CN104874876A - 一种工具电极加工工艺及采用该工具电极加工微孔的方法 - Google Patents

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Abstract

一种工具电极加工工艺及采用该工具电极加工微孔的方法，通过选择合适的工具电极材料以及调整工具电极的加工参数，并采用被加工的工具电极连接电源负极，反拷块电极连接电源正极的反加工的方法，经粗加工和精加工过程，同时设置加工量实时测量装置，获得了大长径比的电极工具，并以此大长径比的工具电极为基础，实现了大深径比微孔的加工，在特种加工技术领域有较好的应用前景。

Description

一种工具电极加工工艺及采用该工具电极加工微孔的方法
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，特别是一种工具电极加工工艺及采用该工具电极加工微孔的方法。
背景技术
随着世界范围的产品小型化和精密化，微细加工技术在现在制造技术中占据越来越重要的地位，大深径比(大于10)的微孔(孔径小于Φ0.5mm)加工是一项世界性的加工难题。目前，常用的微孔加工主要有微细电火花加工、钻削、激光加工、超声波加工、电解加工等，微细电火花加工技术以其非接触加工、无宏观应力、易实现大深径比的特点已经发展成为微细加工技术的一个重要分支。影响工具电极磨削精度的因素较多，不同的电极材料、主轴转速、电参数、冷却方式电极精度差异较大，这也导致电火花加工微孔存在磨削工具电极偏心、正锥形缺陷比较常见，工具电极直径及微孔精度不易控制，加工一致性、稳定性较差等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供了一种工具电极加工工艺及采用该工具电极加工微孔的方法，解决了具有大深径比的微孔电火花加工问题。
本发明的技术解决方案是：
一种工具电极在线磨削制备方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在微细电火花加工机床安装工具电极和反拷块电极，反拷块电极连接负极，工具电极连接正极；并通过在线测量装置观测工具电极的加工程度；
步骤二：设定工具电极的轴向进给量X1和径向进给量Z1；X向进给、Z向进给设定按如下方法进行：
X1＝(D1-D2)/2+A+B
Z1＝L1D2+C
其中：A为反拷块电极损耗补偿,B为装卡误差补偿，C为工具电极尖端锥度误差补偿；选取的电极工具直径D1、磨削加工电极工具直径D2，磨削后的工具电极的长径比L1，X向进给量X1，Z向进给量Z1；
步骤三：在X、Z向进给设定好之后，预设定粗加工和精加工的电参数；其中，
粗加工电参数：电极极性，正极性；脉宽，2.5μs-4.7μs；脉冲间隔，10μs-30μs；开路电压，60V-80V；峰值电流：4.8A-6A；主轴转速：200r/min-300r/min；伺服参考电压COMP，40％-60％；冲油量：20ml/s-50ml/s；
精加工电参数：电极极性，正极性；脉宽，0.5μs-2.7μs；脉冲间隔，5μs-15μs；开路电压，50V-60V；峰值电流：1.5A-5A；主轴转速：200r/min-300r/min；伺服参考电压COMP：40％-60％；冲油量：20ml/s-50ml/s；
步骤四：启动机床，按照设定参数使反拷块电极对工具电极依次进行粗磨削和精磨削，并在线观测系统对加工量进行检测，并根据检测结果调整加工参数；
首先，反拷块电极与工具电极接触感知，粗磨削过程中每磨削15s-20s设定程序暂停一次，将工具电极快速移动到在线测量系统聚焦点，检测工具电极直径，将工具电极加工至(1.3-1.4)D2；调整到精加工电参数，每磨削5s-10s设定程序暂停一次，将工具电极快速移动到在线测量系统聚焦点，检测工具电极直径是否磨削到直径D2，否则，继续重复上述精加工步骤，直到达到要求直径值D2。
所述工具电极为碳化钨硬质合金电极，所述反拷块电极为铜钨合金。
所述在线测量装置集成于微细电火花加工机床，其测量精度优于4μm，用于实现对工具电极的精确对焦测量。
所述微细电火花加工机床的脉冲电源可输出最小脉宽不大于20ns的窄脉冲，单次放电能量可控制在10-8J-10-6J数量级之间，伺服进给系统进给量控制在微米级范围内，设备主轴径向跳动误差不大于0.004mm。
所述工具电极的伸出长度设定为Z1+(1mm-2mm)，确保加工安全。
所述反拷块电极放电加工面与机床工作台的垂直度小于0.005mm。
一种采用权利要求1所述工具电极进行微孔加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将微孔加工工件在微细电火花加工机床上装卡固定；
步骤二：调整电源极性，将工具电极作为电极加工工具，即工具电极连接正极，微孔工件连接负极，并设定微孔加工电参数，所述电参数如下：电极极性，负极性；脉宽，1μs-5μs；脉冲间隙，10μs-100μs；开路电压，50V-80V；峰值电流：2A-6A；主轴转速：200r/min-300r/min；伺服基准(伺服参考电压)COMP/％，40％-60％；平动量：0-0.02mm；冲油量：30ml/s-50ml/s。
步骤三：在电参数设定完成后，依据设计要求设定微孔加工深度Z2
Z2＝L2+D3+E
L2—实际要求加工深度；D3—电极损耗补偿；E—电极尖端锥度补偿；
步骤四：启动机床，将工具电极移动到加工起始点，并按照预设电参数和所设定微孔加工深度Z2对微孔加工件进行加工。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明所磨削微细工具电极、微孔精度高，加工速度快且表面质量好。
(2)本发明所选用硬质合金工具电极、铜钨合金反拷块电极搭配巴索Sorepi LM电加工切削液。磨削微细工具电极刚性较好，改善了电极损耗大、电饰产物聚集等状况。
(3)本发明的微细工具电极磨削与微孔加工在同一台机床上进行，通过优化装卡方式，采用与机床集成良好在线测量系统，制备过程中实时修正电极缺陷，磨削电极基本无椭圆、偏心，正锥形缺陷有很大改善。
(4)建立了规范化的工具电极磨削及微孔加工工艺参数库，加工工具电极、微孔尺寸和形状精度得到有效控制。
(5)国内首次实现直径范围(Φ0.025mm-Φ0.05)±0.005mm、长径比大于70微细电极的在线稳定制备。
(6)本发明在国内首次实现Φ0.04±0.005mm以上、深径比大于10:1微孔的稳定加工，出入口孔径锥度小于0.005mm，特别适合工程应用。
(7)本发明不仅适用于平面加工，同样也适用于锥面、圆柱面上大深径比微孔加工，具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明大深径比微孔在线制备工艺流程图；
图2是本发明大深径比微孔在线制备加工示意图；
图3是本发明工具电极在线磨削制备示意图；
图4是本发明微孔加工示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种工具电极的加工工艺以及采用该工具电极进行微孔加工的方法，所述电火花在线加工制备微孔包括选取合适工具电极及反拷块电极、大长径比工具电极在线高精密制备、大深径比微孔加工，微孔检验等步骤。该技术方案的关键步骤为大长径比精密微细工具电极的在线制备、大深径比微孔加工，以下作简要介绍：
①大长径比微细工具电极的在线制备：大长径比微细工具电极的制备首先需要在线监测手段作为支撑，本发明利用高精密的在线观测装置，有效的避免了因离线、电极二次装卡引起的测量和安装误差，实现了微细工具电极磨削过程中电极加工状态的实时观测及修正。本技术方案采用BEDG磨削微电极工艺方法，摸索出了在线制备和修正电极的一般工艺特性和电参数组合，较好地解决了电极旋转运动的周期性和放电区域的局部性引起的磨削不均匀、精度差、长径比不足等问题。通过边加工边测量的迭代磨削方式，加工出精度较高的大长径比微细工具电极(Φ0.025mm-Φ0.05)±0.005mm系列。
②大深径比微孔电火花加工：针对微孔加工电极损耗大、排屑差、放电间隙不易控制等难点，工艺摸索试验时选取导电性好、熔点高的工具电极，摸索出了较优的放电峰值电流、脉宽、脉间等电参数组合，确定了合适的电加工切削液，冲液量及抬刀量，加工出精度高、深径比大的微孔孔径(Φ0.04-Φ0.2)±0.005mm系列。
其中，如图1所示，工具电极的制备工艺包括如下步骤：
第一步.工作准备(设备、在线测量装置)
1)加工设备建议采用专有的微细电火花加工机床，设备脉冲电源可输出最小脉宽不大于20ns的窄脉冲，单次放电能量可控制在10-8J-10-6J数量级之间，伺服进给系统进给量可控制在微米级范围内。机床主轴7径向跳动误差不大于0.004mm，工作箱液9优选巴索Sorepi LM电加工液。
2)在线测量装置4分辨率需好、测量精度优于4μm，可实现工具电极2的精确对焦测量，与所选电火花设备集成良好。
第二步.工具电极2和反拷块电极3装卡找正。工具电极2连接正极，反拷块电极3连接负极，反拷块电极3用于对工具电极2进行电火花加工
1)工具电极2选取导电性好、熔点高、刚性较好材料，本专利优选采用碳化钨硬质合金电极。选取最小夹持直径范围小于工具电极2直径的弹簧卡头夹持工具电极2，伸出长度设定为磨削要求长度Z1(见步骤3)+(1mm-2mm)安全距离，在高倍影像仪完成微细电极的装卡。将安装好带电极的弹簧卡头安装在机床主轴7上，机床主轴7转动时工具电极2的径向跳动误差小于0.005mm。
2)反拷块电极3选取导电性好、相对损耗率小的材料，本专利优选采用铜钨合金电极。将反拷块电极3安装在工作台上，千分表找正反拷块电极放电加工面与机床工作台8的垂直度小于0.005mm。
3)机床初始化，电火花冷却液6喷流系统通畅，流量可调。硬质合金工具电极2和铜钨合金反拷块电极3分别连接脉冲电源正、负极，电极加工时以200r/min-400r/min的速度进行旋转，在线测量装置4安装于机床主轴7行程可达区域内，选取标准直径电极标定2-3次。
第三步.对工具电极2进行电火花磨削加工。设定工具电极2的轴向进给量X和径向进给量Z1，并预设定机床加工参数
1)X向进给、Z向进给设定。
依据微孔加工直径D确定选取的电极工具直径D1、磨削加工电极工具直径D2。假定长径比L1，X向进给量X1，Z向进给量Z1。
X1＝(D1-D2)/2+A+B
Z1＝L1D2+C
注：A为反拷块电极损耗补偿,预设定参考取值范围0.05mm-0.1mm。
B为装卡误差补偿，预设定参考取值范围0.05mm-0.3mm。
C为电极尖端锥度补偿，预设定参考取值范围0.1mm-0.15mm。
A(反拷块电极损耗补偿)设定依据反拷块电极材料、工具电极D1及D2、磨削电参数不同而不同，预设定与工艺试验相结合，预设定值参考取值范围0.05mm-0.1mm。
B(装卡误差补偿)包括碰边误差、工具电极装卡误差和反拷块电极装卡误差，预设定参考取值范围0.05mm-0.3mm。
C(电极尖端锥度补偿)与工具电极材料、工具电极D1及D2、磨削长径比L1有关，主要通过加工过程摸索优化，预设定参考取值范围0.1mm-0.15mm。
2)电参数预设定
X、Z向进给设定好之后，预设定电参数，由于工具电极2的磨削分为粗磨削与精磨削两个步骤，依据不同加工条件分别选取电参数组合。
电参数的选择采用正交试验设计方法，结合加工经验选择影响加工工工艺指标因素，均匀分布试验数据点，设定正交试验，可靠性较好的磨削粗加工、精加工电加工参数如下：
a.粗加工电参数：电极极性，正极性；脉宽，2.5μs-4.7μs；脉冲间隔，10μs-30μs；开路电压，60V-80V；峰值电流：4.8A-6A；主轴转速：200r/min-300r/min；伺服基准(伺服参考电压)COMP，40％-60％；冲油量：20ml/s-50ml/s。
b.精加工电参数：电极极性，正极性；脉宽，0.5μs-2.7μs；脉冲间隔，5μs-15μs；开路电压，50V-60V；峰值电流：1.5A-5A；主轴转速：200r/min-300r/min；伺服基准(伺服参考电压)COMP：40％-60％；冲油量：20ml/s-50ml/s。
本专利分析了不同电参数组合在微细工具电极磨削过程中的相对影响程度，形成了可以稳定磨削大长径比工具电极的工艺参数库。
注：电火花加工机床电参数通常由数控系统以模拟量的数字显示，与电参数的实际值不一样，应该参照说明书给出的对应表进行转化。
第四步.用反拷块电极3将工具电极2按照设定参数依次进行粗磨削和精磨削，在线观测装置4对加工量进行检测，并根据检测结果调整加工参数，可稳定磨削Φ0.025mm-Φ0.05mm系列、长径比大于70的微细电极
1)启动机床，反拷块电极3与工具电极2接触感知，粗磨削过程中每磨削15s-20s设定程序暂停一次，将工具电极2快速移动到在线测量系统聚焦点，检测工具电极2直径，将工具电极2加工至(1.3-1.4)D2。
2)逐渐过渡调整到精加工电参数，每磨削5s-10s设定程序暂停一次，将工具电极2快速移动到在线测量装置4聚焦点，检测工具电极2直径是否磨削到直径D2，重复上述步骤，直到达到要求直径值D2。测量值越接近D2，观测点需越集中。
由于电参数的最佳值是随着加工中的具体条件而不断漂移的，加工过程中采用不同的电参数或进给策略修正磨削缺陷。精加工参数的调整是磨削直径是否达到设计要求的关键。
如图1所示，采用上述工具电极进行微孔加工的方法包括如下步骤：
第一步.微孔工件装卡、找正
将微孔工件5清洗干净，装卡于工作台8上，打表找正。微孔工件5在平面上加工，相对于工作台8平行度尽量好。柱面、锥面相应找正相对机床的位置。
第二步.调整脉冲电源极性，将工具电极2作为电极加工工具，预设定机床电参数
1)工具电极2电火花磨削加工完毕，不拆卸工具电极2,直接找正电极中心相对于微孔工件5的位置，调整脉冲电源1为负极性，工具电极2接正极，微孔工件5接负极。对于直径范围可购置的工具电极，工具电极不进行电火花磨削加工，直接装卡后执行以下步骤。
2)电参数的选择采用正交试验设计方法，选择影响加工工工艺指标因素，均匀分布试验数据点，设定正交试验，可靠性较好的磨削电加工参数如下：
微孔加工电参数：电极极性，负极性；脉宽，1μs-5μs；脉冲间隔，10μs-100μs；开路电压，50V-80V；峰值电流：2A-6A；主轴转速：200r/min-300r/min；伺服基准(伺服参考电压)COMP/％，40％-60％；平动量：0-0.02mm；冲油量：30ml/s-50ml/s。
本专利分析了不同电参数组合在微孔加工过程中的相对影响程度，形成了可以稳定微孔加工的工艺参数库。
注：电火花加工机床电参数通常由数控系统以模拟量的数字显示，与电参数的实际值不一样，应该参照说明书给出的对应表进行转化。
第三步.设定工件的微孔加工深度
电参数预设定后，依据设计要求设定微孔加工深度Z2
Z2＝L2+D3+E
L2—实际要求加工深度。
D3—电极损耗补偿(根据实际加工情况确认)，预设定参考取值范围(0.8-1.5)实际要求加工深度L2。
E—电极尖端锥度补偿，预设定参考取值范围(0.5-1)微孔直径d。
D3(电极损耗补偿)根据微孔工件材料、微孔直径d、微孔加工深度L2的不同而不同，预设定参考取值范围(0.8-1.5)实际要求加工深度L2。
E(电极尖端锥度补偿)与电极加工损耗时间、电极尖端锥度补偿C有关，预设定参考取值范围(0.5-1)微孔直径d。
第四步.调整机床的加工参数，其中，把机床的加工参数写上，数值给出范围。工具电极(2)按照设定参数对工件进行微孔加工。可稳定加工(0.04-Φ0.2)±0.005mm、深径比大于10:1的超深微孔
启动机床，将工具电极2移动到加工起始点，预设定电参数，加工深度的设定为Z2，开始加工。在线电参数优化主要调整伺服参考基准(伺服参考电压)、抬刀和脉间三个电参数，微孔加工中端面放电间隙合适与否是加工稳定的基础，侧面放电间隙合适与否是孔径保证的关键。
图2为本发明的大深径比微孔在线制备加工示意图，从图中可以看出，微孔电火花机床包括机床主轴7，用于安装被加工电极，脉冲电源1，用于为被加工工具电极2和反拷块电极3提供电源，由于连接电源负极的为被加工端，因此，工具电极2连接负极，反拷块电极3连接电源正极，反拷块电极3固定于机床的加工平台上，应保持与机床主轴7垂直，机床上还设置有工具液箱，用于存储冷却液，机床通过工具液箱9的管路连接至工具电极2加工处，在反拷块电极3对电机进行加工时，为防止加工件过热，冷却液对被加工的工具电极2和反拷电极3进行冲洗；机床上还设置有在线测量装置4，可实时检测工具电极2的加工量。
图3为本发明的工具电极磨削加工示意图，从图中可以看出，工具电极2安装于机床主轴7上，在图中相当于Z方向向下，反拷块电极3连接电源正极，工具电极安装于电源负极，进而在通电时反拷块电极实现对电极的加工，依据微孔加工直径D确定选取的电极工具直径D1、磨削加工电极工具直径D2。假定长径比L1，X向进给量X1，Z向进给量Z1。
X1＝(D1-D2)/2+A+B
Z1＝L1D2+C
其中，A为反拷块电极损耗补偿,B为装卡误差补偿，C为电极尖端锥度误差补偿。
图4为本发明微孔加工示意图，工具电极安装于机床主轴7上，微孔工件5置于其正下方，且工具电极2连接电源正极，微孔工件5连接电源负极，进而实现工具电极对微孔工件5的电火花加工。
实施案例1
工具电极2为碳化钨硬质合金电极，反拷块电极3为铜钨合金电极，设定磨削精加工电参数：加工电压为4V,脉宽为1μs，脉间为10μs，峰值电流为2.5A。
实施效果：可以稳定磨削工具电极直径为Φ0.035mm，长径比大于70：1。
实施案例2
工具电极2为碳化钨硬质合金电极，反拷块电极3为铜钨合金电极，设定磨削精加工电参数：加工电压为4V,脉宽为1.5μs，脉间为10μs，峰值电流为3.5A。
实施效果：可以稳定磨削工具电极直径为Φ0.05mm，长径比大于75：1。
实施案例3
采用Φ0.035mm工具电极进行微孔加工，材料，2A12T4铝合金；设定电参数：脉宽为3.5μs，加工电压为5V,伺服基准(伺服参考电压)50％，脉间为12μs，峰值电流为2A。
实施效果：入口孔径为Φ0.049mm，出口孔径为Φ0.051mm。加工、深径比10:1微孔，出入口孔径锥度小于0.005mm，工程应用效果良好。
实施案例4
采用Φ0.15mm工具电极进行微孔加工，材料，TA2钛合金；设定电参数：脉宽为5μs，加工电压为15V,伺服基准(伺服参考电压)43.5％，脉间为100μs，平动量0.025mm，电流为4.7A。
实施效果：入口孔径为Φ0.203mm，出口孔径为Φ0.199mm，深径比13:1微孔，出入口孔径锥度小于0.005mm，工程应用效果良好。
本发明未详细说明的部分属本领域技术人员公知的常识。

Claims (7)

1.一种工具电极加工工艺,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在微细电火花加工机床安装工具电极(2)和反拷块电极(3)，反拷块电极(3)连接负极，工具电极(2)连接正极；并通过在线测量装置(4)观测工具电极(2)的加工量；
步骤二：设定工具电极(2)的轴向进给量X1和径向进给量Z1；X向进给、Z向进给设定按如下方法进行：
X1＝(D1-D2)/2+A+B
Z1＝L1D2+C
其中：A为反拷块电极损耗补偿,B为装卡误差补偿，C为工具电极尖端锥度误差补偿；用于加工工具电极(2)的电极工具直径为D1、磨削完成后工具电极(2)的直径为D2，磨削完成后工具电极的长径比L1；
步骤三：在X、Z向进给设定好之后，预设定粗加工和精加工的电参数；其中，
粗加工电参数：脉宽，2.5μs-4.7μs；脉冲间隔，10μs-30μs；开路电压，60V-80V；峰值电流：4.8A-6A；主轴转速：200r/min-300r/min；冲油量：20ml/s-50ml/s；
精加工电参数：脉宽，0.5μs-2.7μs；脉冲间隔，5μs-15μs；开路电压，50V-60V；峰值电流：1.5A-5A；主轴转速：200r/min-300r/min；冲油量：20ml/s-50ml/s；
步骤四：启动机床，按照设定参数使反拷块电极对工具电极(2)依次进行粗磨削和精磨削，在线测量装置(4)对加工量进行检测，并根据检测结果调整加工参数，具体方法如下；
首先，反拷块电极(3)与工具电极(2)接触感知，粗磨削过程中每磨削15s-20s设定程序暂停一次，将工具电极(2)快速移动到在线测量装置(4)的聚焦点，检测工具电极(2)直径，重复粗加工步骤，直至将工具电极(2)加工至(1.3-1.4)D2；调整到精加工电参数，每磨削5s-10s设定程序暂停一次，将工具电极(2)快速移动到在线测量装置(4)的聚焦点，检测工具电极(2)直径是否磨削到直径D2，否则，继续重复上述精加工步骤，直到达到要求直径值D2。
2.根据权利要求1所述的一种工具电极加工工艺,其特征在于，所述工具电极(2)为碳化钨硬质合金电极，所述反拷块电极(3)为铜钨合金。
3.根据权利要求1所述的一种工具电极加工工艺,其特征在于，所述在线测量装置(4)集成于微细电火花加工机床，其测量精度优于4μm，用于实现对工具电极(2)的精确对焦测量。
4.根据权利要求1所述的一种工具电极加工工艺,其特征在于，所述微细电火花加工机床的脉冲电源可输出最小脉宽不大于20ns的窄脉冲，单次放电能量可控制在10-8J-10-6J数量级之间，伺服进给系统进给量控制在微米级范围内，机床主轴(7)的径向跳动误差不大于0.004mm。
5.根据权利要求1所述的一种工具电极加工工艺,其特征在于，所述工具电极(2)的伸出机床主轴(7)端面的长度设定为Z1+(1mm-2mm)，确保加工安全。
6.根据权利要求1所述的一种工具电极加工工艺,其特征在于，所述反拷块电极(3)的放电加工面与机床工作台(8)的垂直度小于0.005mm。
7.一种采用权利要求1所述工具电极进行微孔加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将微孔工件(5)在微细电火花加工机床上装卡固定；
步骤二：调整电源极性，将工具电极(2)作为电极加工工具，即工具电极(2)连接正极，微孔工件(5)连接负极，并设定微孔加工电参数，所述电参数如下：电极极性，负极性；脉宽，1μs-5μs；脉冲间隔，10μs-100μs；开路电压，50V-80V；峰值电流：2A-6A；主轴转速：200r/min-300r/min；平动量：0-0.02mm；冲油量：30ml/s-50ml/s；
步骤三：在电参数设定完成后，依据设计要求设定微孔加工深度Z2
Z2＝L2+D3+E
L2—实际要求加工深度；D3—电极损耗补偿；E—电极尖端锥度补偿；
步骤四：启动机床，将工具电极(2)移动到加工起始点，并按照预设电参数和所设定微孔加工深度Z2对微孔工件(5)进行加工。
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