袁根華，吳裕農(nóng)

(1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東廣州510075;2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528333)

現(xiàn)代工程的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、受力情況越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致零件形狀也越來(lái)越復(fù)雜。隨著制造技術(shù)水平的提高，設(shè)計(jì)應(yīng)用形狀復(fù)雜的零部件越來(lái)越多，尤其在航空領(lǐng)域與模具行業(yè)更是如此。上下異形工件就是這樣的情況，它是一種復(fù)雜直紋曲面零件。電火花線切割加工主要依靠電極絲與工件正負(fù)極間的脈沖放電產(chǎn)生高溫來(lái)蝕除材料[1－3]，在各種機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的作用下，線切割的直線電極相對(duì)工件水平面成垂直或者傾斜狀態(tài)，完成工件高度方向一條表面素線的成型，而直線電極相對(duì)工件的二維平面運(yùn)動(dòng)則成型零件平面方向的輪廓形狀，直線電極在工件高度方向動(dòng)態(tài)的傾斜運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)二維平面平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，是上下異形這樣的直紋曲面最有效的加工方法[4]。

1 線切割加工上下異形件的加工原理

線切割加工上下同形同尺寸工件是最常見(jiàn)情況，如圖1所示，工件在x、y 平面上由數(shù)控控制兩拖把相對(duì)于極絲實(shí)行聯(lián)動(dòng)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，走出工件相應(yīng)的輪廓軌跡，極絲(直線電極)安裝在上下導(dǎo)輪上，并保持垂直于x、y 平面，則可加工出工件。

線切割加工上下同形但不同尺寸工件，也就是錐形工件的加工，如圖2所示。工件依然在x、y 平面上由數(shù)控控制兩拖把相對(duì)于極絲實(shí)行聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，走出工件下底面的輪廓軌跡，極絲安裝在上下導(dǎo)輪上，上導(dǎo)輪又安裝于上支架上且由數(shù)控控制的小型U、V 拖把上，極絲與上導(dǎo)輪一起跟隨U、V 拖把運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致極絲在高度方向產(chǎn)生以下導(dǎo)輪為支點(diǎn)進(jìn)行的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因x、y 和U、V 四軸在兩個(gè)平面內(nèi)實(shí)行數(shù)控聯(lián)動(dòng)[5]，可確保極絲在x、y 平面輪廓軌跡走到任何一點(diǎn)，都與x、y 平面保持一個(gè)衡定的錐角為:

但是錐角在空間矢量卻是變化的，則可加工出錐形工件。

圖1 線切割非錐加工圖

圖2 線切割錐形件加工圖

線切割加工工件的上下形狀不同，最大輪廓尺寸相同或不同時(shí)，也就是上下異形工件的加工，如圖3所示。與一般錐形件加工比較，加工上下異形工件所需的聯(lián)動(dòng)方式相同，只是錐角α 在x、y 平面輪廓軌跡的各點(diǎn)除矢量是變化的外，其值也一直在瞬間變動(dòng)。

圖3 線切割上下異形件加工圖

圖3(b)中c、e、f 三點(diǎn)上，極絲與x、y 平面形成的夾角α 在f處值為0，c處最大。c處的α 計(jì)算式為:

以圖3(b)所示任意角β為例計(jì)算極絲在輪廓e處的錐角α 計(jì)算式為:

因此上下異形加工實(shí)質(zhì)上是錐形加工的特例，屬于動(dòng)態(tài)變錐角(矢量與值均變化)的錐形加工。

2 影響線切割加工上下異形工件質(zhì)量的幾何要素及用HL系統(tǒng)加工時(shí)的處理方法

2.1 影響線切割加工上下異形工件質(zhì)量的幾何要素

影響線切割上下異形工件加工尺寸準(zhǔn)確性、加工質(zhì)量的因素除了與一般線切割加工的質(zhì)量因素，如電參數(shù)的選擇、機(jī)床結(jié)構(gòu)本身精度等有關(guān)外，還與機(jī)床結(jié)構(gòu)有關(guān)的幾項(xiàng)幾何要素有關(guān)。以圖4為例，工件高度為D，上平面輪廓為邊長(zhǎng)2b的正方形，下平面輪廓是半徑為R的圓，在下圓圖形右象限點(diǎn)瞬間時(shí)尺寸可由R、α值保證:

現(xiàn)以此點(diǎn)精度的實(shí)現(xiàn)來(lái)分析上下異形工件加工時(shí)，影響質(zhì)量的機(jī)床幾何要素。

圖4 影響上下異形工件切割尺寸精度的幾何要素分析圖

在HL系統(tǒng)中，加工上下異形工件時(shí)，下圖形的輪廓軌跡程序編寫好后，用來(lái)控制x、y 平面拖把拖動(dòng)工件相對(duì)極絲平動(dòng)，同時(shí)極絲在U、V坐標(biāo)拖動(dòng)下又相對(duì)下導(dǎo)輪作以兩導(dǎo)輪中心高為半徑的圓的偏擺來(lái)保證瞬間的錐角α值，因此要保證工件R值，則當(dāng)工件下底面的安裝高為h1時(shí)，工件相對(duì)極絲必須平動(dòng)的距離s為:

R、b、D 3個(gè)尺寸是工件確定的，從此式看出影響上下異形工件下輪廓尺寸的唯一因素是機(jī)床上工件相對(duì)下導(dǎo)輪中心的安裝高度。上式同時(shí)也反映機(jī)床x、y平面平動(dòng)的軌跡尺寸是由工件下圖形軌跡尺寸再播補(bǔ)一個(gè)機(jī)床安裝高和工件在該點(diǎn)瞬間錐角有關(guān)的尺寸。圖4還反映，當(dāng)加工一個(gè)具體工件，機(jī)床x、y 平面平動(dòng)確定時(shí)(一般以工件下平面軌跡尺寸與機(jī)床出廠默認(rèn)或估測(cè)值的安裝高度確定)，工件實(shí)際安裝高度越高(如在h2時(shí))，則加工出的底面尺寸越小。

加工上下異形工件時(shí)，上平面圖形尺寸的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)極絲在下圖形軌跡各點(diǎn)上動(dòng)態(tài)作出以下導(dǎo)輪中心為支點(diǎn)偏擺出的不同空間矢量且α角值也瞬間變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而α值瞬間變化的具體實(shí)現(xiàn)是依靠U、V軸走坐標(biāo)，以便帶動(dòng)上導(dǎo)輪、極絲相對(duì)下導(dǎo)輪中心作出半徑為上下導(dǎo)輪安裝高度的圓的偏擺來(lái)實(shí)現(xiàn)。以圖4下圓右象限點(diǎn)為例，當(dāng)上下導(dǎo)輪高度為H1時(shí)，U軸必須位移:

才能保證極絲在該點(diǎn)擺出準(zhǔn)確的α角，從公式和圖形中都可看出影響U值的因素除了工件幾項(xiàng)尺寸外，唯一的機(jī)床幾何要素是上下導(dǎo)輪的中心高，中心高度越高，則U軸要位移的行程也越大;中心高越高，U軸位移不變，則加工的瞬間α'會(huì)更小。在HL系統(tǒng)中切割一般錐形件可直接在機(jī)床錐度加工模塊中輸入恒定的α角來(lái)實(shí)現(xiàn)，在上下異形中則依靠編寫工件上表面輪廓軌跡的程序，再結(jié)合兩導(dǎo)輪中心默認(rèn)(或估測(cè)輸入值)的高度H，自動(dòng)換算成上導(dǎo)輪相對(duì)底面成形輪廓軌跡對(duì)應(yīng)點(diǎn)的U、V坐標(biāo)值，控制極絲作出準(zhǔn)確的傾斜。

2.2 上下異形工件在HL系統(tǒng)中加工時(shí)的處理方法

HL系統(tǒng)中，因?yàn)闄C(jī)床加工經(jīng)常調(diào)整，以及夾具安裝變化等，使得每次加工不同的內(nèi)容時(shí)，導(dǎo)輪實(shí)際中心高度和工件的實(shí)際安裝高度都要精確測(cè)繪，困難很大，因此常常是通過(guò)實(shí)際加工一個(gè)圓錐體外形或者內(nèi)孔，加工前按照默認(rèn)值或者估測(cè)值輸入，控制機(jī)床加工出工件后，實(shí)測(cè)上下面輪廓實(shí)際尺寸，與工件要求的理論值對(duì)照后，自動(dòng)反向計(jì)算出導(dǎo)輪實(shí)際中心高度H與工件的實(shí)際安裝高度h，從而在加工上下異形工件時(shí)，加工前準(zhǔn)確輸入這兩個(gè)反算出的實(shí)際數(shù)值，確保動(dòng)態(tài)α、R (或者實(shí)際的下平面輪廓尺寸)的精度。

3 線切割加工上下異形工件時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

(1)上下異形工件的圖形輪廓編程應(yīng)注意的問(wèn)題是確保4個(gè)一致，即上下兩輪廓切割起點(diǎn)一致，切入輪廓的路線一致，上下輪廓切割的方向一致，上下輪廓軌跡的程序段數(shù)一致，以保證上下輪廓高度方向的平滑過(guò)渡，使加工的表面具有光滑性，見(jiàn)圖5所示。

圖5 上下異形輪廓編程起點(diǎn)方向段數(shù)示意圖

(2)必須保證工件或者廢料能夠在加工完成后順利取出，尤其是用上下異形加工方法加工的凹模，廢料的取出必須順利，否則可能破壞加工好的工件，而用上下異形加工方法加工的凸模取出不順利時(shí)，可考慮切除周圍的廢料。因此為保證順利取出工件，取出方向的輪廓最大外切圓直徑應(yīng)大于等于另一方向輪廓最小內(nèi)接圓的直徑，見(jiàn)圖6所示。

圖6 上下輪廓外切圓與內(nèi)接圓比較示意圖

(3)加工上下異形工件時(shí)，如果輪廓形狀尺寸確定，工件高度太低，必定使得極絲的傾斜角度太大，這時(shí)U、V的行程就將加大，即使降低兩導(dǎo)輪中心高度值，也可能會(huì)超出U、V的行程。可通過(guò)模擬切割，記錄下最大的U、V 行程，判斷是否超出機(jī)床要求的行程極限。

(4)上下異形加工與錐度一樣，在起始點(diǎn)上的極絲應(yīng)先開(kāi)始設(shè)置好傾斜角度(軌跡切入點(diǎn)處的錐角)，而帶動(dòng)極絲的U、V坐標(biāo)一般與加工時(shí)的切入段軌跡的x、y 方向同，因此一般線切割加工無(wú)論選擇法向、順向切入均可以，這種情況極絲不要擺動(dòng)角度，但是在上下異形加工與錐度加工中順向切割，極絲到達(dá)軌跡切入點(diǎn)時(shí)無(wú)法擺動(dòng)出傾斜角度而造成切割失敗。如圖7所示，從起始點(diǎn)到軌跡切入點(diǎn)方向?yàn)閤的逆向，極絲開(kāi)始擺動(dòng)的只能是U的正負(fù)方向，而不能是V的正負(fù)方向，因此圖中軌跡法向切入可行，而順向切入意味著開(kāi)始要V向行走傾斜極絲，是不可行的。

圖7 錐度(上下異形)切割時(shí)兩種切割狀態(tài)示意圖

4 在HL系統(tǒng)中加工上下異形工件的方法

現(xiàn)以加工一個(gè)上為五角星、下為圓復(fù)合一起的凸形上下異形工件為實(shí)例介紹上下異形編程與加工的方法。

4.1 程序編寫

首先在HL系統(tǒng)的繪圖編程界面中畫好一個(gè)五角星，并編寫好程序，保存在硬盤中，程序包含切入與切出共12段直線程序，圖8所示為五角星程序軌跡生成。

接著再畫出圓，由于圓的加工程序一般是一條加工程序，加上切入切出只有3段程序，但是這與加工上下異形要求的程序段數(shù)必須相同的要求不一致，因此圓的程序也必須與五角星一樣是相等長(zhǎng)度的10段。如何編寫出與五角星切入起始點(diǎn)同、長(zhǎng)度相等的10段圓弧程序，方法有3種，目前為止，現(xiàn)發(fā)行的教科書只介紹2種:一種是用二維的CAD軟件先畫出圓，等分10個(gè)點(diǎn)，找到10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，用手工編程的辦法，編寫出10段程序，加上切入切出程序共12段輸入HL系統(tǒng)中;第二種方法是將圓弧分割成10段，每次保留一段，再用直線連接兩端組成封閉圖形，如圖9所示，在自動(dòng)編程系統(tǒng)中編寫出二段程序，刪除其中的直線程序，手工記錄保留圓弧程序，后將記錄的10段圓弧程序與切入切出共同12段程序全部手工錄入HL系統(tǒng)中。不管那種方法，都十分麻煩，現(xiàn)介紹一種作者摸索的簡(jiǎn)便高效的編程方法，在HL 繪圖模塊中先畫好全圓，用等分點(diǎn)的辦法等分10 點(diǎn)，用打斷的方法，保留其中一段，再將此段圓弧建立圖塊，如圖10所示，后將圖塊旋轉(zhuǎn)9次，組成全圓，開(kāi)始編程，最終編寫出的程序?yàn)?0段圓弧程序，加切入與切出，與五角星一樣也是12段程序，見(jiàn)圖11所示。此方法隨著要分割的段數(shù)越多而越方便有效。

圖8 五角星編程軌跡圖

圖9 圓弧加直線成封閉圖

圖10 單段圓弧建立圖塊圖

圖11 圓弧分成10段的編程軌跡圖

4.2 加工模擬

調(diào)出保存于硬盤的上下兩個(gè)3B程序文件，進(jìn)入模擬模塊，先調(diào)出控制x、y軸的下輪廓圖形程序，按F3參數(shù)后點(diǎn)擊上下異形加工，在此處再調(diào)出上圖輪廓3B程序，用于參照工件高度等參數(shù)后生成U、V控制程序，以便使得極絲在下圖輪廓的各點(diǎn)處能傾斜出準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)變錐角來(lái)。再輸入工件高度，默認(rèn)其他包括導(dǎo)輪中心距和工件安裝高，按F1 開(kāi)始模擬切割。如圖12所示，在模擬切割結(jié)束后，最底部有U、V軸在此次模擬加工中的最大最小坐標(biāo)值，可查看是否超出了機(jī)床允許的行程，如超出，則可通過(guò)減小導(dǎo)輪中心距離，再模擬，直到可行為止。

圖12 模擬切割完成圖

4.3 實(shí)際加工

保持模擬加工U、V 不超極限行程的已經(jīng)調(diào)整好的兩導(dǎo)輪中心距，校正極絲的垂直度，試切一個(gè)圓錐體，加工后測(cè)量上下圓的實(shí)際尺寸，輸入HL系統(tǒng)的校準(zhǔn)模塊中，能夠反算得到準(zhǔn)確的導(dǎo)輪實(shí)際中心距和工件的實(shí)際安裝高度(能精確到微米)，記下這兩個(gè)準(zhǔn)確的參數(shù)，在加工上下異形工件時(shí)輸入這兩個(gè)實(shí)際數(shù)值，選擇電參數(shù)后，就可開(kāi)機(jī)加工。

5 結(jié)束語(yǔ)

上下異形工件是一種直紋曲面，屬于復(fù)雜類工件，但很適合于線切割機(jī)床的加工。在兩個(gè)平面四軸聯(lián)動(dòng)控制基礎(chǔ)上，只要正確處理好上下異形加工的一些特殊工藝問(wèn)題與注意點(diǎn)，正確選擇機(jī)床相關(guān)的幾何參數(shù)以及線切割加工的脈沖電參數(shù)，將獲得高質(zhì)量的上下異形工件。

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