CN106180923A - 一种微三维结构电火花铣削加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航天特种加工技术领域，具体涉及一种微三维结构电火花铣削加工方法。该方法针对航天空间发生器中六方窄槽微三维结构零件；根据微三维结构分层铣削策略，电极的运动轨迹以N层为一个周期，电极从上至下逐层进行材料的去除；单层采用顺逆铣正反向交替铣削方式；电极损耗的补偿采用基于接触感知法的补偿方式。本发明加工的样件尺寸精度达到了设计指标要求，具备了工业投产能力，实现了公司微三维结构窄槽产品的制备。本发明使电火花制造水平上了一个新的台阶，为今后研制更复杂的难加工材料的微三维结构零件奠定了技术基础。

Description

一种微三维结构电火花铣削加工方法
技术领域
本发明属于航天特种加工技术领域，具体涉及一种微三维结构电火花铣削加工方法。
背景技术
目前，随着航天空间技术高速发展，一些精密化、微细化零件更多地应用于空间飞行器中。空间攻防武器发动机产品的某些关键结构采用了复杂的微细三维结构，其核心部件材料多为高温合金或钛合金等难加工材料，表现为硬、脆、黏等难加工特性。且这些产品具有复杂的型腔结构，多为深窄槽，由于型面尺寸微细化，无法采用常规的制造方式来实现。随着电火花技术的发展，通过EDM方法铣削加工，成为了制作此类微小三维结构产品的有效方法。微细电火花铣削加工原理：就是采用标准棒状电极代替传统意义的金属铣削刀具，采用CAM软件生成任意NC轨迹，以实现复杂形状的电火花加工。
虽然国内外已经开展了多项微细电火花CAD/CAM方法的研究和试验，但在航天系统内此项技术还处于摸索阶段，还不具备实际生产能力。目前，国内已知的工艺方法仅仅能够完成微三维结构产品的轮廓形状，但产品的加工精度无法满足设计要求，产品的效率低下，电极损耗严重，且产品表面的加工质量较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微三维结构电火花铣削加工方法，以实现窄槽微三维结构产品的制造。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种微三维结构电火花铣削加工方法，该方法针对航天空间发生器中六方窄槽微三维结构零件；根据微三维结构分层铣削策略，电极的运动轨迹以N层为一个周期，电极从上至下逐层进行材料的去除；单层采用顺逆铣正反向交替铣削方式；电极损耗的补偿采用基于接触感知法的补偿方式。
所述的微三维结构共8层，每层加工深度为15μm。
所述的顺逆铣正反向交替铣削方式是将产品每一层切削轨迹，按顺逆铣结合方式进行电火花铣削：即一圈顺铣下一圈逆铣交替铣削方式进行，将上一圈的损耗用下一圈的反向电火花铣削进行补偿的方式。
所述的基于接触感知法的补偿方式是在加工之前设置一个对刀点，进行接触感知并记录坐标，加工到一个循环后中断加工返回对刀点重新进行接触感知，并进行坐标补偿，然后再返回加工位置进行加工，具体表现为程序每执行一遍，进行一次接触感知。
加工深度105μm六方窄槽，电火花铣削适配参数为：电极材料为纯钨；参数条件C120；峰值电流0.8～1.5A；峰值电压150V；脉宽100μs；脉间100μs；加工极性为正极性。
所述的六方窄槽微三维结构样件厚度选定不小于1mm的毛坯，样件材料选定为钛合金；样件加工选定的电极材料为钨丝，电极直径为Φ0.2，放电间隙为0.01，相邻轨迹步距为0.03，通过在线CCD检测合格后，完成样件的制造。
本发明所取得的有益效果为：
本发明加工的样件尺寸精度达到了设计指标要求，具备了工业投产能力，实现了公司微三维结构窄槽产品的制备。本发明使电火花制造水平上了一个新的台阶，为今后研制更复杂的难加工材料的微三维结构零件奠定了技术基础。
(1)微细电火花铣削分层策略
将分层制造方法与微细电火花加工技术相结合，借鉴分层制造原理，使用简单形状的微细电极，将复杂的三维实体制造过程演化为简单的二维层面的叠加，最大程度减少微结构的应力微变形。合理设置每层加工厚度，提高加工蚀除率并且要不能使其排屑等加工条件恶化。
(2)微细电火花铣削电极损耗补偿方法
电火花加工规程中，电极损耗是不可避免的，要控制电极端各点的损耗量均匀，对产品的电极损耗进行实时补偿。目前常用的均匀损耗法，是在每层铣削过程中，仅在加工轨迹的起点对电极损耗进行一次性的补偿，导致加工的初始阶段深度较大，而随着加工过程中电极的不断损耗变短，使加工深度越来越小，加工过程不稳定。本发明提出了一种采用接触感知法的主补偿结合顺逆铣正反向交替铣削的次补偿的新方法，获得了更为理想的效果。
(3)微细电火花铣削适配参数的优化
在微三维的电火花铣削加工中，电参数如脉宽、脉间、开路电压、峰值电流、伺服参考电压等会影响加工效率、电极损耗及加工表面质量。通过对微细电火花铣削加工的影响规律分析，建立更优化的铣削加工参数。
附图说明
图1为本发明所述微三维结构电火花铣削加工方法流程图；
图2为六方窄槽微三维结构零件示意图；
图3为六方窄槽微三维结构零件分层加工示意图；
图4为基于接触感知法的电极损耗补偿方式示意图；
图5为顺逆铣正反向交替铣削方式示意图；
图6为单层横截面电极轨迹步距示意图；
图7为样件CCD尺寸检测示意图；
图8为单层加工次数和加工时间、电极损耗的关系图表；
图9为各加工层数和加工时间、电极损耗的关系图表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述微三维结构电火花铣削加工方法包括如下步骤：
本发明是针对航天空间发生器中某些关键结构采用的难加工材料制成的微细窄槽三维结构，其核心部件材料多为高温合金或钛合金等而进行的工艺技术实验研究，试验样件为六方窄槽微三维结构零件，如图2所示。
步骤一：工艺规划：
根据微三维结构分层铣削策略，电极的运动轨迹应以N层为一个周期，以选定最优的铣削轨迹进行加工，工具电极从上至下逐层进行材料的去除。根据样件试验结果，确定每层加工深度为15μm，共8层，分层示意图如图3所示。
步骤二：自动编程：
根据分层深度，进行单层加工的程序编制。程序编制包括三部分。
第一部分为单层程序编制，根据微三维结构电极损耗补偿方法试验结果，本发明采用了顺逆铣正反向交替铣削方式。顺逆铣正反向交替铣削方式是将产品每一层切削轨迹，按顺逆铣结合方式进行电火花铣削：即一圈顺铣下一圈逆铣交替铣削方式进行，将上一圈的损耗用下一圈的反向电火花铣削进行补偿的方式，如图5所示。通过正反向交替的方式进行样件的加工试验，可以有效地提高样件的加工效率和加工精度。
第二部分为电极损耗的补偿。本发明主补偿方式采用了基于接触感知法的补偿方式。基于接触感知法的补偿方式是在加工之前设置一个对刀点，进行接触感知并记录坐标，加工到一个循环后中断加工返回对刀点重新进行接触感知，并进行坐标补偿，然后再返回加工位置进行加工。具体表现为程序每执行一遍，进行一次接触感知。如图4所示为接触感知法在线补偿法的加工曲面。M5为最终加工面，A为加工初始面，每个加工循环后均以A面作为基准面，重新进行接触感知，进行下一个加工循环。在第一个加工循环初始状态，电极的总长为T0，进行一个加工循环后，电极的总长减小为T1，加工后表面为M0，电极的损耗值为T0-T1。依次类推，在进行N个加工循环后，形成M5加工面，电极的总损耗为T0-Tn。根据样件试验结果，加工循环总次数选为N(次)。程序执行次数见附表1。
附表1 每层程序执行次数
本发明次补偿方式采用了顺逆铣正反向交替铣削方式。顺逆铣正反向交替铣削方式是将产品每一层切削轨迹，按顺逆铣结合方式进行电火花铣削：即一圈顺铣下一圈逆铣交替铣削方式进行，将上一圈的损耗用下一圈的反向电火花铣削进行补偿的方式，具体如图5所示。通过正反向交替的方式进行样件的加工试验，可以有效地提高样件的加工效率和加工精度。
第三部分为微三维结构电火花铣削适配参数的优化。电参数如脉宽、脉间、开路电压、峰值电流、伺服参考电压等会影响加工效率、电极损耗及加工表面质量。为此要开展电参数对微三维铣削加工影响规律的实验研究，试验中加工深度105μm六方窄槽进行电参数对微三维铣削加工的影响规律分析并优化电火花铣削适配参数，选定的具体数据如附表2所示。
附表2：电火花铣削适配参数表
电极材料 纯钨
参数条件 C120
峰值电流(A) 0.8～1.5
峰值电压(V) 150
脉宽(μs) 100
脉间(μs) 100
加工极性 正极性
将第一部分、第二部分和第三部分的数据合成总的数控加工程序。
步骤三：样件的加工
样件厚度选定不小于1mm的毛坯，样件材料选定为难加工钛合金。样件加工选定的电极材料为钨丝，电极直径为Φ0.2，放电间隙为0.01，相邻轨迹步距为0.03，如附图6所示。按照步骤一、二生成的数控程序，进行逐层加工，通过在线CCD检测合格后，完成样件的制造。
采用上述方法加工的六方窄槽微三维结构零件如附图7所示，检测结果如附表3所示。
附表3 尺寸检测数据统计表
其中程序加工次数与电极损耗和时间的关系如附图8所示；加工层数与电极损耗和时间的关系如附图9所示。样件的尺寸、精度均满足产品设计所提成的性能指标。

Claims (6)

1.一种微三维结构电火花铣削加工方法，其特征在于：该方法针对航天空间发生器中六方窄槽微三维结构零件；根据微三维结构分层铣削策略，电极的运动轨迹以N层为一个周期，电极从上至下逐层进行材料的去除；单层采用顺逆铣正反向交替铣削方式；电极损耗的补偿采用基于接触感知法的补偿方式。
2.根据权利要求1所述的微三维结构电火花铣削加工方法，其特征在于：所述的微三维结构共8层，每层加工深度为15μm。
3.根据权利要求1所述的微三维结构电火花铣削加工方法，其特征在于：所述的顺逆铣正反向交替铣削方式是将产品每一层切削轨迹，按顺逆铣结合方式进行电火花铣削：即一圈顺铣下一圈逆铣交替铣削方式进行，将上一圈的损耗用下一圈的反向电火花铣削进行补偿的方式。
4.根据权利要求1所述的微三维结构电火花铣削加工方法，其特征在于：所述的基于接触感知法的补偿方式是在加工之前设置一个对刀点，进行接触感知并记录坐标，加工到一个循环后中断加工返回对刀点重新进行接触感知，并进行坐标补偿，然后再返回加工位置进行加工，具体表现为程序每执行一遍，进行一次接触感知。
5.根据权利要求1所述的微三维结构电火花铣削加工方法，其特征在于：加工深度105μm六方窄槽，电火花铣削适配参数为：电极材料为纯钨；参数条件C120；峰值电流0.8～1.5A；峰值电压150V；脉宽100μs；脉间100μs；加工极性为正极性。
6.根据权利要求1所述的微三维结构电火花铣削加工方法，其特征在于：所述的六方窄槽微三维结构样件厚度选定不小于1mm的毛坯，样件材料选定为钛合金；样件加工选定的电极材料为钨丝，电极直径为Φ0.2，放电间隙为0.01，相邻轨迹步距为0.03，通过在线CCD检测合格后，完成样件的制造。
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