三轴机床微细异型电极加工与尺寸误差分析.pdf

设 计 研 究 电加工与模具 2 0 1 2 年第5 期 三轴机床微细异型 电极加工与尺寸误差分析 郭 学杰， 裴 万生， 余祖元 ， 李剑 中 大连理 工大学 机 械工程 学 院 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 摘要 采 用直线插 补 与 圆弧 插补 算法 ， 在三 轴 卧式微 细 电火花 机床 上加 工 出圆锥 台、 四棱 台 以 及 带有 圆弧 曲 面的微 细 异型 电极 ， 并对加 工 结果尺 寸误 差及 导致误 差产 生的原 因进行 了全 面分 析 。 结 果表 明 ， 微 细异型 电极 的尺 寸误差 均在 2 ％ 以 内， 而放 电 间隙 的随机 性 、 机床 运 动精 度 、 尺 寸测 量 精 度 等均是 导致误 差形 成 的原 因。 关键词 微细电火花加工； 微细异型电极 ； 插补算法 中图分 类号 T G 6 6 1 文献 标识 码 A 文章 编 号 1 0 0 92 7 9 X 2 0 1 2 0 50 0 2 1 0 3 M i c r o He t e r 0 g e n e o u s El e c t r o d e M a c hi ni n g Us i n g Th r e e a x i s M a c h i n e To o l a n d S i z e Er r o r An a l y s i s Gu o Xu e j i e ， P e i Wa n s h e n g ，Yu Z u y u a n， L i J i a n z h o n g Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i nv e s t i g a t e s t h e ma c hi ni ng o f mi c r o He t e r o g e ne o u s e l e c t r o de ．By u s i n g l i n e a r i n t e r p o l a t i o n a n d c i r c u l a r a r c i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h ms ，mi c r o e l e c t r o d e s i n t h e s h a p e s o f c o n e ，q u a d r a n g u l a r p y r a mi d a nd c i r c u l a r - a r c c ur v e d s u r f a c e a r e s u c c e s s f u l l y p r o du c e d on a t h r e e - a x i s h o r i z o nt a l mi c r o EDM ma c h i n e t o o 1 ．Th e s i z e e r r o r o f t h e p r o d u c e d e l e c t r o d e s a n d t h e r e a s o n wh i c h I e a d s t o t h e e r r o r a r e a l s o f ul l y a n a l y s e d．The r e s u l t s s h o w t h a t t h e s i z e e r r o r o f t h e mi c r o h e t e r o g e n e o u s e l e c t r o d e s i s i n t he r a n g o f 2％ ，a n d t he r a n d o mn e s s o f d i s c ha r g e ga p，k i n e m a t i c a c c u r a c y o f t h e ma c hi n e a n d m e a s u r e m e n t pr e c i s i o n a c c o u n t f o r t he e r r o r． Ke y wo r d s mi c r o EDM ； mi c r o he t e r o ge n e o us e l e c t r o d e； i nt e r p o l a t i o n a l g o r i t h m 与传统机械相 比， 微机械体积小 、 耗能低 、 性能 稳定 ， 在航 空航天 、 医学 、 生 化 、 通 讯等 领域具 有广 泛 需求。而微 细电火 花加 工作为微细加工技 术的一 种 ， 因其可 加工任 何 导 电材料 而 无 需 考 虑材 料 的硬 度 ， 而 被广 泛应 用 于微 孔 和 微 型磨 具 的加 工 。 日本 学 者发 明了线 电极磨 削 技 术⋯ ， 解 决 了微 细 工具 电 极 的在线 制作 问题 ， 推动 了微 细 电火 花技术 的应 用 ， 同时促进了对微细电火花加工技术的深入研究。余 祖元等通过复合 电极摇动和工件超声振动的方法加 工 出了深 径 比达 2 9的微孔 。 本 丈利 用三 轴 微 细 电火 花 加 工 机床 ， 通 过 直 线 收稿 日期 2 0 1 20 81 0 基金项 目国家 自然科学基金 资助项 目 5 1 0 7 5 0 5 3 第一作者简介郭学杰 ， 男， 1 9 8 7年生 ， 硕士研究生。 插 补与 圆弧插 补方 法 ， 分 别加 工 出了 圆锥 台 、 四棱 台 以及 带有 圆弧 曲 面 的微 细异 型 电极 ， 并 获 得 了较 高 的加工 尺寸精 度 。 1 插 补算法 1 ． 1 直 线插 补原 理 数 控 加工 中 ， 按 脉 冲驱 动 方 式 的不 同有 脉 冲增 量 插补 和数字 增量 插补 。脉 冲增量 插补 主要 用于步 进 电机驱 动 的开 环 系统 ； 数 字 增 量插 补 主 要 用 于采 用交、 直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、 半闭环 数控 系 统 ， 也 可用 于 以 步进 电机 为伺 服 驱 动 系 统 的 开环数控系统。本文所用实验机床为双闭环直流伺 服 系统 ， 因而 选用 了数据 采样 插补 法 。 直线插补的基本原理如图 1所示 ， 假设要加工 的 直 线 O P在XY平 面 上 ， 起 点 坐 标 为 坐 标 原 点 。 一 21 电加工与模具 2 0 1 2 年第5 期 设 计 研 究 0 ， 0 ， 终点 坐 标 P 为 。 ， 。 ， 刀具 进 给 方 向 和 X 轴夹角为o 。设插补进给步长为 △ L， 则插补步数 N 为 厂 ■ 了 N 1 数控加工中 ， 插补步数应是整数 ， 即应对上式的 结果 取整 。插 补过程 中 ， 前 N 一1 步 所走 步长 均 为 A L， 第 N 步走完剩余 长度 。通过取速度的正弦值 和余弦值来保证 x、 y轴同时到达终点。 图 1直 线 插 补 原理 1 ． 2圆弧插 补原理 圆弧 插 补 的基 本原 理 如 图 2所 示 ， 设 圆弧 起 点 与终点 为 A z 。 ， 3 ， 。 ， B 3 2 ， 。P z ， ， Q ．z ⋯ ， ⋯ 为相邻 两个插补点。根据 圆的参 数方 程有 X Rc o s 0 ， y Rs i n 0 2 X 1 Rc o s 0 l RC O S 0 ， y川 Rs i n 0 1 Rs i n 0 3 式 中 R 为 圆 弧 半 径 ， 为 步 长 △ L 所 对 应 的 步距 角 。 由 尸、 Q两点的坐标可计算出弦P Q 与X 轴的 夹角 ， 进 而计算 出每 步 x 轴 、 y 轴 的速 度 。设 插 补 进 给步长 为 △ L， 则加 工 圆弧 A B 的插补 步数 N 为 N 4 一 磋 一 L ， 同直线插 补一样 ， 插补步数须 为正整数 ， 即前 N 一1 步每步所走角度为步距角 ， 第 N 步走完 剩余角度。 一 2 2 1 ． 3 基于 l a b v i e w的 插补算 法 根据以上直线插补与圆弧插补原理， 本文使用 l a b v i e w编制的插补算法 图 3 。 ⋯⋯⋯ ㈣ ∞ p l 川 l p a 直线插补 b 圆 弧插 补 图 3 基 于 l a b v i e w的插补算法 2 微细异型 电极加工 2 ． 1微细 异型 电极 加工原 理 微 细 电 极 的 制 备 采 用 线 电 极 电 火 花 磨 削 WE D G 方法 。如 图 4所 示 ， 线 电极 在 导 向 轮 上 连 续低速 移动 ， 工件 待成 形 的工 具 电极 则 根 据 需 要 随机床主轴旋转和进行三维运动。若通过所设计的 插补算法 ， 实现主轴在 X Z平面走斜线与圆弧轨迹， 并配合主轴的旋转与否， 则可在三轴卧式微细 电火 花机 床上加 工 出 圆锥 、 棱 台等 各 种 形 状 复杂 的微 细 异 型电极 。 工具 电极 图 4 WE D G加工原理图 2 ． 2微 细异 型 电极 的加 工结 果 图 5为预 加 工微 细 异 型 电极 的设 计 尺 寸 ， 表 1 为其加工参数 ， 图 6为其在卧式微细 电火花机床上 的实际加 工结 果照 片 。 电加工与模具 2 0 1 2 年第5 期 设 计 研 究 艺示 意 图如 图 1 l a 所 示 。石蜡 在 4 7 ～6 4℃熔化 ， 易 于施加 和 去 除。 实 验 加 工 倒 锥 孔 的脱 模 结 果 如 图 1 l b所示， 采用覆石蜡层与变电压结合 的手段 ， 可获 得 出入 口孔 径 差 达 2 5 t L m 以上 的倒 锥 程 度 较 大 的 微细 孔 。 被 加 工 一 件 石 蜡 a 底面涂覆石蜡工艺示意图 b 倒 锥 孔 脱模 形 貌 图 1 1 底面涂覆石蜡加工工艺 5 结 论 本文基 于微 细孔 电火 花加工 中观测 到 的“ 腰鼓 ” 现象 ， 进行了微细倒锥孔的在线加工参数调控电火 花加 工工 艺 的研 究 。 实验 研究 了 主要加 工 参 数对 孑 L 加 工 的影 响 ， 得 到 了 出入 口孔径 随开 路 电压 、 放 电 电容 、 电极 进给 深 度的变化关系。采用开路电压 1 6 0 V、 放电电容 1 0 n F、 电极 进给 深度 2 ． 5 mm 有利 于倒 锥孔 的形成 。 进行 了变 电压 的倒 锥孔加 工 实验 。在开路 电压 从 1 6 0 V 在线 调节 至 1 9 0 V， 变 压深 度 1 ． 3 mm， 进 给深 度 2 ． 5 mm， 放 电电容 1 0 n F的 条件 下 ， 实 验 得 到 了 出入 口孔径 平均 相差 1 8 ． 6“ m、 平 均锥 角 1 ． 1 6 。 的加 工效果 。 提 出了工件 底面 覆石蜡 的加 工工 艺 。采 用实 验 优化得到的加工参数 ， 与在线改变电参数工艺结合 ， 加工得到的倒锥微孔 的出入 口直径差值增加到 2 5 t t r n以 上 。 参考 文献 [ 1 ] 李勇， 王显军 ， 郭曼 ， 等 ． 微细 电火花加工关键技术研究[ J ] ． 清 华 大学学报 自然科学版 ，1 9 9 9 ， 3 9 8 4 64 9 ． 一 2 8一 【 2 J B e n a j e s J ， P a s t o r J V， P a y r i R， e t a 1 ．An a l y s i s o f t h e i n f l u e n c e o f d ie s e l n o z z l e g e o me t r y i n t h e i n j e c t i o n r a t e c h a r a c t e r i s t ic[ J ] J o u r n a l o f F l u i d s En g i n e e r i n g， 2 0 0 4， 1 2 6 6 371 ． [ 3 ] P a y r i R， Ga r c i a J M， S a l v a d o r F J ， e t a 1 ．Us i n g s p r a y mo me n t u m f lu x me a s u r e me n t s t o u n d e r s t a n d t h e i n f l u e n c e o f d i e s e l n o z z l e g e o me t r y o n s p r a y c h a r a c t e r i s t i c s[ J ] ．F u e l ， 2 0 0 5 ， 8 4 5 5 5 1 5 6 1 [ 4 j D i v e r C， At k i n s o n J ， H e lml H J ， e t a 1 ．Mi c r o E DM d r i l l i n g o f t a p a r e d h o l e s f o r in d u s t r ia l a p p l i c a t i o n s[ J ] ．J o u r n a l o f Ma t e r ia l s P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y， 2 0 0 4， 1 4 9 13 2 9 63 03 [ 5 ] C u s a n e l l i G， Mi n e l lo M， T o r c h i a F ， e t a 1 ．P r o p e r t i e s o f mi c r o h o l e s f o r n o z z l e b y mic r o E D M[ c] ／ ／ 1 5 t h I n t e r n a t io n a l S y mp o s i u m o n E l e c t r o ma c h i n i n g I S E M X V ．P i t t s b u r g h ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] K a o C C， Gr a n t M B． E D M p r o c e s s f o r ma n u f a c t u r i n g r e v e r s e t a p e r e d h o l e s ， US 7 5 7 2 9 9 7 [ P ] ． 2 0 0 90 8 1 1 ． [ 7 ] Ma c i N V， B e r m De z V， P a y r i R， e t a 1 ．Ne w t e c h n i q u e f o r d e t e r m in a t i o n o f i n t e r n a l g e o me t r y o f a d i e s e l n o z z l e wi t h t h e u s e o f s il l c o n e me t h o d o l o g y[ J ] E x p e r i me n t a l Te c h n i q u e s ， 2 0 0 3， 2 7 2 394 3． [ 8 ] 周毅满足欧 Ⅲ以上排放喷油嘴的喷孔加工技 术研究[ D] 上 海 上海交通大学 ， 2 0 0 9 ． 上接 第 2 3页 3 测量 误差 测量 采用 的 S MS o L Y S I M 测量 显微 镜 ， 其测 量 误差 为 1 m。也 是 导 致 异 型 电极 加 工 误 差 的 原 因之 一 。多次 测 量 求平 均 值 ， 可 减 小 电极 尺 寸误 差 。 3 总结 采用直线插补与圆弧插补算法， 在三轴微细电 火花机 床上 实 际加 工 出 了 圆锥 台 、 四棱 台 以及 带 有 曲面的微 细异 型 电极 ， 并 对 微 细异 型 电极 尺 寸误 差 进行计算 ， 其相对误差均在 2 ％以内 ， 说 明插补算法 有较 高 的精度 。本文 最后对 微 细异型 电极 尺寸 误差 的形成 原 因作 了全 面 分析 ， 分 析 得 到 放 电 间 隙 的随 机性 、 机床 运动 精度 、 尺寸 测量精 度等 均是 导致误 差 形成 的原 因 。 参 考文献 [ 1 ] Ma s u z a wa T， F u j i n o M， Ko b a y a s h i K， e t a 1 ．Wi r e e le c t r o d is c h a r g e g r in d i n g f o r mi c r o ma c h i n i n g[ J ] A n n a l s o f t h e C I R P， 1 9 8 5，3 4 1 21 32 J 6 [ 2 ] Y u Z u y u a n ， Z h a n g Y， L i J ， e t a l Hi g h a s p e c t r a t i o mi c r o h o l e d r i l l i n g a i d e d wit h u l t r a s o n i c v ib r a t i o n a n d p l a n e t a r y mo v e me n t o f e l e c t r o d e b y mi c r o E DM [ J ] ．A n n a l s o f t h e CI R P，2 0 0 9 ，5 8 2 】 32】 6．