王帥帥，李雪芝，陳小康，周建平?，王恪典,2

(1.新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西西安710049)

0 引言

短電弧加工是指在一定比例帶壓力氣、液混合物工作介質(zhì)作用下，利用兩個電極之間產(chǎn)生的受激發(fā)短電弧放電群組或火花放電群組蝕除金屬或非金屬導(dǎo)電材料的一種電加工方法[1]．該技術(shù)是一種專門針對高強度、高硬度和高耐磨等非常規(guī)導(dǎo)電材料的去除工藝．近年來，短電弧加工技術(shù)在煤磨輥、水泥軋輥、航空機匣和航空發(fā)動機密封零件等方面均已投入使用，且表現(xiàn)出良好的去除性能．但在加工過程中仍存在一些問題，例如：表面較為粗糙、電極損耗較大等．其中加工過程工具電極損耗影響著短電弧加工的加工效率和幾何精度[2]，制約著短電弧技術(shù)的發(fā)展．

為改善電極損耗所帶來的問題，國內(nèi)外學(xué)者針對電火花銑削加工中電極損耗補償問題進行了大量的研究，Jae Won Jung等[3]提出一種將加工蝕除物體積和放電脈沖數(shù)量建立比例關(guān)系的方式，對放電間隙和脈沖頻率之間關(guān)系進行控制，達(dá)到對電火花加工中電極損耗進行補償．Jayakumar Narasimhan等[4]提出一種刀具路徑規(guī)劃模型，將電極補償和刀具路徑相關(guān)聯(lián)，損耗補償融入刀具路徑模型中，進而在加工中進行工具電極補償．黃河[5]運用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行電極損耗預(yù)測，將工藝參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)輸出，從而直接通過工藝參數(shù)進行電極補償．李劍忠等[6]基于微細(xì)電火花提出了一種線性補償和均勻補償相結(jié)合的方法，將此方法和CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合進行電極損耗補償．裴景玉團隊[7,8]針對電火花加工提出了定長補償方法，運用電磁理論建立電極損耗模型，通過此模型預(yù)測電極損耗量，從而將補償量事先寫入加工程序中，通過仿真和實驗證明取得良好的補償效果．上述結(jié)果均為電火花加工領(lǐng)域的相關(guān)研究，針對短電弧銑削加工技術(shù)工具電極損耗尚未應(yīng)用有效的補償方法，所以本文采取相應(yīng)補償手段改善電極損耗帶來的影響．

本文基于定長補償法運用VS2012軟件對UG進行二次開發(fā)建立短電弧銑削加工補償軟件，通過軟件將定長補償值插入到NC代碼中，實現(xiàn)對NC代碼離線更改，達(dá)到加工工具電極損耗的補償效果，最后通過實驗對補償前后加工結(jié)果進行對比，從而為補償軟件的有效性提供依據(jù)．

圖1 工具電極加工前后電極形貌圖Fig 1 Electrodemorphology beforeand after tool electrode processing

1 電極損耗模型的建立

短電弧加工是非接觸放電加工的一種，其工作方式為正極性加工，根據(jù)能量分配原則，放電產(chǎn)生能量將被分配在工具電極、工件和工作介質(zhì)周圍，分配到工具電極的能量是造成工具電極損耗的直接因素[9]．工具電極加工前后電極形貌如圖1所示，從圖1(a)中可知加工前工具電極形狀為標(biāo)準(zhǔn)中空圓柱電極；圖1(b)所示為加工后工具電極形貌，可以看出工具電極底面和邊角都已經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的損耗，電極幾何形狀產(chǎn)生較大變化，導(dǎo)致加工工件表面完整性和預(yù)加工幾何形狀受到影響．

數(shù)控短電弧銑削通槽電極損耗原理如圖2所示．理想狀態(tài)為加工深度為Δz的通槽，加工輪廓線應(yīng)是一條水平線，但是由于在加工過程中工具電極損耗，深度為Δz的通槽隨加工方向X的進給逐漸變淺，使加工輪廓線不是理想的水平線．根據(jù)端面磨損理論，使用合適的加工參數(shù)，電極在進入穩(wěn)定損耗期后，加工中形狀保持不變，僅在長度方向上產(chǎn)生磨損[10]．加工過程中，電極損耗不是突然發(fā)生的，而是伴隨在整個加工過程中，因此進行通槽加工時，被加工工件的加工截面輪廓線不是理想的水平線，一般呈現(xiàn)為曲線或者斜坡狀線．

圖2 銑削過程電極損耗原理圖Fig 2 Schematic diagram of electrode wear during milling

短電弧銑削加工電極損耗率常用體積損耗率、質(zhì)量損耗率和重量損耗率等表示．本文采用體積損耗率進行計算．即：

式中：δ為體積損耗率；VE為電極損耗體積；VR為工件去除體積．

如圖2所示，設(shè)初始加工表面軌跡為y=F(x)，電極預(yù)加工表面軌跡為y=f(x)，由于電極損耗在加工過程中是不可能避免，故設(shè)電極實際加工表面軌跡為y=Y(x)．當(dāng)電極沿X方向運動加工一個很小的單位Δx時，則去除體積ΔVR為：

式中：ΔVR為在Δx距離的工件去除體積；D為工具電極直徑；Δx為電極在X方向運動的距離．

電極損耗體積ΔVE表達(dá)式為：

式中：ΔVE為在Δx距離的電極損耗的體積；SE為工具電極橫截面面積；Δh為電極軸向損耗長度．

由圖3可知，加工了Δx距離的電極損耗量為Δh，表達(dá)式為：

由（1）（2）（3）式可得

由式（5）非齊一階線性微分方程可得

因為加工工件為簡單的平面，且預(yù)加工軌跡也為平面，則F(x)=0，f′(x)=0．方程簡化為：

模型Y(x)圖像如圖4所示.

圖3 銑削過程電極損耗數(shù)學(xué)模型圖Fig 3 Mathematical model of electrode wear inmilling process

圖4 無補償已加工底面輪廓Fig 4 No compensation has been processed base contour

2 工具電極損耗補償方法

為了提高短電弧銑削加工效率和精度，本文基于定長補償法，利用VS2012建立補償軟件．定長補償原理如圖5所示．根據(jù)加工所需精度，可以決定補償間隙時間和補償量的大小，當(dāng)預(yù)加工工件體積對應(yīng)的電極損耗量達(dá)到設(shè)定值hE時，便會補償為hE的量，hE為補償量，當(dāng)確定補償量后可通過公式進行電極補償距離lE的計算．也就是說當(dāng)工具電極沿X方向進給lE的距離就會沿Z方向負(fù)方向進給hE的量，如此重復(fù)以上過程則稱為定長補償法．如圖5所示，設(shè)電極沿直線加工距離lE后損耗hE，根據(jù)式（8）可得：

簡化可得：

式中：lE為電極補償距離；hE為補償量；Δz為加工深度；D為電極直徑；δ為體積損耗率．

由圖5可知，運用定長補償法所加工零件剖面線呈鋸齒狀，補償精度與機床精度和選取補償量hE有關(guān)．

3 基于UG二次開發(fā)的補償軟件搭建

該補償軟件基于定長補償法使用Microsoft Visual Studio2012為開發(fā)工具對UG進行二次開發(fā)，軟件以UG為運行環(huán)境，使用NXopen和C語言聯(lián)合開發(fā)．通過補償軟件將定長補償值插入到短電弧加工NC代碼中，實現(xiàn)短電弧銑削可以在離線狀態(tài)先進行定長補償．

3.1 補償軟件搭建前期準(zhǔn)備

3.1.1 后臺文件設(shè)置和菜單掛載

后臺文件設(shè)置和菜單掛載步驟如下：①建立電極補償菜單文件夾，在該文件夾中建立Application、Startup等文件夾，如圖6所示；②在Startup文件夾中建立.men文件，以文本文檔方式打開添加菜單內(nèi)容如圖7所示，添加內(nèi)容包括圖標(biāo)、快捷方式、掛載位置和菜單等級等；③通過改變軟件在電腦環(huán)境變量把開發(fā)的工具掛載在UG NX10.0菜單欄上，如圖8所示；④完成短電弧刀具補償菜單的掛載，其中包括刀具補償?shù)南吕藛?，如圖9所示．

圖6 補償菜單文件夾Fig 6 Compensation menu folder

圖8 更改環(huán)境變量Fig 8 Change the environment variable

圖7 菜單內(nèi)容Fig 7 Menu content

圖9 菜單掛載Fig 9 Mount the menu

3.1.2 UI界面的設(shè)計

使用UG NX10.0中自帶的UI樣式編輯器進行UI界面的設(shè)計，在UI界面中添加插入模塊、數(shù)字框、瀏覽文件、瀏覽文件夾等功能，并對每個功能進行默認(rèn)功能設(shè)置，如圖10所示為UI界面搭建過程．界面搭建完成后保存生成.hpp、.cpp和.dlx模塊文件．

將UI界面生成的.dlx模塊復(fù)制到電極補償菜單文件夾的Application文件夾中，然后進行UG NX10.0和VS2012的內(nèi)部連接配置，達(dá)到軟件聯(lián)合開發(fā)的目的，將UI界面生成的.hpp和.cpp導(dǎo)入到VS2012進行后臺代碼的編寫．

圖10 UI界面的搭建Fig 10 Construction of UI interface

3.2 補償軟件開發(fā)流程

該補償軟件主要以程序運行流程和加工代碼解釋流程兩個重要部分組成．程序運行流程如圖11所示，運行步驟如下：①通過導(dǎo)入模塊讀取NC代碼文件，并判斷文件是否為空；②對NC代碼進行逐行讀取，通過程序判斷代碼是否為空，或者是否有效，將有效代碼進行解釋流程，通過解釋和運算得到加工長度、加工深度、損耗量或補償量等加工數(shù)據(jù)；③通過對代碼的讀取獲得補償類別，并對讀取數(shù)據(jù)進行補償值的插入；④導(dǎo)出補償后的NC代碼．

加工代碼解釋流程如圖12所示，運行步驟如下：①獲得有效非空的第i行代碼，對第i行代碼所讀取內(nèi)容進行判斷；②通過判斷結(jié)果分別調(diào)用對應(yīng)函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理；③將處理后的數(shù)據(jù)存入暫存區(qū)中，以備下一步運算的調(diào)用．

補償軟件如圖13所示，軟件由補償量原理公式、補償原理圖、所需計算數(shù)據(jù)和文檔的導(dǎo)入導(dǎo)出四部分構(gòu)成．通過更改加工路徑定長量、電極內(nèi)外徑和電極損耗率等數(shù)據(jù)使用補償運力公式計算出在定長加工時的補償量，通過讀取導(dǎo)入的加工代碼文檔，對其坐標(biāo)值進行計算和更改，最后存入新的文檔中并導(dǎo)出文檔．

圖11 補償程序開發(fā)流程示意圖Fig 11 Compensation program development process diagram

圖12 加工代碼解釋流程Fig12 Processcodeinterpretationprocess

圖13 完成后補償軟件Fig13 Compensationsoftwareaftercompletion

4 實驗驗證

本次實驗使用設(shè)備為三軸數(shù)控短電弧銑削裝置，主要包括銑床床身部分、控制部分和氣液循環(huán)系統(tǒng)，配合直流短電弧電源組成，設(shè)備示意圖如圖14所示．

圖14 數(shù)控短電弧設(shè)備示意圖Fig 14 Schematic diagram of nc short arc equipment

圖15 加工工件和工具電極Fig 15 Machining workpiece and tool electrode

本次實驗采用45#鋼為加工工件，如圖15(a)所示，工具電極采用石墨覆銅電極，如圖15(b)所示．石墨作為工具電極時，相對電極損耗率均在10%以下，并且體積損耗率在5%以下的占70%[11]．故補償實驗選取相對電極損耗率δ為5%．其他實驗數(shù)據(jù)如表1所示．

表1 短電弧加工實驗參數(shù)Tab 1 Experimental parameters of short arc machining

未使用補償軟件加工工件如圖16所示，工件材料去除量為9.1 g，未達(dá)到預(yù)期效果．由圖16(a)所示，加工的通槽寬度逐漸變窄，并且在槽的兩側(cè)有明顯圓弧狀區(qū)域，該現(xiàn)象說明短電弧設(shè)備在銑削過程中工具電極的邊角損耗較為嚴(yán)重，已經(jīng)影響到了加工表面的完整性，如再繼續(xù)進行加工，將造成電極損耗量過大而無法對工件材料進行去除．從圖16(b)所示剖面圖可知銑削的加工深度逐漸變淺，且加工剖面線呈曲線，這是由于在銑削過程中工具電極軸向被放電損耗，所以不能有效完成預(yù)期的加工深度．

圖16 未使用補償軟件加工工件圖Fig 16 No compensation software is used to process the workpiece diagram

圖17 使用補償軟件加工工件圖Fig 17 Use compensation software to process the workpiece diagram

加入補償后加工工件如圖17所示，由圖17(a)所示可知加工的槽前后加工寬度沒有明顯變化；由圖17(b)剖面圖可知加工剖面線幾乎呈一條直線，沒有出現(xiàn)曲線或斜坡狀，說明補償軟件對解決邊角損耗和軸向損耗均有效．使用軟件補償后工件材料去除量為17.1 g，與預(yù)期理想工件材料去除量較為相近，證明了補償軟件的使用明顯的提高了加工效率．

未使用補償軟件和使用補償軟件加工后通槽的加工深度對比如圖18所示．從圖18可知未使用補償軟件的工件銑削深度大幅下降，逐步趨于零，使用補償軟件的工件銑削深度較為平緩，且接近預(yù)加工深度；未使用補償軟件和使用補償軟件加工后，通槽的銑削寬度對比如圖19所示．從圖19可知未使用補償軟件銑削寬度存在大幅下降趨勢，若再進一步加工，由于電極損耗已經(jīng)超過加工深度，吃刀量趨向于零，則存在無法加工的現(xiàn)象；使用補償軟件的工件銑削寬度較為平緩，且銑削寬度和電極外徑接近．由圖18、圖19可知，該補償軟件在加工中能夠補償大部分的電極損耗，證明了該軟件在實際加工運用中效果較為理想．

圖18 銑削深度對比圖Fig 18 Milling depth comparison diagram

圖19 銑削寬度對比圖Fig 19 Milling width comparison diagram

通過上述實驗，從實際運用層面驗證了補償軟件的有效性，明顯的降低了由電極損耗所帶來的加工誤差，顯著的提高加工效率和幾何精度．

5 結(jié)束語

短電弧加工技術(shù)中電極損耗補償是加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文以加工效率和材料去除量為衡量指標(biāo)，提出將定長補償法運用在短電弧銑削過程中．

首先根據(jù)體積損耗率和加工軌跡微分建立短電弧銑削電極損耗模型；然后運用定長補償法建立電極損耗補償模型；再將定長補償模型導(dǎo)入到UG二次開發(fā)的軟件中；通過輸入關(guān)鍵加工參數(shù)計算出補償距離，將補償量插入到加工NC代碼中完成補償；最后通過對比實驗驗證了該補償方法在短電弧銑削中的可行性．

由實驗結(jié)果可知：該補償方法在短電弧銑削中運用，有效的降低了由于電極損耗所帶來的加工誤差，提高了加工效率和幾何精度，為短電弧銑削電極損耗補償技術(shù)進一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)．