微細電火花加工的電極補償方法綜述

孫仲明,陳 健,2,陸國棟

(1.浙江大學CAD&CG國家重點實驗室,浙江杭州310027;2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院,浙江寧波315211)

由于電火花加工利用瞬時放電產(chǎn)生大量的熱以蝕除材料的非接觸式加工特性,可不受接觸力和材料硬度的影響,故在超硬超難加工材料、深孔、窄槽等加工上表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢,作為特種加工技術(shù)之一被廣泛用于模具制造、航空航天、汽車等領(lǐng)域。然而,由于電極損耗,特別是電極邊緣損耗現(xiàn)象的存在,造成了電極形狀變形,嚴重影響了加工精度。尤其是在微細電火花加工領(lǐng)域,由于電極尺寸很小,其電極損耗率遠大于傳統(tǒng)的電火花加工,嚴重制約了微細電火花加工技術(shù)的發(fā)展。

隨著產(chǎn)品不斷地向小型化和微型化方向發(fā)展,作為微細加工技術(shù)重要組成部分的微細電火花加工技術(shù)也愈發(fā)重要。為了解決電極損耗補償這一技術(shù)瓶頸,國內(nèi)外學者對此做了大量的深入研究,并提出了一些解決方案。本文以此為基礎(chǔ),分析和總結(jié)了近十年來出現(xiàn)的各種主要的電極補償方法,并指出其可能的發(fā)展趨勢。

1 微細電火花加工方法概述

采用微細電火花技術(shù)加工三維微細型腔,主要有兩種方法:微細電火花成形加工和電火花銑削加工。

與傳統(tǒng)的電火花成形加工類似,微細電火花成形加工采用具有三維形狀的微細電極,做簡單的拷貝式加工,從而得到三維微細型腔。其關(guān)鍵問題是微細成形電極的制備和校準。由于具有三維形狀的微細電極制作十分復(fù)雜,而且當采用電極替換方法進行電極補償時,多個微細電極的尺寸一致性和重復(fù)定位精度很難保證,因而微細電火花成形加工方法應(yīng)用較少。

電火花銑削(分層)加工采用簡單形狀的微細電極(如:棒狀、空心管狀電極等),通過控制其加工軌跡,類似銑削加工一樣,從而加工出一個微細型腔。這種方法大大簡化了電極補償策略,避免了復(fù)雜微細電極的制作問題,是目前普遍采用的微細電火花三維型腔加工方法,也是研究的熱點之一。目前提出的絕大部分電極補償方法都是針對該加工方式的。

2 微細電火花電極損耗補償方法

按電極損耗的預(yù)先補償或動態(tài)補償方式的不同,目前出現(xiàn)的電極損耗補償方法主要可分為兩大類:基于模型預(yù)測的電極損耗補償方法和基于加工狀態(tài)監(jiān)測的電極損耗補償方法。

2.1 基于模型預(yù)測的電極損耗補償方法

該方法主要是根據(jù)電極損耗機理建立電極損耗模型,在加工前根據(jù)加工條件預(yù)測加工過程中電極損耗量,并以此為依據(jù)對電極進行補償。由于不必在加工過程中檢測電極損耗而中斷加工,從而提高了加工效率。電極損耗模型的精確與否,是該方法補償效果好壞的關(guān)鍵。當前的研究主要集中在兩個方向:一是基于模擬仿真的電極補償方法;二是基于電極等損耗原理的電極補償方法。

2.1.1 基于模擬仿真的電極補償方法

若能通過仿真手段模擬電火花放電加工的整個工藝過程,則可預(yù)測電極的損耗狀態(tài)和加工結(jié)果,從而實現(xiàn)離線補償,并為加工參數(shù)的設(shè)定提供參考結(jié)果。Jeong等[1]建立了一個電火花小孔加工的仿真模型,用于預(yù)測加工中電極和小孔的形狀變化。在該模型中,利用對稱性將電極和工件簡化為二維網(wǎng)格模型(圖1),分參數(shù)設(shè)定、電極和工件形狀計算、材料蝕除過程模擬等3個步驟來模擬加工過程,較好地預(yù)測了電極損耗后的形狀和工件加工結(jié)果,并以此為依據(jù)在實際加工中對電極進行補償,達到了良好的效果。在該模擬過程中,放電點的計算和材料蝕除過程的模擬最為關(guān)鍵。對此,Zhao等[2]考慮了直線電機驅(qū)動下的模擬方法,在該模型中,電極和工件采用Z-map模型來表示,放電蝕除坑則假設(shè)為圓錐形(圖2),仔細探討了單個蝕除坑形成過程的模擬方法。由于直線電機可實現(xiàn)高速抬刀,從而將蝕除產(chǎn)生的金屬碎屑完全吸出,消除了其對放電的影響,因而以間隙最短處為放電位置更為準確。相反,Kunieda[3]則考慮了在金屬碎屑影響下的仿真方法。

2.1.2 基于電極等損耗原理的電極補償方法

電極等損耗原理是在電火花分層銑削加工的基礎(chǔ)上提出來的。所謂分層加工,和快速原型技術(shù)類似,即將復(fù)雜的三維形狀用平行的截面截取分層,把三維加工轉(zhuǎn)為簡單二維層面加工的疊加,而在每層加工結(jié)束后,若能通過某種方法使電極端部各點的損耗量均勻(圖3),從而使電極形狀得以恢復(fù),避免電極損耗對下一層加工的影響,這便是等損耗原理,由此發(fā)展出了微細電火花加工的均勻損耗法、電極定長補償法和電極均勻損耗微量補償法等3種主要的等損耗補償方法。

(1)均勻損耗法。該方法是由Yu等[4]率先提出的,其基本原理是:根據(jù)等損耗的概念,小進給分層加工,使放電僅發(fā)生在電極端面,電極在每層順逆掃描加工前后,形狀上保持一致(圖4),便可將電極損耗簡單地視為僅發(fā)生在軸向上,則在開始加工下一層前,只需進行適當?shù)妮S向進給,把上一層的電極損耗予以一次性補償。在該方法中,層內(nèi)電極運動軌跡的規(guī)劃最為關(guān)鍵,由于電極邊緣損耗的存在,需將相鄰軌跡部分重疊,對此,王振龍等[5]也做了相關(guān)研究。

由于均勻損耗法采用的是層補償方式,電極補償僅發(fā)生在每層加工的起始位置,因而層內(nèi)的加工形狀精度依然無法保證,其底面輪廓近似為傾斜的直線。為了解決該問題,裴景玉等[6]提出了定長補償方法。

(2)電極定長補償法。其基本思想是:在均勻損耗法的層補償基礎(chǔ)上,將補償次數(shù)從每層補償1次增加為每層補償多次。在層內(nèi),當電極損耗量達到某個設(shè)定值le(補償精度)時補償1次,補償量為le(圖5)。對于確定的補償精度,在一定的加工條件下,其加工長度L(補償長度)是一定的,因而將其稱為定長補償法[6-7]。

圖5 電極定長補償法示意圖

顯而易見,在該方法中,補償長度 L的計算,即相對體積損耗比的測量是關(guān)鍵。同時,底部和側(cè)面的放電間隙不同,要區(qū)別對待。

(3)電極均勻損耗微量補償法(CLU)。不同于定長補償法中以加工長度作為是否補償?shù)囊罁?jù),虞慧嵐等[8-9]以加工裝置的運動控制精度為依據(jù),進而提出了電極均勻損耗微量補償法。該方法將均勻損耗法和線性補償法相結(jié)合,加工軌跡設(shè)計和層間電極損耗總補償量的確定方面仍采用均勻損耗法,而在每一層內(nèi)的加工則根據(jù)加工設(shè)備的精度,將該層的總補償量均勻地分配到該層內(nèi)的加工軌跡上。圖6是采用該方法加工的復(fù)雜型腔。

圖6 采用CLU法加工的復(fù)雜型腔

2.2 基于加工狀態(tài)監(jiān)測的電極損耗補償方法

基于模型預(yù)測的方法都是在加工前建立好電極損耗模型,設(shè)定了補償量和補償策略,在加工時是不做實時調(diào)整的。與此相對的是另一類在線實時補償,即采用監(jiān)測加工狀態(tài)的方法,補償指令是在加工時才生成的。目前主要有以下3種:

(1)有效放電脈沖監(jiān)測補償法。在一定的加工條件下,電極的平均單次損耗量與放電能量成比例關(guān)系,此時電極體積損耗是固定的,通過檢測有效放電脈沖個數(shù),便可推算出電極損耗,在此基礎(chǔ)上,Bleys等[10-11]提出了電極損耗實時補償?shù)姆椒āＴ谠摲椒ㄖ?將模型預(yù)測和實時測量相結(jié)合,在加工前,根據(jù)要移除的工件材料的體積和相對體積損耗比,預(yù)測電極的補償量;在加工中,通過統(tǒng)計一定時間內(nèi)的有效放電脈沖數(shù),計算電極實際損耗量,將其與預(yù)測值比較,取合適值對電極進行補償。圖7是其控制框圖。

對于單次放電的材料移除量、電極損耗量和放電能量之間的關(guān)系,Bissacco等[12-13]做了詳細的研究,發(fā)現(xiàn)在不同的放電能量等級下,電極損耗量和放電能量之間的關(guān)系是不同的,但在小能量的情況下,電極損耗量和平均放電能量之間有很強的線性比例關(guān)系(圖8)。由此證明了通過統(tǒng)計有效放電脈沖數(shù)來進行電極補償?shù)目尚行浴４送?Mahardika[14-15]和Jung[16-17]也對此做了相關(guān)研究。

(2)放電間隙(開路電壓)監(jiān)測補償法。除了監(jiān)測有效放電脈沖外,另一種常見的方法是監(jiān)測放電間隙,即以放電間隙的平均電壓為判斷基準,當開路電壓大于設(shè)定值時就觸發(fā)補償。對此,Chang等[18]提出了一種放電間隙的魯邦控制方法。為了處理非線性的時變反饋型號,設(shè)計了一個具有最大魯棒性的比例控制器,以保持電極和加工面之間的間隙。李勇等[19-20]提出了三維微細電火花伺服掃描加工方法。在對放電間隙進行伺服控制的同時,在電極和工件之間輔以激振,大大改善了加工效果,并對各加工參數(shù)的影響進行了實驗研究。

由于開路電壓只能間接反映放電間隙的大小,且與放電參數(shù)有很大的關(guān)系,因而開路率的設(shè)定沒有堅實的理論依據(jù),其變化的不連續(xù)性也對實際操作帶來了很大的難度。

(3)電極形狀監(jiān)測補償法。更為直觀的,若能在加工過程中直接觀察到電極的形狀變化,就能進行更精確的電極補償。Yan等[21-22]利用機器視覺系統(tǒng),直接獲取電極端部損耗和邊緣損耗的圖像,然后用圖像處理軟件對其進行處理,獲得電極損耗量(圖9),進而對電極進行補償。此外,還用圖表形式建立了損耗量和進給速度、加工深度、長度之間的關(guān)系,作為電極補償?shù)膮⒖肌?/p>

圖9 電極端部損耗的測量

該方法實際屬于離線測量再補償?shù)姆绞?需時常中斷加工,但同時由于可直接測得電極的損耗量,從而得以加大每層的加工深度,并更好地計算相鄰軌跡的重疊寬度。其加工時間和均勻損耗法相比,反而減少了40%[22]。

3 存在問題與展望

雖然國內(nèi)外對電極損耗補償做了大量的研究,提出了許多新的思路,如:通過比較工件材料的實際去除量和理想去除量,來決定是否進行電極補償[23],但仍有許多問題需待解決。

(1)缺乏完善精確的過程損耗理論。由于電火花過程的隨機性和復(fù)雜性,現(xiàn)有的建模方法無論是否采用在線補償法,主要思路是通過對損耗總量的分析建模預(yù)測,然后進行差異化的補償方法研究提高補償精度,這些方法都無法描述電極在損耗過程中的形狀變化。而電極形狀監(jiān)測補償法雖然作了一定的圖像方法的嘗試,但其方法精度有限,且會導(dǎo)致加工的不連續(xù)而降低加工效率。因此,需研究電極在加工過程中的實時損耗量和損耗形狀變形理論,從而建立符合實際規(guī)律的電極過程損耗模型,將是重要的研究方向之一。

(2)局限性大?，F(xiàn)有的方法只能用于特定的加工對象,有的適用孔形加工,有的適用平面銑削加工,仍未出現(xiàn)一種普遍適用的方法。因此,在實際加工中,只能根據(jù)具體加工對象的特點,選擇適當?shù)募庸げ呗?。所以研發(fā)具有較好通用性的補償方法,如:進行基于幾何有限元的蝕除理論研究將是亟待解決的問題。

(3)對實驗的依賴程度大。多數(shù)補償方法的判斷依據(jù)來源于實驗結(jié)果,如:電極損耗比,單次放電的平均電極損耗量等,而影響電火花加工結(jié)果的因素十分復(fù)雜,這就需要大量的實驗數(shù)據(jù)予以支持,因此,建立電極損耗補償專家數(shù)據(jù)庫將是較好的解決手段之一。

(4)損耗補償二維化?，F(xiàn)有的補償方法都是對電極損耗在某個方向上的補償,主要集中在Z方向上的補償是一種二維化的補償手段。實際上,電極的損耗是個立體損耗的過程,且各個方向上可能出現(xiàn)的損耗量各有不同,因此,三維立體化的補償方法值得深入研究。

4 結(jié)束語

放電加工是一個復(fù)雜的加工過程,在精細放電加工中電極的損耗補償是極其重要的?，F(xiàn)有的補償方法主要有基于模型預(yù)測和基于各種加工參數(shù)監(jiān)測兩種。但由于單一補償方法的局限性,未來將在精確的過程損耗理論、補償方法的通用性、補償數(shù)據(jù)的專家?guī)旒夹g(shù)及三維立體化補償方面獲得進一步發(fā)展。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,多種補償方法的智能結(jié)合成為了可能,為電火花電極補償領(lǐng)域開拓新的發(fā)展空間。

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