大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 趙學(xué)慶 王帥

共立精機(jī)（大連）有限公司 史宏瑩

安達(dá)汽車零部件有限公司 于曉明

介紹了電極兩種減寸量設(shè)置方式，即平搖動方式和球搖動方式，對兩者做了區(qū)分與比較，并在Cimatron軟件中對電極兩種減寸量的編程方式進(jìn)行了演示。介紹了電極的加工工藝流程及常見的電極夾具與夾具系統(tǒng)?？偨Y(jié)了Cimatron軟件抽取電極的通用流程。

一、引言

電火花加工技術(shù)是歷史最悠久的特種加工方法，在模具制造業(yè)、航空和航天、電子等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電火花放電加工是分別把工件和工具制作成兩個電極，利用兩極間脈沖火花放電產(chǎn)生的熱能，熔化、蒸發(fā)和拋出工件電極材料，達(dá)到加工工件的目的。

在高速加工日趨普及的今天，壓鑄模具的生產(chǎn)過程中電極的使用在逐漸減少，但要求電加工的部位及精度、準(zhǔn)確度在不斷提高。電極的設(shè)計(jì)方法與制作工藝直接影響到電極的制作精度和模具的加工效率。

二、電極減寸量的兩種設(shè)置方式

電極存在負(fù)減寸量，目前的電火花加工搖動方式主要有兩種，即平面搖動和球面搖動。平搖動的電極在X、Y平面內(nèi)有減寸量而在Z軸方向上沒有減寸量；球搖動電極則是在所有形狀的法線方向上存在減寸量。圖1為電極搖動方式簡圖。平搖動與球搖動的電極減寸方式如圖2所示。

圖1 電極搖動方式簡圖

圖2 平搖動與球搖動的電極減寸方式

1.平搖動電極與球搖動電極的比較

在電極的NC加工之后與放電加工之前有一道工序?yàn)殡姌O的檢測與修型,工作是依據(jù)鑄件圖紙檢測電極減寸量，并對機(jī)加工不能成型（如豎圓角）或成型不足（如較小的圓角）的部位進(jìn)行手工清理。由于設(shè)計(jì)部門提供的圖紙的尺寸均為2D平面尺寸，現(xiàn)場的檢測工具一般為數(shù)顯卡尺或千分尺，由此檢測的尺寸是2D平面尺寸。

使用卡尺檢測電極的時候，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)球搖動的電極減寸量在斜面的部分偏大，在45°的斜面最明顯。

圖3 平搖動與球搖動電極減寸量的比較

將圖2平搖動與球搖動的減存形式貼合在一起，可以看到明顯差異。如圖3、圖4所示。

圖4 球搖動電極與平搖動電極減寸量的數(shù)值差異

對3D斜面，CAM設(shè)定的加工方式為3D加工，法線減寸量為-a,則在某一高度使用卡尺測量的實(shí)際減寸量（單面）應(yīng)為 ：此時的數(shù)值小于減寸量a，檢測人員往往認(rèn)為加工不到位，需要修正。修正后水平減寸量合格了，但實(shí)際上，矢量方向的減寸量增大了a(1-sinθ)。用修正后的電極進(jìn)行球搖動，工件會出現(xiàn)“多肉”的現(xiàn)象。

由此可見，電加工的搖動方式?jīng)Q定了電極的形狀，電極的形狀又需要CAM以特別的加工方式來加工。

2.平搖動與球搖動的效率比較

EDM的加工效率是大家關(guān)心的焦點(diǎn)。影響放電效率的因素很多，這里僅就放電方式中的平搖動與球搖動達(dá)到相近的精度所用放電時間的長短加以比較。

平搖動的效率較球搖動的效率要高出很多，普通的放電機(jī)床都可實(shí)現(xiàn)，但對曲面要求很高的復(fù)雜形狀則需要球搖動來實(shí)現(xiàn)。若電極制作方法正確，非嚴(yán)格要求的曲面是可以用平搖動替代球搖動而加工出合格產(chǎn)品的。

3.平搖動與球搖動的精度比較

球搖動的加工精度要高于平搖動，加工時間較長。

在質(zhì)量允許的情況下，可犧牲一點(diǎn)精度縮短放電時間。

其操作方法如下：3D電極粗放電時采用平搖動，減寸量為a；精放電時亦采用平搖動，減寸量為a × Tan（θ/2），曲面部分會有微小差異，可拋光去除。

需要注意的是，3D減寸量的電極在進(jìn)行平搖動精加工的時候，一定要更改減寸量，否則會造成工件“缺肉”。2D減寸量的電極做球搖動時（特別情況下），不必更改減寸量，工件在斜面部分會“多肉”。

4.平搖動電極與球搖動電極的編程方式

Cimatron的電極編程方式分為平搖動編程方式和球搖動編程方式兩種。

（1）平搖動編程方式。

圖5 加工平搖動電極的減寸量設(shè)置方法

平搖動電極的減寸量設(shè)置方式有兩種：參數(shù)設(shè)置方式（圖5），刀具半徑補(bǔ)償數(shù)值設(shè)置（圖6）。

（2）球搖動編程方式。

球搖動的減寸量在矢量方向添加，在參數(shù)中設(shè)置減寸是主要方式（圖7）。

在常用CAM軟件中，通常有側(cè)壁余量與底面余量兩個設(shè)置方式。當(dāng)兩個參數(shù)都設(shè)置為相同數(shù)值的負(fù)減寸時，就添加了球搖動的減寸數(shù)值。

圖6 通過刀具半徑補(bǔ)償設(shè)置電極減寸量

在CIMATRON軟件中，有單獨(dú)為電極加工設(shè)置減寸的參數(shù)欄，有針對性。要注意與之前側(cè)壁與底面減寸量的參數(shù)不能同時設(shè)定，要保持一種方式上的參數(shù)為零，避免兩種設(shè)置參數(shù)的方式產(chǎn)生沖突。

圖7 加工球搖動電極的減寸量設(shè)置方法

工作中常用的方法是與NC加工相結(jié)合的減寸量設(shè)置方式。

在生產(chǎn)中，為避免多種參數(shù)設(shè)置的沖突，作為CAM人員，應(yīng)盡量選擇一種方式作為自己的工作習(xí)慣。即：了解多種，選擇一種。

編程時在刀具半徑設(shè)置負(fù)補(bǔ)償，同時曲面的余量參數(shù)設(shè)置為0，平動的參數(shù)設(shè)置為0，加工出電極的減寸量即為平搖動的減寸形式；當(dāng)需要球搖動的電極減寸量時，NC加工該電極時將坐標(biāo)系沿Z軸的負(fù)方向偏置一個減寸量的數(shù)值，既解決了電極頂平面減寸量容易被忽略的問題，又可加工出球搖動形式的電極。

此種方法忽略了復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整，只改變刀具半徑補(bǔ)償值來達(dá)到賦值減寸量的目的，編程方法簡單，易于掌握。需要與NC操作人員配合，清晰電極加工單減寸形式，NC加工電極形成操作習(xí)慣（平動電極Z坐標(biāo)不降減寸量，球動電極Z坐標(biāo)下降一個減寸量數(shù)值）。經(jīng)多年實(shí)踐驗(yàn)證，滿足電加工形狀要求。

這也是一種針對使用不同CAM軟件的技術(shù)人員加工電極時可以達(dá)到同一種效果的有效途徑。

5.電極的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

電極設(shè)計(jì)時要遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。基準(zhǔn)統(tǒng)一是電極拆分、加工、放電的基本原則。制品三維模型的中心（制品中心）應(yīng)始終作為法定的基準(zhǔn)，從而有利于電極的裝配、檢查。

為了做到基準(zhǔn)的準(zhǔn)確與可重復(fù)性，要注意以下加工環(huán)節(jié)中的細(xì)節(jié)。

（1）電極毛坯背面的加工方法。

圖8 小型石墨電極背面加工

毛坯電極的背面加工要銑削出底面與夾持的兩個側(cè)面，保證正面加工時夾持的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。小型電極背面加工如圖8所示。

（2）電極正面成型部位的基準(zhǔn)系統(tǒng)：基準(zhǔn)孔、基準(zhǔn)邊、高度基準(zhǔn)（圖9）。

石墨電極通常有兩套基準(zhǔn)系統(tǒng)：基準(zhǔn)孔與基準(zhǔn)邊?；鶞?zhǔn)孔是主要基準(zhǔn)，基準(zhǔn)邊作為輔助基準(zhǔn)。

生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)基準(zhǔn)偏差的情況。兩套基準(zhǔn)的相互驗(yàn)證，可以快速準(zhǔn)確地確認(rèn)問題產(chǎn)生的原因，從而找到解決問題的方法。

高度基準(zhǔn)是在水平面上精銑出X方向與Y方向的水平基準(zhǔn)，要保證有較好的光潔度，精確記錄高度坐標(biāo)尺寸。

圖 9電極正面基準(zhǔn)的做法

（3）基準(zhǔn)記錄與文檔管理，如圖10所示。

圖10 電極基準(zhǔn)書范例

電極基準(zhǔn)書是電極的“護(hù)照”，詳細(xì)記錄了電極的基準(zhǔn)與使用歷史。在NC加工的過程中記錄得越詳細(xì)，電加工的失誤率就越低。妥善存檔保管，可以確保電極在重復(fù)使用的時候避免再次失誤的情況發(fā)生。

三、電極加工工藝流程

1.作業(yè)順序

（1）下料 -- 根據(jù)《加工程序單》上的電極輪廓尺寸，填寫《下料通知單》。

（2）背面加工 -- 銑平、鉆孔、絞絲、（下彈簧）、銑水平基準(zhǔn)面（對尺寸較大的電極）。

（3）正面加工 -- 找正，固定，銑平上表面。

（4）坐標(biāo)設(shè)定 -- 按照《加工程序單》上標(biāo)明的坐標(biāo)位置找出電極的坐標(biāo)并存入加工中心的坐標(biāo)系中。

（5）對刀 -- 按照《加工程序單》上標(biāo)明的刀具，將所用的刀具對好。

（6）程序加工 -- 調(diào)出程序進(jìn)行自動加工。

（7）做基準(zhǔn) -- 程序結(jié)束后，作出X、Y方向的側(cè)面基準(zhǔn)（四邊都要做）。

（8）根據(jù)《加工程序單》的說明，做好Z向的基準(zhǔn)面，并做好X、Y向的水平基準(zhǔn)。

（9）鉆基準(zhǔn)孔（使用小規(guī)格鉆頭鉆底孔，再用銑刀精鉆基準(zhǔn)孔）。

（10）在電極上刻上模具號、基準(zhǔn)面尺寸、基準(zhǔn)孔位置。

（11）填寫《電極基準(zhǔn)書》，便于電火花裝夾,便于NC加工。

電極底座的要求：電極的底座應(yīng)有30mm左右的厚度用來作為電加工的夾持部位，要注意底座尺寸的大小，許多干涉情況是由于底座干涉造成的。底座的加工要根據(jù)電加工的裝夾方式來決定。

2.常用小型電極夾具

U型夾板式（圖11）。適用于較薄的筋條，用螺絲將電極頂緊，靠電極的形狀尺寸來找正、定位。此類電極的底座不需要加工螺絲孔。

圖11 簡易U型夾板與3R底座夾板

條型壓條（圖12）。壓條中間有螺絲過孔段，可將中小尺寸的電極使用在一條直線上的兩個螺絲固定。

圖 12 100mm-160mm長度石墨電極背面

標(biāo)準(zhǔn)夾板（圖13）。對較大尺寸的電極，使用標(biāo)準(zhǔn)的夾板可使電極的找正方便快捷。NC在加工此類電極的底座時，要按照夾板的螺釘孔標(biāo)準(zhǔn)加工，并加工出定位槽。

圖13 200mm以上的石墨電極的背面加工

3.夾具系統(tǒng)

快速裝夾系統(tǒng)工裝夾具定位系統(tǒng)，主要應(yīng)用于CNC（加工中心）、EDM（電火花機(jī)床）、WEDM（線切割機(jī)床）等機(jī)械設(shè)備。常見的有3R夾具系統(tǒng)，如圖14所示，和EROWA夾具系統(tǒng)，如圖15所示。

圖14 3R夾具系統(tǒng)圖例

圖15 EROWA夾具系統(tǒng)圖例

其特點(diǎn)有：（1）可以提高工件工裝的重復(fù)定位精度；（2）控制加工中的誤差；（3）降低機(jī)床停機(jī)時間，提高設(shè)備利用率；（4）使生產(chǎn)線具有一定的柔性。

為了保證電極強(qiáng)度，電極的形狀力求簡潔,要做到以下兩點(diǎn)。

第一，應(yīng)確定必須放電的部位，NC能加工到的部位盡量在NC加工中心上加工完成，如型腔中較大的開闊曲面，大面積的滑道配合面等。

第二，將孤立的薄筋、高度差較大的部位從主電極中摘除，制作成分電極，從而使主電極的形狀簡化，平坦，毛坯尺寸減小。

形狀復(fù)雜、具有內(nèi)外尖角、窄縫、小孔、深孔等工件電加工狀況不穩(wěn)定。因此，主電極的形狀越簡化、光順，電加工越易選用合適的電規(guī)準(zhǔn)，放電的效率就越高。摘除了較高凸臺、窄筋的石墨主電極在下沉精加工的過程中不會出現(xiàn)加工量大、崩碎等問題，精加工的時間會縮短，尺寸精度會提高。

四、Cimatron軟件抽取電極的基本方法

Cimatron抽取電極的方法是在已有型腔的狀態(tài)下，對需要電加工部位的曲面進(jìn)行分離、編輯，進(jìn)而形成電極的設(shè)計(jì)方法。這種基于曲面的抽取電極方式簡單、易于模式化。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，自動化的程度越來越高，可以實(shí)現(xiàn)自動判斷位置、抽取、完善細(xì)節(jié)、出圖、電極編程、出程序單、出G代碼文件一體合成。前提是提供的型腔模型必須準(zhǔn)確。

為彌補(bǔ)型腔模型的設(shè)計(jì)偏差，要求電極設(shè)計(jì)人員要具備造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)檢查糾錯的能力。這是電極設(shè)計(jì)工作開始前的必要準(zhǔn)備。

1.操作方法

以凹形件的例子描述電極的設(shè)計(jì)過程，操作方法為：首先，進(jìn)入軟件的裝配模塊，如圖16所示。電極的抽取是裝配內(nèi)容的一部分，在多數(shù)CAD/CAM軟件中的配置相同。

將模具的型腔作為組件，如圖17所示，與默認(rèn)的坐標(biāo)系匹配，如圖18所示。

圖16 進(jìn)入裝配模塊

圖17 增加組件

圖18 選取坐標(biāo)系

裝配好型腔后，在目錄欄的“電極”欄中點(diǎn)擊“提取電極”，如圖19所示。

鼠標(biāo)箭頭點(diǎn)擊型腔中要提取電極的位置，出現(xiàn)一個選取曲面范圍的矩形框。可以使用鼠標(biāo)拖動框架來擴(kuò)大或縮小范圍。當(dāng)把選取的曲面全部包含在內(nèi)后，可以通過數(shù)值調(diào)節(jié)矩形框的中心位置與外形尺寸，達(dá)到一個整數(shù)值，便于后續(xù)檢測加工。如圖19、圖20所示。

圖19 選擇提取電極選項(xiàng)

圖20 選擇位置抽取電極

點(diǎn)擊確認(rèn)后，左側(cè)文件樹的欄目中出現(xiàn)了裝配的電極部件。在電極部件的圖標(biāo)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，會出現(xiàn)輔助選項(xiàng)。如圖21所示。選取激活選項(xiàng)。

圖 21激活電極

圖22 編輯電極的底座尺寸

激活電極部件后，可以對電極的底座及輔助延伸段進(jìn)行編輯。

如圖22所示，在標(biāo)題欄“查看”欄中，找到“電極向?qū)А保诖翱谟覀?cè)出現(xiàn)電極設(shè)計(jì)的導(dǎo)向條。沿著導(dǎo)向條的條目順序進(jìn)行電極編輯設(shè)計(jì)，是非常清晰的思路。

點(diǎn)擊右側(cè)“坯料”圖標(biāo)，出現(xiàn)電極底座的位置與形狀。可以通過數(shù)值調(diào)整尺寸，達(dá)到整數(shù)的位置與輪廓，如圖23所示。

圖23 編輯電極的聯(lián)接部位

電極底座編輯好以后，將成型曲面與底座間的空隙用延伸面聯(lián)接起來。

空隙在不聯(lián)接的情況下也可以直接進(jìn)行編程，空隙會默認(rèn)為垂直方向的聯(lián)接。當(dāng)空隙間距比較大時，采用階梯方式的聯(lián)接，會有效增加電極的強(qiáng)度，如圖24所示。

圖24 激活主裝配后模擬電極開合狀態(tài)

激活裝配，點(diǎn)擊右側(cè)“模擬”圖標(biāo)，鼠標(biāo)拖動滑鍵條，提取的電極會分離型腔。目視檢查有無遺漏的曲面與干涉情況。

2.基準(zhǔn)書做成

電極基準(zhǔn)書是電極設(shè)計(jì)、加工、放電過程中重要的指令文件，應(yīng)注明電極的加工坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的相對關(guān)系、電極的方向、XYZ三個方向的基準(zhǔn)尺寸與基準(zhǔn)孔的坐標(biāo)位置。

圖25 設(shè)置電極圖模版

電極基準(zhǔn)書的格式可以通過預(yù)設(shè)定的文件選擇編輯。點(diǎn)擊工具欄中最后一項(xiàng)“預(yù)設(shè)定”，出現(xiàn)電極設(shè)置選項(xiàng)欄“Electrod（電極）”，再選擇繪圖設(shè)置“Drafting”中的“electrode_drafting”設(shè)置，出現(xiàn)如圖26所示選項(xiàng)。

圖26 電極工程圖目錄

在右側(cè)的瀏覽器中找到裝機(jī)文件中Data/Template文件夾下的電極模版文件，如圖26所示。

模版文件中可選擇的圖紙型號較多，建議選擇組合電極模版“Combined_Drawing”。點(diǎn)擊確認(rèn)，如圖27所示，返回裝配界面。

模版文件可以由用戶根據(jù)習(xí)慣的格式編輯，編輯后的文件放在指定的文件夾內(nèi)，如上所述，就擁有了一份自己的特性模版。模版編輯方法請參考軟件的相關(guān)幫助文件。

圖27 選擇電極圖模版

圖28 做出電極圖

設(shè)置好模版文件后，在裝配欄中點(diǎn)擊要出圖的電極后，點(diǎn)擊標(biāo)題欄中“電極”菜單，選擇“創(chuàng)建電極工程圖”，如圖28所示。

創(chuàng)建好的工程圖在當(dāng)前工作文件夾內(nèi)，打開電極繪圖文件，如圖29所示。

電極抽取與出圖的流程純熟應(yīng)用以后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工廠的情況，編輯一個專業(yè)模版。Cimatron軟件的應(yīng)用使電極的設(shè)計(jì)變更靈活方便，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖29 電極圖基本樣式

3.干涉檢查的方法

干涉檢查是電極設(shè)計(jì)流程中重要的環(huán)節(jié)。干涉的部位多數(shù)集中在以下部位：（1）成型面的延伸編輯部分；（2）深腔電極的底座與型腔干涉；（3）電極組合后，備用電極與型腔干涉；（4）其它設(shè)計(jì)意外失誤。

圖30 Cimatron干涉部位的檢查方法

電極干涉分析是排除干涉隱患的有效工具。如圖30所示，預(yù)先做了一個干涉的圓柱，展示一下干涉分析的過程。

圖31 在分析的欄目中選擇干涉檢查項(xiàng)目

在標(biāo)題欄“分析”欄目下，找到“干涉分析”，點(diǎn)擊“新的干涉檢查”，如圖31所示。

在復(fù)雜型腔的大量電極設(shè)計(jì)時，干涉分析可以準(zhǔn)確有效提醒設(shè)計(jì)人員異常情況，是避免電極設(shè)計(jì)失誤的有效手段。

先選取型腔部件，再選擇電極部件，確認(rèn)后軟件開始干涉分析，如圖32所示。

找到了干涉的部位，針對錯誤部位進(jìn)行修改，預(yù)防隱患于未然。

干涉分析的結(jié)果如圖33所示。干涉的部位以醒目標(biāo)識顯示在界面上。

圖32 按照步驟選擇檢查體與被檢查體

圖33 顯示干涉檢查的結(jié)果

五、結(jié)語

電極設(shè)計(jì)是模具加工技術(shù)中的重要核心環(huán)節(jié)。電加工與NC高速加工有機(jī)結(jié)合，是提高模具加工效率的有效途徑。

電極設(shè)計(jì)需要堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)，要綜合考慮電極加工環(huán)節(jié)與電加工環(huán)節(jié)的技術(shù)難點(diǎn)，從根源上采取技術(shù)手段克服難點(diǎn)，才是電極設(shè)計(jì)的最終目的。