摘　要：文中對實現斜軸電火花銑削加工的基本條件進行了探討，介紹了基本實驗裝置，并作了電極直徑、電極旋轉速度、電參數對材料蝕除速度和電極相對損耗的影響規律的研究。
　　關鍵詞：電火花銑削；斜軸；電極旋轉速度

Research on Electro-discharge Milling With Tilting Shaft

SHUN Guang-biao　WEN Bao-ping　ZHANG An-zhou　REN Zhong-gen
Northwestern Polytechnical University，Xi，an　710072，China

　　Abstract:The test of electro-discharge milling with aided tilting shaft was done in this paper.It includes the study of the basic machining conditions,the design of the essential experimental devices and the investigation of the effect of some factors on metal removal rate(MRR) and electrode wear(EW).The factors are electrode diameters,electrode rotating speeds and electrical parameters.
　　key words:Electro-discharge milling(EDM);Aided tilting shaft;Electrode roatating speed

　　電火花銑削加工(也叫電火花創成加工)，是一種新型的電火花加工方法。它是用高速旋轉的簡單管狀或棒狀電極作三維或二維輪廓加工，像數控銑床一樣，不再需要制造復雜的成形電極。這種加工方法與電火花成型加工相比較，具有節省大量成形電極、生產周期短、加工費用低、加工柔性高等優點。目前，國外已有多家公司生產出具有銑削功能的電火花成品機床，而國內這方面的研究尚處起步階段。電極高速旋轉，是電火花銑削加工的特點。與普通機械銑削類似，電火花銑削加工，按照電極旋轉軸的傾斜位置，又可分為立軸、橫軸和斜軸電火花銑削。當電極軸水平橫放或斜放時，電極與工件的相對進給運動，可以由數控電火花機床的X、Y、 Z作三軸聯動來實現，也可以由數控電火花機床的X、Z二軸與工件的旋轉運動作聯動來實現。前者通常用于大直徑圓柱或圓錐零件的側向三維型面的加工，所用電極一般為實心球頭電極。而后者應用較廣。對于大直徑的圓柱或圓錐零件，其側向的螺旋型槽、二維輪廓的臺或坑，均可通過后者的加工方法，利用空心圓柱電極加以實現。本文就是針對某航空預研項目中某大直徑難加工小錐度薄壁圓錐面上的螺旋槽、二維型臺的具體對象，對斜軸電火花銑削加工作一初步探索。

1　實現電火花斜軸銑削的基本條件

　　航空大直徑的薄壁零件，在其側向壁上常會有一些異型二維坑、臺、槽，這類零件受電火花機床油槽等限制，一般只能豎軸放置，顯然，這些異型加工面用機械加工方法，由于材料難加工及零件剛性差等因素，是很難加工的。采用電火花斜軸或橫軸銑削加工是可行、有效的加工方法。要實現這類零件側向異型面的電火花銑削加工，必須有實現零件周向伺服進給的進給機構。為此，我們自行設計制造出一臺大型數控旋轉工作臺，該工作臺的臺面直徑約650mm，能滿足一般大型零件的放置需要。該部件的基本傳動副為大減速比的同步齒形帶傳動副。齒形帶傳動具有傳動平穩、無明顯反向間隙、壽命長的優點。電火花加工時，伺服進給性能會極大地影響加工過程的穩定性。由于工件直徑較大，電機驅動旋轉工作臺上安裝的工件轉一很小的角度，都會在周向進給方向上產生較大的進給弧長，使加工產生過量進給。因而，驅動電機的低速驅動性能就成為影響旋轉工作臺伺服平穩性和加工指標的關鍵。為此，我們選用了中、低速性能良好，并與電源驅動系統相適配的日本產交流伺服電機。該電機的脈沖分辨率為2500脈沖/轉，若按外直徑為650mm的工件計算，最小進給弧長約為0.04mm。試驗表明，這一最小進給當量，基本滿足電火花斜軸銑削時周向進給的進給要求，加工進給平穩。
　　要實現斜軸電火花銑削加工，還必須配有夾持斜軸放置電極的專用電火花銑削附件— 電極旋轉夾頭，以實現管狀電極的高速旋轉、高壓沖油和調整電極軸線傾斜角度。我們自行設計、制造出的電極旋轉夾頭，也主要采用同步齒形帶傳動，其轉速可通過簡單電路進行調節。電極旋轉精度要求較高，必須有很小的徑向跳動和軸向竄動，還要求有很好的防油密封性。整個電火花銑削實驗結構，如圖1所示。

圖1　斜軸電火花銑削試驗結構圖

　　我們選用了日本Sodick公司的NF40電源控制柜，并對機床作了相應的對接改造。該電控柜，控制功能強，電參數豐富，可以實現三軸聯動加工。所需數控程序，可以在本機上編制完成，也可以借助于其它計算機CAD/CAM編程系統編制完成后，再移植到本機上來，或者直接通過外部接口進行通訊聯絡。

2　工藝試驗

　　電火花銑削加工，大多以電極先作一軸向進給，在實體工件上加工出一圓柱形坑開始，這個圓柱形坑的深度稱為預進給深度。斜軸電火花銑削加工主要受電極材料、尺寸、電極旋轉速度、工件材料、沖液壓力、預進給深度、電參數(脈寬ti、脈間to、峰值電流Ip)等因素的影響。本試驗主要研究脈寬ti、脈間to、峰值電流Ip、電極直徑、電極旋轉速度對普通鋼材料的加工蝕除速度和電極相對損耗的影響。全部試驗采用紫銅—45鋼電極對；預進給深度為3mm；工作液為煤油；沖油壓力為1.5MPa；試驗件的旋轉直徑為450mm；負極性加工。試驗裝備見圖1。試驗采用單因素法。
　　(1)脈寬ti對加工蝕除速度Vw及電極損耗θ的影響
　　電火花銑削加工，由于工具電極高速旋轉，并常附有高壓沖液，排屑性能良好，加工較穩定，故脈寬ti與脈間to的比值大致定為3:1，電極外徑為10mm，內徑為3mm的空心圓柱紫銅管。電極旋轉速度n＝300r/min。試驗結果如圖2所示。

圖2　脈寬t_i對V_w、θ的影響

　　試驗發現，隨著脈寬ti的增大，蝕除速度Vw逐漸增大，加工表面粗糙度也逐漸增大，這是由于單個脈沖的能量也逐漸增大。而隨著ti的增大，電極相對損耗θ則逐漸下降。
　　(2)峰值電流Ip對蝕除速度Vw及電極損耗θ的影響
　　峰值電流Ip也是影響單個脈沖放電能量的主要參數，其對Vw及θ的影響試驗，見圖3。

圖3　峰值電流I_p對V_w、θ的影響

　　試驗發現，隨著Ip的逐漸增大，Vw逐漸提高，但Ip過大，則加工不太穩定，從放電波形觀察，拉弧波形與空載波形都有增加，因而，Vw反而有所下降。這就說明，對應于不同旋轉速度，不同電極直徑，應有相應的最佳峰值電流Ip，相應地，隨著Ip的增大，θ逐漸增大，當Ip大于45A時，電極表面有燒傷跡象。
　　(3)電極外徑D對蝕除速度Vw及電極損耗θ的影響
　　電火花銑削加工，一般應結合具體零件的結構，選擇相應直徑的管狀或棒狀電極。研究D對Vw及θ的影響很有必要。其試驗結果如圖4所示。

圖4　電極外徑D對V_w、θ的影響

　　試驗發現，隨著電極外徑D的增大，Vw也逐漸增大，這與放電面積增大，脈沖利用率提高有關；但D大于12mm以后，Vw的增大則不太明顯，很顯然，這主要由于脈沖能量的限制。相應地，隨著D的增大，電極相對損耗θ逐漸下降。D過小，工具電極壁厚太薄，電流密度過大，因而，電極相對損耗嚴重。
　　(4)電極旋轉速度n對蝕除速度Vn及電極損耗θ的影響
　　電火花銑削特征之一，是電極的高速旋轉。電極高速旋轉，有利于加工過程的排屑和加工的穩定。電極旋轉速度n對Vw及θ的影響試驗，見圖5。

圖5　電極旋轉速度n對V_w、θ的影響

　　試驗發現，對于外徑為10mm的紫銅電極，隨著n的增加，Vw也相應增加，但n大于300r/min后，n對Vw的影響就不太明顯了。這說明，對于某一直徑的電極，有一相應的使加工穩定、高效的基本轉速。隨著n的增加，電極相對損耗逐漸下降，當n大于基本轉速后，影響則很小。這與轉速大幅提高后，高壓沖液對加工區的沖刷作用增強、電極鍍覆效應減弱有關。

3　結論

　　(1)利用國產主機，配以先進電控系統和自行設計的數控旋轉工作臺以及專用電極旋轉夾頭，可以方便地實現斜軸電火花銑削加工。
　　(2)對大直徑薄壁復雜件，運用斜軸電火花銑削加工方法，是有效可行的選擇手段。
　　(3)電火花斜軸銑削時，主要電參數對加工蝕除速度Vw及電極相對損耗θ的影響規律，與電火花成型加工時相似。
　　(4)試驗全過程發現，電極損耗會較大影響加工面的形狀、尺寸精度。進一步研究電極損耗的實時檢測和補償，很有必要。