关于2.5轴数控电火花仿铣加工技术的探讨

　　电火花数控仿铣加工是一种新型的电火花成形加工工艺。这种工艺采用简单形状的工具电极，配合工作台及主轴多坐标数控伺服运动加工零件。具有无宏观切削力。电极制造简单，工艺准备周期短。成本低，易于实现柔性化生产等优点，是实现面向产品零件的电火花成形加工技术的有效途径。

　　2.5轴数控电火花成形机床的X、Y、Z三个坐标中，可以任意两个坐标作联动插补运动，第三个坐标作单独的周期进给运动，能够利用简单形状的工具电极，仿铣加工平面轮廓曲线和简单立体曲面。在实际生产中，企业拥有的数控电火花成形机床中2.5轴类型所占的比例较大，但目前这类机床通常仍然采用“拷贝式电火花成形加工”的方法，用于加工平面内腔或简单曲面类零件，设备性能没有得到充分发挥。研究利用2.5轴数控电火花成形机床进行仿铣加工，无疑对于挖掘设备潜力，提高企业效益具有很重要的意义。

　　1　电极设计

　　采用电火花仿铣加工工艺的优势之一就是电极的设计与制造极为简单。加工平面轮廓类零件，通常采用圆柱棒电极，如图1(a)所示。加工立体曲面类零件，通常采用球头电极，如图1(b)所示。电火花仿铣加工是非接触式加工，无宏观切削力，因此，对电极的刚度要求不高。对于预加工后余量较小的工件，可直接进行精加工，电极尺寸L、D、R主要根据工件的工艺尺寸确定，在不产生干涉的前提下，应取尽可能小的L值和尽可能大的D(或R)值。

图1　电火花仿铣加工电极

　　防止产生干涉应遵循以下原则：

　　L Hmax+Mmin+Gmax+Bmin

　　R rmin-Gmax

　　D Wmin-2Gmax-T

　　式中　Mmin—电极最小装夹长度;

　　Hmax—工件的最大加工深度;

　　Gmax—电极与工件的最大放电间隙;

　　Bmin—排屑空间最小高度;

　　rmin—加工方向最小曲率半径;

　　Wmin—型腔最窄宽度;

　　T—安全常数(T=2 Gmax)。

　　2　工件的预加工

　　目前，电火花加工的加工速度尚远不能与机械加工的切削速度相比。因此，为了缩短电加工时间，降低电极绝对损耗，有必要对毛坯余量较大的工件在热处理前进行预加工，以使工件在电加工前具有恰当的加工余量。原则上电加工余量在能够保证放电加工正常进行的前提下越小越好。一般来说，电火花仿铣加工的单边余量可取0.1～0.5mm。对于毛坯余量较小或者因形状复杂预加工有困难的工件，也可直接进行电火花仿铣加工。

　　3　电极运动轨迹的生成

　　3.1　仿铣加工平面轮廓零件的电极运动轨迹的生成

　　对于没有预加工的平面轮廓零件，电火花仿铣加工的典型过程是沿轮廓边界留出加工余量，先用平头圆柱电极用环切或行切法走刀，去除多余的材最后沿轮廓走刀，精加工边界外形，对于预加工后具有恰当加工余量的工件，则直接沿轮廓走刀进行精加工。最后一次精加工清根时，所用圆柱电极的直径D应符合零件图纸的规定。如图2所示。

(a)零件模型

(b)粗加工电极轨迹

(c)精加工电极轨迹

图2　平面轮廓零件点火花仿铣加工实力

　　刀具半径补偿的值应采用下式计算：

　　H=r+

　　式中　r—电极半径;

　　—放电间隙。

　　3.2　仿铣加工简单立体曲面零件的电极运动轨迹的生成

　　利用2.5轴数控电火花成形机床仿铣加工简单立体曲面零件，要用分层切削的方法。即用一组垂直于电极旋转轴的平面与零件面和毛坯体求交，将求出的交线采用平面行腔的加工方式，计算出当前层的电极运动轨迹。粗加工时采用平头圆柱电极进行刀位计算及加工，精加工时采用球头圆柱电极进行刀位计算及加工，如图3 所示。

(a)分层加工　　　(b)某层精加工刀轨

图3　球面的分层加工方法

　　4　关于电极损耗

　　对于没有预加工的工件，要先进行粗、中加工，为最后精加工做好恰当的加工余量的准备。粗、中加工阶段对电极损耗不作补偿。对于预加工后具有恰当加工余量的工件，采用窄脉宽(小于图2平面轮廓零件电火花仿铣加工实例20

　　s)、小放电电流(小于10A)直接进行精加工，由于放电能量变小，放电间隙随之变小，但电火花仿铣加工采用旋转的工具电极，电极相对工件进行插补运动，排屑条件不会因此而明显恶劣，能够保证稳定地加工。现有的工艺实验表明，精加工阶段工具电极的绝对损耗值很小，一般不需进行补偿。如果很小的绝对损耗仍然不能满足加工精度的要求，则在电极损耗发生时，返回进行修正。重新设置Z轴高度并且重新开始仿铣加工。这些操作可在仿铣加工程序中设定，若采用自动交换电极装置可使操作完全自动化。

　　5　计算实例

　　图2(a)所示为某厂模具零件的电火花仿铣加工实例。要求加工的阿基米德螺线轮廓未进行预加工，需分粗加工和精加工两道工序，精加工单边余量 0.2mm。工件材料为Cr12,硬度为HRC50～55,工具电极材料为紫铜，粗、精加工电极直径均为D=8mm,L=40mm,电极旋转速度为 400r/min。粗加工电极运动轨迹如图2(b)所示。精加工电极运动轨迹如图2(c)所示。在三菱M25C6G15型数控电火花成形机床上加工，加工时间39h,其中粗加工11h精加工28h,NC程序如下q

　　G92 X Y Z C;

　　G90;

　　M88;

　　M80;

　　G10 F150;

　　E9958;

　　M84;

　　G00 Z2.0;

　　G00 X-15.349 Y28.570;(STP)

　　G00 Z-16.620;

　　G01 X-10.307 Y24.187;(V)

　　G01 X-5.265 Y19.804;(W)

　　G02 X3.799 Y21.780 R21.780;(X)

　　G02 X27.261Y6.390R25.579;(Y)

　　G02 X27.261 Y6.390 R25.579;(Y)

　　G03 X-10.307 Y24.187 R28.0;(V)

　　G01 X-5.265Y19.804;(W)

　　G01 X-7.805 Y2.527;(Q)

　　G03 X-8.077 Y0.0 R11.876;(R)

　　G03 X0.0 Y-8.077 R8.077;(S)

　　G03 X4.278 Y-3.799 R4.278;(T)

　　G03 X4.077 Y-3.397 R0.278;(U)

　　G02 X-7.805 Y2.527 R10.0;(Q)

　　G01 X-5.265 Y19.804;(W)

　　G01 X-12.685 Y29.737;(Z)

　　H01=实测电极半径Rt+粗加工单边放电间隙

　　+精加工单边余量

　　G42 X-12.685 Y29.737 H01;(Z)右刀补

　　G01 X-1.891 Y10.266;(P)

　　G01 X0.599 Y5.777;(A)

　　G03 X1.820 Y5.324 R1.0;(B)

　　G02 X3.799 Y5.680 R5.680;(C)

　　G02 X13.278 Y-3.799 R9.479;(D)

　　G02 X0.0Y-17.077 R13.278;(E)

　　G02 X-17.077 Y0.0 R17.077;(F)

　　G02 X-12.566 Y12.961 R20.876;(G)

　　G03 X-12.694 Y114.337 R1.0;(H)

　　G01 X-16.546 Y17.686;(I)

　　G03 X-17.974 Y17.559 R1.0;(J)

　　G03 X-24.177 Y0.0 R27.976;(K)

　　G03 X0.0 Y-24.177 R24.177;(L)

　　G03 X20.378 Y-3.799 R20.378;(M)

　　G03 X3.799 Y12.780 R16.579;(N)

　　G03 X-1.426 Y11.663 R12.780;(O)

　　G03 X-1.891 Y10.266 R24.177;(P)

　　G41 X-1.891 Y10.266 H01;(P)左刀补

　　G01 X-12.685 Y29.737;(Z)

　　E9960;

　　H02=实测电极半径Rt+精加工单边放电间隙

　　G42 X-12.685 Y29.737 H01;(Z)右刀补

　　G01 X-1.891 Y10.266;(P)

　　G01 X0.599Y5.777;(A)

　　G03 X1.820 Y5.324 R1.0;(B)

　　G02 X3.799 Y5.680 R5.680;(C)

　　G02 X13.278Y-3.799 R9.479;(D)

　　G02 X0.0Y-17.077 R13.278;(E)

　　G02 X-17.077 Y0.0 R17.077;(F)

　　G02 X-12.566 Y12.961 R20.876;(G)

　　G03 X-12.694 Y114.337 R1.0;(H)

　　G01 X-16.546 Y17.686;(I)

　　G03 X-17.974 Y17.559 R1.0;(J)

　　G03 X-24.177 Y0.0 R27.976;(K)

　　G03 X0.0 Y-24.177 R24.177;(L)

　　G03 X20.378 Y-3.799 R20.378;(M)

　　G03 X3.799 Y12.780 R16.579;(N)

　　G03 X-1.426 Y11.663 R12.780;(O)

　　G03 X-1.891 Y10.266 R24.177;(P)

　　G41 X-1.891 Y10.266 H01;(P) 左刀补

　　G01 X-12.685 Y29.737;(Z)

　　M85;

　　M81;

　　M89;

　　M02;

　　%

　　图3(a)所示为一半球面零件模型。工件材料为45钢，机械预加工后单边余量0.2mm,工具电极材料为紫铜，电极球头半径R=8mm,L=50mm, 电极旋转速度为400r/min。分层加工，某一层的电极运动轨迹如图3(b)所示。在三菱M25C6G15型数控电火花成形机床上加工，加工时间 6h,NC程序如下。

　　G92 X Y Z C;

　　G90;

　　M88;

　　M80;

　　G10 F150;

　　E9960;

　　M84;

　　G01 Z-0.185;

　　G01 X1.378;

　　G01 Z-0.245;

　　G03 X-1.378 Y0.0R-1.378;

　　G03 X1.378 Y0.0R-1.378;

　　G01 X2.746;

　　G01 Z-0.425;

　　G03 X-2.746 Y0.0R-2.746;

　　G03 X2.746 Y0.0R-2.746;

　　G01 X4.093;

　　G01 Z-0.724;

　　G03 X-4.093 Y0.0R-4.093;

　　G03 X4.093Y0.0R-4.093;

　　G01 X5.409;

　　G01 Z-1.139;

　　G03 X-5.409 Y0.0R-5.409;

　　G03 X5.409 Y0.0R-5.409;

　　G01 X6.684;

　　G01 Z-1.667;

　　G03 X-6.684 Y0.0R-6.684;

　　G03 X6.684 Y0.0R-6.684;

　　G01 X7.908;

　　G01 Z-2.304;

　　G03 X-7.908 Y0.0R-7.908;

　　G03 X7.908 Y0.0R-7.908;

　　G01 X9.071;

　　G01 Z-3.045;

　　G03 X-9.071 Y0.0 R-9.071;

　　G03 X9.071Y0.0R-9.071;

　　G01 X10.166;

　　G01 Z-3.885;

　　G03 X-10.166 Y0.0 R-10.166;

　　G03 X10.166 Y0.0R-10.166;

　　G01 X11.183;

　　G01 Z-4.817;

　　G03 X-11.183 Y0.0 R-11.183;

　　G03 X11.183Y0.0R-11.183;

　　G01 X12.115;

　　G01 Z-5.834;

　　G03 X-12.115 Y0.0 R-12.115;

　　G03 X12.115 Y0.0R-12.115;

　　G01 X12.955;

　　G01 Z-6.929;

　　G03 X-12.955 Y0.0 R-12.955;

　　G03 X12.955 Y0.0R-12.955;

　　G01 X13.696;

　　G01 Z-8.093;

　　G03 X-13.696 Y0.0 R-13.696;

　　G03 X13.696 Y0.0R-13.696;

　　G01 X14.333;

　　G01 Z-9.316;

　　G03 X-14.333 Y0.0 R-14.333;

　　G03 X14.333 Y0.0R-14.333;

　　G01 X14.861;

　　G01 Z-10.591;

　　G03 X-14.861 Y0.0 R-14.861;

　　G03 X14.861 Y0.0R-14.861;

　　G01 X15.276;

　　G01 Z-11.907;

　　G03 X-15.276 Y0.0 R-15.276;

　　G03 X15.276 Y0.0R-15.276;

　　G01 X15.575;

　　G01 Z-13.254;

　　G03 X-15.575 Y0.0 R-15.575;

　　G03 X15.575 Y0.0R-15.575;

　　G01 X15.755;

　　G01 Z-14.622;

　　G03 X-15.755 Y0.0 R-15.755;

　　G03 X15.755 Y0.0 R-15.755;

　　G01 X15.815;

　　G01 Z-16.000;

　　G03 X-15.815 Y0.0 R-15.815;

　　G03 X15.815 Y0.0R-15.815;

　　G01 Z0.0;

　　G01 X0.0;

　　M85;

　　M81;

　　M89;

　　M02;

　　%

　　加工完成后的工件与电极实物如图4所示。

图4　完成加工后的工件与电极实物照片

　　6　结论

　　采用2.5轴电火花数控仿铣工艺，加工平面轮廓曲线和简单立体曲面，具有柔性好，适用面广，工具电极设计制造简单、成本低等优点。当被加工对象形状、尺寸更改或处于小批量、多品种试制及生产时、上述特点就更为突出。一般地说，只要NC程序编制正确，电规准选择得当，放电间隙控制稳定，便能够获得理想的加工精度和表面质量。