傅宇蕾，朱穎謀，趙萬生，胡　靜

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

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微細電火花加工電極磨損幾何形狀研究及仿真

傅宇蕾，朱穎謀，趙萬生，胡靜

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

摘要：通過實驗研究了微細電火花加工盲孔的電極損耗，并基于Matlab軟件，在二維矩陣的基礎上，通過選取網格設定大小，設定工具運動情況、放電間隙、放電間隙影響因子、單個脈沖去除凹坑大小及相對電極損耗率等參數，仿真電極形狀變化的全過程。該模型經后續(xù)完善后可用于預測補償。為了驗證仿真模型，對比了仿真結果與實際實驗，證明該仿真方法可行。

關鍵詞：微細電火花加工；電極損耗；幾何形狀仿真

微型化是當今制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢，而微細電火花加工因具有高精度、低機械應力的特點，使其在加工高硬度等難加工材料上獨具優(yōu)勢，所以目前廣泛應用于微機械、微型模具制造等領域。然而，在電火花加工過程中，電極端面、棱邊和側面都有一定的損耗，加工孔的側面有一定的錐度、且底面形狀誤差較大；在微細電火花加工過程中，電極形狀的損耗對加工精度有較大影響，尤其在加工盲孔的過程中，精度問題尤為突出。許多學者通過電極損耗補償策略[1]、復雜結構電極[2]、改變電極材料[3-4]及提高控制精度[5]等方法來提高加工精度。在利用仿真方法預測工具和工件幾何形狀的研究方面，基于均勻損耗法（uniform wear method，UWM）對工具長度方向的磨損仿真有很好的應用[6]。文獻[7-8]的仿真結果在特定的機床和工作條件下得到了驗證。文獻[9]介紹了基于Z-map仿真方法的電火花成形加工仿真，對單個放電凹坑采用圓錐模型，實現了加工后表面形狀的預測。但對于微細電火花加工的適用性仍有待檢測。文獻[10]介紹了基于Matlab的微細電火花仿真方法，對本研究具有啟發(fā)意義。

由于微細電火花加工電極磨損對加工精度有著很大的影響，因此，對電火花加工過程中的電極損耗仿真具有重要意義，它可用于加工狀態(tài)的離線檢測、加工條件的優(yōu)化、加工預測和加工實時控制等。然而，現有的研究多是基于COMSOL或ANSYS等仿真軟件進行單次放電凹坑的研究，只能從機理上解釋磨損現象，在實際應用中局限性較大。本文通過工藝實驗對微細電火花加工盲孔的電極損耗做了初步研究，并基于Matlab軟件仿真，以微細電火花加工作為切入點，在二維矩陣的基礎上，通過選取網格設定大小，以工具運動情況、放電間隙、放電間隙影響因子、單個脈沖去除凹坑大小、相對電極損耗率等因素作為仿真參數，對電火花加工過程中的電極損耗情況進行仿真，通過對比工藝實驗與仿真結果，初步驗證了仿真模型的可靠性。

1　微細電火花加工電極損耗實驗

1.1加工條件

實驗在C40電火花成形加工機床上進行，采用浸油加工，加工條件見表1。

表1　加工條件

1.2隨深度變化的工具電極損耗

在表1所示條件下，設計加工深度的單因素實驗。選定加工電流為6 A，在加工深度為0.5、1、1.5、2、2.5 mm的條件下分別進行實驗，觀察加工后的電極磨損情況。實驗結果表明，加工時間隨著加工深度的增加而增加，且基本呈線性關系（圖1）；電極剛開始加工時，棱邊損耗非常明顯，但隨著加工時間的增加而變慢，最終整個電極趨向均勻損耗，電極形狀也趨于穩(wěn)定（圖2）。這是因為加工開始前，兩極產生的電場在棱邊集中，使棱邊發(fā)生放電的概率增大，產生的熱量較多，故損耗較快；但隨著電極棱邊的損耗，電場集中現象得到緩解，損耗過程進入整體損耗階段[11]。

圖1　加工時間隨加工深度的變化

1.3隨電流變化的工具電極損耗

在表1所示條件下，設計加工電流的單因素實驗。選定加工深度為1 mm，在加工電流為3、4.5、6、 7.5、9、10.5、12、13.5、15 A的條件下分別進行實驗，觀察加工后的電極磨損情況。實驗結果表明，加工時間隨著電流的增大呈先減小、后增加的趨勢，且當電流在6 A左右時，加工時間最短（圖3）；電極磨損隨著電流的增大呈先減小、后增大的趨勢，且當電流在6 A左右時，不僅加工時間最短，電極損耗圓角也較?。▓D4）。因此，在后續(xù)實驗中，電流值選取6 A為最佳。

圖2　電極磨損圓角半徑隨加工深度的變化

圖3　加工時間隨加工電流的變化

圖4　電極磨損圓角半徑隨加工電流的變化

1.4加工孔底面形狀誤差

用LSM700激光共聚焦顯微鏡觀測加工后的盲孔尺寸及形貌，結果表明，盲孔底面呈兩邊凹陷、中間凸起的狀況。圖5是在加工電流為6 A、加工深度為0.5 mm時，用激光共聚焦顯微鏡測得的截面圖。其中，橫坐標為圖6所示橫線的X坐標，縱坐標為加工深度。

2　微細電火花加工多次放電電極損耗仿真

2.1電極損耗仿真假設

在電極磨損幾何形狀仿真研究過程中，由于采用的是圓柱形電極，電極本身具備旋轉對稱性，因此可將電極和工件復雜的三維模型簡化為二維模型。在仿真過程中，為了降低計算量而合理地忽略一些次要因素的影響，提出以下幾點假設：

（1）加工過程中，工具電極為軸對稱形狀，因此可把三維圓柱電極簡化為二維。

（2）在加工深度設定相同的情況下，加工碎屑、極間二次放電等因素對放電加工電極磨損的影響因子相同。

（3）放電去除點為電極與工件之間距離最近的點；若距離最近的點不止一個，則在其中隨機選取點作為放電點；單次過程中只有單個點放電。

（4）單次放電能量、電極及工具的單次去除體積為恒定值，且等于單脈沖放電獲得的蝕坑體積。

（5）除放電加工去除材料外，其他原因造成的電極和工件磨損均忽略。

圖5　共聚焦顯微鏡拍攝底面截面圖

圖6　截面位置示意圖圖

2.2電極損耗仿真放電去除過程

仿真過程整體流程見圖7。在仿真實驗中，參數設定是影響仿真結果的關鍵因素，參數設定得是否合理將直接影響仿真結果的可靠性。

（1）加工參數設定

網格大小決定了仿真的精確程度，在綜合計算速度和模型精確程度的情況下，設定網格大小為1 μm，即程序給定的單位以1 μm為基準。放電間隙設定為5 μm，步進距離設定為1 μm，而加工深度設定為1 mm。

（2）單次放電凹坑相關參數設定

首先通過ANSYS仿真和實驗方法[12]，分別得到工件單次放電蝕除球冠體積的長軸和短軸長度。通過相對電極損耗率可計算出工具電極單次放電蝕除球冠體積的長軸和短軸。

圖7　仿真流程圖

2.3仿真結果與實際結果對比

仿真結果見圖8。與相同條件下的實驗結果對比可發(fā)現，加工孔底面同樣呈兩邊凹陷、中間凸起的狀況，表明仿真結果與實驗相吻合。由于碎屑和工作液的影響未被考慮，因此程序中側面放電未考慮。該處存在一定的偏差，但可很好地用來解釋微細電火花加工過程中工具電極的損耗，進行損耗形狀的預測。

圖8　仿真結果

3　結論

通過工藝實驗對微細電火花加工盲孔的電極損耗做了初步研究，并基于Matlab軟件仿真，對電火花加工過程中的電極損耗情況進行仿真，得出以下結論：

（1）隨著加工深度的增加，加工時間增加，電極損耗圓角半徑呈先增加、后趨于穩(wěn)定的狀況。

（2）隨著加工電流的增加，加工時間先減小、后增加，且存在最佳加工電流，使加工時間最短；電極圓角半徑呈先減小、后增大的趨勢，在最佳電流附近，電極磨損半徑最小。

（3）通過Matlab編寫的電極損耗仿真實驗，在設定好程序要求的參數后，能有效地仿真出電極磨損過程，較準確地反映工具電極和工件的形狀磨損，進行損耗形狀的預測。

（4）實驗和仿真結果均顯示加工孔底面呈現兩邊凹陷、中間凸起的狀況。

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書訊

Geometry Simulation and Study on Electrode Tool Wear in Micro EDM

Fu Yulei，Zhu Yingmou，Zhao Wansheng，Hu Jing
（State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：By many times of experiment in micro blind hole drilling，a geometry simulation model of electrode wear based on Matlab is proposed to predict the geometry appearance of tool and drilled hole. Based on a two-dimension matrix，by setting parameters like grid size，the situation of the tool wear，sparking gap width，the influence factor of the sparking gap and so on，the process of the change of electrode geometry is simulated. Developed model can be used in offline compensation of tool wear in the fabrication of a blind hole. To verify the simulation model，the prediction results are compared with the actual experimental ones，the method is feasible.

Key words：Micro EDM；tool wear；geometry simulation

第一作者簡介：傅宇蕾，女，1991年生，碩士研究生。

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號：TG661

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0006-04