基于程序長度補償?shù)碾娀鸹ㄣ娤鞴に?/h1>
2011-10-20 14:08:34潘曉斌錢志強
制造技術(shù)與機床 2011年10期
周 林 石 民 潘曉斌 錢志強
（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）
據(jù)統(tǒng)計，在通常的電火花模具制造過程中，成型電極的制作時間與費用可達總制造周期與費用的一半以上。因此，自上世紀80年代后，國內(nèi)外眾多學(xué)者紛紛開始嘗試使用簡單形狀的電極（如棒狀電極），借鑒數(shù)控銑削的方法進行三維輪廓的電火花加工。進入上世紀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，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)對電火花銑削CAD/CAM技術(shù)做了研究，此外還對管狀電極加工半球體及型腔進行了研究;南京航空航天大學(xué)在電火花銑削的電極損耗與補償方面做了一些工作;上海交通大學(xué)對橫向進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償技術(shù)。
1 電火花銑削程序補償策略
目前電火花銑削過程中常用的工藝策略為分層銑削，然后通過基準測量進行長度補償。
1．1 分層策略
在電火花銑削加工中，為了補償銑削過程中電極長度方向的損耗，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，對凹槽型面進行分層，每一層的深度根據(jù)電極實際情況確定。在加工之前，測量并記錄電極長度值;完成第一層電火花銑削后，對電極長度進行測量，得出電極長度損耗;然后根據(jù)測量值對第二層加工程序進行電極長度補償，進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單，工藝容易實現(xiàn)。其缺點是每完成一層的銑削加工后，都要對電極長度進行測量，得出長度損耗值，然后進行補償，操作繁瑣，效率不高。
1．2 長度補償策略
根據(jù)上述情況，如果能夠得出電極長度方向損耗的規(guī)律曲線，在銑削過程中根據(jù)銑削的長度對電極長度進行動態(tài)補償，那么，就可以很輕易地解決分層銑削繁瑣的測量過程。
首先，采用正交試驗的方法，確定常用直徑電極（φ0.2 mm～2 mm）的銑削長度與電極長度損耗之間的關(guān)系。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，電極在銑削過程中的長度損耗與銑削長度之間為線性關(guān)系。那么，在銑削過程中電極長度補償量可用下列公式表達
其中:ΔL為電極長度損耗量;L為銑削長度;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 實際應(yīng)用
以我單位電火花機床為平臺，進行了電火花銑削工藝試驗。
2．1 機床結(jié)構(gòu)分析
我單位電火花機床包含4個運動軸，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)控機床的G01功能;X，…，Y…，Z…，分別為X、Y、Z三個軸的坐標值;E，253為機床設(shè)定的放電參數(shù)。
程序格式如下:
2．3 電極補償實現(xiàn)
通過上面分析，電火花銑削過程中采用分層加長度補償策略。
分層銑削在前期程序準備時直接選擇分層銑削的加工方式即可。而電極長度補償由于編程軟件不具備該功能，因此，需要在后置處理上進行相應(yīng)的改制。以編程軟件Siemens NX為例，說明如何在后置處理時加入電極長度補償量。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坐標數(shù)值;!MOM_P0S（2）為NX系統(tǒng)變量，當前刀具Z方向坐標;!MOM_FEED_RATE為NX系統(tǒng)變量，當前的銑削速度;!MOM_CUTTING_TIME為NX系統(tǒng)變量，從開始到當前段總共的銑削時間;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。
在做后置處理的時候，只需要將Z坐標的表達式改為公式（6）的表達式，即可實現(xiàn)電火花銑削長度補償。
2．4 電火花銑削工藝試驗
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)控程序補償電極長度損耗量。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度損耗補償?shù)墓に?，解決了電火花銑削中電極損耗與補償?shù)膯栴}。通過實際電火花銑削加工驗證，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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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償技術(shù)。
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目前電火花銑削過程中常用的工藝策略為分層銑削，然后通過基準測量進行長度補償。
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采用該工藝方法編程簡單，工藝容易實現(xiàn)。其缺點是每完成一層的銑削加工后，都要對電極長度進行測量，得出長度損耗值，然后進行補償，操作繁瑣，效率不高。
1．2 長度補償策略
根據(jù)上述情況，如果能夠得出電極長度方向損耗的規(guī)律曲線，在銑削過程中根據(jù)銑削的長度對電極長度進行動態(tài)補償，那么，就可以很輕易地解決分層銑削繁瑣的測量過程。
首先，采用正交試驗的方法，確定常用直徑電極（φ0.2 mm～2 mm）的銑削長度與電極長度損耗之間的關(guān)系。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，電極在銑削過程中的長度損耗與銑削長度之間為線性關(guān)系。那么，在銑削過程中電極長度補償量可用下列公式表達
其中:ΔL為電極長度損耗量;L為銑削長度;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 實際應(yīng)用
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程序格式如下:
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其中:Z為電極深度實際值;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坐標數(shù)值;!MOM_P0S（2）為NX系統(tǒng)變量，當前刀具Z方向坐標;!MOM_FEED_RATE為NX系統(tǒng)變量，當前的銑削速度;!MOM_CUTTING_TIME為NX系統(tǒng)變量，從開始到當前段總共的銑削時間;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。
在做后置處理的時候，只需要將Z坐標的表達式改為公式（6）的表達式，即可實現(xiàn)電火花銑削長度補償。
2．4 電火花銑削工藝試驗
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)控程序補償電極長度損耗量。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度損耗補償?shù)墓に?，解決了電火花銑削中電極損耗與補償?shù)膯栴}。通過實際電火花銑削加工驗證，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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