基于程序長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)碾娀鸹ㄣ娤鞴に?/h1>
2011-10-20 14:08:34潘曉斌錢志強(qiáng)
制造技術(shù)與機(jī)床 2011年10期
周 林 石 民 潘曉斌 錢志強(qiáng)
（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在通常的電火花模具制造過程中，成型電極的制作時(shí)間與費(fèi)用可達(dá)總制造周期與費(fèi)用的一半以上。因此，自上世紀(jì)80年代后，國內(nèi)外眾多學(xué)者紛紛開始嘗試使用簡(jiǎn)單形狀的電極（如棒狀電極），借鑒數(shù)控銑削的方法進(jìn)行三維輪廓的電火花加工。進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，隨著數(shù)控電火花加工技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)電火花銑削加工技術(shù)的研究逐漸活躍起來。1993年瑞士夏米爾公司推出了電火花銑削加工機(jī)床ROBOMILL200后，電火花銑削加工技術(shù)更是引起了國內(nèi)外電加工界的重視。工件固定，圓柱銅電極（φ1～12 mm）能在X、Y、Z方向上移動(dòng)，還可繞Z軸旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，加工效率比傳統(tǒng)的電火花加工有所提高。
國內(nèi)在這方面的研究起步較晚:哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)電火花銑削CAD/CAM技術(shù)做了研究，此外還對(duì)管狀電極加工半球體及型腔進(jìn)行了研究;南京航空航天大學(xué)在電火花銑削的電極損耗與補(bǔ)償方面做了一些工作;上海交通大學(xué)對(duì)橫向進(jìn)給的電火花銑削加工做了仿真研究。
總的來說，目前國外二維半的電火花銑削加工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，部分三維微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)也日趨成熟，三維電火花銑削加工技術(shù)尚待進(jìn)一步研究和發(fā)展，而其中最為關(guān)鍵的仍是電極損耗的三維在線補(bǔ)償技術(shù)。
1 電火花銑削程序補(bǔ)償策略
目前電火花銑削過程中常用的工藝策略為分層銑削，然后通過基準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償。
1．1 分層策略
在電火花銑削加工中，為了補(bǔ)償銑削過程中電極長(zhǎng)度方向的損耗，銑削工藝一般采用分層策略。其原理如圖1所示。
在加工凹槽過程中，對(duì)凹槽型面進(jìn)行分層，每一層的深度根據(jù)電極實(shí)際情況確定。在加工之前，測(cè)量并記錄電極長(zhǎng)度值;完成第一層電火花銑削后，對(duì)電極長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，得出電極長(zhǎng)度損耗;然后根據(jù)測(cè)量值對(duì)第二層加工程序進(jìn)行電極長(zhǎng)度補(bǔ)償，進(jìn)行第二層的銑削加工，以此類推，直到完成內(nèi)型腔的加工。
采用該工藝方法編程簡(jiǎn)單，工藝容易實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是每完成一層的銑削加工后，都要對(duì)電極長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，得出長(zhǎng)度損耗值，然后進(jìn)行補(bǔ)償，操作繁瑣，效率不高。
1．2 長(zhǎng)度補(bǔ)償策略
根據(jù)上述情況，如果能夠得出電極長(zhǎng)度方向損耗的規(guī)律曲線，在銑削過程中根據(jù)銑削的長(zhǎng)度對(duì)電極長(zhǎng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，那么，就可以很輕易地解決分層銑削繁瑣的測(cè)量過程。
首先，采用正交試驗(yàn)的方法，確定常用直徑電極（φ0.2 mm～2 mm）的銑削長(zhǎng)度與電極長(zhǎng)度損耗之間的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電極在銑削過程中的長(zhǎng)度損耗與銑削長(zhǎng)度之間為線性關(guān)系。那么，在銑削過程中電極長(zhǎng)度補(bǔ)償量可用下列公式表達(dá)
其中:ΔL為電極長(zhǎng)度損耗量;L為銑削長(zhǎng)度;δ為損耗系數(shù)，根據(jù)不同直徑電極以及工件材料有所不同。
2 實(shí)際應(yīng)用
以我單位電火花機(jī)床為平臺(tái)，進(jìn)行了電火花銑削工藝試驗(yàn)。
2．1 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析
我單位電火花機(jī)床包含4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，分別是直線軸X、Y、Z軸以及與主軸一體的旋轉(zhuǎn)軸C軸，各軸的行程見表1。
表1 電火花機(jī)床工藝范圍
2．2 電火花銑削程序格式
電火花銑削程序格式為
其中:VECT等同于通用數(shù)控機(jī)床的G01功能;X，…，Y…，Z…，分別為X、Y、Z三個(gè)軸的坐標(biāo)值;E，253為機(jī)床設(shè)定的放電參數(shù)。
程序格式如下:
2．3 電極補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)
通過上面分析，電火花銑削過程中采用分層加長(zhǎng)度補(bǔ)償策略。
分層銑削在前期程序準(zhǔn)備時(shí)直接選擇分層銑削的加工方式即可。而電極長(zhǎng)度補(bǔ)償由于編程軟件不具備該功能，因此，需要在后置處理上進(jìn)行相應(yīng)的改制。以編程軟件Siemens NX為例，說明如何在后置處理時(shí)加入電極長(zhǎng)度補(bǔ)償量。在其后置處理器中，將Z值變量更改為:
其中:Z為電極深度實(shí)際值;Z1為數(shù)控程序中電極深度值。
NX后處理器里面沒有直接的銑削長(zhǎng)度變量，但是，由于銑削過程中滿足公式:
因此:
根據(jù)上面分析，可以得出下列公式:
其中:Z為電火花銑削程序Z坐標(biāo)數(shù)值;!MOM_P0S（2）為NX系統(tǒng)變量，當(dāng)前刀具Z方向坐標(biāo);!MOM_FEED_RATE為NX系統(tǒng)變量，當(dāng)前的銑削速度;!MOM_CUTTING_TIME為NX系統(tǒng)變量，從開始到當(dāng)前段總共的銑削時(shí)間;δ為損耗系數(shù)，根據(jù)不同直徑電極以及工件材料有所不同。
在做后置處理的時(shí)候，只需要將Z坐標(biāo)的表達(dá)式改為公式（6）的表達(dá)式，即可實(shí)現(xiàn)電火花銑削長(zhǎng)度補(bǔ)償。
2．4 電火花銑削工藝試驗(yàn)
圖2所示為齒數(shù)為16，模數(shù)為1.5 mm的齒輪。采用電火花銑削加工，粗加工采用φ2 mm電極，單邊留量0.1 mm;精加工采用φ0.4 mm電極。銑削工藝采用分層銑削，通過數(shù)控程序補(bǔ)償電極長(zhǎng)度損耗量。齒輪加工深度為5 mm，底面高度差0.05 mm。圖3為尺寸輪廓與理論輪廓的比較圖，從圖中可以看出，采用電火花銑削加工出來的零件外形輪廓與理論輪廓吻合良好，輪廓度誤差0.05 mm。
3 結(jié)語
通過分層銑削以及程序中加工電極長(zhǎng)度損耗補(bǔ)償?shù)墓に?，解決了電火花銑削中電極損耗與補(bǔ)償?shù)膯栴}。通過實(shí)際電火花銑削加工驗(yàn)證，該技術(shù)路線可用于難加工材料以及小型特征零件的制造。
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采用該工藝方法編程簡(jiǎn)單，工藝容易實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是每完成一層的銑削加工后，都要對(duì)電極長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，得出長(zhǎng)度損耗值，然后進(jìn)行補(bǔ)償，操作繁瑣，效率不高。
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首先，采用正交試驗(yàn)的方法，確定常用直徑電極（φ0.2 mm～2 mm）的銑削長(zhǎng)度與電極長(zhǎng)度損耗之間的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電極在銑削過程中的長(zhǎng)度損耗與銑削長(zhǎng)度之間為線性關(guān)系。那么，在銑削過程中電極長(zhǎng)度補(bǔ)償量可用下列公式表達(dá)
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其中:Z為電極深度實(shí)際值;Z1為數(shù)控程序中電極深度值。
NX后處理器里面沒有直接的銑削長(zhǎng)度變量，但是，由于銑削過程中滿足公式:
因此:
根據(jù)上面分析，可以得出下列公式:
其中:Z為電火花銑削程序Z坐標(biāo)數(shù)值;!MOM_P0S（2）為NX系統(tǒng)變量，當(dāng)前刀具Z方向坐標(biāo);!MOM_FEED_RATE為NX系統(tǒng)變量，當(dāng)前的銑削速度;!MOM_CUTTING_TIME為NX系統(tǒng)變量，從開始到當(dāng)前段總共的銑削時(shí)間;δ為損耗系數(shù)，根據(jù)不同直徑電極以及工件材料有所不同。
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2．4 電火花銑削工藝試驗(yàn)
圖2所示為齒數(shù)為16，模數(shù)為1.5 mm的齒輪。采用電火花銑削加工，粗加工采用φ2 mm電極，單邊留量0.1 mm;精加工采用φ0.4 mm電極。銑削工藝采用分層銑削，通過數(shù)控程序補(bǔ)償電極長(zhǎng)度損耗量。齒輪加工深度為5 mm，底面高度差0.05 mm。圖3為尺寸輪廓與理論輪廓的比較圖，從圖中可以看出，采用電火花銑削加工出來的零件外形輪廓與理論輪廓吻合良好，輪廓度誤差0.05 mm。
3 結(jié)語
通過分層銑削以及程序中加工電極長(zhǎng)度損耗補(bǔ)償?shù)墓に?，解決了電火花銑削中電極損耗與補(bǔ)償?shù)膯栴}。通過實(shí)際電火花銑削加工驗(yàn)證，該技術(shù)路線可用于難加工材料以及小型特征零件的制造。
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