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油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花銑削加工試驗(yàn)

2020-04-29 07:19陸曉華
電加工與模具 2020年2期
關(guān)鍵詞:電火花微結(jié)構(gòu)油泵

鄭 湘,吳 強(qiáng),陸曉華,劉 斌

(蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司,江蘇蘇州215011)

隨著技術(shù)發(fā)展,具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的零部件被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)許多油泵、油嘴公司生產(chǎn)的高壓共軌噴油嘴孔片是典型的具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的微細(xì)產(chǎn)品。目前,國內(nèi)大多數(shù)制造企業(yè)采用超高速旋轉(zhuǎn)主軸銑削的方法加工復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,但設(shè)備投入成本高、工藝流程繁雜、加工部位有毛刺且表面質(zhì)量較差,也達(dá)不到高同心度的要求,因此亟待尋找解決上述問題的方法。

數(shù)控電火花微孔加工機(jī)床采用高精度主機(jī)、微精脈沖電源及專用數(shù)控技術(shù),可實(shí)現(xiàn)精細(xì)形狀孔槽的精密加工,與傳統(tǒng)加工方法相比具有生產(chǎn)成本低、精度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]。在此基礎(chǔ)上,研究開發(fā)了三頭數(shù)控電火花微細(xì)銑削加工機(jī)床,使油泵、油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的一體化高精度加工成為可能。

本文主要通過介紹電火花微細(xì)銑削加工試驗(yàn)過程,著重分析了電極損耗補(bǔ)償、加工效率相關(guān)問題的解決方法,最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證摸索出可保證電火花微細(xì)銑削加工質(zhì)量及效率的工藝規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

產(chǎn)品試件的加工在自行研制的三頭數(shù)控微細(xì)電火花銑削加工機(jī)床上進(jìn)行。該設(shè)備由機(jī)床主機(jī)、兩個(gè)電氣控制箱及工作液系統(tǒng)組成。電氣控制箱1控制 X1、Y1、W1、Z1四個(gè)軸, 電氣控制箱 2 控制 X2、Y2、W2、Z2、Z3五個(gè)軸,其中精密伺服加工軸 Z1與 Z2、Z1與Z3均可同時(shí)加工。

電氣控制箱主要由數(shù)控系統(tǒng)、專用微精高頻脈沖電源、檢測伺服控制單元等部分組成。微精脈沖電源最大加工電流為0.4 A,加工電流調(diào)節(jié)范圍為0.1~0.4 A,共10檔可調(diào)。數(shù)控系統(tǒng)具有電火花銑削功能,對微精脈沖電源參數(shù)、電極微量伺服進(jìn)給進(jìn)行智能適應(yīng)控制,可實(shí)現(xiàn)電極在X、Y平面的軌跡運(yùn)動及Z軸方向縱向與微振動的耦合運(yùn)動。試驗(yàn)采用數(shù)碼顯微系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測量。

2 油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)加工要求

油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)試件的加工尺寸見圖1。加工要求如下:加工錐形90°、寬度0.3 mm、深度0.15 mm的環(huán)槽;加工寬度0.4 mm、深度0.15 mm的十字槽;加工直徑0.4 mm、深度0.15 mm的沉槽,孔徑精度為±0.003 mm;直徑0.23 mm微孔的流量散差在±3%以內(nèi);試件表面粗糙度 Ra<0.8 μm,同心度<0.01 mm;銑削加工底面深度一致且無明顯對接痕跡;加工需實(shí)現(xiàn)效率最大化,單個(gè)工件的加工時(shí)間少于4 min20 s。

圖1 油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)加工尺寸圖

3 油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花銑削加工試驗(yàn)

3.1 微細(xì)電火花銑削基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)

基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)采用工件材料為合金鋼,電極材料為硬鎢,加工目標(biāo)為寬度0.3 mm、深度0.15 mm的環(huán)槽。基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)參數(shù)

在試驗(yàn)初期,銑削的環(huán)槽存在明顯的底部不平和起點(diǎn)、終點(diǎn)的底部交接痕等情況。如圖2a所示,由于存在電極損耗,在單層銑削加工一段時(shí)間后,電極與工件之間的間隙增大,加工作用逐漸減弱,加工效率和伺服進(jìn)給速度波動,型腔底部出現(xiàn)明顯的高低差,加工形狀的幾何精度降低[2]。

為了提高加工精度,減少電極損耗對工件底面形貌的影響,試驗(yàn)進(jìn)一步改善電極縱向進(jìn)給速度Vz(圖2b),以達(dá)到電極損耗補(bǔ)償?shù)男Ч鸞3]。具體方法是:適當(dāng)加大電極的伺服進(jìn)給比例,匹配降低靈敏度參數(shù),根據(jù)間隙狀態(tài)檢測信號、加工效率等參數(shù)對電極損耗進(jìn)行在線檢測和補(bǔ)償[4];通過算法決策自適應(yīng)微量調(diào)節(jié)匹配伺服進(jìn)給比例和靈敏度,使加工放電間隙始終保持在正常范圍,電極沿?cái)?shù)控軌跡作伺服運(yùn)動,均勻地蝕除掉每一處的被加工材料[5]。

圖2 微細(xì)電火花銑削加工放電間隙的控制

采用數(shù)碼顯微系統(tǒng)對所加工的環(huán)槽進(jìn)行3D圖像合成,如圖3所示,相比于伺服進(jìn)給比例50%、靈敏度90%時(shí)的加工情況,當(dāng)伺服進(jìn)給比例為70%、靈敏度為10%時(shí),電火花銑削環(huán)槽的底面趨于均勻,且解決了底部不平和起點(diǎn)、終點(diǎn)底部交接痕的問題,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)型腔要求的加工效果[6]。

圖3 不同伺服比例和靈敏度下電火花銑削效果圖

試驗(yàn)表明,隨著伺服進(jìn)給比例和靈敏度的不斷匹配完善,伺服軸的進(jìn)給穩(wěn)定,電極損耗得到補(bǔ)償,電極形狀也趨于穩(wěn)定,可實(shí)現(xiàn)銑削環(huán)槽較理想的均勻連續(xù)加工。

3.2 微細(xì)電火花銑削加工效率試驗(yàn)

在保證其他試驗(yàn)條件不變的情況下,為了提高電火花微細(xì)銑削的加工效率,試驗(yàn)將電極絲的規(guī)格從直徑0.15 mm逐步提高至直徑0.28 mm,可實(shí)現(xiàn)良好的加工效果,且能將加工時(shí)間從之前的8 min大幅縮減至3.2 min,見表2。

表2 改變電極規(guī)格的具體過程參數(shù)

經(jīng)過多組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在實(shí)現(xiàn)等面積、等深度的同一加工目標(biāo)時(shí),電極絲截面積越大,則單層銑削深度應(yīng)越小,加工時(shí)間越短,加工效果越好。但是,通過權(quán)衡本試驗(yàn)樣件的實(shí)際加工尺寸和效率的各項(xiàng)要求,最終將電極直徑確定為中間值0.21 mm,且仍需進(jìn)一步縮短該中間值對應(yīng)的加工時(shí)間,故此時(shí)考慮進(jìn)一步改進(jìn)其他參數(shù)。

通過大量振動頻率試驗(yàn),得到保證質(zhì)量前提下的最優(yōu)振動頻率為560 Hz。分析原因:振動頻率實(shí)現(xiàn)了放電間隙附近的電極與工件的間隙高頻動態(tài)改變,有助于建立和維持正常放電狀態(tài),降低對伺服控制響應(yīng)的苛刻要求[7]。電極與工件之間的振動頻率提高了放電脈沖利用率,將蝕除的加工屑及時(shí)排出,從而改善加工狀態(tài)、提高加工效率,最終將加工時(shí)間由4 min縮短為2 min(表3)。

試驗(yàn)表明,通過電極直徑和振動頻率的優(yōu)化選擇,在保證加工精度的前提下,電火花銑削加工效率有了本質(zhì)的提高。通過上述基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)和加工效率試驗(yàn),以本試驗(yàn)樣件環(huán)槽加工為例,得到了電極直徑0.21 mm、伺服進(jìn)給比70%、靈敏度10%、振動頻率560 Hz的微細(xì)電火花銑削最優(yōu)加工參數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明,該加工參數(shù)可行且加工穩(wěn)定。

3.3 油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)加工試驗(yàn)

本試驗(yàn)涉及的油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)包括環(huán)槽、錐度溝槽、十字槽、沉槽、微孔,其電火花加工參數(shù)見表4。其中,環(huán)槽是依據(jù)前述所得最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行加工;錐度溝槽是通過三層不同半徑、不同深度的環(huán)槽組合加工而成[8];十字槽是通過直線槽的偶數(shù)層銑削加工而成(圖4)[9];沉槽、微孔均是根據(jù)常規(guī)電火花微孔加工工藝完成[10]。

表3 改變振動頻率的具體過程參數(shù)

表4 微結(jié)構(gòu)加工試驗(yàn)參數(shù)

圖4 直線槽偶數(shù)層銑削軌跡

上述微結(jié)構(gòu)的電火花銑削加工流程均依據(jù)第3.1~3.2節(jié)所述的微細(xì)電火花銑削加工質(zhì)量和效率的工藝規(guī)律反復(fù)試驗(yàn)所得。試驗(yàn)中,通過兩套獨(dú)立且信息互通的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),在精密伺服加工軸Z1上用直徑0.21 mm鎢電極加工環(huán)槽和錐度溝槽,加工時(shí)間3.85 min;在加工軸Z2上用直徑0.38 mm鎢電極加工十字槽和沉槽,加工時(shí)間2.85 min;在加工軸Z3上用直徑0.21 mm鎢電極加工直徑0.23 mm的微孔,加工時(shí)間0.3 min。Z1與Z2同時(shí)開始加工,Z2先加工完成;再換Z3與Z1同時(shí)加工,可將工件整體加工時(shí)間控制在4 min以內(nèi)。

如圖5所示,銑削加工后的工件底面深度一致且無明顯對接痕;同心度<0.01 mm;直徑0.4 mm沉槽的孔徑精度在±0.003 mm以內(nèi);直徑0.23 mm微孔的流量散差在±3%以內(nèi);表面粗糙度<Ra0.8 μm;加工總用時(shí)<4 min,各項(xiàng)加工指標(biāo)全部滿足要求。

圖5 工件加工完成的整體銑削效果

4 結(jié)論

通過對油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)進(jìn)行微細(xì)電火花銑削加工試驗(yàn)和分析,得到如下結(jié)論:

(1)為保證電火花銑削面的平整度,必須合理規(guī)劃伺服比例與靈敏度之間的參數(shù)關(guān)系,保持加工放電間隙始終在正常范圍內(nèi),使伺服軸進(jìn)給穩(wěn)定,電極損耗得到補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花銑削的均勻連續(xù)加工。

(2)針對同等面積、同等深度的環(huán)槽,電極絲的截面積越大,則單層銑削深度越小,加工效果越好;合適的電極振動頻率,可提高放電脈沖利用率,將蝕除的加工屑及時(shí)排出,改善加工狀態(tài),提高微細(xì)電火花銑削加工效率。

(3)微細(xì)電火花銑削加工工藝是在電火花微孔加工工藝的基礎(chǔ)上,通過更加精細(xì)合理地匹配電極規(guī)格、伺服比例、靈敏度、振動頻率等參數(shù)而形成的,并在油泵油嘴復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的高效加工難題上具有可行性。

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