代志峰，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

工藝·裝備

基于旋轉(zhuǎn)電極的方孔電火花加工新方法

代志峰，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

提出一種方孔電火花加工新方法，利用具有勒洛三角形截面形狀的工具電極在等寬方形約束孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，使電極沿橫截面掃過一個(gè)正方形區(qū)域，從而通過電極底面放電加工出方孔。分析了勒洛三角形電極在與其等寬的方孔中的運(yùn)動(dòng)方式和軌跡，設(shè)計(jì)了基于旋轉(zhuǎn)電極的方孔電火花加工裝置，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。在不同的開路電壓下，分別利用旋轉(zhuǎn)的勒洛三角形電極和不旋轉(zhuǎn)的方形電極進(jìn)行方孔加工，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的勒洛三角形電極加工效率更高、電極損耗更低。

電火花加工；方孔；旋轉(zhuǎn)電極；勒洛三角形

方孔能承受較大轉(zhuǎn)矩，其導(dǎo)向性強(qiáng)，傳遞能量、運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)性好，常被應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣、要求承受較高轉(zhuǎn)矩的連接零部件。但相對(duì)于圓孔，其加工難度大、生產(chǎn)效率低、加工費(fèi)用高，限制了其使用范圍，若為盲孔則加工更加困難。本文研究了方孔的加工方法，通過改善機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝性，使方孔結(jié)構(gòu)能被大量應(yīng)用，為設(shè)計(jì)制造帶來更多可能性。

電火花加工具有非接觸式加工、加工過程不受材料硬度限制、可加工材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于加工高硬度、高韌性、高脆性等特殊材料。若利用電火花加工方法加工方形盲孔，常采用將方形工具電極形狀復(fù)制到工件上的方法，但隨著加工深度增加，加工時(shí)產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物會(huì)聚集在加工間隙中難以排出，導(dǎo)致加工效率降低、電極損耗增大，甚至無法繼續(xù)加工[1]。眾所周知，在圓孔加工中采用的旋轉(zhuǎn)電極方法可促進(jìn)排屑，有效提高加工效率[2]。為改善電火花加工方孔排屑困難、加工效率低的問題，本文提出一種加工方孔的新方法——利用具有勒洛三角形截面形狀的工具電極，在其自轉(zhuǎn)的同時(shí)，圍繞與該勒洛三角形等寬的方形約束孔的中心軸做公轉(zhuǎn)，可使工具電極沿橫截面方向掃過一個(gè)正方形區(qū)域，從而通過電極底面放電加工出方孔。勒洛三角形電極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可攪拌工作液，促進(jìn)電蝕產(chǎn)物排出，改善電極放電狀態(tài)，從而提高加工效率，適用于小尺寸、大深徑比及難加工材料的方孔加工。

1 旋轉(zhuǎn)電極加工方孔原理

勒洛三角形是一種等寬曲線，在與其邊長(zhǎng)等寬的方形約束孔中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掃過的面積為正方形[3]，其運(yùn)動(dòng)包括繞其中心的自轉(zhuǎn)及其中心繞方孔中心的公轉(zhuǎn)。

圖1是電極在與其等寬的方形約束下繞其中心逆時(shí)針自轉(zhuǎn)30°的示意圖。設(shè)勒洛三角形寬度為單位1，在邊長(zhǎng)與其等寬的正方形中轉(zhuǎn)動(dòng)，將其頂點(diǎn)A、B、C連接得到等邊三角形ABC，點(diǎn)O為其中心。由圖1可知，勒洛三角形在逆時(shí)針自轉(zhuǎn)30°的過程中，其中心在第三象限順時(shí)針繞坐標(biāo)系原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，由此可知勒洛三角形在正方形中運(yùn)動(dòng)時(shí)的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比為 1∶3。

圖1 勒洛三角形在等寬方形約束孔中的運(yùn)動(dòng)示意圖

代入數(shù)值得到勒洛三角形中心O在第三象限的運(yùn)動(dòng)軌跡解析式為：

由式（2）可得勒洛三角形中心O的完整公轉(zhuǎn)軌跡（圖2）。該軌跡由四段橢圓圓弧組成，x坐標(biāo)和y坐標(biāo)范圍約為-0.077～0.077。

圖2 勒洛三角形中心的公轉(zhuǎn)軌跡

由于勒洛三角形與方形等寬，其三個(gè)頂點(diǎn)均沿方形直邊運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)頂點(diǎn)經(jīng)過方形直角時(shí)會(huì)形成一小段圓弧，所以頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由四段直線與四段圓弧組成，頂點(diǎn)軌跡圍成的區(qū)域即為勒洛三角形掃過的面積。如圖1b所示，作輔助線BD（垂直線）、CD（水平線）垂直相交于D點(diǎn)，β角為邊AC與邊CL的夾角，其在運(yùn)動(dòng)過程中由30°增大至60°，則∠BCD=β-30°，CL=cosβ，由此推導(dǎo)出B點(diǎn)在第三象限的坐標(biāo)計(jì)算公式為：

代入數(shù)值得到B點(diǎn)在第三象限的圓弧軌跡解析式為：

計(jì)算所得的勒洛三角形頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖3?？梢姡撥壽E包圍的區(qū)域?yàn)榉叫?，但不可避免地在拐角處帶有圓角，其大小與方形約束孔的尺寸有關(guān)，方形約束孔越小，圓角越小。經(jīng)計(jì)算可知，勒洛三角形頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡所圍成的區(qū)域面積約為與其邊長(zhǎng)相等的正方形面積的98.77%。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于上述原理設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)電極加工方孔的裝置。該裝置由直流電機(jī)、萬向聯(lián)軸器、電極夾具、勒洛三角形電極、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及上電機(jī)構(gòu)等組成，且安裝在自行研制的便攜式數(shù)控電火花加工裝置的Z軸上（圖 4）。

圖3 勒洛三角形頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 旋轉(zhuǎn)電極加工裝置

該裝置中，直流電機(jī)帶動(dòng)萬向聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，勒洛三角形電極由電火花線切割方法加工得到 （圖5），并通過電極夾具安裝在萬向聯(lián)軸器上，再插入導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的方形約束孔中，該方形孔與勒洛三角形電極為間隙配合，由絕緣材料制成。萬向聯(lián)軸器具有高自由度，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)電極在方形約束孔中的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。當(dāng)電極在方形約束孔中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其底面掃過方形區(qū)域，通過電極底面與工件放電加工實(shí)現(xiàn)方孔加工。由于勒洛三角形電極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有特殊性，該裝置采用四個(gè)彈簧預(yù)緊的石墨電刷組成上電機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極給電，可有效避免上電機(jī)構(gòu)與電極之間發(fā)生的火花放電問題。

圖5 勒洛三角形電極

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 形狀精度分析

為驗(yàn)證上述方法的可行性，采用寬度5 mm的勒洛三角形電極加工深度1 mm的方孔，加工在伺服控制下自動(dòng)進(jìn)行，加工參數(shù)見表1。

表1 深度1 mm的方孔加工參數(shù)表

加工得到的方孔見圖6，可見其形狀與理論分析結(jié)果相同。該方孔尺寸為5.12 mm×5.12 mm，其寬度略大于電極寬度，這是由于電火花加工放電間隙及方形約束孔與勒洛三角形電極的加工尺寸誤差和裝置的裝配誤差造成的。

圖6 方孔加工結(jié)果

3.2 加工速度與電極損耗分析

用寬度5 mm的勒洛三角形電極和邊長(zhǎng)5 mm的方電極，分別在勒洛三角形電極旋轉(zhuǎn)和方電極不旋轉(zhuǎn)的情況下，在厚度3 mm的304不銹鋼上加工通孔，加工參數(shù)見表2。

實(shí)驗(yàn)中，加工速度的對(duì)比見圖7?？煽闯?，在不同的開路電壓下，旋轉(zhuǎn)電極的加工速度高于方電極，且在低電壓下的速度增幅更大。這是因?yàn)榈碗妷簳r(shí)，方電極與工件之間的放電間隙小，導(dǎo)致排屑困難，加工效率降低；而旋轉(zhuǎn)電極的截面面積小于被加工的方孔，且電極作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有助于電蝕產(chǎn)物的順利排出。電極損耗的對(duì)比見圖8?？煽闯?，在不同的開路電壓下，旋轉(zhuǎn)電極的相對(duì)電極損耗均比方電極小，最多可減少45.03%。

表2 深度3 mm的方孔加工參數(shù)表

圖7 旋轉(zhuǎn)電極和方電極的加工速度對(duì)比

圖8 旋轉(zhuǎn)電極和方電極的電極損耗對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用勒洛三角形截面形狀的工具電極在等寬方形約束孔中的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行了方孔的電火花加工實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）該方法可實(shí)現(xiàn)方孔加工，雖然原理上不可避免地存在圓角，但理論分析表明其圓角較小，且方孔越小，圓角越小。實(shí)際加工中，可在精加工時(shí)利用方電極進(jìn)行修整。

（2）利用旋轉(zhuǎn)勒洛三角形電極加工方孔的方法可明顯提高加工效率，減少電極損耗，表明電極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)排屑、改善放電狀態(tài)。

本研究側(cè)重對(duì)方法可行性的研究，實(shí)驗(yàn)中的方孔加工深徑比還不夠大，在今后的研究中將加大深徑比，且可預(yù)測(cè)在深徑比較大的方孔加工中，旋轉(zhuǎn)電極加工方法對(duì)于加工效率的改善會(huì)更明顯。

[1] KUNIEDA M，LAUWERS B，RAJURKAR K P，et al.Advancing EDM through fundamental insight into the process[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（2）：64-87.

[2] YU Z Y，RAJURKAR K P，SHEN H.High aspect ratio and complex shaped blind micro holes by micro EDM[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2002，51（1）：359-362.

[3] SMITH S G.Drilling square holes [J].Mathematics Teacher，1993，86（7）：579-583.

A New EDM Method for Square Hole with Rotating Electrode

DAI Zhifeng，YANG Xiaodong
（ School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China ）

A new EDM method for square hole was proposed.With this method，the tool electrode with the cross section of the reuleaux triangle shape was used and rotates in an equal-width square constraint hole.Due to the electrode can scan a square area in the cross direction by its rotating，the square hole can be machined by the bottom discharge of the tool electrode.The motion form and motion trajectory of the reuleaux triangle electrode in an equal-width square hole was analyzed，and then the EDM device for square hole machining was designed and installed.The machining of the square hole was realized by rotating reuleaux triangle tool electrode successfully.The experiments of square hole machining were carried out with reuleaux triangle electrode and square electrode under the different open gap voltage respectively.The experiment results indicates the new method proposed in this research can improve the processing efficiency and electrode wear obviously.

EDM；square hole；rotating electrode；reuleaux triangle

TG661

A

1009－279X（2017）04－0052-04

2017-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51575136）；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD2015009）

代志峰，男，1992年生，碩士研究生。