一种基于反成形原理的电火花加工中电极损耗补偿方法

摘要

本发明公开了一种基于反成形原理的电火花加工中电极损耗补偿方法，在加工前，根据欲获得的目标工件的理想形状，利用电极损耗机理，反推所需的电极初始形状，使得具有该形状的电极，在放电加工并损耗后，恰能加工出具有所需理想形状的工件。即通过对原先是理想目标形状的电极进行预变形，以抵消电极损耗的影响，达到电极补偿的目的。为了获得变形后的电极初始形状，只需将具有目标形状的工件转为电极，对应的电极转为工件，反向加工模拟，经过与正常放电加工同样的放电加工工序，即可获得电极的初始形状。

说明书

技术领域

本发明属于特种加工领域，尤其涉及一种电火花加工中离线预测和补偿电极损耗的方法。

背景技术

电火花加工（EDM）作为一种特种加工方法，在工业领域有着广泛的应用。其最主要的特征是利用瞬时放电产生大量的热以蚀除材料，而无需关注材料的硬度；同时，由于这种加工方式为非接触式加工，不存在机械应力、变形等问题，因而在超硬难加工材料、深孔、窄槽等的加工上表现出独特的优势，被广泛用于模具制造、航空航天、汽车等领域。

然而，由于不可避免的存在电极损耗问题，特别是在电极边缘和尖角处，损耗更为严重，造成了电极形状变形，严重影响了加工精度。目前，在电火花成型加工领域，为了解决该问题，一般采用更换电极和人工修配电极的方法。但这种方法一方面对经验的依赖性强，可靠性不高，补偿精度难以控制；另一方面电极的制作费时费力，周期长，且复杂电极的制作成本高昂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于反成形原理的电火花加工中电极损耗补偿方法，用于解决电火花加工中电极损耗预测和补偿问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于反成形原理的电火花加工中电极损耗补偿方法，该方法包括以下步骤：

（1）建立几何模型：根据想要获得的工件或型腔的形状，建立对应的工件和电极的几何模型，设定相应的初始加工条件，包括电极和工件的仿真起始形状、放电间隙、单次放电的等蚀除量等。

（2）建立仿真模型，模拟反成形结果：根据电火花放电的基本过程，搜索放电位置；由损耗规律蚀除相应位置的材料；更新电极和工件的几何模型，以移除蚀除单元，形成蚀除坑；依次循环，模拟其反向成型过程，经与正向成型同样的放电加工过程后，可使电极恢复为所需的初始形状，即最终真正用来加工的电极的形状。

（3）制作预补偿电极，完成加工：按模拟所得的结果制作电极，利用该预补偿后的电极进行实际加工，可抵消电极损耗的影响，获得具有理想形状的工件或型腔。

本发明的有益效果是：本发明的方法在加工前，根据欲获得的目标工件的理想形状，利用电极损耗机理，反推所需的电极初始形状。使得具有该形状的电极，在放电加工损耗后，恰能加工出具有所需理想形状的工件。即通过电极形状的预变形，抵消电极损耗的影响，可实现电极损耗补偿，提高电火花的加工精度。

附图说明

图1是反成型原理图，其中，（a）是正向成型原理图，（b）是反向成型原理图；

图2是电极反成形补偿流程图；

图3是电机和工件的几何模型示意图；

图4是电火花成型加工的仿真模型结构图；

图5是一般的未经电极补偿的电火花加工示意图，其中，（a）放电前示意图是，（b）是放电后示意图；

图6是经反成形补偿的电火花加工示意图，其中，（a）是放电前示意图，（b）是模拟结果示意图，（c）是放电加工前示意图，（d）是放电加工结果示意图。

具体实施方式

如图1所示（为了简化说明，忽略了放电间隙），只需将具有目标形状的工件作为电极，相应的电极作为工件，反向加工，经过与正向成型同样的放电加工工序，即可获得电极和工件的初始形状。

在正向成型，即正常的加工过程中，电极进给F，由于存在电极损耗（阴影部分），电极形状发生了变形，其底面由原来的平面变为了弧面，如图1(a)所示。

在反向成型中，如图1(b)所示，交换电极和工件的放电极性，让工件反向进给F，作为电极来加工转为工件的电极，并以其正向成型加工中的最终形状作为初始形状，经过相同工序的放电加工后，同样由于损耗（阴影部分）而产生了变形。由于和正向成型加工的唯一不同之处在于，电极和工件材料移除率发生了对换，因此两处阴影部分完全相同，使得电极恢复了原始形状，其底面由原来的弧面恢复为平面。

如图2所示，为电极反成形补偿流程图。大致分为3步，

（1）建立几何模型

根据想要获得的工件或型腔的形状，建立对应的工件和电极的几何模型，设定相应的初始加工条件，包括电极和工件的仿真起始形状、放电间隙、单次放电的等蚀除量等，并制定加工工序。

如图3所示，可将电极和工件的几何表示均采用体单元网格模型，可视由无数个微小立方体单元组成，通过三维矩阵Model[X][Y][Z]来表示，每个矩阵元素Model[i][j][k]代表一个微小单元（i，j，k，分别表示该单元在x，y，z方向的单元索引位置），保存了该单元的坐标信息及单元类型信息，指明该单元是模型的表面单元、内部单元还是蚀除单元。各单元的坐标M(x_i，j，k，y_i，j，k，z_i，j，k)可由下式计算。

x_i，j,k=x_1,1,1+(i-1)×δ_x，i=1,2,3，...,I；

y_i,j,k=y_1,1,1+(j-1)×δy，j=1,2,3,...,J；

z_i,j,k=z_1,1,1+(k-1)×δz，k=1,2,3,...,K；     （1）

$>I=\left[\frac{L}{\mathrm{\delta x}}\right]+1;$>

$>J=\left[\frac{W}{\mathrm{\delta y}}\right]+1;$>

$>K=\left[\frac{H}{\mathrm{\delta z}}\right]+1;---\left(2\right)$>

其中δx×δy×δz为微小单元网格尺寸，L、W、H为长方体的长宽高。

（2）建立仿真模型，模拟反成形结果

如图4所示，建立电火花成型加工的仿真模型。根据电火花放电的基本过程，搜索放电位置（比如以最短距离处为放电位置）；由损耗规律蚀除相应位置的材料；更新电极和工件的几何模型，以移除蚀除单元，形成蚀除坑。依次循环，模拟其反向成型过程，经与正向成型同样的放电加工过程后，可使电极恢复为所需的初始形状，即最终真正用来加工的电极的形状。

（3）制作预补偿电极，完成加工

按模拟所得的结果制作电极，利用该预补偿后的电极进行实际加工，可抵消电极损耗的影响，获得具有理想形状的工件或型腔。

如图5和图6所示，以加工锥形型腔为例，图5为没有进行电极补偿时的加工结果，由于存在电极损耗，使得电极底部尖角变为了弧面，所加工出的型腔未能满足目标型腔的形状。若对电极进行反成形补偿，如图5所示，改变其初始形状，通过反向模拟，获得变形后的电极，图6（a），再以此电极来进行放电加工，则可获得具有理想形状的锥形型腔。

由以上分析可见，本发明在加工前，根据欲获得的目标工件的理想形状，利用电极损耗机理，反推所需的电极初始形状，使得具有该形状的电极，在放电加工并损耗后，恰能加工出具有所需理想形状的工件。即通过对原先是理想目标形状的电极进行预变形，以抵消电极损耗的影响，达到电极补偿的目的。为了获得变形后的电极初始形状，只需将具有目标形状的工件转为电极，对应的电极转为工件，反向加工模拟，经过与正常放电加工同样的放电加工工序，即可获得电极的初始形状。