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碳（tàn）化（huà）矽反射鏡安裝麵電火花平動（dòng）加工工（gōng）藝研究

2017-2-24 來源（yuán）：南（nán）京航空（kōng）航天大學機電學（xué）院（yuàn）作者：王昆汪煒（wěi）耿其東

摘要：針（zhēn）對大型SiC 反射鏡的（de）加（jiā）工需求，提出了一種電火（huǒ）花平動加工工藝。通過改造（zào）電火花（huā）線切割機（jī）床，搭建了加工實驗平台，設計了采用內部高速高壓衝液方式（shì）的電火花平動加工電極。在（zài）此基礎上，以（yǐ）大型SiC 反射鏡為加工對（duì）象進行實驗，驗（yàn）證了該工藝方法的可行性。

關鍵詞：平動加工；陣列電極（jí）；電（diàn）參數

近年來，電火花加工技術（shù）得到了迅（xùn）猛發展，在模具製造、航空、汽車電子、輕工儀表等領域（yù）獲得了（le）廣（guǎng）泛的應用，並正（zhèng）在向著高（gāo）效化、微細化、精密化、智能化、自（zì）動化方向（xiàng）發展（zhǎn）[1]。

空間飛行器是航天技術的研究（jiū）熱點，其運行依（yī）賴於光學係統。光學（xué）係統的外形結構一般采（cǎi）用反射式，其中最（zuì）關（guān）鍵的部分就是反射鏡。碳化（huà）矽（SiC）材料是一種發（fā）展了近50 年的新（xīn）型材（cái）料，具有優（yōu）越的綜合性能，如熱（rè）膨脹係（xì）數小、導（dǎo）熱係數高、彈性模量高、密度較低、耐熱（rè）衝（chōng）擊性良好、尺寸高度穩定、機械性能及熱性能各向同性良好。由於上述特性（xìng）在空間反射係（xì）統中能發揮（huī）十分重要的作用，因此碳（tàn）化矽反射鏡越來越受到國內外研究（jiū）人員的重視[2]。

由於SiC 材料的（de）高（gāo）硬脆性，碳化矽反射鏡用傳統的機械磨（mó）削方法很難加工[3]，因此，本文提出了一種電火花平（píng）動加工方法，並對碳化矽（guī）反射鏡進行粗（cū）加工（gōng），以證明其（qí）可（kě）行性。

1.電火花平動加（jiā）工實驗平台

1.1 加工原理

所謂電火花平（píng）動加（jiā）工，就是工具電極相對工件在平麵內做二維軌（guǐ）跡運動。圖1 是電火花平動（dòng）加工字理圖。電火花平動加工時，工具電極和工件分（fèn）別接脈衝電源的正、負兩極，保持一定的間（jiān）隙，並對間隙進行穩定充液（yè），即（jí）可得（dé）到持續穩定的（de）放電效果。當一定大小的（de）脈衝電壓施加到電極兩端時，極間距離最（zuì）近的兩點間的介質被擊穿（chuān），從而形成（chéng）放電通道。極間電場使放電通道內的電子和正離子分別奔向電源的正、負（fù）極，且正（zhèng）、負極表麵分（fèn）別成為瞬時熱源，達到很高溫度，進而使工作液氣化，金屬材料熔化汽化。熱膨脹（zhàng）造（zào）成很高的瞬時壓（yā）力，形成氣泡，並將（jiāng）金屬液體和蒸氣排擠（jǐ）和（hé）拋出到工作液中，從而去除了材料。隨著脈衝電（diàn）壓的結（jié）束，脈衝電流迅速降為0，脈衝放電結（jié）束。之後的脈間便是消電離的時段，放電通道中的帶（dài）電粒子複合為中性粒子，且介（jiè）質（zhì）恢複絕緣強度[4]。工具（jù）電（diàn）極平動使放電點不斷轉移（yí），放電通（tōng）道隨著電極移動，達到平麵加工的效果。

圖1 電火花平動（dòng）加工原理圖

1.2 實驗平台

電火花平動加工工藝的實驗平台由大型（xíng）電火花線切（qiē）割機床改造得（dé）到[5-6]。當進行（háng）電火花（huā）平動加工時，工具電極可在（zài）平麵內運動（dòng），同時和工件作（zuò）相對（duì）運動。電火花（huā）線切割機床的主要技術參數見表1。

表1 電火花線切割機床技術參數

實驗平台見圖2。機床改造過程（chéng）如下：將工具電極安裝在電火花線切割機（jī）床的線架一（yī）端。電極（jí）材料選用石墨，形（xíng）狀為塊狀。石墨電極（jí）安裝（zhuāng）在鋁合金板上，鋁合金板通過一塊塑料板與步進（jìn）電機相連，步進電機通過（guò）一安裝板安裝（zhuāng）在線切割機床的線架一端。步進電機、驅動器及可編程電機（jī）控製器等組成微進給係統，可（kě）完（wán）成工具電極向下的微進給。此外，鋁合金板通過快插接頭接水泵，水泵將工作液（yè）通過快插接頭高速噴向鋁合金下的石（shí）墨電極（jí）進行衝液。電（diàn）火花平（píng）動加工所（suǒ）用的脈衝電源（yuán）為（wéi）專（zhuān）門定製的電火花磨削電源。

2.工（gōng）具電極的設計

工具電極所用的材料主要有紫銅和（hé）石墨。石墨（mò）電極因其導（dǎo）電性好、密度小、價格低等特點，在電火

圖2 電火花（huā）平動加工實（shí）驗平台

花放電加（jiā）工中應用得越來（lái）越多。本實驗所用的石墨電極見圖3，石墨采用板（bǎn）狀結構，中間銑槽，槽與（yǔ）槽交叉呈井字形，將板狀電極分成一個個方形（xíng）的小電極，呈陣列狀。工（gōng）作液從槽中高速流過，可將電火花放電產物迅速排（pái）出並且迅速（sù）冷卻消電離（lí）。更為重要的是，這種設計可減少極間的“潛布電容”[7]，使放電更順暢，提高加工質量。

圖3 工具電極

眾所周（zhōu）知，電火花加工時，如果工具電（diàn）極麵積較大，放電會很難，且能達到的（de）表（biǎo）麵粗糙度也（yě）較差。這（zhè）是由於工具和工件相當於電容器的兩個極，具有“潛（qián）布電容”，相當於在放電間隙上並聯了（le）一個電容器。當小能量的單個脈衝（chōng）到（dào）達工具和工件時，電（diàn）能被此電容吸收，隻（zhī）能起到充電作用，卻不會放（fàng）電。隻有當多個脈衝累積充電達到較（jiào）高的電壓，儲存了（le）較多的能量後，才能引起擊穿放電，這時因為能（néng）量較大，放電凹坑也較大。因此，理論上加工所能達到的表麵粗（cū）糙度較差。但當電極形式采（cǎi）用上述（shù）設計時，便可將原來的大電極分成數個小電極（jí），從而相當於在多處（chù）同時進（jìn）行小電極電火花加工，也就避開了大麵積加工的各（gè）種弊端。

3.電火花平動加工的（de）運動係統及數控編程

電火花線切割機床工作（zuò）台X、Y 兩個方向（xiàng）可作相對運動。當機（jī）床控製器每發出一個脈衝時，工作台（tái）就移動一個脈衝當（dāng）量（0.001 mm），2 個方向的運動均可通過編程實現；另外，通過搖（yáo）動X、Y 兩個方（fāng）向的手柄，同樣可實現工作台的位移。而機（jī）床線架上的導輪、排絲輪具有可維持電極絲沿一定軌（guǐ）跡高速、往複運動的（de）功（gōng）能（néng）。錐度的調節依靠錐度調節裝置實現，簡單地說，是在線架的一端安裝2 個小的步進電機，通過步進（jìn）電機控製線架端部水平方向的運動，從而（ér）做出（chū）U、V 軸方（fāng）向的運動，實現錐度切割。由於工具電極通過（guò）安裝板安（ān）裝在（zài）錐度裝置（zhì）上，因此可實現（xiàn）U、V 方向的平（píng）動。

這樣，在利用線切割機床的（de）數控程序編程、實現工具電極和工件沿著一定路線相對運動的同時，還可利用程序控製電火花平動頭作平動運動。此外，還（hái）可（kě）通（tōng）過修改（gǎi）程（chéng）序（xù）對其運動軌跡進行控（kòng）製，從而（ér）利用形（xíng）狀簡單的小尺寸電極加工複雜形（xíng）狀的大尺（chǐ）寸工件，同時使放電（diàn）麵積減小，改善放電時的衝液情況，對電（diàn）蝕產物的排除也十（shí）分有利。

電火花線切割機床控製部分采用的是HF 線切割數控（kòng）自動編程軟件係統，該係（xì）統智能化程（chéng）度高，且可實現圖形交互。用（yòng）戶可借助（zhù）繪圖界麵上簡單易懂（dǒng）的功能，在界麵上（shàng）畫出所（suǒ）需的（de）最終零件形狀（zhuàng），並結合工藝要求處理所（suǒ）畫（huà）的（de）零件圖形。但如需實現的軌跡（jì）較（jiào）複雜，將給繪圖（tú）及後處理帶來困難。因（yīn）此，本文將手動（dòng）編寫G 代碼，並將其導入執行（圖4）。

圖（tú）4 程序執行界麵

4.電火花平動（dòng）加工實驗

首先，對碳化矽反射鏡的內圈進行磨削，但磨削內圈並不是（shì）走一個圓軌（guǐ）跡，而是采用數個小圓軌跡，每個小圓軌跡相（xiàng）互交叉，從而組成一個大圓。內圈由12 個小圓（yuán）組成，每隔30° X、Y 軸（zhóu）走一個小圓，每走一個小圓的同時，U、V 軸（zhóu）平動走一個小圓，這樣便可將內圈加工出來（圖5）。工具電極的中心沿著黑（hēi）色的十二邊形直線插（chā）補，並在12 個位置走小圓（yuán）軌（guǐ）跡。由於工具電極有一定大小，所以它大致走（zǒu）出（chū）了大圓的區（qū）域（yù）軌跡。

加工時發現（xiàn），工作液中產生了大量（liàng）氣（qì）泡。其中，石墨（mò）電極附（fù）近產生的大量氣（qì）泡隨著衝液的作用四散飄走，而加工區域也有大量氣泡附著在工件上，慢慢消散（圖6）。這是（shì）因為加工采用的是水基工作