颜 杰，万符荣*，吴 强，杨 媛
(1.苏州电加工机床研究所有限公司，江苏 苏州 215011；
2.机械工业电加工技术重点实验室，江苏 苏州 215011)
电火花加工是解决航空航天发动机、汽车零部件、化纤纺织喷丝模具部件等关键结构部件中，难加工材料制造的精密微细加工不可或缺的主流加工工艺方法，广泛应用于高温、轻质合金等难加工先进金属材料零部件精密微细结构的高品质加工。随着数控技术与工艺技术的融合发展，针对型腔、特殊复杂型面、异型孔等加工有了新的工艺方法即电火花铣削工艺。电火花铣削加工技术是电火花加工的重要工艺之一，具有工具电极制造简便、无机械切削力、良好的加工控制性能等优点，是难加工材料的重要加工工艺方法[1-2]。随着航空、航天领域高精尖、高端装备的快速发展，为适应关键零部件尺寸微细、复杂结构、材料特殊、高表面质量等要求，解决传统的机械加工方法无法满足加工要求的难题，电火花铣削加工比机械铣削加工具备更好的灵活性和优越性，逐渐成为主流工艺方法。高效率、高品质加工是每一种加工工艺方法追求的目标。由于加工过程存在电极损耗，在电火花铣削加工中，无法同时兼顾效率和精度。基于均匀损耗理论，有学者提出，当分层厚度较小时，可利用均匀补偿的方法进行分层加工；
当分层厚度较大时，使用电极形状的预测与补偿方法[3-4]；
何磊等[5]通过定长补偿加工，建立了补偿与铣削深度的拟合关系式；
周兆威等[6]通过定长补偿方法，实现微细电火花三维型腔的加工；
王元刚等[7]针对大分层厚度的电火花铣削工件侧面加工进行了相关研究，总结了电火花铣削侧面加工电极稳定过程以及补偿量与铣削深度、角度的相关规律，并通过曲面与斜面加工进行了验证。
本文提出一种加工过程的铣削优化与补偿的方法，采用简单圆电极做旋转运动与进给，不用事先制作工具电极与规定路径规划、不用按照粗中精分别加工，缩短加工周期，降低加工成本，满足复杂圆弧、窄缝窄槽、腰型孔、簸箕口等形状的工艺加工要求，保证在加工面积较小的状态下进行分层逐级加工，通过首件工件加工学习，得到最优加工参数，完成加工工件的铣削优化和铣削补偿过程，获得更好的加工表面质量，提高加工效率。
本文提出的电火花铣削加工方法，主要通过电火花机床及其数控系统实现对工具电极和加工工件的运动过程控制和工件检测目标，电火花铣削加工系统整体结构和工作主流程分别如图1、图2所示。主要包括伺服及放电加工单元、测量单元，伺服及放电加工单元包括脉冲电源放电单元和工具电极运动单元，一是产生放电脉冲提供铣削加工能量，二是控制工具电极铣削轨迹包括横向铣削运动和纵向进给与回退。测量单元的作用，一是测量铣削加工的轨迹参数用于铣削优化与补偿，二是测量放电参数包括电压、电流等电参数用于智能化伺服控制策略分析。
图1 电火花铣削加工系统整体结构
图2 电火花铣削加工系统工作主流程
2.1 加工方法设计
由于电火花铣削加工过程的持续，工具电极存在损耗，以垂直面的直线轮廓铣削过程为例，如图3所示，随着工具电极的不断损耗，加工轨迹在不断偏离，如果不进行加工过程的适应控制，会产生电极损耗更不均匀、排屑不通畅及电火花放电间隙消电离不彻底等问题，导致加工过程不稳定与加工轨迹误差逐步增大，因此需要对加工轨迹的过程特点进行分析。
图3 未加补偿与控制的轨迹
本文分别利用无限分割原理与逐次逼近原理对电火花铣削加工的过程进行阐述，如图4所示，将加工轨迹进行无限分割，每层铣削轨迹分割成n段(1≤i≤n，i，n为正整数)，按照机床坐标确定各段轨迹点初始理论坐标值(X，Y，Z)。
图4 铣削轨迹分割成n段
当i=1时，该轨迹点初始理论坐标值为(X1，Y1，Z1)。
当i=2时,该轨迹点初始理论坐标值为(X2，Y2，Z2)。
以此类推，当i=n时，该轨迹点初始理论坐标值为(Xn，Yn，Zn)。
如果机床数控系统按照初始理论轨迹顺序进行分段过程铣削加工，在每一段加工轨迹结束后，检测计算当前加工段的偏离误差Δk，用于后一段轨迹加工的补偿，实现加工过程的铣削优化。当初始段(第一段)加工完成后的检测坐标值为(X1′，Y1′，Z1′)，该段加工轨迹点位的初始理论值与检测值的实际差值的坐标为Δ1(ΔX1，ΔY1，ΔZ1)，ΔX1=X1-X1′，ΔY1=Y1-Y1′，ΔZ1=Z1-Z1′；
第二段的轨迹实际加工坐标理论值为(X2″，Y2″，Z2″)，X2″=X2+ΔX1，Y2″=Y2+ΔY1，Z2″=Z2+ΔZ1。以此实现加工过程的铣削优化，连续加工直至该层轨迹全部加工完成。
以此类推，各段实际加工后的检测坐标值分别为(X2′，Y2′，Z2′)…(Xn′，Yn′，Zn′)，因此，各段加工轨迹点位的初始理论值与检测值的实际差值的坐标为Δ2(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)，Δ3(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)…Δn(ΔXn，ΔYn，ΔZn)，其中：ΔXi=Xi″-Xi′，ΔYi=Yi″-Yi′，ΔZi=Zi″-Zi′，(2≤i≤n)；
Δ2，Δ3…Δn-1为该段下一段加工轨迹过程中补偿的差值，每段进行误差补偿后，在后一段轨迹加工后又会有新的误差值，因此误差是在继续累计，但误差值在变小。可以理解为，随着加工过程的持续，各段轨迹均已实现各段初步补偿，误差也将逐步缩小，直到Δn满足加工精度值，因此该铣削加工过程符合逐次逼近的原则，直至满足加工精度的要求。
2.2 铣削加工补偿与控制方法
根据上文的铣削加工过程特点分析，在加工过程铣削优化后，本文依据反向叠加误差补偿方法与电火花铣削加工过程控制程序，实现零件的全过程电火花铣削持续加工。
铣削加工误差在经过分段补偿后逐渐减小，直至满足加工精度要求，因此需要对各段的误差补偿进行累加，反向叠加到前一段误差补偿上去，即第一段误差需要补偿的是后续各段加工补偿的误差总和。
当k=1时，该段加工轨迹点位的补偿值为(ΔX11，ΔY11，ΔZ11)，其中：
当k=2时，该加工轨迹点位的补偿值为(ΔX22，ΔY22，ΔZ22)，其中：
以此类推，完成各段累计轨迹误差补偿，并在以上补偿的计算方法上，设计控制逻辑程序，具体如图5所示。
图5 电火花铣削加工系统工作子流程
第一个过程：优化调整前铣削，按照初始加工轨迹程序进行铣削加工。
第二个过程：铣削优化。以前一个加工轨迹点位的初始理论值与检测值的实际差值为依据，与设定的铣削加工精度值进行比较，若不满足铣削加工精度值的要求，则对当前加工轨迹点位进行优化调整。将当前加工轨迹点位的初始理论值与前一个加工轨迹点位的实际差值之和作为当前加工轨迹点位的实际理论值，并依据实际理论值进行铣削加工，以此循环并通过逐次逼近的方式，使实际差值稳定在所述铣削加工精度值要求的范围内，若满足铣削加工精度值的要求，则以当前加工轨迹点位的初始理论值直接作为实际理论值并进行铣削加工。
本文提出的铣削加工方法、过程分段优化及逼近式补偿方法是采用简单圆电极进行铣削加工，并采用轨迹优化计算方法，完成铣削优化和铣削补偿，使得在零件加工过程中保持工具电极损耗的均匀性。一次铣削加工过程结束后，电火花加工数控系统通过大量数据自学习掌握针对该零件的铣削规律，并依据该铣削规律可实现对零件的连续精密高效铣削，只需在全部完成零件铣削后进行统一检测，提高工件加工的一致性和加工效率，并降低加工成本。该方法具有电极制造简便、更换工具电极方便及工具电极损耗易补偿等优势，在数控电火花加工机床用于航空航天领域关键零件微细结构的铣削加工应用需求中具有重要的参考意义。
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