基于定长补偿法的短电弧铣削加工电极补偿研究*

王帅帅，李雪芝，陈小康，周建平†，王恪典,2

(1.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)

0 引言

短电弧加工是指在一定比例带压力气、液混合物工作介质作用下，利用两个电极之间产生的受激发短电弧放电群组或火花放电群组蚀除金属或非金属导电材料的一种电加工方法[1]．该技术是一种专门针对高强度、高硬度和高耐磨等非常规导电材料的去除工艺．近年来，短电弧加工技术在煤磨辊、水泥轧辊、航空机匣和航空发动机密封零件等方面均已投入使用，且表现出良好的去除性能．但在加工过程中仍存在一些问题，例如：表面较为粗糙、电极损耗较大等．其中加工过程工具电极损耗影响着短电弧加工的加工效率和几何精度[2]，制约着短电弧技术的发展．

为改善电极损耗所带来的问题，国内外学者针对电火花铣削加工中电极损耗补偿问题进行了大量的研究，Jae Won Jung等[3]提出一种将加工蚀除物体积和放电脉冲数量建立比例关系的方式，对放电间隙和脉冲频率之间关系进行控制，达到对电火花加工中电极损耗进行补偿．Jayakumar Narasimhan等[4]提出一种刀具路径规划模型，将电极补偿和刀具路径相关联，损耗补偿融入刀具路径模型中，进而在加工中进行工具电极补偿．黄河[5]运用RBF神经网络进行电极损耗预测，将工艺参数作为网络输出，从而直接通过工艺参数进行电极补偿．李剑忠等[6]基于微细电火花提出了一种线性补偿和均匀补偿相结合的方法，将此方法和CAD/CAM技术相结合进行电极损耗补偿．裴景玉团队[7,8]针对电火花加工提出了定长补偿方法，运用电磁理论建立电极损耗模型，通过此模型预测电极损耗量，从而将补偿量事先写入加工程序中，通过仿真和实验证明取得良好的补偿效果．上述结果均为电火花加工领域的相关研究，针对短电弧铣削加工技术工具电极损耗尚未应用有效的补偿方法，所以本文采取相应补偿手段改善电极损耗带来的影响．

本文基于定长补偿法运用VS2012软件对UG进行二次开发建立短电弧铣削加工补偿软件，通过软件将定长补偿值插入到NC代码中，实现对NC代码离线更改，达到加工工具电极损耗的补偿效果，最后通过实验对补偿前后加工结果进行对比，从而为补偿软件的有效性提供依据．

图1 工具电极加工前后电极形貌图Fig 1 Electrodemorphology beforeand after tool electrode processing

1 电极损耗模型的建立

短电弧加工是非接触放电加工的一种，其工作方式为正极性加工，根据能量分配原则，放电产生能量将被分配在工具电极、工件和工作介质周围，分配到工具电极的能量是造成工具电极损耗的直接因素[9]．工具电极加工前后电极形貌如图1所示，从图1(a)中可知加工前工具电极形状为标准中空圆柱电极；图1(b)所示为加工后工具电极形貌，可以看出工具电极底面和边角都已经产生了较为严重的损耗，电极几何形状产生较大变化，导致加工工件表面完整性和预加工几何形状受到影响．

数控短电弧铣削通槽电极损耗原理如图2所示．理想状态为加工深度为Δz的通槽，加工轮廓线应是一条水平线，但是由于在加工过程中工具电极损耗，深度为Δz的通槽随加工方向X的进给逐渐变浅，使加工轮廓线不是理想的水平线．根据端面磨损理论，使用合适的加工参数，电极在进入稳定损耗期后，加工中形状保持不变，仅在长度方向上产生磨损[10]．加工过程中，电极损耗不是突然发生的，而是伴随在整个加工过程中，因此进行通槽加工时，被加工工件的加工截面轮廓线不是理想的水平线，一般呈现为曲线或者斜坡状线．

图2 铣削过程电极损耗原理图Fig 2 Schematic diagram of electrode wear during milling

短电弧铣削加工电极损耗率常用体积损耗率、质量损耗率和重量损耗率等表示．本文采用体积损耗率进行计算．即：

式中：δ为体积损耗率；VE为电极损耗体积；VR为工件去除体积．

如图2所示，设初始加工表面轨迹为y=F(x)，电极预加工表面轨迹为y=f(x)，由于电极损耗在加工过程中是不可能避免，故设电极实际加工表面轨迹为y=Y(x)．当电极沿X方向运动加工一个很小的单位Δx时，则去除体积ΔVR为：

式中：ΔVR为在Δx距离的工件去除体积；D为工具电极直径；Δx为电极在X方向运动的距离．

电极损耗体积ΔVE表达式为：

式中：ΔVE为在Δx距离的电极损耗的体积；SE为工具电极横截面面积；Δh为电极轴向损耗长度．

由图3可知，加工了Δx距离的电极损耗量为Δh，表达式为：

由（1）（2）（3）式可得

由式（5）非齐一阶线性微分方程可得

因为加工工件为简单的平面，且预加工轨迹也为平面，则F(x)=0，f′(x)=0．方程简化为：

模型Y(x)图像如图4所示.

图3 铣削过程电极损耗数学模型图Fig 3 Mathematical model of electrode wear inmilling process

图4 无补偿已加工底面轮廓Fig 4 No compensation has been processed base contour

2 工具电极损耗补偿方法

为了提高短电弧铣削加工效率和精度，本文基于定长补偿法，利用VS2012建立补偿软件．定长补偿原理如图5所示．根据加工所需精度，可以决定补偿间隙时间和补偿量的大小，当预加工工件体积对应的电极损耗量达到设定值hE时，便会补偿为hE的量，hE为补偿量，当确定补偿量后可通过公式进行电极补偿距离lE的计算．也就是说当工具电极沿X方向进给lE的距离就会沿Z方向负方向进给hE的量，如此重复以上过程则称为定长补偿法．如图5所示，设电极沿直线加工距离lE后损耗hE，根据式（8）可得：

简化可得：

式中：lE为电极补偿距离；hE为补偿量；Δz为加工深度；D为电极直径；δ为体积损耗率．

由图5可知，运用定长补偿法所加工零件剖面线呈锯齿状，补偿精度与机床精度和选取补偿量hE有关．

3 基于UG二次开发的补偿软件搭建

该补偿软件基于定长补偿法使用Microsoft Visual Studio2012为开发工具对UG进行二次开发，软件以UG为运行环境，使用NXopen和C语言联合开发．通过补偿软件将定长补偿值插入到短电弧加工NC代码中，实现短电弧铣削可以在离线状态先进行定长补偿．

3.1 补偿软件搭建前期准备

3.1.1 后台文件设置和菜单挂载

后台文件设置和菜单挂载步骤如下：①建立电极补偿菜单文件夹，在该文件夹中建立Application、Startup等文件夹，如图6所示；②在Startup文件夹中建立.men文件，以文本文档方式打开添加菜单内容如图7所示，添加内容包括图标、快捷方式、挂载位置和菜单等级等；③通过改变软件在电脑环境变量把开发的工具挂载在UG NX10.0菜单栏上，如图8所示；④完成短电弧刀具补偿菜单的挂载，其中包括刀具补偿的下拉菜单，如图9所示．

图6 补偿菜单文件夹Fig 6 Compensation menu folder

图8 更改环境变量Fig 8 Change the environment variable

图7 菜单内容Fig 7 Menu content

图9 菜单挂载Fig 9 Mount the menu

3.1.2 UI界面的设计

使用UG NX10.0中自带的UI样式编辑器进行UI界面的设计，在UI界面中添加插入模块、数字框、浏览文件、浏览文件夹等功能，并对每个功能进行默认功能设置，如图10所示为UI界面搭建过程．界面搭建完成后保存生成.hpp、.cpp和.dlx模块文件．

将UI界面生成的.dlx模块复制到电极补偿菜单文件夹的Application文件夹中，然后进行UG NX10.0和VS2012的内部连接配置，达到软件联合开发的目的，将UI界面生成的.hpp和.cpp导入到VS2012进行后台代码的编写．

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

3.2 补偿软件开发流程

该补偿软件主要以程序运行流程和加工代码解释流程两个重要部分组成．程序运行流程如图11所示，运行步骤如下：①通过导入模块读取NC代码文件，并判断文件是否为空；②对NC代码进行逐行读取，通过程序判断代码是否为空，或者是否有效，将有效代码进行解释流程，通过解释和运算得到加工长度、加工深度、损耗量或补偿量等加工数据；③通过对代码的读取获得补偿类别，并对读取数据进行补偿值的插入；④导出补偿后的NC代码．

加工代码解释流程如图12所示，运行步骤如下：①获得有效非空的第i行代码，对第i行代码所读取内容进行判断；②通过判断结果分别调用对应函数进行数据处理；③将处理后的数据存入暂存区中，以备下一步运算的调用．

补偿软件如图13所示，软件由补偿量原理公式、补偿原理图、所需计算数据和文档的导入导出四部分构成．通过更改加工路径定长量、电极内外径和电极损耗率等数据使用补偿运力公式计算出在定长加工时的补偿量，通过读取导入的加工代码文档，对其坐标值进行计算和更改，最后存入新的文档中并导出文档．

图11 补偿程序开发流程示意图Fig 11 Compensation program development process diagram

图12 加工代码解释流程Fig12 Processcodeinterpretationprocess

图13 完成后补偿软件Fig13 Compensationsoftwareaftercompletion

4 实验验证

本次实验使用设备为三轴数控短电弧铣削装置，主要包括铣床床身部分、控制部分和气液循环系统，配合直流短电弧电源组成，设备示意图如图14所示．

图14 数控短电弧设备示意图Fig 14 Schematic diagram of nc short arc equipment

图15 加工工件和工具电极Fig 15 Machining workpiece and tool electrode

本次实验采用45#钢为加工工件，如图15(a)所示，工具电极采用石墨覆铜电极，如图15(b)所示．石墨作为工具电极时，相对电极损耗率均在10%以下，并且体积损耗率在5%以下的占70%[11]．故补偿实验选取相对电极损耗率δ为5%．其他实验数据如表1所示．

表1 短电弧加工实验参数Tab 1 Experimental parameters of short arc machining

未使用补偿软件加工工件如图16所示，工件材料去除量为9.1 g，未达到预期效果．由图16(a)所示，加工的通槽宽度逐渐变窄，并且在槽的两侧有明显圆弧状区域，该现象说明短电弧设备在铣削过程中工具电极的边角损耗较为严重，已经影响到了加工表面的完整性，如再继续进行加工，将造成电极损耗量过大而无法对工件材料进行去除．从图16(b)所示剖面图可知铣削的加工深度逐渐变浅，且加工剖面线呈曲线，这是由于在铣削过程中工具电极轴向被放电损耗，所以不能有效完成预期的加工深度．

图16 未使用补偿软件加工工件图Fig 16 No compensation software is used to process the workpiece diagram

图17 使用补偿软件加工工件图Fig 17 Use compensation software to process the workpiece diagram

加入补偿后加工工件如图17所示，由图17(a)所示可知加工的槽前后加工宽度没有明显变化；由图17(b)剖面图可知加工剖面线几乎呈一条直线，没有出现曲线或斜坡状，说明补偿软件对解决边角损耗和轴向损耗均有效．使用软件补偿后工件材料去除量为17.1 g，与预期理想工件材料去除量较为相近，证明了补偿软件的使用明显的提高了加工效率．

未使用补偿软件和使用补偿软件加工后通槽的加工深度对比如图18所示．从图18可知未使用补偿软件的工件铣削深度大幅下降，逐步趋于零，使用补偿软件的工件铣削深度较为平缓，且接近预加工深度；未使用补偿软件和使用补偿软件加工后，通槽的铣削宽度对比如图19所示．从图19可知未使用补偿软件铣削宽度存在大幅下降趋势，若再进一步加工，由于电极损耗已经超过加工深度，吃刀量趋向于零，则存在无法加工的现象；使用补偿软件的工件铣削宽度较为平缓，且铣削宽度和电极外径接近．由图18、图19可知，该补偿软件在加工中能够补偿大部分的电极损耗，证明了该软件在实际加工运用中效果较为理想．

图18 铣削深度对比图Fig 18 Milling depth comparison diagram

图19 铣削宽度对比图Fig 19 Milling width comparison diagram

通过上述实验，从实际运用层面验证了补偿软件的有效性，明显的降低了由电极损耗所带来的加工误差，显著的提高加工效率和几何精度．

5 结束语

短电弧加工技术中电极损耗补偿是加工的关键技术之一，本文以加工效率和材料去除量为衡量指标，提出将定长补偿法运用在短电弧铣削过程中．

首先根据体积损耗率和加工轨迹微分建立短电弧铣削电极损耗模型；然后运用定长补偿法建立电极损耗补偿模型；再将定长补偿模型导入到UG二次开发的软件中；通过输入关键加工参数计算出补偿距离，将补偿量插入到加工NC代码中完成补偿；最后通过对比实验验证了该补偿方法在短电弧铣削中的可行性．

由实验结果可知：该补偿方法在短电弧铣削中运用，有效的降低了由于电极损耗所带来的加工误差，提高了加工效率和几何精度，为短电弧铣削电极损耗补偿技术进一步发展打下了基础．