控制復(fù)雜化。利用電火花線切割方法也能進(jìn)行窄槽加工，但一次切割難以取得良好的表面質(zhì)量，需多次切割才能完成高精度的窄槽加工。

總的看來，電火花成形加工方法控制簡單，尤其適合高硬度、難加工材料的加工。但由于電火花加工方法效率低，加工過程中存在電極損耗。為此，在提高加工速度和降低電極損耗方面，很多學(xué)者進(jìn)行了研究。提高電火花加工速度的前提是保證穩(wěn)定的極間放電狀態(tài)，而電火花加工的電蝕產(chǎn)物能否從極間有效地排出是影響放電穩(wěn)定性的重要原因[3]。電極旋轉(zhuǎn)能促進(jìn)排屑和極間冷卻，從而可抑制短路、放電集中和異常拉弧放電現(xiàn)象的發(fā)生。因此，利用電極旋轉(zhuǎn)的方法可改善極間放電狀態(tài)，從而提高加工速度。但到目前為止，電極旋轉(zhuǎn)速度最高只能達(dá)到2000~3000 r/min。Yahagi等通過將主軸轉(zhuǎn)速提高到數(shù)萬轉(zhuǎn)以上的方法，對線電極電火花磨削加工

和微孔電火花加工進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，隨著主軸轉(zhuǎn)速的大幅提高，微細(xì)電火花加工的材料去除率明顯提高，且表面粗糙度和加工精度也得到提高，這是因為主軸高速旋轉(zhuǎn)可有效地沖洗極間放電間隙并提高電極表面的冷卻速度，從而有效改善了極間放電狀態(tài)[4-6]。

此外，Kunieda等研究了工具電極和工件之間的相對運動對放電柱的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極和工件之間發(fā)生相對運動時，放電柱極易在陰極上發(fā)生滑動，而在陽極上不易發(fā)生滑動。放電柱在陰極上的滑動將縮短放電柱在陰極上的停留時間，這將減少放電柱作用在陰極單位面積的放電能量，因此當(dāng)進(jìn)行正極性加工時能降低電極損耗[7]。楊曉冬等對移動熱源作用下電火花線切割加工電極絲溫度場進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，提高電極絲與工件之間的相對線速度，有利于降低電極絲的徑向損耗；且當(dāng)走絲速度增加到一定值時，可使放電通道在電極絲材料達(dá)到熔點之前滑過電極絲表面，不會發(fā)生電極材料的熔融和蝕除，從而實現(xiàn)電極絲的零損耗[8]。這說明通過提高電極與工件之間的相對運動速度，并在正極性加工的情況下，有望降低電極損耗。

Uno等利用旋轉(zhuǎn)圓盤電極進(jìn)行了窄槽電火花成形加工，研究結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)電火花成形加工方法，旋轉(zhuǎn)圓盤電極加工窄槽可提高表面加工質(zhì)量；但實驗中圓盤電極的轉(zhuǎn)速變化范圍為0~1100 r/ min[1]，由于主軸轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)速的變化并未對加工速度和電極損耗產(chǎn)生明顯影響?；谝陨险撌?，為提高深窄槽的加工效率和加工精度，本文提出了利用主軸高速旋轉(zhuǎn)圓盤電極進(jìn)行窄槽加工的電火花加工方法。通過實驗研究，明確了深窄槽加工中的主軸轉(zhuǎn)速對加工速度和電極損耗的影響。

1 實驗裝置和方法

實驗在三軸聯(lián)動精密數(shù)控微細(xì)電火花加工機床上進(jìn)行，伺服控制電主軸轉(zhuǎn)速為0~20 000 r/min連續(xù)可調(diào)，主軸回轉(zhuǎn)精度為2 μm。圓盤電極安裝在電主軸上，利用圓盤電極的圓周側(cè)面進(jìn)行深窄槽的電火花加工（圖1）。

圓盤電極的進(jìn)給方向為窄槽的長度加工方向，圓盤電極的旋轉(zhuǎn)方向與進(jìn)給方向相關(guān)，要保證圓盤電極上放電點的線速度方向與放電屑排出方向一致，以利于排屑。加工過程中，圓盤電極的圓柱側(cè)面與工件之間發(fā)生放電，圓盤電極上下表面不參與放電。加工方法見圖2。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 加工方法示意圖

當(dāng)圓盤電極高速旋轉(zhuǎn)時，其圓柱側(cè)面與工件之間會產(chǎn)生很高的相對線速度，這有利于促進(jìn)加工放電點的分散，并可抑制放電集中和異常拉弧放電的發(fā)生。圖3是脈沖電源頻率一定、主軸轉(zhuǎn)速不同時，電極圓周側(cè)面放電點的位置分布俯視圖?？煽闯觯?dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min時，放電點位置相互重疊；隨著轉(zhuǎn)速的提高，放電點位置分布分散加大，這有利于減少放電集中，提高放電穩(wěn)定性。

圖3 不同主軸轉(zhuǎn)速下的放電點位置分布[6]

2 實驗內(nèi)容與結(jié)果

本實驗研究主軸轉(zhuǎn)速對放電狀態(tài)的改善作用。

利用高速旋轉(zhuǎn)圓盤電極分別對寬深比為1：2和1：6的窄槽進(jìn)行電火花加工實驗，對比加工速度及電極損耗。加工寬深比為1：2的窄槽 （深2 mm、長9 mm）時，使用直徑40 mm、厚1 mm的紫銅圓盤電極；加工寬深比為1：6的窄槽（深3 mm、長9 mm）時，使用直徑50 mm、厚0.5 mm的紫銅圓盤電極。工件材料選用鉻錳鋼合金，其他加工條件見表1。

表1 窄槽加工條件

由于微細(xì)電火花加工機床可設(shè)定的放電能量較小，受實驗條件所限，本實驗相當(dāng)于對窄槽進(jìn)行一次精加工。在不同主軸轉(zhuǎn)速情況下，兩種不同直徑的圓盤電極圓周側(cè)面與工件間的相對線速度見圖4，可見隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，圓盤電極側(cè)面的線速度大幅提高；在相同主軸轉(zhuǎn)速下，較大直徑的圓盤電極可獲得更大的圓周線速度。

圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速下的圓盤電極圓周側(cè)面線速度

某主軸轉(zhuǎn)速下的窄槽加工是在該條件下可達(dá)到最佳放電狀態(tài) （具有較少的開路和異常放電狀態(tài)，脈沖被有效利用）所能設(shè)定的最大電極進(jìn)給速度下進(jìn)行的。圖5是兩種不同直徑的圓盤電極在不同主軸轉(zhuǎn)速下的最大進(jìn)給速度，可見隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，電極的最大進(jìn)給速度隨之增大，這有利于獲得較大的加工速度。

圖5 不同主軸轉(zhuǎn)速下的圓盤電極最大進(jìn)給速度

不同主軸轉(zhuǎn)速下窄槽加工的放電波形見圖6?？煽闯?，隨著轉(zhuǎn)速的提高，有效放電次數(shù)增加。這是因為提高主軸轉(zhuǎn)速有利于促進(jìn)放電點在電極表面的分散，有效放電次數(shù)增多意味著電極短路回退次數(shù)減少，加工效率提高。

圖6 窄槽加工的放電波形

加工速度和電極損耗隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況見圖7。其中，電極損耗是以加工結(jié)束后的圓盤電極體積減少量來計算的。由圖7可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，加工速度明顯提高，電極損耗明顯減少。使用直徑40 mm的圓盤電極進(jìn)行寬深比為1：2的窄槽加工，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高到10 000 r/min時，相比主軸不旋轉(zhuǎn)時的加工速度提高了92.7%，電極損耗下降了74.9%；相比主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min時，加工速度提高了30%，電極損耗下降了25.1%。使用直徑

50 mm的圓盤電極進(jìn)行寬深比為1：6的窄槽加工，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高到10 000 r/min時，相比主軸不旋轉(zhuǎn)時的加工速度提高了93.3%，電極損耗下降了77.8%；相比主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min時，加工速度提高了27.5%，電極損耗下降了33.8%。這說明提高主軸轉(zhuǎn)速，有利于提高加工速度，并減少電極損耗。

圖7 不同主軸轉(zhuǎn)速下的加工速度和電極損耗

雖然與寬深比1：2的窄槽加工相比，寬深比為1：6的窄槽加工，其放電排屑狀態(tài)更不利，但從圖7可看出，寬深比為1：6的窄槽加工速度更快。這是由于在寬深比為1：6的窄槽加工中使用的是直徑50 mm的圓盤電極，相比在寬深比為1：2的窄槽加工中使用直徑40 mm的圓盤電極，在相同的主軸轉(zhuǎn)速下，可獲得更大的圓周線速度（圖4），因而對放電狀態(tài)的改善更加有效。此外，寬深比為1：6的窄槽加工，其電極損耗也小于寬深比為1：2的窄槽加工，可推測在主軸高速旋轉(zhuǎn)情況下，直徑較大的圓盤電極能使放電柱在陰極上滑動得更明顯，從而降低了電極損耗。

3 主軸轉(zhuǎn)速對窄槽表面粗糙度的影響

利用激光共聚焦顯微鏡對窄槽表面粗糙度進(jìn)行了觀測，圖8是窄槽表面粗糙度Ra隨主軸轉(zhuǎn)速的變化情況?？煽闯觯S著主軸轉(zhuǎn)速的增大，窄槽表面粗糙度得到改善。這是因為圓盤電極圓周側(cè)面放電點與工件之間的相對線速度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而加快，促進(jìn)了放電屑的排出，可有效避免二次放電等不良放電現(xiàn)象，從而提高工件表面質(zhì)量。

圖8 窄槽表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化

4 結(jié)論

本文提出了基于高速旋轉(zhuǎn)圓盤電極的深窄槽電火花加工方法，在不同的主軸轉(zhuǎn)速下，對加工速度、電極損耗、表面粗糙度等進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明：主軸高速旋轉(zhuǎn)可明顯改善極間放電狀態(tài)，提高有效放電次數(shù)，從而可大幅提高窄槽的電火花加工速度，且能明顯降低電極損耗。同時，由于主軸高速旋轉(zhuǎn)可促進(jìn)放電屑排出，有效避免了二次放電損耗等不良放電現(xiàn)象，從而可改善表面質(zhì)量，提高加工精度。

該實驗在微細(xì)電火花加工機床上進(jìn)行，實驗所用的電參數(shù)適用于微細(xì)電火花加工。因條件所限，無法進(jìn)一步提高放電能量，本實驗相當(dāng)于對深窄槽進(jìn)行了一次精加工。如使用放電能量較大的電參數(shù)，可望在主軸高速旋轉(zhuǎn)下進(jìn)一步大幅提高窄槽的加工速度。

[1] Uno Y，Okada A，Itoh M，et al.Electrical discharge machining of groove with a rotating disk electrode[J].Journal of the Japan Society of Electrical Machining Engineers，1994，28（58）：24-37.

[2] 儲召良，趙萬生，顧琳.高速抬刀窄槽電火花加工性能實驗研究[J].電加工與模具，2013（1）：26-29.

[3] Yanatori K，Kunieda M.Study on debris movement in EDM gap[J].Lournal of the Japan Society of Electrical Machining Engineers，1995，29（61）：19-27.

[4] Yahagi Y，Koyano T，Kunieda M，et al.High spindle speed wire electrical discharge grinding using electrostatic induction feeding method[J].Key Engineering Materials，2010，447：268-271.

[5] Yahagi Y，Koyano T，Kunieda M，et al.Micro drilling EDM with high rotation speed of tool electrode using the electrostatic induction feeding method[J].Procedia CIRP，2012（1）：162-165.

[6] 矢萩優(yōu)名，小谷野智広，國枝正典，等.靜電誘導(dǎo)給電により高速回転電極を用いた微細(xì)放電加工 [J].精密工學(xué)會誌，2011，77（4）：394-399.

[7] Kunieda M，Kameyama A.Study on decreasing tool wear in EDM due to arc spots sliding on electrodes[J].Precision Engineering，2010，34（3）：546-553.

[8] 楊曉冬，滕慶.移動熱源作用下電火花線切割加工電極絲三維溫度場模擬[C]//第14屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011：219-223.

The EDM Method of Deep Narrow Groove Based on the High Speed Spindle Rotating Disk Electrode

Tang Jiajing，Yang Xiaodong
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Traditional mechanical milling and EDM method have the disadvantages of low efficiency and poor machining quality in machining deep narrow groove.This paper proposes an EDM processing method to machine deep narrow groove with high speed spindle rotating disk electrode. Machining speed，electrode wear and surface roughness with different spindle speeds are studied.The result shows that high spindle speed is helpful to improve machining speed，meanwhile electrode wear and surface roughness can be improved with high spindle speed.

high spindle speed rotating；EDM；disk electrode；deep narrow groove；machining speed；electrode wear

TG661

A

1009－279X（2014）01－0001-04

2013-09-30

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175121）第一作者簡介：唐佳靜，女，1987年生，博士研究生。