集束電極的CAD/CAM軟件開發及制備

向小莉,趙萬生,顧 琳

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

電火花加工技術具有非接觸式加工、無宏觀作用力的優點,在難加工材料、復雜型面、精細表面、低剛度零件制造中得到了廣泛應用[1],但現代生產提出的優質、高效、低耗、綠色的制造原則也使傳統電火花加工技術遇到了嚴峻挑戰。加工效率相對偏低、大面積復雜型腔電極制造成本高、周期長等問題成為制約電火花加工技術推廣應用的主要原因。

本文提出的“集束電極”這一新型電火花加工工具電極,為成形電極提供了一種新的制備方法[2],既可有效縮短電極制備周期,又可降低電極制作成本,利用這一全新結構的電極還可獲得更高的加工效率。集束電極是由大量中空管狀或柱狀單元電極集束而成(圖1),這種電極的多孔結構使其在加工過程中能實現更有效的內沖液。前期的研究結果證實了集束電極可在加工間隙獲得充分的沖液效果,使放電產生的加工屑等蝕除產物及熱量得以有效排出[3-5],從而使集束電極電火花加工非常適合大峰值電流高效粗加工[6]。

圖1 實體電極和集束電極示意圖

針對如何快速制備集束電極這一問題,本文根據集束電極的結構特點,設計了集束電極制備裝置;采用VC++6.0和UG/Open API開發了一套集束電極快速制備CAM軟件,并對集束電極的制備時間、制備成本和制備精度進行了分析。

1 集束電極快速制備CAM軟件開發

集束電極通過大量單元電極的端面來擬合實體電極型面,其離散策略將直接影響電火花加工過程。集束電極在逼近實體型面的過程中,應使集束電極所擬合的曲面相對目標型面具有最小的尺寸偏差,然而在不同的使用場合,偏差的計算各不相同。當集束電極逼近錐面時,單元電極部分輪廓超出目標型面邊界,其偏差值為正,稱為正偏差(圖2a);單元電極輪廓全部置于目標型面內部,則稱為負偏差(圖2b)[7]。采用正偏差逼近的集束電極由于在加工過程中可能存在過切現象,造成加工余量不足,致使工件報廢;采用負偏差制備集束電極時,雖然加工過程中會出現欠切情況,增大后續加工的余量,但保證了工件在加工過程中不會報廢。因此,在集束電極快速制備CAM軟件開發過程中,采用負偏差方法對實體電極進行離散。

圖2 集束電極離散化策略

1.1 開發環境配置

UG軟件是目前國內外應用最廣泛的大型CAD/CAE/CAM集成化軟件之一,為用戶提供了強大的二次開發功能 UG/Open。UG/Open是一系列UG開發工具的總稱,由UG/Open API、UG/Open GRIP、UG/Open MenuScript和 UG/Open UIStyler四部分組成[8]。其中 UG/Open API和 UG/Open GRIP都可對UG對象模型進行訪問和操作,通過編程調用UG的全部功能,由于C語言的廣泛應用和良好性能,本文采用UG/OPEN API進行二次開發。

集束電極快速制備CAM軟件的開發環境是基于Windows 7操作系統平臺,使用UG NX5.0提供的UG/Open API程序設計模塊和UG/Open Menu-Scrip、UG/Open UIStyler兩個輔助開發模塊,高級語言C語言環境采用VC++6.0。

1.2 用戶菜單及界面的開發

通過添加菜單腳本文件的方法,對原有的UG菜單進行修改(圖3)。圖4是通過 UG/Open UIStyler進行設計的軟件界面,采用“菜單激發應用”的方式來響應菜單命令。

1.3 功能實現

集束電極快速制備CAM軟件所要實現的功能是根據輸入的工具電極模型,設計出相應的集束電極,并生成制備該集束電極的數控代碼,其實現過程包括離散化處理、等高處理和NC代碼生成(圖5)。

(1)離散化處理。實現的功能是將實體電極離散成大量離散單元組成的實體,離散單元具有與實體電極相同的局部型面。其實現方法是計算出所有離散單元所處的位置和軸線方向,創建足夠長的管狀或棒狀模型,再與實體電極進行布爾求交運算。

(2)等高處理。實現的功能是將離散單元用平頭的單元電極進行替代,并輸出集束電極的三維模型(圖5d)。離散單元上端面可能由多個封閉曲面組成,根據集束電極的離散化策略,替代離散單元的單元電極長度應取離散單元各上端面封閉曲面到下端面的最小距離。

(3)NC代碼生成。實現的功能是將離散單元的電極位置和高度信息轉換成制備該集束電極的數控代碼,部分代碼見圖6。

圖6 生成集束電極的NC數控代碼

考慮到制備裝置所處坐標系與軟件中的坐標系不重合,因而需對軟件中的坐標系進行平移和旋轉變換。

2 集束電極快速制備

圖7是本文設計的集束電極快速制備裝置。該裝置的主要部件包括定位頂針、電極夾套、支撐材料、支撐材料回收裝置及電極支座等。其中電極支座用于實現整個裝置的固定、支撐及對集束電極在X-Y平面進行預緊;定位頂針安裝在機床Z軸上,用于單元電極的端面定位;支撐材料用于對集束電極Z軸進行支撐,并在每根單元電極被頂針重新定位時能做適應性退讓;電極夾套用于對集束電極進行夾緊,便于集束電極在制備前的裝配和制備后的緊固。

集束電極快速制備方法是通過前文生成的數控代碼,驅動三軸數控機床主軸,帶動固定在主軸上的定位頂針對每一根單元電極的端面進行軸向定位。當完成所有單元電極的軸向定位后,夾緊電極夾套,即完成了集束電極的制備。

圖7 集束電極快速制備裝置

3 集束電極制備及其精度分析

3.1 集束電極制備

為了驗證集束電極制備裝置和集束電極制備CAM軟件的實際應用效果,采用上述電極制備方法,在某四軸聯動數控電火花成形機床上成功實現了多個具有不同3D型面(球冠型面、塔錐型面、金字塔型面及葉片型面)的集束電極的制備(圖8)。集束電極制備過程使用了331根外徑為2.5mm、內徑為1.2mm的紫銅管狀單元電極。

為了說明該制備方法在縮短電極制備周期、降低制備成本方面具有的優勢,對葉片型面集束電極(圖8d)和采用銑削加工的葉片型面實體電極(圖9)進行了對比。由于集束電極的制備過程僅通過機床主軸快速平動即可完成,其運動軌跡簡單,主軸運動速度快,因而集束電極制備時間較短,僅為實體電極制備時間的15%;同時,集束電極所需原材料為大批量生產的紫銅管狀電極,成本較低,因而集束電極的制備費用也較低,僅為實體電極的9%(表1)。由此可見,集束電極在縮短電極制備時間、減少電極制作成本方面具有明顯的優勢。

表1 電極制備時間及制備成本

圖9 葉片型面實體電極

3.2 精度分析

集束電極快速制備方法所制備的電極,其幾何精度還必須滿足工程應用要求才具有實際意義。由于設計集束電極時在X-Y平面的輪廓尺寸預先為后續精加工工序留有足夠余量,且在制備集束電極過程中各單元電極不發生X及Y方向的移動,因此該方法制備的集束電極的幾何精度主要取決于各單元電極Z軸方向的定位精度。在不考慮曲面逼近誤差條件下,被測量電極的Z軸坐標值與理論設計值之差ei的極大值,即單元電極定位誤差極大值決定著為后續精加工工序預留的加工余量,因而集束電極的誤差定義為:

式中:Zi為編號i的單元電極的Z軸坐標測量值;為該電極的Z軸坐標理論值。

以葉片型面集束電極(圖8d)為例,用C10TA 0101DH/TP三坐標測量儀對單元電極端面在Z向的定位精度進行測量和分析。如圖10所示,選取處于中間位置的電極進行測量,其電極編號、理論 Z軸坐標值及偏差見表2,偏差ei的變動范圍從-35μm到147μm,因而該葉片型電極制備的誤差E為147μm。本文還對圖8b所示的塔錐型面集束電極進行了精度分析,分析過程與上述相同,偏差ei的變動范圍從 -28μm到145μm,因而塔錐型面電極制備的誤差E為145μm。集束電極的離散結構特征只適用于以去除大量體積材料為目的的電火花粗加工過程。考慮到電火花粗加工工件表面熱影響層及工具電極損耗等因素,這種集束電極快速制備方法的制備精度可滿足集束電極粗加工的要求。

表2 葉片型面集束電極制備誤差分析列表

圖10 測量誤差的電極位置圖

前期實驗表明,在使用集束電極和實體電極進行樣件加工的過程中,實體電極粗加工需要 63min,半精加工需60min;采用集束電極后,粗加工僅需18min,半精加工(用實體電極)需68min,總工時縮短了1/3[9]。

4 總結

(1)針對集束電極結構特點,設計了集束電極快速制備裝置,并基于UG/OPEN API開發了集束電極快速制備CAM軟件,在三軸數控機床上實現了集束電極的快速制備。

(2)對制備的塔錐型面集束電極和葉片型面集束電極進行了精度分析,其最大偏差分別為145μm和147μm。考慮到電火花粗加工的余量,其制備精度滿足實際應用的需要。

(3)對集束電極和實體電極的制備時間和成本進行了對比,集束電極制備時間僅為實體電極制備時間的15%,成本僅為實體電極的9%,展示了集束電極在制備方面所具備的快速、低成本的優勢。

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