油泵油嘴复杂微结构微细电火花铣削加工试验

郑 湘，吴 强，陆晓华，刘 斌

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

随着技术发展，具有微细结构的零部件被广泛应用。国内许多油泵、油嘴公司生产的高压共轨喷油嘴孔片是典型的具有复杂微结构特点的微细产品。目前，国内大多数制造企业采用超高速旋转主轴铣削的方法加工复杂微细结构产品，但设备投入成本高、工艺流程繁杂、加工部位有毛刺且表面质量较差，也达不到高同心度的要求，因此亟待寻找解决上述问题的方法。

数控电火花微孔加工机床采用高精度主机、微精脉冲电源及专用数控技术，可实现精细形状孔槽的精密加工，与传统加工方法相比具有生产成本低、精度高、操作简单等优点[1]。在此基础上，研究开发了三头数控电火花微细铣削加工机床，使油泵、油嘴复杂微结构的一体化高精度加工成为可能。

本文主要通过介绍电火花微细铣削加工试验过程，着重分析了电极损耗补偿、加工效率相关问题的解决方法，最后通过试验验证摸索出可保证电火花微细铣削加工质量及效率的工艺规律。

1 试验设备及条件

产品试件的加工在自行研制的三头数控微细电火花铣削加工机床上进行。该设备由机床主机、两个电气控制箱及工作液系统组成。电气控制箱1控制 X1、Y1、W1、Z1四个轴， 电气控制箱 2 控制 X2、Y2、W2、Z2、Z3五个轴，其中精密伺服加工轴 Z1与 Z2、Z1与Z3均可同时加工。

电气控制箱主要由数控系统、专用微精高频脉冲电源、检测伺服控制单元等部分组成。微精脉冲电源最大加工电流为0.4 A，加工电流调节范围为0.1～0.4 A，共10档可调。数控系统具有电火花铣削功能，对微精脉冲电源参数、电极微量伺服进给进行智能适应控制，可实现电极在X、Y平面的轨迹运动及Z轴方向纵向与微振动的耦合运动。试验采用数码显微系统进行相关数据测量。

2 油泵油嘴复杂微结构加工要求

油泵油嘴复杂微结构试件的加工尺寸见图1。加工要求如下：加工锥形90°、宽度0.3 mm、深度0.15 mm的环槽；加工宽度0.4 mm、深度0.15 mm的十字槽；加工直径0.4 mm、深度0.15 mm的沉槽，孔径精度为±0.003 mm；直径0.23 mm微孔的流量散差在±3%以内；试件表面粗糙度 Ra＜0.8 μm，同心度＜0.01 mm；铣削加工底面深度一致且无明显对接痕迹；加工需实现效率最大化，单个工件的加工时间少于4 min20 s。

图1 油泵油嘴复杂微结构加工尺寸图

3 油泵油嘴复杂微结构的微细电火花铣削加工试验

3.1 微细电火花铣削基础工艺试验

基础工艺试验采用工件材料为合金钢，电极材料为硬钨，加工目标为宽度0.3 mm、深度0.15 mm的环槽。基础工艺试验参数见表1。

表1 基础工艺试验参数

在试验初期，铣削的环槽存在明显的底部不平和起点、终点的底部交接痕等情况。如图2a所示，由于存在电极损耗，在单层铣削加工一段时间后，电极与工件之间的间隙增大，加工作用逐渐减弱，加工效率和伺服进给速度波动，型腔底部出现明显的高低差，加工形状的几何精度降低[2]。

为了提高加工精度，减少电极损耗对工件底面形貌的影响，试验进一步改善电极纵向进给速度Vz（图2b），以达到电极损耗补偿的效果[3]。具体方法是：适当加大电极的伺服进给比例，匹配降低灵敏度参数，根据间隙状态检测信号、加工效率等参数对电极损耗进行在线检测和补偿[4]；通过算法决策自适应微量调节匹配伺服进给比例和灵敏度，使加工放电间隙始终保持在正常范围，电极沿数控轨迹作伺服运动，均匀地蚀除掉每一处的被加工材料[5]。

图2 微细电火花铣削加工放电间隙的控制

采用数码显微系统对所加工的环槽进行3D图像合成，如图3所示，相比于伺服进给比例50%、灵敏度90%时的加工情况，当伺服进给比例为70%、灵敏度为10%时，电火花铣削环槽的底面趋于均匀，且解决了底部不平和起点、终点底部交接痕的问题，从而实现整个型腔要求的加工效果[6]。

图3 不同伺服比例和灵敏度下电火花铣削效果图

试验表明，随着伺服进给比例和灵敏度的不断匹配完善，伺服轴的进给稳定，电极损耗得到补偿，电极形状也趋于稳定，可实现铣削环槽较理想的均匀连续加工。

3.2 微细电火花铣削加工效率试验

在保证其他试验条件不变的情况下，为了提高电火花微细铣削的加工效率，试验将电极丝的规格从直径0.15 mm逐步提高至直径0.28 mm，可实现良好的加工效果，且能将加工时间从之前的8 min大幅缩减至3.2 min，见表2。

表2 改变电极规格的具体过程参数

经过多组试验发现，在实现等面积、等深度的同一加工目标时，电极丝截面积越大，则单层铣削深度应越小，加工时间越短，加工效果越好。但是，通过权衡本试验样件的实际加工尺寸和效率的各项要求，最终将电极直径确定为中间值0.21 mm，且仍需进一步缩短该中间值对应的加工时间，故此时考虑进一步改进其他参数。

通过大量振动频率试验，得到保证质量前提下的最优振动频率为560 Hz。分析原因：振动频率实现了放电间隙附近的电极与工件的间隙高频动态改变，有助于建立和维持正常放电状态，降低对伺服控制响应的苛刻要求[7]。电极与工件之间的振动频率提高了放电脉冲利用率，将蚀除的加工屑及时排出，从而改善加工状态、提高加工效率，最终将加工时间由4 min缩短为2 min（表3）。

试验表明，通过电极直径和振动频率的优化选择，在保证加工精度的前提下，电火花铣削加工效率有了本质的提高。通过上述基础工艺试验和加工效率试验，以本试验样件环槽加工为例，得到了电极直径0.21 mm、伺服进给比70%、灵敏度10%、振动频率560 Hz的微细电火花铣削最优加工参数。经反复试验证明，该加工参数可行且加工稳定。

3.3 油泵油嘴复杂微结构加工试验

本试验涉及的油泵油嘴复杂微结构包括环槽、锥度沟槽、十字槽、沉槽、微孔，其电火花加工参数见表4。其中，环槽是依据前述所得最优参数进行加工；锥度沟槽是通过三层不同半径、不同深度的环槽组合加工而成[8]；十字槽是通过直线槽的偶数层铣削加工而成（图4）[9]；沉槽、微孔均是根据常规电火花微孔加工工艺完成[10]。

表3 改变振动频率的具体过程参数

表4 微结构加工试验参数

图4 直线槽偶数层铣削轨迹

上述微结构的电火花铣削加工流程均依据第3.1～3.2节所述的微细电火花铣削加工质量和效率的工艺规律反复试验所得。试验中，通过两套独立且信息互通的机床数控系统，在精密伺服加工轴Z1上用直径0.21 mm钨电极加工环槽和锥度沟槽，加工时间3.85 min；在加工轴Z2上用直径0.38 mm钨电极加工十字槽和沉槽，加工时间2.85 min；在加工轴Z3上用直径0.21 mm钨电极加工直径0.23 mm的微孔，加工时间0.3 min。Z1与Z2同时开始加工，Z2先加工完成；再换Z3与Z1同时加工，可将工件整体加工时间控制在4 min以内。

如图5所示，铣削加工后的工件底面深度一致且无明显对接痕；同心度＜0.01 mm；直径0.4 mm沉槽的孔径精度在±0.003 mm以内；直径0.23 mm微孔的流量散差在±3%以内；表面粗糙度＜Ra0.8 μm；加工总用时＜4 min，各项加工指标全部满足要求。

图5 工件加工完成的整体铣削效果

4 结论

通过对油泵油嘴复杂微结构进行微细电火花铣削加工试验和分析，得到如下结论：

（1）为保证电火花铣削面的平整度，必须合理规划伺服比例与灵敏度之间的参数关系，保持加工放电间隙始终在正常范围内，使伺服轴进给稳定，电极损耗得到补偿，从而实现微细电火花铣削的均匀连续加工。

（2）针对同等面积、同等深度的环槽，电极丝的截面积越大，则单层铣削深度越小，加工效果越好；合适的电极振动频率，可提高放电脉冲利用率，将蚀除的加工屑及时排出，改善加工状态，提高微细电火花铣削加工效率。

（3）微细电火花铣削加工工艺是在电火花微孔加工工艺的基础上，通过更加精细合理地匹配电极规格、伺服比例、灵敏度、振动频率等参数而形成的，并在油泵油嘴复杂微结构的高效加工难题上具有可行性。