电火花曲面展成加工的研究

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电火花曲面展成加工的研究
来源：福建泉州华侨大学机电及自动化学院 作者：刘石安
【摘 要】研究数控电火花铣削加工工艺，探索大面积曲面铣削加工方法，加工路径直接由通用模具设计软件生成，电极损耗补偿按加工路径均匀递增补偿法计算。

- x* H4 g. C' ^& w. u4 O& c; }【关键词】电火花加工；电火花铣削加工；电极补偿
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http://www.suzhou-mould.com/tech_detail.asp?keyno=83


电火花成形是模具型腔加工的主要方式，其加工质量关键之一是电极的制造，由于粗、中、精加工时的放电间隙不同，电极尺寸也应不同，因此需制作多个电极才能最终满足加工精度的要求。特别是型腔加工面积较大时，有时还必须使用分割电极加工法，依次完成型腔各个部分的加工。由此使电极制作成本增高。分割电极加工时，型腔表面还会产生接缝以及电极二次装夹重复定位精度问题，这些都会影响电火花成形加工的质量。
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随着数控技术的发展，模具型腔加工有了新的工艺方法——数控电火花铣削加工，即用简单电极展成复杂型面。数控电火花铣削加工工艺的关键是加工路径的生成和电极损耗的补偿。对此国内外许多电加工学者做了大量深入细致的研究，如研究等损耗分层加工模型以及基于该模型建立加工路径生成的专用CAM软件，研究电极损耗精密检测技术、在线电极补偿等[1~4]。
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数控电火花铣削工艺可进行修尖角加工、窄缝加工及侧面伺服加工等，但本文更关心的是空间直线伺服进给问题，研究的主要内容集中于空间曲线轨迹加工方向、空间曲面展成加工方向，探索型腔型面的数控电火花铣削加工工艺。
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2 c3 ^( r+ q2 B" I: N6 u- ~本文引用金属切削加工中心的工艺路线，应用通用的模具加工软件UG造型，生成加工路径，并将加工代码编译成具体机床的数控指令。在电极损耗补偿方面，只考虑Z轴方向的补偿，并提出沿电极加工路径、按轨迹路程均匀递增补偿电极损耗的方法。

$ ^! N0 t3 ~3 p" j% S+ u1 数控电火花铣削加工工艺
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8 y* C5 A/ m  [! n- }/ y! j$ U3 X加工中心的铣削加工工艺已很成熟，故将其引入数控电火花铣削加工工艺中。经过研究和实验，已证实轮廓加工、挖槽加工、沿曲面加工、修边、去残留等加工问题都能用数控电火花铣削加工方法解决，也就是说数控电火花铣削加工中的加工路径生成问题可以用通用模具加工软件解决。

值得注意的是电火花铣削加工并不等同金属切削加工，由于放电间隙和电极损耗的存在，会对型腔尺寸精度产生影响，因此在给数控电火花铣削加工编程时必须注意如下问题：

# D6 ]: ]+ O! O6 K, P9 x(1) 加工余量。该参量的最小值要求大于放电间隙，超精加工时加工余量并不为零，且前一道工序要给后一道工序留下余量。
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(2) 加工方式。在轮廓加工或挖槽加工时可以选择生成圆弧段程序。而在沿曲面加工时必须选择直线加工方式，包括切入切出程序，即程序段必须是空间微直线段，这也有利于电极损耗补偿计算。

- ]; L  N% E" l2 k(3) 加工精度。加工精度越高，弦线对空间曲线的逼近度越高，空间微直线段越多，程序越长。实际加工时，粗加工可以选择低一点的精度，以减少程序段数。
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(4) 残余波峰高。该参量指刀具横向进给量，其值越小，加工曲面越光顺。该参量也可以用刀具直径的百分比表示。
' M) H  v, k" A4 P( T3 D6 y$ H  [3 S
* n( c3 z( }, y, G4 Q(5) 电极尺寸。本文要求每次加工编程时输入电极直径的实测值，这样可让电极损耗补偿计算只须放在Z轴方向。
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: \' E  O- I4 n3 k9 v. s(6) 电参量和电极长度补偿。电参量的选择要参考加工余量，超精加工时要选择正极性加工方式，要用电子的能量去修平放电痕凸起。电极损耗补偿值依工艺经验而定，它与电参量、电极材料对及工作液等相关。电极损耗补偿值均匀插入每个微直线段端点上。
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! P4 \3 x( }  g! n3 W数控电火花铣削加工编程路线（图1）按上述6个方面要求设置参量，就可生成粗、中、精加工路径及机床数控指令。

加工余量、加工方式、精度、残余波峰高、实际电极尺寸

4 \0 Q4 u1 t+ B' G1 R8 z% H零件
; L7 o! a7 F% E6 B( ]0 y8 I
% x' E' L2 X/ e4 Y; n$ F( E毛坯

4 b" T. \5 L& E, B- EUG-NX
0 K6 C% G/ N) x! A
刀具路径补偿软件

电参数

* d' x5 [& g) g, O) F1 U4 _1 {刀具长度补偿值输入
7 \8 Y- s5 X1 a; c9 I# X! x9 d
电火花数控铣削加工程序


% k  D6 s6 r( u
/ j3 x+ t" x/ v4 |4 S5 Q  m% s0 V, I) p0 O  r
: A  h8 C" b/ B0 {# S- g( C/ u

( c6 \& \' u( C' [9 I/ k4 W
- v. [% I6 T. I) H; e/ E
  c) {& C# n3 V1 r; f3 y

& i& k( G/ k! C
; q7 r8 L5 I( Y) r# r! V+ t

* E1 D4 o2 s0 K! Y( g* h
图1 数控电火花铣削加工编程路线

用模具软件UG设计了一空间曲面，上有“电火花”字样。为体现数控电火花铣削加工能力，将所有工序全部采用数控电火花铣削加工方案。粗加工用ф14mm电极，按挖槽采用分层加工，横向进刀为电极直径的80％；中精加工用ф8mm和ф4mm的端电极，按矢量、沿曲面方式加工，横向进刀分别为电极直径的8％和2.5％。图2为中精加工刀具路径。
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2 p7 v5 q" [1 L+ v+ x  P
电极ф8mm，E293 电极ф4mm，E250
" j1 Q: p- z1 H% S4 P3 R7 ^
9 `7 {9 K4 _$ d1 o1 o8 {（a）中加工 (b)中精加工
  m& O8 |8 q4 A* b7 y+ @2 c

电极ф4mm，E250 电极ф4mm，E200

(c)中精加工 (d)精加工
4 |$ m6 a  J; ^- u6 f/ [
+ b9 M  J4 z( }7 q& P5 |图2 电火花中、精铣削加工刀具路径
" @9 S4 m8 g) {' Y
$ _: O& ~$ {1 N2 s0 }. e在图2d中左下角有一块粉红色的残留区域（在曲面曲率较大凹处），该区域端刀无法深入，因此在精加工之后还需要再用ф4mm指状R刀电极进行最后的光整和去残留加工。
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另外，在同一加工余量条件下，工艺上还要求生成反向刀具路径，进行反向铣削加工，消除前一道工序正向加工时因电极损耗而产生的阶梯波浪面，以提高表面形状精度。
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5 P& Q4 N/ b0 _$ F$ S2 电极损耗补偿对策
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6 y0 E& I1 z# m$ \5 u! d4 c% Z9 d1 ?2.1 电极损耗的影响

在数控电火花铣削加工过程中，放电一般发生在电极端部前沿尖角处，电流密度较大，放电集中度高，存在着较严重的电极损耗现象。在加工的开始阶段，工件材料去除量较大；在加工的末尾阶段，工件材料去除量最小，因此实际加工面是一个“斜坡面”，如图3A表面所示。在A表面与B表面之间是本道工序的未加工区。显而易见，电极损耗影响加工精度。

电极补偿过量面C

无电极损耗理想加工面B

% q5 `$ n% @. M2 d: z没有补偿的加工面A
9 n- m6 M3 `/ B! B0 w
1 A/ b% X4 ?4 f3 x, R2 O% v! L

' U+ H3 {6 y7 N0 ^

! E8 s1 G. _! l" a( |h1当前层厚度

" X& x. k: F0 y- m9 ~& I7 kh2下一层厚度

* z# l6 Y% E$ Q2 H

9 Y- B% ~4 B/ x. x% k/ p
* K  T6 y! ?( n  S; z图3 电极损耗补偿控制参考面

4 X( T  i0 ^4 _2 W! w" R. c2.2 电极损耗补偿的目的

4 c/ h' Q& e8 y1 f3 U一方面可控制每一层铣削加工的尺寸及形状精度，另一方面还可给下一层铣削加工减少加工余量累计负担。电极损耗补偿值的给定应按不过度补偿为原则，即其值应小于本层加工量与下一层加工余量之和。
. N' J8 k+ k, K- u
  w3 J/ b$ P! _2 }# g2 {( T5 B7 Y; R2.3 电极损耗补偿计算的方法
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沿曲面铣削加工时按直线方式生成加工路径，所有程序段都是空间微直线段，假设在加工路径相对较长的条件下，电极损耗沿路程均匀分布，其补偿值沿轨迹，按路程均匀递增补偿到每段空间直线终点上，那么电极损耗补偿值在第i程序段的值为：

△i=(△/∑Lk)·(∑j=0→iLj)
/ u! E) _0 s& X4 Z
式中：△i为第i程序段的电极损耗补偿值；△为当前层铣削加工电极损耗预估值；∑Lk为当前层总的加工路径长；∑j=0→iLj为电极在第i程序段已走过的加工路径长。

: x& B$ y9 Q" O7 k% N△值与电参数和加工路径长度有关，主要用于电火花中、精加工；超精加工时其值设为零。
. W. `$ H! _6 U2 d' H
% ?, X0 k& e# f  {3 t0 Z& u, D△i值用于第i程序段的电极损耗Z轴方向的补偿值，是用离线补偿计算法得到的。

2 u6 Y' l+ ?% j' U3 电火花曲面铣削加工工艺实验
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工艺实验在RobForm30三轴数控电火花成形机上进行，用UG软件造型、生成加工路径文件，选用专家系统生成的加工余量和电参数，再经电极损耗补偿处理，生成数控电火花铣削加工程序代码。
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表1 是实验选用的加工参数。在精加工中去除的工件材料厚0.016mm,而预估电极损耗△取值0.05～0.07mm（实验值），实际的加工路径总长约为45000.00mm，如按理论计算，每100mm长得到0.10～0.16μm的补偿，18000条程序平均每条得到0.0025～0.0038μm的补偿，因此，如果按规格化计算，那么只有刀具加工很长一段距离之后，刀具电极才会作出实际意义上的补偿，真正作出实际意义上补偿的程序段比例很低。
! }7 e% o; n" J  ?* S6 K5 G
* H! |! ~8 g4 Q- u% A' H/ p% D+ `表1 电火花铣削加工参 mm
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: Z* N" }  m: h- W加工类型 加工余量 电参数 电极补偿
9 \& ^% }: ]: h& e! P$ t' ?% U- ^- |
0 M2 d. s6 B8 a+ y5 S% Y粗加工
7 x3 }; w6 u+ F
粗加工
) |" N) x+ N$ J. x
; [5 ^1 [% L  S3 W3 I中加工

% p5 }, b- t  `' U/ X中精加工

6 u" g$ z" u5 |& S  u精加工

超精加工

, t: j0 ?" W* ]7 S5 C3 g+ h9 |0.800 E383 0.500
# H/ `5 o- h! \. Y4 K
0.400 E373 0.250
) ?/ j) R; N$ _: ]: K, t- V. B2 s
9 u& K" F) i7 L% V1 H' H0.200 E293 0.100
4 d. P4 Y$ L9 W/ W/ B& B
0.150 E250 0.075
/ r4 f& _7 Y2 O) S) c8 [, ]5 ~- e
5 O- e! t9 ~/ P0.134 E220 0.050～0.070

0.122 E200 0

注：电参数采用RobForm30电火花成形机规准。
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( a+ w4 ~5 X! I9 a粗加工时电极补偿视具体情况而定，首先选择补偿方式加工，补偿取值一般小于加工余量，如果电极损耗较大，电极端面圆角过大，此时应更换电极，Z轴重新对零位后，再进行加工。超精加工时只需生成正、反向加工刀具路径，来回打光打抛曲面。实验中还加入了轮廓加工、残余加工、修边，并考虑了加工精度设置、最大微直线段长度设置等内容。

& H6 u9 Q5 _- O, e) \" Z电极制作部分是一个比较重要的环节，故自制了机上修磨装置，依据铣床刀具工具磨原理，设计有“电碰”定位基准，可精确定位，可修整电极圆柱面，也可修整电极端部球面。但由于铜电极在机械力作用下容易变形让刀，因此只成功修整了φ5～8mm指状棒电极。