陳扣杰,單 巖

(浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所,浙江杭州310027)

電火花加工利用放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫將與電極相對的工件表面熔化,甚至汽化,逐漸蝕除材料,達(dá)到加工目的[1]。該技術(shù)在模具產(chǎn)品的型腔加工中有著非常廣泛的應(yīng)用[2]。但實(shí)際應(yīng)用中遇到電極設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)人員無法判斷加工后的型腔是否為所需型腔的問題。如需得到加工結(jié)果,要在EDM機(jī)床上進(jìn)行試樣測試。這造成加工周期的延長以及制造成本的增加。

針對以上問題,UG、CimatronE、Pro/E等軟件雖也具有相應(yīng)的電極設(shè)計(jì)模塊,但其步驟煩瑣、耗時(shí)較長,且不具有電極補(bǔ)償、電極加工仿真功能,不能滿足用戶的需求。因此開發(fā)出一套能實(shí)現(xiàn)電極快速設(shè)計(jì)、加工補(bǔ)償以及加工仿真的“電火花加工電極輔助設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)”是十分必要的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可分為:電極快速建模、電極平動補(bǔ)償、電極加工仿真和輔助功能四大模塊。電極快速建模模塊實(shí)現(xiàn)在UG中快速生成毛坯以及初始電極的功能;電極平動補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)對已有電極的加工補(bǔ)償功能;電極加工仿真模塊實(shí)現(xiàn)對已有電極的加工模擬功能;輔助功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、繪制二維工程圖等輔助功能。

本系統(tǒng)的工作流程如下:通過嵌入的方式,在UG軟件中加載電極快速建模與仿真系統(tǒng),當(dāng)用戶單擊菜單欄上的EDM或工具條上的命令圖標(biāo),進(jìn)入相應(yīng)的用戶界面,根據(jù)用戶的選擇系統(tǒng)會自動調(diào)用相應(yīng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的工作流程如下:

(1)建立電極毛坯模型:設(shè)定毛坯參數(shù),建立毛坯三維模型(此步驟針對只有電極二維圖或三維圖而無產(chǎn)品三維和二維圖的情況);

(2)建立電極模型:選擇需要建立型腔的最小包圍盒或最小包圍曲面,并輸入電極相關(guān)參數(shù);

(3)建立基座模型:在電極上選擇需要建立基座的曲面,并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定;

(4)平動補(bǔ)償:選擇電極上需進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那?并進(jìn)行平動補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)的設(shè)定;

(5)加工仿真:選擇電極、毛坯,并設(shè)定相關(guān)參數(shù),進(jìn)行加工仿真。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二維封閉線串的識別

二維封閉線串的識別是指在二維圖紙中能快速自動識別或手動識別所需的封閉線串。實(shí)際工程應(yīng)用中,有相當(dāng)一部分電極是根據(jù)二維CAD圖設(shè)計(jì)的,這就要求根據(jù)已有的二維圖建立三維毛坯模型和三維電極模型,在建立模型過程中就存在封閉線串的識別問題。UG雖具有較高的智能線串拉伸工具,但不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)封閉線串的同時(shí)識別與拉伸,也沒有針對毛坯、電極建立模型的功能,所以封閉環(huán)的識別是本系統(tǒng)的一大關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要,本系統(tǒng)采用線選方式,且具有自動和人工交互兩種選取方法。自動選取模式下,設(shè)計(jì)人員只需選擇任意一條線,系統(tǒng)將自動識別出以該條線串為邊的最小面積的封閉線串。如圖1所示,若選取AB線段,系統(tǒng)將自動識別出最小封閉線串 ABIJ。若需選取的是 ABCDEFGHIJ封閉線串,系統(tǒng)提供了人工交互的選取方式,只需選擇此封閉現(xiàn)串的每一個(gè)線段即可。二維封閉線串識別技術(shù)的程序流程圖見圖2。

圖1 封閉線串的識別原理示意圖

2.2 非均勻平動補(bǔ)償

電極的外形與模具型腔的外形應(yīng)是耦合的,但在實(shí)際的EDM加工中,為了改善工作液的排屑條件,并獲得較好的表面加工質(zhì)量和更高的加工精度,常采用電極平動的加工方式,即除了主軸電極的Z向進(jìn)給外,還按一定軌跡做微量 XY平面運(yùn)動[2](圖3)。除此之外,電極損耗是引起加工誤差的主要原因之一,因此必須進(jìn)行電極的實(shí)時(shí)補(bǔ)償以保證加工精度[3]。電極平動補(bǔ)償雖可提高加工表面質(zhì)量和加工精度,但會導(dǎo)致型腔尺寸偏離所需尺寸[4](圖4)。為了解決平動補(bǔ)償帶來的型腔誤差,本系統(tǒng)開發(fā)了電極非均勻平動補(bǔ)償功能。此功能通過對設(shè)計(jì)階段中電極進(jìn)行非均勻偏置補(bǔ)償,來減少補(bǔ)償帶來的型腔誤差。

電極非均勻平動補(bǔ)償中的矢量X非均勻平動補(bǔ)償流程如圖5所示。2D方形平動補(bǔ)償、2D圓形平動補(bǔ)償、球形平動補(bǔ)償、桶形平動補(bǔ)償功能與矢量平動補(bǔ)償類似。

圖5 矢量平動補(bǔ)償?shù)某绦蛄鞒虉D

3 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

本系統(tǒng)主要用于提高電極設(shè)計(jì)效率和驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電極是否符合加工要求,現(xiàn)已成功地在無錫某精密模具有限公司的EDM電極設(shè)計(jì)及加工仿真中得到廣泛應(yīng)用。下面用圖6所示電極腔體實(shí)例說明本系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖6 電極腔體

圖6所示的電極腔體最終設(shè)計(jì)的電極見圖7,最終設(shè)計(jì)效果如圖8所示。

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),本文所研究的EDM電極輔助設(shè)計(jì)與加工仿真系統(tǒng)完成如圖6所示的電極,無論是在建模效率上,還是在加工精度上,較原始的設(shè)計(jì)方法都得到很大的提高,其數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

綜上所述,本系統(tǒng)針對目前EDM過程中電極設(shè)計(jì)效率低、加工精度低的問題,開發(fā)出基于UG二次開發(fā)的EDM電極輔助設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)。經(jīng)大量實(shí)例驗(yàn)證,本系統(tǒng)能大大提高電極設(shè)計(jì)效率、型腔加工精度,同時(shí)縮短加工周期、節(jié)約制造成本。本系統(tǒng)軟件已通過浙江省電子產(chǎn)品檢測中心的檢驗(yàn),并通過了信息產(chǎn)業(yè)部的審核,擁有軟件著作權(quán)登記證書。

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