基于CimatronE的電火花加工電極設(shè)計技術(shù)

林明山，胡濱鎧

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基于CimatronE的電火花加工電極設(shè)計技術(shù)

林明山，胡濱鎧

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 漳州 363000）

闡述了模具零件的型腔、型孔、窄槽和文字，及因結(jié)構(gòu)的因素在CNC機(jī)床難以加工完成或難于達(dá)到滿意的加工精度的位置，基本采用電火花加工的方法。介紹了CimatronE軟件抽取放電曲面、建立電極基座、建立放電曲面與基座的關(guān)聯(lián)、加載標(biāo)準(zhǔn)電極柄及生成工程圖等方面的電極設(shè)計方法，并在設(shè)計中就電極設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了討論。應(yīng)用CimatronE電極設(shè)計方法在實際工作中有很強(qiáng)的實用性，且操作簡單易學(xué)習(xí)，用途廣安全高效，適用于各種復(fù)雜零件的電極設(shè)計。

CimatronE；模具；電火花加工；電極設(shè)計

在模具制造中，因注塑產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對模具的加工精度提出了更高的要求，模具的型腔、型孔、窄槽和文字等位置，以及模具因結(jié)構(gòu)的因素在CNC機(jī)床難以加工完成或難于達(dá)到滿意加工精度的部分，需要采用電火花加工方法來實現(xiàn)。作為電火花加工的關(guān)鍵部分—電極設(shè)計的合理性影響著狹縫、尖角或清根部位、型面等特征的成形以及影響加工效率的電參數(shù)的選用，最終影響模具的加工精度。同時，電極的設(shè)計制造是模具制造過程中非常重要的環(huán)節(jié)，控制電極的制作成本也是控制整套模具生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素[1]。因此，電極拆分設(shè)計要同時兼顧有利于電極加工和放電加工[2]，充分利用先進(jìn)CAD/CAM設(shè)計軟件，迅速設(shè)計拆分好電極，精確加工出電極，有助于模具型腔放電加工效率，制造出高品質(zhì)的模具。CimatronE電極一體化解決方案提供了強(qiáng)大的電極設(shè)計及加工功能，實現(xiàn)從模具表面提取電極、電極設(shè)計、制造、工藝圖檔信息管理等工作的自動化，大大縮短EDM加工周期，確保電極制造流程高效有序。以下介紹CimatronE電極設(shè)計的基本方法。

1 抽取放電面

在進(jìn)行塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了增加塑件的強(qiáng)度、剛性，防止塑件變形，在塑件上增設(shè)加強(qiáng)筋是非常普遍現(xiàn)象，當(dāng)然增設(shè)的加強(qiáng)筋有時候也用來起固定、連接或?qū)虻茸饔肹1]。圖1所示為模具成型零件，該零件多處加強(qiáng)筋成型窄槽（圓圈內(nèi)部分），這些NC加工不能實現(xiàn)的位置，都需要拆成局部小電極，放電加工模具型腔來完成，這就需要設(shè)計電極。打開CimatronE軟件，選擇電極設(shè)計功能模塊，在電極設(shè)置向?qū)е薪⒈４骐姌O設(shè)計的裝配文檔圖檔信息管理要項，然后進(jìn)入電極設(shè)計環(huán)境。一個完整的電極由放電加工工作部分（電極頭）、避空直身位部分和基座三個部分組成。放電加工工工作部分形狀要與模具結(jié)構(gòu)吻合。[3]在模具零件上直接復(fù)制曲面建立電極不易出錯，且數(shù)據(jù)量小，方便快捷。選擇“抽取電極”指令，模具零件模型自動轉(zhuǎn)化成線框形式，根據(jù)系統(tǒng)命令提示“在電極的初始位置拾取一個點”，在模型上拾取放電區(qū)域，這時放電區(qū)域顯示為小矩形，拖動拾取的放電區(qū)域把要放電加工的曲面全部包容在里面，這時所選擇的曲面如圖2a)所示處于亮顯狀態(tài)，點擊鼠標(biāo)確認(rèn)鍵就把所選擇的曲面附著到電極上，點擊特征向?qū)е械拇_認(rèn)標(biāo)識，就完成如圖2b)所示的放電區(qū)域的設(shè)定，這時在設(shè)計的特征樹位置可以看到增加了一個新的電極文件。隱藏模具零件，在屏幕上只顯示電極區(qū)域，如圖2c)所示。然后修整多余曲面，放電曲面如圖2d)所示。

圖1 模具成型零件

圖2 抽取放電曲面

2 設(shè)計電極基座

2.1 創(chuàng)建毛坯

電極基座的作用是在電火花加工時，用于電極安裝和校表分中找正，電極基座一般設(shè)計為正方形或長方形，4個相互垂直的側(cè)面被用作分中基準(zhǔn)，稱為分中面。電極基座與避空直身相連接的平面用于找平電極，稱為校表面。一般電極基座設(shè)計的厚度約10 mm，而校表面與電極座單邊距離一般不小于5 mm，否則不利于校表[4]。此外，因電極頭與基座加工時會有圓角過度，留給電極基座加工時所帶的R角，以及避免放電加工干涉，損壞模具型腔，電極基座也要偏移電極頭單邊5～6 mm，基于這些因素考慮，本例電極頭與基座單邊讓位空間取5 mm。激活放電區(qū)域建立基座，選擇坯料創(chuàng)建工具進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，根據(jù)測量放點區(qū)域的外形尺寸為長21.4 mm，寬18.3 mm，創(chuàng)建長32 mm，寬29 mm，厚度10 mm的電極基座，棱邊倒R1圓角。為了避免電極基座與被加工工件靠得太近而放電，同時也為了方便將放電加工產(chǎn)生的殘渣沖走，要設(shè)計避空直身。避空位要根據(jù)放電加工零件的形狀與部位，一般使基準(zhǔn)面離放電加工零件部位的最高處不少于3 mm，有利于加工過程中沖走殘渣[3]。本例設(shè)置“避空高度”為5 mm及其他相關(guān)參數(shù)。

需要指出的是，在本設(shè)計軟件的特征向?qū)е?，分別有匹配中心，最適化尺寸和底座標(biāo)記這三項，選擇“匹配中心”這一項后，的位置則發(fā)生變化，這是由放點區(qū)域的最中心所確定的，但這組數(shù)據(jù)會有小數(shù)，如圖3a)所示，這將給電加工操作工將帶來麻煩，因此最好把這兩組數(shù)據(jù)調(diào)整為整數(shù)，如圖3b)所示。選擇“最適化尺寸”這一項后，的尺寸則發(fā)生變化，如圖3c)所示，這是由放電區(qū)域的最大外形自動偏置一定的值，這個值可以也可以預(yù)設(shè)置里面設(shè)定，最大外形是根據(jù)放電區(qū)域的曲面所確定的，并不是固定值，但從圖3c)中可以看出這個尺寸與我們要設(shè)置的電極基座尺寸是一致的，這就是智能化設(shè)計的特點。毛坯參數(shù)及底座參數(shù)設(shè)置結(jié)果如圖4所示。

圖3 設(shè)置電極位置尺寸

圖4 設(shè)置毛坯參數(shù)及底座參數(shù)

2.2 創(chuàng)建底座標(biāo)記

為避免電極安裝出錯，常在電極座上加工出方向辨認(rèn)角(方向辨認(rèn)角應(yīng)對準(zhǔn)被加工工件的加工基準(zhǔn))[4]，創(chuàng)建這個方向辨認(rèn)角——“底座標(biāo)記”是非常重要，這就是通常所稱的“設(shè)置基準(zhǔn)角”，將每個電極座其中1個直角設(shè)計成45斜角，其余3個直角設(shè)計成倒圓角，便于在電火花放電加工裝夾時辨認(rèn)裝夾基準(zhǔn)[5]。選擇特征向?qū)е械摹暗鬃鶚?biāo)記”選項，選擇斜角參數(shù)設(shè)置，該參數(shù)表示設(shè)置倒一個斜角作為操作工安裝電極的基準(zhǔn)標(biāo)記，設(shè)置小了不容易分辨，設(shè)置太大了可能會產(chǎn)生干涉且完全完全沒有必要，通常設(shè)置為3～5 mm的斜角就可以了，在此設(shè)置為3 mm。

2.3 創(chuàng)建電極坐標(biāo)系

選擇創(chuàng)建電極坐標(biāo)系工具，這時在圖中有3個點，分別對應(yīng)于電極頂部，基準(zhǔn)臺頂部和基準(zhǔn)臺底部，要在哪里點上產(chǎn)生電極坐標(biāo)系，取決于后續(xù)數(shù)控加工中的對刀方式及裝夾方式，所以是根據(jù)需要選擇并無最優(yōu)選擇。本例選擇在電極上顯示的一個點，接受默認(rèn)的坐標(biāo)系方向，確認(rèn)后生成一個電極坐標(biāo)系，如圖5所示。

3 設(shè)計電極體

3.1 創(chuàng)建電極輪廓

設(shè)計電極體就是建立放電曲面與電極基座的關(guān)聯(lián)成為一體。電極體的作用一是在電極頭加工時為刀具提供避讓空間；二是在零件電火花加工時提供高度方向的操作空間[6]。首先要創(chuàng)建一個電極輪廓，選擇電極設(shè)計中的“自動輪廓”指令，點擊電極曲面則會自動產(chǎn)生組合曲線，由于自動輪廓功能產(chǎn)生的組合曲線會自動選中，曲線被選中后會以深藍(lán)色顯示，而放電曲面則以紅色顯示，所以不注意的話，曲線會不太明顯，要注意觀察。如圖6所示通過“組合曲線”和“自動輪廓”的功能，系統(tǒng)自動生成電極的輪廓。

圖5 創(chuàng)建電極坐標(biāo)系

圖6 創(chuàng)建電極輪廓

3.2 曲面延伸

電極座設(shè)計后，放電曲面和電極座之間有一段空隙，需要把基準(zhǔn)臺和放電曲面這一段空隙建立關(guān)聯(lián)形成一體，即形成電極體。接下來通過延伸面的方式來進(jìn)行補(bǔ)面。選擇電極設(shè)計向?qū)е械摹把由臁敝噶?，延伸方式分為相切、方向和雙方向3種，常用前兩種，因常規(guī)中大多數(shù)的電極都需要切向延伸后再Z向延伸，而雙方向主要用于一些特定形狀的電極。拆電極時，兩電極相接處要延長1 mm以上，以防在模具上留下不必要的夾線，為了保證?？诓糠猪樆澳？诶?，一般需從?？谘由?.5～1 mm之后再取電極直身位[4]。

選取剛用自動輪廓生成的組合曲線，設(shè)置參數(shù)和方向，系統(tǒng)默認(rèn)的方式是切向延伸1 mm，這是常規(guī)做法中的第一步，不需要作任何修改，直接確定就可以了，如圖7a)所示。再次點擊延伸指令，進(jìn)入第二次延伸，將延伸方向參數(shù)修改為至毛坯，如圖7b)所示。至此，電極體的設(shè)計就完成了，作必要處理后，結(jié)果如圖8所示。有必要指出的是，如果拆出來的電極某些部位壁厚太薄，加工不容易，在條件允許的情況下，應(yīng)將這些部位適當(dāng)加厚，先把延伸設(shè)置合適距離，然后再進(jìn)行空間部分的必要修補(bǔ)。

圖7 創(chuàng)建電極體

圖8 完成設(shè)計后的電極

4 加載電極柄標(biāo)準(zhǔn)件及運(yùn)動模擬

拆分好的電極可以通過CimatronE電極運(yùn)動模擬功能,在3D裝配中檢查，及時發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)放電加工干涉現(xiàn)象。在模擬前加載與實際工作一致的電極夾柄，電極夾柄是電極上用來把所生成的電極固定在電火花加工機(jī)上的夾持部位。CimatronE自帶常用的電極柄標(biāo)準(zhǔn)件，可以通過選擇電極設(shè)計中的“電極柄”指令，從CimatronE標(biāo)準(zhǔn)件庫中選擇系統(tǒng)提供的電極柄的種類和具體型號，本例在該標(biāo)準(zhǔn)件庫中選擇Erowa電極柄，然后在導(dǎo)入?yún)⒖剂慵懈鶕?jù)電極的位置以及電極柄的相對位置，設(shè)置電極在三個方向的位置。

5 生成工程圖

通常，一張電極的工程圖需要兩張，一張檢驗圖，一張移位圖。檢驗圖表達(dá)電極的關(guān)鍵尺寸，而移位圖表達(dá)該電極的放電位置和放電深度。激活主裝配，選擇電極零件文件，在彈出的對話框中選擇電極工程圖，電極工程圖就自動生成好了，這樣操作把檢驗圖和移位圖合并在一起成為一張圖，如果要分開出圖，則需要在預(yù)設(shè)置中在電極的相關(guān)欄目設(shè)定導(dǎo)出兩張圖，則檢驗圖和移位圖各為一張。至此，一個電極就完全生成好了。創(chuàng)建完成后的電極文檔可以導(dǎo)入到CimatronE的編程環(huán)境中進(jìn)行刀路編制。同樣的方法可以設(shè)計出圖中其他的電極。

6 小結(jié)

電極是電火加工必備的工具，設(shè)計的合理性影響著狹縫、尖角或清根部位、型面等特征的成形以及影響加工效率的電參數(shù)的選用。應(yīng)用CimatronE電極一體化解決方案，可快速建立工程圖檔信息，拾取放電曲面，裁剪放電區(qū)域，設(shè)計電極基座，延伸曲面創(chuàng)建電極體，設(shè)置避空空間，加載標(biāo)準(zhǔn)電極柄，進(jìn)行電極運(yùn)動模擬干涉檢查，實現(xiàn)快速電極設(shè)計，提升電極設(shè)計效率、提高電極設(shè)計的安全系數(shù)，降低設(shè)計用時成本，縮短EDM加工周期，確保電極制造流程高效有序。該設(shè)計方法在實際工作中有很高的實用性，且操作簡單易學(xué)習(xí)，用途廣安全高效，適用于各種復(fù)雜零件的電極設(shè)計。

[1] 杜洪香,賈秋霜.多筋塑料盒注塑模具筋位電極設(shè)計方案研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2017(3):89-90.

[2] 馮曉梅,史宏等.壓鑄模具放電加工電極設(shè)計[J]. 金屬加工.工冷加,2018(3):32-35.

[3] 雷芳.基于UG的手機(jī)外殼型芯的電極設(shè)計與加工[J]. 模具制造,2016(3):74-76.

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[5] 陳學(xué)翔,手機(jī)外殼模具成型面電極設(shè)計與數(shù)控高速加工[J]. 模具制造,2016(10):75-79.

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（責(zé)任編輯：黃文麗）

Design of EDM electrode based on CimatronE

LIN Ming-shan, HU Bin-kai

（Department of Mechanical and Automation engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou, Fujian,363000,China)

This paper expounds the cavity, the hole, the narrow slot and the text of the mold part, and the method of electric discharge machining is adopted in the position where the CNC machine tool is difficult to process or it is difficult to achieve satisfactory machining accuracy due to structural factors. Using the software as a tool, the CimatronE electrode design method for extracting the discharge surface, establishing the electrode reference table, establishing the relationship between the discharge surface and the reference table, loading the standard electrode holder and generating the engineering drawing is described in detail, and discussing the electrode design theory in the design. The CimatronE electrode design method has high practicability in practical work, and the operation is simple and easy to learn. It is widely used safely and efficiently, and is suitable for workpieces of various complicated parts.

CimatronE; mold; EDM; electrode design

2018－10－24

福建省教育廳科技計劃項目（JAT160871）。

林明山（1964—），男，福建漳州人，教授，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與智能制造。

1673-1417（2018）04-0074-05

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2018.04.0015

TG661

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