CN110508886A - 一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法及电极损耗补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法及电极损耗补偿方法，本发明所述加工方法采用电极“肩部”放电方法，消除电极底面放电与侧壁放电同时引起损耗产生的相互作用，可以大大简化电极损耗过程中轮廓的变化规律，将侧壁消耗与长度消耗的补偿运动合二为一。所述补偿方法通过图像采集方法提取电极损耗轮廓投影线信息，根据几何信息在线计算补偿速度的适配程度，对补偿速度在线调整。同时，利用肩部放电中底面积趋近于零的特点，消除加工底面的放电痕迹，可得到更为平整的加工表面。

Description

一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法及电极损 耗补偿方法

技术领域

本发明属于放电加工技术领域，特别是涉及一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法及电极损耗补偿方法。

背景技术

高效放电加工是利用长脉宽、大电流的高能量放电现象熔化被加工材料，并通过冷却介质吹除实现材料高效率去除的加工方法。在现有文献报道中，高效放电加工有多种实现方式，被称作短电弧加工(SAM)、电火花电弧复合加工(EDAM)、运动电弧加工(MAM)、高速电弧放电加工(BEAM)等。其主要实现方式均依赖长脉宽、高峰值电流的高能脉冲与流体介质冲刷作用。其中，高效放电铣削加工作为该类加工方法中研究应用最广泛的典型，常常被用于普通加工手段难以加工的钛合金、高温合金零件大余量去除的粗加工工序。利用简单几何的圆管电极与加工轨迹数字控制(CNC)，可以大大简化模具、机匣、箱体、轮盘零件的工艺。电极通常采用价格便宜易于制作的石墨、黄铜材料，成本低廉。

实际加工应用中，现有高效放电铣削加工方法多采用管式电极端部放电，主要存在两方面问题：其一是高材料去除速度伴随高电极消耗速度。然而普通的端部放电加工中电极底面与侧面同时损耗，侧面损耗造成电极底面的放电面积减小会改变底面损耗的速度，导致电极轮廓变化规律十分复杂，随放电能量增加呈非线性规律变化，难以预测。现有电极补偿技术仅考虑电极端部损耗的长度补偿，未考虑侧壁损耗后管电极直径变化对电极长度损耗的影响，补偿效果较差，在实践操作中根据不同电极尺寸与加工深度需要在加工中反复修磨电极、调整补偿速度达到加工要求的几何精度。例如，狄士春等在专利CN204295081U中提出一种新型电火花加工电极，加工中利用电极的内外冲液孔可实现加工中向放电区域的有效冲液，虽解决了仅有内冲液时电极前端放电区域易产生冲液死角的问题。但该电极加工放电同时发生在电极端部和侧面，轮廓损耗规律复杂，存在前述难以补偿的问题。叶军等在专利CN101982280A中提出一种放电铣削加工中基于放电能量的补偿电极损耗方法，在放电铣削过程中在线实时检测电极与工件间的放电能量，根据实验测定的电极损耗量与放电能量关系模型进行补偿值计算。该方法采用端部接触感知定位测量电极消耗，仅反映电极长度消耗，并未考虑电极侧壁放电产生损耗对电极轮廓产生的影响。实际实施时由于电极在侧面和底面同时发生损耗，实际的电极损耗量与放电能量关系十分复杂，呈现难以确定描述的非线性关系，因此实际操作并不容易实现。何国健、赵万生等在专利CN108620699A中提出一种用于电弧放电加工的防短路多孔高效冲液电极，通过多数个内冲液孔和外排屑槽，可减弱非放电加工区对工作区泄压的效果，维持放电区域的强力冲液。其中给出经过加工后电极损耗的电极几何示意，可看出该电极放电加工区仍同时包含侧壁面与端部底面，未指明电极损耗的补偿方法。

第二，现有放电铣削方法依赖底面、侧面同时放电，加工出的表面是由底面放电后无数个放电蚀除痕迹叠加而成。由于放电脉冲瞬时电流可达数百至上千安培，放电痕迹一般呈现为数毫米大小的放电凹坑，包含圆形、条状、曲线形等多种不规则形状。加工后表面凸凹不平，难以直接进行后续精加工。刘永红等在专利CN103008802A中提出一种高瞬时能量密度电火花高速铣削加工方法，介绍了采用高瞬时能量密度火花放电与内外冲液结合的加工方法，未明确指出电极消耗的补偿方法，且加工中需要逐步缩小放电能量逐渐获得平整加工表面。

综合来看，现有的高效放电铣削加工方法存在电极损耗补偿难、加工表面平整度差的问题，分析可知其主要原因在于电极端部的底面和侧面同时参与放电。设法改变电极端部放电形式，减少甚至消除底面放电，不仅可以简化电极损耗的轮廓变化，还能够减少在加工表面残留的放电痕迹，从而改善加工表面质量。

发明内容

本发明目的是为了解决现有高效放电铣削加工中由于电极底面与侧面同时放电导致的加工表面差、电极损耗难以补偿的问题，提出了一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法及电极损耗补偿方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法，在圆管电极几何上对电极端部选定长度部分进行削尖形成削尖区域，所述削尖区域称为电极肩部，从而使得电极端部形成一个环形锥面，电极底面在几何拓扑中退化为一圆形棱边，使电极底面面积趋近于零；使用具有该电极肩部的管电极，以选定的削尖长度为吃刀量进行放电加工，即为管电极肩部放电加工。

进一步地，所述管电极材质为石墨、黄铜或铜钨合金。

进一步地，所述管电极的削尖区域几何轮廓投影线为曲线或直线，不含有底面。

进一步地，所述管电极截面外轮廓几何是多边形、圆形或椭圆形。

进一步地，所述管电极包含的冲液孔几何是单一直通圆孔、阵列圆孔或椭圆孔。

本发明还提出一种基于管电极肩部放电加工的电极损耗补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、系统设置

在机床数控系统内设计嵌入用户可编辑参数补偿速度C_w与补偿轴选定标识参数AxisCompensateOn；机床内设置检测工位，获取电极轮廓图像信息；

步骤2、加工补偿参数标定

使用电火花分中球测量并记录加工前工件表面若干取样点的坐标P₀,P₁,P₂,…,P_n；并将系列坐标值按照刀路顺序折算为初始深度随加工累积状态量S的离散数据表H₀＝f₀(S)；

设置加工参数，使用削肩量等于加工深度的电极在无补偿情况下对工件进行长度为100～150mm的放电铣削加工；再次使用分中球测量被加工表面取样点的位置坐标P₀’,P₁’,P₂’,…,P_n’；对比加工前后的测量数据计算加工中实际切深H’随加工走刀长度的变化规律H’＝f(S)＝f_p’(S)-f_p(S)；

在放电电流I、加工深度H和电极内外径尺寸情况条件下测算电极初始损耗速率R_w＝f’(S→0)，利用该初始损耗速率与加工走刀长度折算加工中每一路径点的补偿值，在加工程序的后台插补运算中进行坐标调整；在AxisCompensateON标志位指定的运动轴上附加补偿运动量ΔH＝S×R_w，实际电极端部中心点运动轨迹位置p＝p_NC–w+ΔH，其中p_NC表示数控程序指定位置，w表示刀具磨损量；

步骤3、加工补偿参数校正

应用加工补偿参数后再次进行铣削加工，拍摄加工后电极轮廓，根据投影轮廓线几何分析计算得出反映实际切深的电极肩部长度L，计算得到补偿速度偏差值δ＝(L-H)/S，重新调整补偿速度参数得到校正补偿速度参数C_w’＝R_w+δ。

进一步地，所述补偿速度C_w是沿电极长度方向进行补偿运动的速度。

进一步地，所述补偿速度值根据加工累积状态量S进行计算；所述加工累积状态量S为放电能量累积E、有效放电时间t、走刀长度l三个参数中的任意一个或三个参数经过计算的导出量。

本发明的有益效果为：

1、该方法中电极仅在削尖产生的电极肩部放电，电极损耗仅发生在该环形锥面上，消除了底面和侧面同时放电引起的损耗轮廓复杂变化趋势。加工中，电极端部的锥形几何容易保持稳定，电极损耗速度随加工进行趋于稳定。可以避免现有电极损耗补偿方法中，由侧壁损耗、底面面积变化引起的损耗速度时变性导致难以实现连续有效的放电铣削电极损耗补偿的缺陷。

2、该方法采用的削尖电极制作容易，不仅可以通过切削、磨削手段直接对普通电极进行修磨制作，也可以在使用普通圆管电极时，在加工初始阶段采用斜线进刀策略将电极实际吃刀量逐步增加到较大的切削深度加工一段时间得到，应用简单，实用性强。

3、该方法使用图像采集方法获取电极削尖部分的投影轮廓，在机床内设置检测工位，进行电极损耗轮廓的在线采集计算，易于实现电极损耗速度的在线实时计算反馈，补偿精度高于现有离线预测型补偿方法。

4、该方法中电极底面在几何拓扑中退化为一圆形棱边，使电极底面面积趋近于零，可以将放电点从底部转移至侧面，使被加工的底面不再包含放电坑。实验中可在肩部放电加工样品表面观察到类似铣刀痕迹的螺旋线，而放电蚀除坑均分布在倾斜的两侧面，通过调整肩部放电铣削的轨迹重叠率，即可加工出平整的表面。

附图说明

图1为本发明利用电极肩部放电的放电铣削加工情形示意图；

图2为本发明利用肩部放电与现有电极放电的电极损耗规律对比图；

图3为现有电极损耗补偿效果示意图；

图4为本发明利用肩部放电的损耗补偿效果示意图；

图5为本发明加工得到平整表面的原理示意图；

图6为现有放电铣削加工表面与采用本发明方法所得加工表面效果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法，在圆管电极几何上对电极端部选定长度部分进行削尖形成削尖区域，所述削尖区域称为电极肩部，从而使得电极端部形成一个环形锥面，电极底面在几何拓扑中退化为一圆形棱边，使电极底面面积趋近于零；使用具有该电极肩部的管电极，以选定的削尖长度为吃刀量进行放电加工，即为管电极肩部放电加工。

所述管电极材质为石墨、黄铜或铜钨合金。

所述管电极的削尖区域几何轮廓投影线为曲线或直线，不含有底面。

所述管电极截面外轮廓几何是多边形、圆形或椭圆形。

所述管电极包含的冲液孔几何是单一直通圆孔、阵列圆孔或椭圆孔。

本发明还提出一种基于管电极肩部放电加工的电极损耗补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、系统设置

首先在机床数控系统内设计嵌入用户可编辑参数补偿速率C_w与补偿轴选定参数AxisCompensateOn。机床内设置检测坐标系，调整相机与电极的相对位置，消除拍摄透视，从电极侧面拍摄电极投影轮廓。

步骤2、加工补偿参数标定

使用电火花分中球接触测量并记录加工前工件表面若干取样点的坐标P₀(x₀,y₀,z₀),P₁(x₁,y₁,z₁),P₂(x₂,y₂,z₂),…,P_n(x_n,y_n,z_n)。将该系列坐标值按照刀路顺序折算为初始深度随加工累积状态量S的离散数据表H₀＝f₀(S)。

设置加工参数，使用削肩量等于加工深度的电极在无补偿情况下对工件进行一段长度100～150mm左右的高效率放电铣削加工。再次使用分中球测量被加工表面取样点的位置坐标P₀’(x₀,y₀,z₀),P₁’(x₁,y₁,z₁),P₂’(x₂,y₂,z₂),…,P_n’(x_n,y_n,z_n)。对比加工前后的测量数据计算加工中实际切深H’随加工走刀长度的变化规律H’＝f(S)＝f_p’(S)-f_p(S)。

在放电电流I、加工深度H和电极尺寸(内径d、外径D)情况条件下测算电极初始损耗速率R_w＝f’(S→0)(单位：μm/mm)。利用该损耗速率与加工走刀长度折算加工中每一路径点的补偿值，在加工程序的后台插补运算中进行坐标调整。在AxisCompensateON标志位指定的运动轴上附加补偿运动量ΔH＝S×R_w，实际电极端部中心点运动轨迹位置p＝p_NC–w+ΔH，其中p_NC表示数控程序指定位置，w表示刀具磨损量。

步骤3、加工补偿参数校正

应用加工补偿参数后再次加工100～150mm左右，通过工业相机拍摄加工后的电极轮廓。当补偿值设置不当时，电极肩部的投影轮廓线会呈现外凸(过补偿)或内凹(欠补偿)现象，根据投影轮廓线几何分析可计算得出采用未校正补偿参数时电极肩部长度L。此时，由于电极肩部区域参与实际放电加工，肩部长度L反映实际切深，因此可以将肩部长度L与设计加工深度H相减计算得到补偿速度偏差值δ＝(L-H)/S，重新调整补偿速度参数得到校正补偿速度参数C_w’＝R_w+δ。

所述补偿速度C_w是沿电极长度方向进行补偿运动的速度。

所述补偿速度值根据加工累积状态量S进行计算；所述加工累积状态量S为放电能量累积E、有效放电时间t、走刀长度l三个参数中的任意一个或三个参数经过计算的导出量。

通过管电极肩部放电进行放电铣削，将电极在长度和侧壁两个方向的损耗合并到同一表面，可使损耗轮廓变化规律呈现更佳线性。此时由于该环形锥面沿长度方向和侧向均有投影，通过选取适当的补偿速度C_w，可以同时起到长度补偿与侧壁补偿的效果。

本发明所述加工方法采用电极“肩部”放电方法，消除底面放电与侧壁放电同时损耗产生的相互作用，可以大大简化电极损耗过程中轮廓的变化规律，将侧壁消耗与长度消耗的补偿运动合二为一。通过图像采集方法提取电极损耗轮廓投影线信息，根据几何信息在线计算补偿速度的适配程度，对补偿速度在线调整。同时，利用肩部放电中底面积趋近于零的特点，消除加工底面的放电痕迹，可得到更为平整的加工表面。

如图1所示，本实施例为使用单圆孔石墨管电极对材料表面进行平面轮廓放电铣削加工情形。采用电极外径12mm，内孔直径6mm，因此电极管壁厚3mm。采用往复斜线进刀方法进行放电铣削加工，每次平动10mm，深度方向进刀0.5mm，重复8次可使电极斜线切入切深4mm的加工状态。经过斜线切入，电极前端即可逐渐削尖成为锥形，变为肩部放电状态。此时，预设长度补偿量取值为11(μm/mm)，通过轮廓检测、校正，基本能够满足该参数情况下连续加工的电极损耗补偿。此时电极参与放电的表面为前端削尖后形成的环形锥面，电极底面在侧壁消耗的作用下缩小并变为棱边，底面放电概率极低。由初始时侧壁、底面同时放电去除材料变为仅有侧壁放电去除材料的加工状态。

图2为采用上述尺寸电极进行实验采集提取的电极损耗轮廓变化规律对比示意图。从图2中可知，采用普通的端部放电铣削加工方式，电极底面与切深覆盖的侧面区域同时参与放电，因此两个方向将同时发生电极损耗。而侧面损耗会导致电极底面面积减小，从而使底面损耗速度在加工过程中不断增加。即使依据在线检测手段对长度补偿速度进行修正，也会同时改变侧壁损耗速度。两个方向的损耗和补偿相互影响，电极端部将逐渐演变为一段复杂曲线，曲线的曲率与变化趋势难以确定描述，导致补偿速度离线预测模型失效。相比而言，采用肩部放电时电极的损耗规律更为简单。由于此时仅有肩部的环形锥面参与放电，加工中电极损耗的规律表现为径向不断缩小，但锥形轮廓能够保持。同时由于电极内孔孔径恒定，电极的投影轮廓底部尺寸恒等于内孔孔径。由几何分析可知，电极肩部的投影轮廓线在电极长度方向和侧面方向均含有投影分量。因此通过长度方向补偿运动补偿电极磨损量。

图3与图4分别是采用普通端部放电与肩部放电方法在电极长度消耗被完全补偿时补偿效果图，由图3可知即使长度补偿速度与损耗速度完全匹配，电极的底部面积变化仍然会导致已加工表面出现难以估计的圆角区域。如图4所示，采用肩部放电铣削加工时，由于电极底面已缩小、退化为棱边，仅有电极肩部环形锥面参与放电。加工时电极轮廓沿放电表面法向产生损耗后，仍然保持锥形几何，通过电极长度方向的补偿运动。

本实施例采用本发明方法进行平面轮廓铣削时能够同时获得更平整的放电铣削加工表面。如图5所示，采用本发明方法进行放电铣削，加工所得表面包含两个倾斜侧面和底部平面，由于电极底面已经退化为棱边，工件表面加工放电全部发生倾斜的侧壁面，使已加工表面不再出现放电凹坑。沿进给方向观察，此时加工产生的底面实际上是由电极内孔端面棱线沿加工进给方向展成所得。由于放电铣削加工中管电极做回转运动，电极内孔端部在加工过程中均匀损耗，棱线的几何特征可以始终保持。从而能够获得更加平整的加工表面。图6所示为现有放电铣削加工方法与本发明方法获得的加工表面效果对比，可明显看出本发明方法所得的实际效果符合上述描述，拥有更高的几何精度和表面质量。

以上对本发明所提出的一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法及电极损耗补偿方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种利用管电极肩部放电的高效放电铣削加工方法，其特征在于：在圆管电极几何上对电极端部选定长度部分进行削尖形成削尖区域，所述削尖区域称为电极肩部，从而使得电极端部形成一个环形锥面，电极底面在几何拓扑中退化为一圆形棱边，使电极底面面积趋近于零；使用具有该电极肩部的管电极，以选定的削尖长度为吃刀量进行放电加工，即为管电极肩部放电加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管电极材质为石墨、黄铜或铜钨合金。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管电极的削尖区域几何轮廓投影线为曲线或直线，不含有底面。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管电极截面外轮廓几何是多边形、圆形或椭圆形。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管电极包含的冲液孔几何是单一直通圆孔、阵列圆孔或椭圆孔。

6.一种基于权利要求1所述的管电极肩部放电加工的电极损耗补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、系统设置

在机床数控系统内设计嵌入用户可编辑参数补偿速度C_w与补偿轴选定标识参数AxisCompensateOn；机床内设置检测工位，获取电极轮廓图像信息；

步骤2、加工补偿参数标定

使用电火花分中球测量并记录加工前工件表面若干取样点的坐标P₀,P₁,P₂,…,P_n；并将系列坐标值按照刀路顺序折算为初始深度随加工累积状态量S的离散数据表H₀＝f₀(S)；

设置加工参数，使用削肩量等于加工深度的电极在无补偿情况下对工件进行长度为100～150mm的放电铣削加工；再次使用分中球测量被加工表面取样点的位置坐标P₀’,P₁’,P₂’,…,P_n’；对比加工前后的测量数据计算加工中实际切深H’随加工走刀长度的变化规律H’＝f(S)＝f_p’(S)-f_p(S)；

在放电电流I、加工深度H和电极内外径尺寸情况条件下测算电极初始损耗速率R_w＝f’(S→0)，利用该初始损耗速率与加工走刀长度折算加工中每一路径点的补偿值，在加工程序的后台插补运算中进行坐标调整；在AxisCompensateON标志位指定的运动轴上附加补偿运动量ΔH＝S×R_w，实际电极端部中心点运动轨迹位置p＝p_NC–w+ΔH，其中p_NC表示数控程序指定位置，w表示刀具磨损量；

步骤3、加工补偿参数校正

应用加工补偿参数后再次进行铣削加工，拍摄加工后电极轮廓，根据投影轮廓线几何分析计算得出反映实际切深的电极肩部长度L，计算得到补偿速度偏差值δ＝(L-H)/S，重新调整补偿速度参数得到校正补偿速度参数C_w’＝R_w+δ。

7.根据权利要求6所述的补偿方法，其特征在于：所述补偿速度C_w是沿电极长度方向进行补偿运动的速度。

8.根据权利要求7所述的补偿方法，其特征在于：所述补偿速度值根据加工累积状态量S进行计算；所述加工累积状态量S为放电能量累积E、有效放电时间t、走刀长度l三个参数中的任意一个或三个参数经过计算的导出量。