1 概述
*，電火花加工同其他一般的機(jī)械加工方法相比，其去除相同體積的工件材料所用的加工時(shí)間要長(zhǎng)得多，因此，如何提高電火花的加工效率，是從事電火花加工的研究人員一直追求的一個(gè)目標(biāo)．在電火花型腔加工中，一般都是由粗加工經(jīng)中加工逐步過(guò)渡到精加工的．其中，如何確定加工余量及每一電規(guī)準(zhǔn)的加工量，即如何確定電極每一步深度方向的進(jìn)給量和搖動(dòng)加工中側(cè)向的平動(dòng)量，對(duì)電火花加工效率有很大的影響．因此，有必要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行更加深入的探討，建立一個(gè)電火花加工余量及分配的優(yōu)化模型，從而從根本上為每一步加工量的合理確定提供一個(gè)有效的依據(jù)，進(jìn)而提高電火花的加工效率．本文即基于上述觀點(diǎn)，提出了一種電
火花加工余量及分配的優(yōu)化模型，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究．
2 電火花加工余量及分配的優(yōu)化模型
2.1 加工余量確定及分配的基本原則
在電火花型腔加工中，必須經(jīng)過(guò)多次電規(guī)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，完成從粗加工到精加工的全過(guò)程．其中粗規(guī)準(zhǔn)的加工效果是電極損耗小、表面粗糙度差、加工速度高、放電間隙大．因此，粗加工應(yīng)盡可能蝕除大部分余量，使工件基本成形．而從中加工到精加工則加工速度下降很多，為此，每一步電規(guī)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，應(yīng)保證在修光前一放電規(guī)準(zhǔn)的放電痕的前提下，盡可能地減小加工量，以提高電火花加工效率．即不允許出現(xiàn)“欠修”現(xiàn)象．否則，“欠修”積累起來(lái)就會(huì)擾亂整個(gè)修整過(guò)程，甚至達(dá)不到精修的目的．同時(shí)，又不能使加工量偏大，否則，將降低加工效率．若要換算成電極每一步深度方向的進(jìn)給量和搖動(dòng)加工中側(cè)向的平動(dòng)量，只需再考慮進(jìn)放電間隙及電極損耗等因素．
2.2 通常采用的方法及其不足
對(duì)于電火花加工的操作者來(lái)說(shuō)，合理地確定出每一步的加工量不是一件容易的事．他們往往參考通硩常推薦的加工量的范圍值來(lái)決定每一步的加工量．螎為了安全地得到zui終所要求的表面粗糙度，難免使祶得中加工和精加工每一步的加工量偏大．這將從很磵大程度上影響加工效率．有的推薦用公式
（1）來(lái)計(jì)算平動(dòng)量：
si=gi-1+ri-gi+ei?。?）
其中 si—第i擋規(guī)準(zhǔn)的平動(dòng)量；
gi—第i擋規(guī)準(zhǔn)的火花間隙；
gi-1—第i-1擋規(guī)準(zhǔn)的火花間隙；
ri—第i擋規(guī)準(zhǔn)表面不平度的zui大值；
ei—過(guò)修量．
利用上述公式可以類似地計(jì)算電極沿深度方向的進(jìn)給量，這樣，每一步的加工量也就確定了．此外，還有一種方法被廣泛建議使用，即首先根據(jù)粗加工后的表面粗糙度得到一個(gè)加工余量經(jīng)驗(yàn)值，然后，使得每一步的加工量與每一步電規(guī)準(zhǔn)的表面粗糙度成正比，從而對(duì)中加工到精加工每一步的加工量進(jìn)行分配．
上述這些方法可用圖1和圖2所示的電極深度方向進(jìn)給量和側(cè)向平動(dòng)量的示意圖來(lái)進(jìn)行概括．圖中g(shù)i為每一電規(guī)準(zhǔn)的放電間隙，ri為每一電規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度，hi為電極的進(jìn)給量，ei為過(guò)修量，si為電極的平動(dòng)量．它們都是使得每一步加工都將前一規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度全部蝕除，而且還增加一個(gè)過(guò)修量，該過(guò)修量有時(shí)還過(guò)大，這樣就顯得過(guò)于保守，將大幅度降低加工效率．
圖1 通常的電極進(jìn)給量示意圖
圖2 通常的電極理動(dòng)量示意圖
2.3 加工余量及分配的優(yōu)化模型
實(shí)際上，每步加工都將上一步規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度全部蝕除掉是出于偏安全的考慮．從理論上分析，其實(shí)，若使本規(guī)準(zhǔn)形成的放電痕的底部與上一步規(guī)準(zhǔn)形成的放電痕的底部相平，是的．為了保證對(duì)上一步規(guī)準(zhǔn)的放電痕的可靠修整，并考慮到要去掉表面熱影響層，可再增加一個(gè)合適的過(guò)修量，這樣，就可以安全地得到所要求的表面粗糙度，而且又盡可能地減小了每一步的加工量，從而有效地提高了加工效率．為此，本文提出了一個(gè)加工余量及分配的優(yōu)化模型，電極每一步的加工量可以用式（2）來(lái)描述：
wi=ri-1-ri+a．ri-1?。?）
其中 wi—第i擋規(guī)準(zhǔn)沿深度進(jìn)給方向或側(cè)向的加工量，在此以長(zhǎng)度計(jì)量；
ri-1—第i擋規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度；
ri—第i-1擋規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度；
a—安全帶系數(shù)．
上式可用圖3來(lái)形象地表示．在該模型中ri采用的是國(guó)標(biāo)中用來(lái)評(píng)定表面粗糙度的rmax，即zui大高度偏差值．每次加工只蝕除掉上一規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度的部分波峰，在余下的保留部分上形成本規(guī)準(zhǔn)的表面粗糙度，使得本規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度的波谷和上一規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度的波谷的根部相平．為安全起見(jiàn)，在該模型中還提出一個(gè)安全帶系數(shù)的概念，使之與上一規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度相乘，則可以得到本規(guī)準(zhǔn)的過(guò)修量，或稱為安全帶，它與上一規(guī)準(zhǔn)形成的表面粗糙度成正比．安全帶系數(shù)a小于1，它與電極和工件材料等因素有關(guān)，根據(jù)不同情況可取0.1～0.3．a(chǎn)越大，過(guò)修量越大，則加工越偏于安全．安全帶系數(shù)概念的提出為過(guò)修量的確定提供了一個(gè)計(jì)算和調(diào)整的依據(jù)．
圖3 加工量?jī)?yōu)化示意圖
基于該優(yōu)化模型的電極深度方向進(jìn)給量和側(cè)向平動(dòng)量可以用圖4、圖5來(lái)表示．
圖4 基于優(yōu)化模型的電極進(jìn)給量示意圖
圖5 基于優(yōu)化模型的電極平動(dòng)量示意圖
若再考慮電極損耗，則電極每步的平動(dòng)量和深度方向進(jìn)給量可用式（3）表示：
si（或zi）=gi-1-gi+ri-1-ri+a．ri-1
+ewi．（0.5ri-1-0.5ri+a．ri-1）?。?）
其中 ewi為第i擋規(guī)準(zhǔn)的電極消耗比，其余參數(shù)的意義同上．這樣，基于電火花加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，可以很容易地計(jì)算出電極每步的平動(dòng)量和深度方向進(jìn)給量．
利用上述模型，利用反推法，逐次計(jì)算出從精加工到中加工的每步加工量，進(jìn)而，可以得到粗加工后留給中加工和精加工的總加工余量，并為電極的縮減量提供了一個(gè)參考的依據(jù)，若電極的縮減量不同，可以根據(jù)電極的縮減量對(duì)該模型進(jìn)行修正．
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果
為驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化模型，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)條件如下：
機(jī)床：漢川-hcd300k；
脈沖電源：漢川 md20fz；
電極：紫銅，φ14mm圓柱電極，端面及底面精車；
工件：cr12mov，底面（定位面）及加工面精磨，ra<6.3μm；
加工極性：負(fù)極性；
工作液：煤油；
排屑條件：無(wú)沖抽油，油液自動(dòng)循環(huán)；
加工要求：加工深度為5mm，zui終精加工表面粗糙度ra為3.2μm．
基于工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇電規(guī)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換為c270→c240→c220→c210，其中c270為粗加工規(guī)準(zhǔn)，其余的為中加工和精加工規(guī)準(zhǔn)．工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中c210規(guī)準(zhǔn)能達(dá)到的表面粗糙度ra約為2.7μm．實(shí)驗(yàn)分四種情況進(jìn)行，其中，在前一種傳統(tǒng)的模型中計(jì)算了兩種情況，①是前文提到的首先按照粗加工后的表面粗糙度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定留給中加工和精加工的加工余量，然后，再按每步的表面粗糙度，對(duì)加工余量進(jìn)行分配．②按照?qǐng)D1、圖2所示的模型，其中的過(guò)修量參照利用安全帶系數(shù)的方法，確定一適當(dāng)?shù)闹担趫D4、圖5所示的優(yōu)化模型中計(jì)算了兩種情況，①安全帶系數(shù)a=0.1．②a=0.2．在每種情況中分別計(jì)算每一步的電極深度方向進(jìn)給量和側(cè)向平動(dòng)量，計(jì)算結(jié)果如下表所示．其中，zi為電極相對(duì)于加工底面的距離，stepi為電極搖動(dòng)半徑．
并測(cè)得加工時(shí)間和表面粗糙度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示，其中優(yōu)化1和優(yōu)化2分別代表a=0.1和a=0.2．
表 計(jì)算結(jié)果
加工余量 zi stepi
c240 c220 c210 c240 c220 c210
傳統(tǒng)模型情況1 217 208 126 69 198 279 335
傳統(tǒng)模型情況2 110 156 100 69 144 200 230
優(yōu)化模型a=0.1 42 122 86 69 110 146 161
優(yōu)化模型a＝0.2 52 127 88 69 114 153 170
從圖6和圖7中可以看到，傳統(tǒng)模型情況1由于加工余量過(guò)大，所以極大地降低了加工效率．在優(yōu)化模型中，當(dāng)a=0.1時(shí)（優(yōu)化1），過(guò)修量偏小，略顯不安全，表面粗糙度數(shù)值稍大．當(dāng)a=0.2時(shí)（優(yōu)化2），則很理想．四種加工情況的表面粗糙度雖然略有些差異，但都處于一個(gè)等級(jí)．所以，可以認(rèn)為它們達(dá)到的表面粗糙度基本相同，都可以安全地達(dá)到加工要求，而優(yōu)化模型的加工效率則改善了很多．
圖6 加工時(shí)間對(duì)比圖
圖7表面粗糙度對(duì)比圖
4 結(jié)論
在電火花型腔加工中，加工余量的確定及分配對(duì)電火花的加工效率有很大的影響．基于本文提出的加工余量及分配的優(yōu)化模型，可以合理地對(duì)加工余量進(jìn)行確定和分配，明顯地提高了加工效率．