來源：福建泉州華僑大學機電及自動化學院 作者：劉石安
摘 要研究數控電火花銑削加工工藝，探索大面積曲面銑削加工方法，加工路徑直接由通用模具設計軟件生成，電極損耗補償按加工路徑均勻遞增補償法計算。
關鍵詞電火花加工；電火花銑削加工；電極補償
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電火花成形是模具型腔加工的主要方式，其加工質量關鍵之壹是電極的制造，由於粗、中、精加工時的放電間隙不同，電極尺寸也應不同，因此需制作多個電極才能最終滿足加工精度的要求。特別是型腔加工面積較大時，有時還必須使用分割電極加工法，依次完成型腔各個部分的加工。由此使電極制作成本增高。分割電極加工時，型腔表面還會產生接縫以及電極二次裝夾重復定位精度問題，這些都會影響電火花成形加工的質量。
隨著數控技術的發展，模具型腔加工有了新的工藝方法——數控電火花銑削加工，即用簡單電極展成復雜型面。數控電火花銑削加工工藝的關鍵是加工路徑的生成和電極損耗的補償。對此國內外許多電加工學者做了大量深入細致的研究，如研究等損耗分層加工模型以及基於該模型建立加工路徑生成的專用CAM軟件，研究電極損耗精密檢測技術、在線電極補償等[1~4]。
數控電火花銑削工藝可進行修尖角加工、窄縫加工及側面伺服加工等，但本文更關心的是空間直線伺服進給問題，研究的主要內容集中於空間曲線軌跡加工方向、空間曲面展成加工方向，探索型腔型面的數控電火花銑削加工工藝。
本文引用金屬切削加工中心的工藝路線，應用通用的模具加工軟件UG造型，生成加工路徑，並將加工代碼編譯成具體機床的數控指令。在電極損耗補償方面，只考慮Z軸方向的補償，並提出沿電極加工路徑、按軌跡路程均勻遞增補償電極損耗的方法。
1 數控電火花銑削加工工藝
加工中心的銑削加工工藝已很成熟，故將其引入數控電火花銑削加工工藝中。經過研究和實驗，已證實輪廓加工、挖槽加工、沿曲面加工、修邊、去殘留等加工問題都能用數控電火花銑削加工方法解決，也就是說數控電火花銑削加工中的加工路徑生成問題可以用通用模具加工軟件解決。
值得註意的是電火花銑削加工並不等同金屬切削加工，由於放電間隙和電極損耗的存在，會對型腔尺寸精度產生影響，因此在給數控電火花銑削加工編程時必須註意如下問題：
(1) 加工余量。該參量的最小值要求大於放電間隙，超精加工時加工余量並不為零，且前壹道工序要給後壹道工序留下余量。
(2) 加工方式。在輪廓加工或挖槽加工時可以選擇生成圓弧段程序。而在沿曲面加工時必須選擇直線加工方式，包括切入切出程序，即程序段必須是空間微直線段，這也有利於電極損耗補償計算。
(3) 加工精度。加工精度越高，弦線對空間曲線的逼近度越高，空間微直線段越多，程序越長。實際加工時，粗加工可以選擇低壹點的精度，以減少程序段數。
(4) 殘余波峰高。該參量指刀具橫向進給量，其值越小，加工曲面越光順。該參量也可以用刀具直徑的百分比表示。
(5) 電極尺寸。本文要求每次加工編程時輸入電極直徑的實測值，這樣可讓電極損耗補償計算只須放在Z軸方向。
(6) 電參量和電極長度補償。電參量的選擇要參考加工余量，超精加工時要選擇正極性加工方式，要用電子的能量去修平放電痕凸起。電極損耗補償值依工藝經驗而定，它與電參量、電極材料對及工作液等相關。電極損耗補償值均勻插入每個微直線段端點上。
數控電火花銑削加工編程路線（圖1）按上述6個方面要求設置參量，就可生成粗、中、精加工路徑及機床數控指令。
加工余量、加工方式、精度、殘余波峰高、實際電極尺寸
零件
毛坯
UG-NX
刀具路徑補償軟件
電參數
刀具長度補償值輸入
電火花數控銑削加工程序
圖1 數控電火花銑削加工編程路線
用模具軟件UG設計了壹空間曲面，上有“電火花”字樣。為體現數控電火花銑削加工能力，將所有工序全部采用數控電火花銑削加工方案。粗加工用ф14mm電極，按挖槽采用分層加工，橫向進刀為電極直徑的80％；中精加工用ф8mm和ф4mm的端電極，按矢量、沿曲面方式加工，橫向進刀分別為電極直徑的8％和2.5％。圖2為中精加工刀具路徑。
電極ф8mm，E293 電極ф4mm，E250
（a）中加工 (b)中精加工
電極ф4mm，E250 電極ф4mm，E200
(c)中精加工 (d)精加工
圖2 電火花中、精銑削加工刀具路徑
在圖2d中左下角有壹塊粉紅色的殘留區域（在曲面曲率較大凹處），該區域端刀無法深入，因此在精加工之後還需要再用ф4mm指狀R刀電極進行最後的光整和去殘留加工。
另外，在同壹加工余量條件下，工藝上還要求生成反向刀具路徑，進行反向銑削加工，消除前壹道工序正向加工時因電極損耗而產生的階梯波浪面，以提高表面形狀精度。
2 電極損耗補償對策
2.1 電極損耗的影響
在數控電火花銑削加工過程中，放電壹般發生在電極端部前沿尖角處，電流密度較大，放電集中度高，存在著較嚴重的電極損耗現象。在加工的開始階段，工件材料去除量較大；在加工的末尾階段，工件材料去除量最小，因此實際加工面是壹個“斜坡面”，如圖3A表面所示。在A表面與B表面之間是本道工序的未加工區。顯而易見，電極損耗影響加工精度。
電極補償過量面C
無電極損耗理想加工面B
沒有補償的加工面A
h1當前層厚度
h2下壹層厚度
圖3 電極損耗補償控制參考面
2.2 電極損耗補償的目的
壹方面可控制每壹層銑削加工的尺寸及形狀精度，另壹方面還可給下壹層銑削加工減少加工余量累計負擔。電極損耗補償值的給定應按不過度補償為原則，即其值應小於本層加工量與下壹層加工余量之和。
2.3 電極損耗補償計算的方法
沿曲面銑削加工時按直線方式生成加工路徑，所有程序段都是空間微直線段，假設在加工路徑相對較長的條件下，電極損耗沿路程均勻分布，其補償值沿軌跡，按路程均勻遞增補償到每段空間直線終點上，那麽電極損耗補償值在第i程序段的值為：
△i=(△/∑Lk)·(∑j=0→iLj)
式中：△i為第i程序段的電極損耗補償值；△為當前層銑削加工電極損耗預估值；∑Lk為當前層總的加工路徑長；∑j=0→iLj為電極在第i程序段已走過的加工路徑長。
△值與電參數和加工路徑長度有關，主要用於電火花中、精加工；超精加工時其值設為零。
△i值用於第i程序段的電極損耗Z軸方向的補償值，是用離線補償計算法得到的。
3 電火花曲面銑削加工工藝實驗
工藝實驗在RobForm30三軸數控電火花成形機上進行，用UG軟件造型、生成加工路徑文件，選用專家系統生成的加工余量和電參數，再經電極損耗補償處理，生成數控電火花銑削加工程序代碼。
表1 是實驗選用的加工參數。在精加工中去除的工件材料厚0.016mm,而預估電極損耗△取值0.05～0.07mm（實驗值），實際的加工路徑總長約為45000.00mm，如按理論計算，每100mm長得到0.10～0.16μm的補償，18000條程序平均每條得到0.0025～0.0038μm的補償，因此，如果按規格化計算，那麽只有刀具加工很長壹段距離之後，刀具電極才會作出實際意義上的補償，真正作出實際意義上補償的程序段比例很低。
表1 電火花銑削加工參 mm
加工類型 加工余量 電參數 電極補償
粗加工
粗加工
中加工
中精加工
精加工
超精加工
0.800 E383 0.500
0.400 E373 0.250
0.200 E293 0.100
0.150 E250 0.075
0.134 E220 0.050～0.070
0.122 E200 0
註：電參數采用RobForm30電火花成形機規準。
粗加工時電極補償視具體情況而定，首先選擇補償方式加工，補償取值壹般小於加工余量，如果電極損耗較大，電極端面圓角過大，此時應更換電極，Z軸重新對零位後，再進行加工。超精加工時只需生成正、反向加工刀具路徑，來回打光打拋曲面。實驗中還加入了輪廓加工、殘余加工、修邊，並考慮了加工精度設置、最大微直線段長度設置等內容。
電極制作部分是壹個比較重要的環節，故自制了機上修磨裝置，依據銑床刀具工具磨原理，設計有“電碰”定位基準，可精確定位，可修整電極圓柱面，也可修整電極端部球面。但由於銅電極在機械力作用下容易變形讓刀，因此只成功修整了φ5～8mm指狀棒電極。
圖4是數控電火花銑削加工的實物照片，是壹個面積約為100mm×70mm的曲面。 答案補充 也可以去百度去看看！