電火花加工電極輔助設計與仿真系統(tǒng)的研究

陳扣杰,單 巖

(浙江大學化工機械研究所,浙江杭州310027)

電火花加工利用放電產生的瞬時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,達到加工目的[1]。該技術在模具產品的型腔加工中有著非常廣泛的應用[2]。但實際應用中遇到電極設計效率低、設計人員無法判斷加工后的型腔是否為所需型腔的問題。如需得到加工結果,要在EDM機床上進行試樣測試。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的電極設計模塊,但其步驟煩瑣、耗時較長,且不具有電極補償、電極加工仿真功能,不能滿足用戶的需求。因此開發(fā)出一套能實現(xiàn)電極快速設計、加工補償以及加工仿真的“電火花加工電極輔助設計與仿真系統(tǒng)”是十分必要的。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)可分為:電極快速建模、電極平動補償、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;電極平動補償模塊實現(xiàn)對已有電極的加工補償功能;電極加工仿真模塊實現(xiàn)對已有電極的加工模擬功能;輔助功能模塊實現(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),當用戶單擊菜單欄上的EDM或工具條上的命令圖標,進入相應的用戶界面,根據(jù)用戶的選擇系統(tǒng)會自動調用相應的程序進行設計。本系統(tǒng)的工作流程如下:

(1)建立電極毛坯模型:設定毛坯參數(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,并進行相關參數(shù)的設定;

(4)平動補償:選擇電極上需進行補償?shù)那?并進行平動補償相關參數(shù)的設定;

(5)加工仿真:選擇電極、毛坯,并設定相關參數(shù),進行加工仿真。

2 關鍵技術

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。實際工程應用中,有相當一部分電極是根據(jù)二維CAD圖設計的,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,但不能實現(xiàn)多個封閉線串的同時識別與拉伸,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)的一大關鍵技術。

根據(jù)實際工程設計需要,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,設計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)串的每一個線段即可。二維封閉線串識別技術的程序流程圖見圖2。

圖1 封閉線串的識別原理示意圖

2.2 非均勻平動補償

電極的外形與模具型腔的外形應是耦合的,但在實際的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向進給外,還按一定軌跡做微量 XY平面運動[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,因此必須進行電極的實時補償以保證加工精度[3]。電極平動補償雖可提高加工表面質量和加工精度,但會導致型腔尺寸偏離所需尺寸[4](圖4)。為了解決平動補償帶來的型腔誤差,本系統(tǒng)開發(fā)了電極非均勻平動補償功能。此功能通過對設計階段中電極進行非均勻偏置補償,來減少補償帶來的型腔誤差。

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

圖5 矢量平動補償?shù)某绦蛄鞒虉D

3 應用實例及結果分析

本系統(tǒng)主要用于提高電極設計效率和驗證所設計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電極設計及加工仿真中得到廣泛應用。下面用圖6所示電極腔體實例說明本系統(tǒng)的實用性。

圖6 電極腔體

圖6所示的電極腔體最終設計的電極見圖7,最終設計效果如圖8所示。

經試驗發(fā)現(xiàn),本文所研究的EDM電極輔助設計與加工仿真系統(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,較原始的設計方法都得到很大的提高,其數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗結果數(shù)據(jù)對比

4 結束語

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

[1]殷燕芳,陳艷山.電火花加工技術在模具制造中的應用[J].輕工機械,2007,25(4):64-66.

[2]HO K H,NEWMAN S T.State of the art electrical discharge machining(EDM)[J].International Journal of Machine Tools&M anufacture,2003,43:1287-1300.

[3]王長法,顧琳,蔣毅,等.微細電火花加工的電極補償方法研究[J].電加工與模具,2009(3):27-30.

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[5]單巖,夏天.數(shù)控電火花加工[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

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