噴絲板微孔電火花高效銑削加工工藝研究

徐琳俊，莊昌華，陸曉華，宣寒玉

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

我國是世界化纖生產(chǎn)大國，各種化纖是將原料在噴絲機中高溫熔化，再施加一定壓力使之通過表面布滿微孔的一種模板（噴絲板）噴流而出，繼而冷凝形成[1]。噴絲板上的孔形、質(zhì)量、精度是紡絲工藝的關(guān)鍵因素[2]，直接影響著成形纖維的性能。噴絲板上的微群孔大多采用電火花微孔加工工藝完成。

電火花噴絲板微孔加工是利用電蝕加工原理，在金屬噴絲板上加工出微細的小孔（圖1），其孔形除了圓孔外，各種精密異形微孔越來越多[3-4]，常見的有Y形、雪花形、三角形、骨形等（圖2）。

圖1 噴絲板結(jié)構(gòu)圖

紡絲孔的尺寸微小且形狀各異，常見的微孔尺寸約為0.09 mm×0.25 mm，通常需在100倍以上的放大鏡下觀測，其精度和表面粗糙度要求極高。這些孔形可采用整體電極一次放電加工成形，對單一孔形而言加工效率高，孔形精度一致性好[5]。但也有很大的局限性，只能加工特定的一種孔形，不同的孔形需要不同的電極，對微細異形電極的要求也很高。并且，微細異形電極價格昂貴，制作難度大且周期較長，所以使總的加工成本變得非常高[6]。

圖2 各種異形噴絲板微孔

本文針對化纖行業(yè)噴絲板微孔加工需求，研發(fā)了電火花噴絲板微孔加工機床。該設(shè)備既可通過拼花方式加工高精度異形噴絲微孔，又可通過銑槽方式獲得微孔[7]。在該設(shè)備上采用銑槽方式進行了大量工藝實驗，得到了一種噴絲板微孔精密高效加工的工藝方法。該方法基本可滿足大多數(shù)異形噴絲孔的加工需求，具有操作簡單、加工成本低、自動化程度高等優(yōu)點，大大縮小了我國噴絲板加工技術(shù)與國外同類技術(shù)的差距[8-9]，技術(shù)成果已在國內(nèi)多家噴絲板制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1 實驗條件及指標(biāo)

實驗中，采用自主研發(fā)的五軸數(shù)控電火花空間組合高精度微孔加工設(shè)備，只用簡單的圓形電極絲安裝在數(shù)控旋轉(zhuǎn)分度軸 （C軸）上。電極絲直接為0.05 mm，工件為0.5 mm厚的不銹鋼板，通過XYZC軸的插補，實現(xiàn)了采用簡單低成本電極加工高精度異形噴絲微孔。該設(shè)備具有以下特點：

（1）采用自主研制的專用微細電極導(dǎo)向器，用于對微細電極的精密微阻尼高壽命導(dǎo)向。

（2）高精度全閉環(huán)控制XYZWC五軸數(shù)控主機。

（3）實現(xiàn)電極絲滾輪伺服進給、高精度旋轉(zhuǎn)分度為一體的精密電火花微孔多功能加工頭。

（4）具有電導(dǎo)率檢測控制的工作液系統(tǒng)，通過對工作液的電導(dǎo)率檢測和控制，可保證加工的精度和穩(wěn)定性。

（5）微精放電狀態(tài)精準(zhǔn)、快速檢測及數(shù)字化納秒級微能量脈沖電源，加工過程中對數(shù)字化微精脈沖電源參數(shù)、電極微量伺服進給進行智能適應(yīng)控制。

（6）專用數(shù)控系統(tǒng)對加工過程實現(xiàn)異形噴絲板微孔加工的智能控制。

實驗過程中，加工時間決定了產(chǎn)品生產(chǎn)制造周期，對企業(yè)經(jīng)濟效益有直接影響；產(chǎn)品加工形狀質(zhì)量的好壞及穩(wěn)定性對企業(yè)競爭力也尤為重要[10]。本實驗分別從加工時間及銑槽寬度方面進行考查。

2 工藝實驗結(jié)果分析

以圖2所示骨形微孔進行加工工藝實驗，通過G代碼編制骨形槽加工程序，對不同實驗條件及不同電參數(shù)下的加工結(jié)果進行對比分析。

（1）實驗一

電極進給速度過慢會導(dǎo)致加工效率明顯下降，過快又會引起短路、損耗過大、加工不穩(wěn)定等情況，同樣造成生產(chǎn)率降低。為了驗證進給速度參數(shù)對加工結(jié)果的影響，在其他電參數(shù)都不變的情況下，僅通過設(shè)置進給速度由慢變快，所得加工結(jié)果見圖3?？煽闯?，進給速度對銑槽的加工結(jié)果影響較大，當(dāng)速度增大到最快時，加工形狀質(zhì)量最佳，微孔邊緣光滑均勻，各方向的槽粗細均勻（圖3f）。

圖3 不同進給速度下的工藝實驗結(jié)果

不同進給速度的加工時間見表1。結(jié)合圖表分析可知，增大進給速度后，加工形狀漸好，銑槽邊緣輪廓清晰、無毛刺，槽寬適中（圖3f），雖然加工時間不是最短，但可獲得更好的加工質(zhì)量。綜合考量加工形狀與耗時，初步選定圖3f所示的進給速度，而如何進一步提高加工效率是后續(xù)實驗的方向。

表1 增大進給速度的實驗結(jié)果

（2）實驗二

本實驗采用自主研制的專用微細電極導(dǎo)向器，成本較國外同類產(chǎn)品大幅降低，每套可節(jié)約生產(chǎn)成本近萬元，且可根據(jù)電極絲的粗細程度選用不同規(guī)格的導(dǎo)向器，方便靈活。

選用直徑0.05 mm的軟鎢電極，分別與不同間隙導(dǎo)向器（1#、2#、3#、4#）進行工藝實驗，通過結(jié)果對比，最終選定合適的導(dǎo)向器。在參數(shù)及實驗條件都一致的情況下，四種自制導(dǎo)向器的實驗結(jié)果見圖4?？梢?，使用1#、2#導(dǎo)向器的銑槽寬度過寬，形狀不理想，電極絲與導(dǎo)向器的間隙明顯過大。3#導(dǎo)向器的加工結(jié)果顯示，X向槽寬合適，但斜向四個角度的槽寬略寬，不同方向的槽寬不均勻，說明導(dǎo)向器與電極絲間隙仍不匹配。采用4#導(dǎo)向器后，獲得了較理想的槽型，各向的槽寬一致性好。因此，在相同加工條件下，不同的導(dǎo)向器對加工形狀有著直接影響，選用合適的導(dǎo)向器可使加工形狀更好更穩(wěn)定。

圖4 不同間隙導(dǎo)向器對加工結(jié)果的影響

對應(yīng)的綜合實驗結(jié)果見表2。結(jié)合圖表可看出，電參數(shù)相同時，加工時間差異不大，但加工結(jié)果卻大相徑庭。1#導(dǎo)向器間隙過大，加工結(jié)果無法達到要求；只有當(dāng)電極絲與導(dǎo)向器的間隙合理、配合恰當(dāng)（4#），才能獲得理想的加工結(jié)果。但根據(jù)實際操作經(jīng)驗，當(dāng)導(dǎo)向器間隙過小時，阻尼增大會造成穿絲困難、電極受力變形。因此，選用與電極絲匹配的導(dǎo)向器能獲得更優(yōu)的加工結(jié)果和更高的工作效率，無論是銑槽形狀還是槽寬都在要求的范圍之內(nèi)。

表2 不同導(dǎo)向器的試驗結(jié)果

（3）實驗三

在上述二項實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，進行了旋轉(zhuǎn)分度軸（C軸）的轉(zhuǎn)速影響實驗，觀察不同轉(zhuǎn)速對加工結(jié)果的影響，結(jié)果見圖5?？煽闯觯D(zhuǎn)速從600 r/min增加至1100 r/min時，骨形質(zhì)量由差變優(yōu)，邊緣輪廓清晰，燒弧現(xiàn)象減少。當(dāng)轉(zhuǎn)速在900～1100 r/min時加工結(jié)果都符合要求。但隨著轉(zhuǎn)速不斷增加至1200 r/min后，出現(xiàn)了燒弧現(xiàn)象，孔形質(zhì)量較差。

圖5 不同電極絲轉(zhuǎn)速下的加工結(jié)果

對應(yīng)的加工時間及槽寬結(jié)果見表3。結(jié)合圖表可知，在選用同一導(dǎo)向器且在相同電參數(shù)下，不同的電極絲轉(zhuǎn)速會對加工結(jié)果產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)速增大，微孔加工結(jié)果逐漸變好且耗時縮短，但轉(zhuǎn)速超過1100 r/min后，耗時又增加且槽型質(zhì)量欠佳，同時電極絲損耗過大，造成電極絲浪費和頻繁更換電極絲的麻煩。因此，綜合分析槽寬和加工時間可得出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為900 r/min時，槽型最佳且耗時最短。

表3 電極絲不同轉(zhuǎn)速的試驗結(jié)果

通過上述工藝實驗，以噴絲板微孔中的骨形微孔為例，分別從進給速度、導(dǎo)向器、C軸轉(zhuǎn)速三個方面對高效加工工藝進行了分析研究，得到了一組噴絲板微孔的高效加工參數(shù)。經(jīng)多次反復(fù)實驗證明，該組參數(shù)下的加工結(jié)果可行且穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

本文針對高效低成本的微孔加工工藝尋求了更優(yōu)的工藝參數(shù)，在較短時間內(nèi)獲得了較好的微孔孔形，可滿足大多數(shù)異形噴絲孔的加工需求，具有操作簡單、加工成本低、自動化程度高等優(yōu)點。實驗采用自主研制的導(dǎo)向器與軟鎢電極絲，每套成本比進口產(chǎn)品節(jié)約上萬元，大大降低了生產(chǎn)成本。該加工技術(shù)及設(shè)備填補了國內(nèi)空白，所研究的高效高質(zhì)加工微孔技術(shù)尚屬國內(nèi)外首創(chuàng)。

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