耿其東，汪煒，王昆

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016; 2.鹽城工學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇鹽城224051）

大平面電火花磨削加工原理與設(shè)計(jì)

耿其東1,2，汪煒1，王昆1

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016; 2.鹽城工學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇鹽城224051）

采用普通機(jī)械磨削方法加工大平面的硬脆材料，往往效率低、成本高。在分析電火花磨削加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了大平面電火花磨削加工的原理，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的加工裝置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案可行，加工效果較好。

大平面；電火花磨削；碳化硅

隨著人們對(duì)空間探索的不斷深入，普通的光學(xué)材料往往不能適應(yīng)當(dāng)前空間光學(xué)系統(tǒng)的需求。碳化硅（SIC）材料以其高彈性模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)秀的物理性質(zhì)，越來越受到各國(guó)航天科研工作者的青睞。但由于碳化硅反射鏡的尺寸較大，加之材料硬度高、脆性大等特點(diǎn)，使碳化硅反射鏡的加工難度很大。傳統(tǒng)的加工方法主要采用機(jī)械磨削，由于碳化硅硬度緊次于金剛石，故機(jī)械磨削時(shí)磨具損耗大，加工效率低、成本高。

在碳化硅中大量摻雜硼、鋁或氮，可使摻雜后的碳化硅具備數(shù)量級(jí)能與金屬比擬的導(dǎo)電率，利用放電加工的方式可對(duì)其進(jìn)行加工。電火花磨削是利用工具電極和加工工件同時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)放電加工的方法。加工電極與工件材料不直接接觸，加工時(shí)不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力。加工效率比傳統(tǒng)機(jī)械磨削高，工件表面完整性好，加工成本低。研究表明，電火花磨削是解決碳化硅材料加工的有效方法。為了能實(shí)現(xiàn)大尺寸的平面加工，需對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備進(jìn)行改造。此外，為了保證穩(wěn)定的放電狀態(tài)，設(shè)計(jì)可靠的放電檢測(cè)系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)也很重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此類電火花磨削加工方面的研究相對(duì)較少，本文將介紹如何實(shí)現(xiàn)大平面的電火花磨削加工方法。

1 大平面電火花磨削加工原理

由于大平面加工面積較大，不能一次加工完成，需經(jīng)過幾次換刀和裝夾，加工效率低且成本高。采用電火花放電方法加工碳化硅等硬脆材料時(shí)，可將工具電極和加工工件同時(shí)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大平面加工原理見圖1。大平面加工時(shí)，工具電極作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n1，加工工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n2；先加工平面的外圈，逐步加工至內(nèi)圈；工件還可作兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而保證整個(gè)平面都能完成加工?？傮w上，大平面的電火花磨削加工與普通電火花加工原理基本相似，但也有一些特點(diǎn)：①工具電極旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使放電間隙不斷變化；②由于工具電極與加工工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使放電通道和放電點(diǎn)的位置不斷變化。

圖1 大平面加工原理圖

電火花磨削加工大型平面示意圖見圖2。電火花磨削結(jié)合了普通磨削加工和電火花加工的特點(diǎn)，可加工硬脆材料。工具電極由旋轉(zhuǎn)頭帶動(dòng)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，伺服系統(tǒng)完成工具電極的進(jìn)給。工件由回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在工作臺(tái)上，可進(jìn)行左右移動(dòng)。脈沖電源一端接工具電極，另一端接加工工件。在電火花放電加工時(shí)，沖液裝置完成對(duì)電極的沖液。

圖2 大平面電火花磨削加工示意圖

工具電極與加工工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使放電通道不固定，放電點(diǎn)隨著工具和工件的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不斷變化；此外，由于使用沖液加工，使氣泡、切屑等雜質(zhì)能迅速?gòu)姆烹婇g隙中排出，并帶走了加工時(shí)產(chǎn)生的熱量，從而使電弧放電的概率變小。考慮到上述原因，電火花磨削伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在一些特殊性。

2 影響電火花磨削加工的主要因素

對(duì)于大型平面電火花銑削加工而言，加工效率一直是人們關(guān)心的重點(diǎn)。電火花磨削加工效率主要受到電火花磨削加工電源的脈沖寬度、峰值電流及占空比的影響，還受到電火花放電面積和電極進(jìn)給速度的影響。其中，峰值電流對(duì)電火花磨削加工效率的影響最大，它主要影響加工速度，而加工速度直接影響材料去除率。由于加工面積較大，為了提高材料去除率需增大峰值電流。對(duì)于單個(gè)脈沖而言，主要通過提高脈沖峰值電流和增加脈沖寬度，但在實(shí)際加工中，電流又常用電流密度來衡量。電流密度是粗加工工藝標(biāo)準(zhǔn)選擇的重要依據(jù)，它反映了放電過程中單位面積電極上所能承受的電流。

粗加工一般用來去除大的加工余量，希望盡可能地提高工件材料的蝕除率和盡可能地減小工具電極的損耗率，因此通常采用大的加工電流，可達(dá)幾十安培。在選擇電規(guī)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)保證加工電流等于或稍低于最大允許電流。半精加工和精加工時(shí)，除了采用小的加工電流，還需降低工具電極與加工工件的回轉(zhuǎn)速度及電極的進(jìn)給速度。

加工表面還受伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度和安裝精度的影響。由于工具電極在加工過程中會(huì)發(fā)生損耗，如果伺服系統(tǒng)不能及時(shí)地進(jìn)給補(bǔ)償損耗部分，加工出來的工件表面會(huì)出現(xiàn)坑坑洼洼的現(xiàn)象，對(duì)表面質(zhì)量有很大影響。因此，在實(shí)際加工時(shí)也要把該因素考慮進(jìn)去。

工具電極的形狀對(duì)加工效率也有一定的影響。由于工具電極和加工工件都在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相互接觸的部分在不斷變化，加工時(shí)若要電極放電穩(wěn)定且材料去除均勻，在設(shè)計(jì)電極時(shí)就需考慮電極的形狀，如仿照銑刀形狀設(shè)計(jì)工具電極。

綜上所述，大型平面電火花磨削加工的影響因素較多，在實(shí)際加工中往往是多種因素共同作用的結(jié)果，需通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 大型平面電火花磨削加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 電火花磨削加工系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

對(duì)于大型平面的加工，通常采用傳統(tǒng)的磨削方法，成本高、效率低，特別對(duì)于難加工材料效率更低。而采用電火花磨削加工方法，不僅可加工硬脆難加工材料，還能降低成本、提高效率。本文在對(duì)普通銑床改造的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出電火花磨削加工系統(tǒng)的原理樣機(jī)。該設(shè)備能實(shí)現(xiàn)大型平面的電火花磨削加工，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)也達(dá)到較好的加工效果。該加工系統(tǒng)主要由機(jī)械和電氣部分組成，機(jī)械部分主要包含機(jī)床本體、回轉(zhuǎn)臺(tái)和水平進(jìn)給系統(tǒng)；電氣部分主要包含伺服系統(tǒng)、沖液系統(tǒng)和脈沖電源等。電火花磨削加工裝置見圖3。

圖3 電火花磨削加工裝置

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及組成

整個(gè)設(shè)備的改造以萬能搖臂銑床為基礎(chǔ)，搖臂頭可前后伸縮，滿足大平面加工要求。在銑床夾頭下方裝有坐標(biāo)軸工作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)單方向的進(jìn)退；在工作臺(tái)上方裝有能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分度盤，工作臺(tái)的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)分度盤的旋轉(zhuǎn)都由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將銑床的銑刀換成一定結(jié)構(gòu)的紫銅電極，考慮到加工表面較大，在設(shè)計(jì)工具電極時(shí)，需將電極盤盡量設(shè)計(jì)得大一點(diǎn)，電極盤的直徑通常為工件直徑的1/6，電極盤的形狀類似銑刀形狀。

考慮到電極進(jìn)電的問題，在銑床主軸頭上裝有碳刷裝置。工件安裝在分度盤上，分度盤由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。利用銑床主軸、分度盤的旋轉(zhuǎn)及工作臺(tái)的進(jìn)給，可實(shí)現(xiàn)大平面加工。在實(shí)際加工中，還需考慮電極沖液的問題。工作液由高壓泵輸送到電極與工件的間隙處，高壓泵配有調(diào)節(jié)閥，可在線調(diào)壓。在工作臺(tái)周圍留有導(dǎo)向槽，電解液順著導(dǎo)向槽流入回收箱。在電火花磨削過程中，電解液沿著電極的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行沖液，由于加工速度較慢，沖液壓力一般不需太大。電極與工件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而放電過程較順暢。

3.3 伺服及運(yùn)動(dòng)控制

伺服控制是電火花放電加工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。為了使電極與工件之間保持一定的放電間隙，伺服系統(tǒng)需具有一定的穩(wěn)定性和可靠性。電極與工件之間維持一定的放電間隙，電火花加工就能得到一個(gè)最大的蝕除速度，還能根據(jù)放電狀態(tài)的好壞自動(dòng)調(diào)整放電間隙，保證加工穩(wěn)定進(jìn)行。在大平面電火花磨削加工中，由于加工面積較大，電極損耗較嚴(yán)重，加工表面的形狀誤差很大。為了提高加工表面質(zhì)量，可采用整體補(bǔ)償?shù)姆椒?。伺服控制主要由銑床的主軸完成，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制主要保證放電的穩(wěn)定性，即發(fā)生短路或拉弧時(shí)，工作臺(tái)迅速回退。

4 結(jié)語

碳化硅硬脆材料的大平面加工將是今后科研工作者研究的熱點(diǎn)，尋找到合適的加工方法是解決該問題的關(guān)鍵。通過對(duì)萬能搖臂銑床進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)相應(yīng)的進(jìn)給系統(tǒng)、沖液系統(tǒng)及伺服控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大型平面的加工。加工表面質(zhì)量較好、效率較高、成本較低，但該裝置加工精度不高等問題還有待改進(jìn)。

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The Principle and Design of Large Flat Electrical Discharge Grinding

Geng Qidong1,2，Wang Wei1，Wang Kun1
（1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China）

As for as flat-stone milling of hard and brittle materials，mechanical grinding is a solution，but it has often low efficiency and high cost.Based on analyzing the characteristics of electrical discharge grinding，the principle of large plane electric spark processing is proposed and the corresponding machining device is designed.It proves that the design scheme is feasible and has better processing results by experimental verification.

large plain；electrical discharge grinding；silicon carbide

TG661

A

1009－279X（2014）06－0019-02

2014-09-16

耿其東，男，1979年生，講師、博士研究生。