微細(xì)電火花加工電極磨損幾何形狀研究及仿真

傅宇蕾，朱穎謀，趙萬(wàn)生，胡　靜

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

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微細(xì)電火花加工電極磨損幾何形狀研究及仿真

傅宇蕾，朱穎謀，趙萬(wàn)生，胡靜

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了微細(xì)電火花加工盲孔的電極損耗，并基于Matlab軟件，在二維矩陣的基礎(chǔ)上，通過(guò)選取網(wǎng)格設(shè)定大小，設(shè)定工具運(yùn)動(dòng)情況、放電間隙、放電間隙影響因子、單個(gè)脈沖去除凹坑大小及相對(duì)電極損耗率等參數(shù)，仿真電極形狀變化的全過(guò)程。該模型經(jīng)后續(xù)完善后可用于預(yù)測(cè)補(bǔ)償。為了驗(yàn)證仿真模型，對(duì)比了仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)，證明該仿真方法可行。

關(guān)鍵詞：微細(xì)電火花加工；電極損耗；幾何形狀仿真

微型化是當(dāng)今制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)，而微細(xì)電火花加工因具有高精度、低機(jī)械應(yīng)力的特點(diǎn)，使其在加工高硬度等難加工材料上獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，所以目前廣泛應(yīng)用于微機(jī)械、微型模具制造等領(lǐng)域。然而，在電火花加工過(guò)程中，電極端面、棱邊和側(cè)面都有一定的損耗，加工孔的側(cè)面有一定的錐度、且底面形狀誤差較大；在微細(xì)電火花加工過(guò)程中，電極形狀的損耗對(duì)加工精度有較大影響，尤其在加工盲孔的過(guò)程中，精度問(wèn)題尤為突出。許多學(xué)者通過(guò)電極損耗補(bǔ)償策略[1]、復(fù)雜結(jié)構(gòu)電極[2]、改變電極材料[3-4]及提高控制精度[5]等方法來(lái)提高加工精度。在利用仿真方法預(yù)測(cè)工具和工件幾何形狀的研究方面，基于均勻損耗法（uniform wear method，UWM）對(duì)工具長(zhǎng)度方向的磨損仿真有很好的應(yīng)用[6]。文獻(xiàn)[7-8]的仿真結(jié)果在特定的機(jī)床和工作條件下得到了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]介紹了基于Z-map仿真方法的電火花成形加工仿真，對(duì)單個(gè)放電凹坑采用圓錐模型，實(shí)現(xiàn)了加工后表面形狀的預(yù)測(cè)。但對(duì)于微細(xì)電火花加工的適用性仍有待檢測(cè)。文獻(xiàn)[10]介紹了基于Matlab的微細(xì)電火花仿真方法，對(duì)本研究具有啟發(fā)意義。

由于微細(xì)電火花加工電極磨損對(duì)加工精度有著很大的影響，因此，對(duì)電火花加工過(guò)程中的電極損耗仿真具有重要意義，它可用于加工狀態(tài)的離線檢測(cè)、加工條件的優(yōu)化、加工預(yù)測(cè)和加工實(shí)時(shí)控制等。然而，現(xiàn)有的研究多是基于COMSOL或ANSYS等仿真軟件進(jìn)行單次放電凹坑的研究，只能從機(jī)理上解釋磨損現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中局限性較大。本文通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)微細(xì)電火花加工盲孔的電極損耗做了初步研究，并基于Matlab軟件仿真，以微細(xì)電火花加工作為切入點(diǎn)，在二維矩陣的基礎(chǔ)上，通過(guò)選取網(wǎng)格設(shè)定大小，以工具運(yùn)動(dòng)情況、放電間隙、放電間隙影響因子、單個(gè)脈沖去除凹坑大小、相對(duì)電極損耗率等因素作為仿真參數(shù)，對(duì)電火花加工過(guò)程中的電極損耗情況進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)比工藝實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，初步驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

1　微細(xì)電火花加工電極損耗實(shí)驗(yàn)

1.1加工條件

實(shí)驗(yàn)在C40電火花成形加工機(jī)床上進(jìn)行，采用浸油加工，加工條件見(jiàn)表1。

表1　加工條件

1.2隨深度變化的工具電極損耗

在表1所示條件下，設(shè)計(jì)加工深度的單因素實(shí)驗(yàn)。選定加工電流為6 A，在加工深度為0.5、1、1.5、2、2.5 mm的條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察加工后的電極磨損情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加工時(shí)間隨著加工深度的增加而增加，且基本呈線性關(guān)系（圖1）；電極剛開(kāi)始加工時(shí)，棱邊損耗非常明顯，但隨著加工時(shí)間的增加而變慢，最終整個(gè)電極趨向均勻損耗，電極形狀也趨于穩(wěn)定（圖2）。這是因?yàn)榧庸ら_(kāi)始前，兩極產(chǎn)生的電場(chǎng)在棱邊集中，使棱邊發(fā)生放電的概率增大，產(chǎn)生的熱量較多，故損耗較快；但隨著電極棱邊的損耗，電場(chǎng)集中現(xiàn)象得到緩解，損耗過(guò)程進(jìn)入整體損耗階段[11]。

圖1　加工時(shí)間隨加工深度的變化

1.3隨電流變化的工具電極損耗

在表1所示條件下，設(shè)計(jì)加工電流的單因素實(shí)驗(yàn)。選定加工深度為1 mm，在加工電流為3、4.5、6、 7.5、9、10.5、12、13.5、15 A的條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察加工后的電極磨損情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加工時(shí)間隨著電流的增大呈先減小、后增加的趨勢(shì)，且當(dāng)電流在6 A左右時(shí)，加工時(shí)間最短（圖3）；電極磨損隨著電流的增大呈先減小、后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)電流在6 A左右時(shí)，不僅加工時(shí)間最短，電極損耗圓角也較?。▓D4）。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，電流值選取6 A為最佳。

圖2　電極磨損圓角半徑隨加工深度的變化

圖3　加工時(shí)間隨加工電流的變化

圖4　電極磨損圓角半徑隨加工電流的變化

1.4加工孔底面形狀誤差

用LSM700激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)加工后的盲孔尺寸及形貌，結(jié)果表明，盲孔底面呈兩邊凹陷、中間凸起的狀況。圖5是在加工電流為6 A、加工深度為0.5 mm時(shí)，用激光共聚焦顯微鏡測(cè)得的截面圖。其中，橫坐標(biāo)為圖6所示橫線的X坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為加工深度。

2　微細(xì)電火花加工多次放電電極損耗仿真

2.1電極損耗仿真假設(shè)

在電極磨損幾何形狀仿真研究過(guò)程中，由于采用的是圓柱形電極，電極本身具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此可將電極和工件復(fù)雜的三維模型簡(jiǎn)化為二維模型。在仿真過(guò)程中，為了降低計(jì)算量而合理地忽略一些次要因素的影響，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）加工過(guò)程中，工具電極為軸對(duì)稱形狀，因此可把三維圓柱電極簡(jiǎn)化為二維。

（2）在加工深度設(shè)定相同的情況下，加工碎屑、極間二次放電等因素對(duì)放電加工電極磨損的影響因子相同。

（3）放電去除點(diǎn)為電極與工件之間距離最近的點(diǎn)；若距離最近的點(diǎn)不止一個(gè)，則在其中隨機(jī)選取點(diǎn)作為放電點(diǎn)；單次過(guò)程中只有單個(gè)點(diǎn)放電。

（4）單次放電能量、電極及工具的單次去除體積為恒定值，且等于單脈沖放電獲得的蝕坑體積。

（5）除放電加工去除材料外，其他原因造成的電極和工件磨損均忽略。

圖5　共聚焦顯微鏡拍攝底面截面圖

圖6　截面位置示意圖圖

2.2電極損耗仿真放電去除過(guò)程

仿真過(guò)程整體流程見(jiàn)圖7。在仿真實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)設(shè)定是影響仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素，參數(shù)設(shè)定得是否合理將直接影響仿真結(jié)果的可靠性。

（1）加工參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)格大小決定了仿真的精確程度，在綜合計(jì)算速度和模型精確程度的情況下，設(shè)定網(wǎng)格大小為1 μm，即程序給定的單位以1 μm為基準(zhǔn)。放電間隙設(shè)定為5 μm，步進(jìn)距離設(shè)定為1 μm，而加工深度設(shè)定為1 mm。

（2）單次放電凹坑相關(guān)參數(shù)設(shè)定

首先通過(guò)ANSYS仿真和實(shí)驗(yàn)方法[12]，分別得到工件單次放電蝕除球冠體積的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度。通過(guò)相對(duì)電極損耗率可計(jì)算出工具電極單次放電蝕除球冠體積的長(zhǎng)軸和短軸。

圖7　仿真流程圖

2.3仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。與相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，加工孔底面同樣呈兩邊凹陷、中間凸起的狀況，表明仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合。由于碎屑和工作液的影響未被考慮，因此程序中側(cè)面放電未考慮。該處存在一定的偏差，但可很好地用來(lái)解釋微細(xì)電火花加工過(guò)程中工具電極的損耗，進(jìn)行損耗形狀的預(yù)測(cè)。

圖8　仿真結(jié)果

3　結(jié)論

通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)微細(xì)電火花加工盲孔的電極損耗做了初步研究，并基于Matlab軟件仿真，對(duì)電火花加工過(guò)程中的電極損耗情況進(jìn)行仿真，得出以下結(jié)論：

（1）隨著加工深度的增加，加工時(shí)間增加，電極損耗圓角半徑呈先增加、后趨于穩(wěn)定的狀況。

（2）隨著加工電流的增加，加工時(shí)間先減小、后增加，且存在最佳加工電流，使加工時(shí)間最短；電極圓角半徑呈先減小、后增大的趨勢(shì)，在最佳電流附近，電極磨損半徑最小。

（3）通過(guò)Matlab編寫的電極損耗仿真實(shí)驗(yàn)，在設(shè)定好程序要求的參數(shù)后，能有效地仿真出電極磨損過(guò)程，較準(zhǔn)確地反映工具電極和工件的形狀磨損，進(jìn)行損耗形狀的預(yù)測(cè)。

（4）實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均顯示加工孔底面呈現(xiàn)兩邊凹陷、中間凸起的狀況。

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書訊

Geometry Simulation and Study on Electrode Tool Wear in Micro EDM

Fu Yulei，Zhu Yingmou，Zhao Wansheng，Hu Jing
（State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：By many times of experiment in micro blind hole drilling，a geometry simulation model of electrode wear based on Matlab is proposed to predict the geometry appearance of tool and drilled hole. Based on a two-dimension matrix，by setting parameters like grid size，the situation of the tool wear，sparking gap width，the influence factor of the sparking gap and so on，the process of the change of electrode geometry is simulated. Developed model can be used in offline compensation of tool wear in the fabrication of a blind hole. To verify the simulation model，the prediction results are compared with the actual experimental ones，the method is feasible.

Key words：Micro EDM；tool wear；geometry simulation

第一作者簡(jiǎn)介：傅宇蕾，女，1991年生，碩士研究生。

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0006-04