1　概述

　　眾所周知，電火花加工同其他一般的機械加工方法相比，其去除相同體積的工件材料所用的加工時間要長得多，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目標．在電火花型腔加工中，一般都是由粗加工經(jīng)中加工逐步過渡到精加工的．其中，如何確定加工余量及每一電規(guī)準的加工量，即如何確定電極每一步深度方向的進給量和搖動加工中側向的平動量，對電火花加工效率有很大的影響．因此，有必要對該問題進行更加深入的探討，建立一個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有效的依據(jù)，進而提高電火花的加工效率．本文即基于上述觀點，提出了一種電
火花加工余量及分配的優(yōu)化模型，對上述問題進行了深入的研究．

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)過多次電規(guī)準的轉換，完成從粗加工到精加工的全過程．其中粗規(guī)準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)準的轉換，應保證在修光前一放電規(guī)準的放電痕的前提下，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”積累起來就會擾亂整個修整過程，甚至達不到精修的目的．同時，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給量和搖動加工中側向的平動量，只需再考慮進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
　　對于電火花加工的操作者來說，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決定每一步的加工量．螎為了安全地得到最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）來計算平動量：

S_i=G_i-1+R_i-G_i+E_i　　　(1)

其中　S_i—第i擋規(guī)準的平動量；
　　　G_i—第i擋規(guī)準的火花間隙；
　　　G_i-1—第i-1擋規(guī)準的火花間隙；
　　　R_i—第i擋規(guī)準表面不平度的最大值；
　　　E_i—過修量．
　　利用上述公式可以類似地計算電極沿深度方向的進給量，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加工余量經(jīng)驗值，然后，使得每一步的加工量與每一步電規(guī)準的表面粗糙度成正比，從而對中加工到精加工每一步的加工量進行分配．
　　上述這些方法可用圖1和圖2所示的電極深度方向進給量和側向平動量的示意圖來進行概括．圖中G_i為每一電規(guī)準的放電間隙，R_i為每一電規(guī)準形成的表面粗糙度，H_i為電極的進給量，E_i為過修量，S_i為電極的平動量．它們都是使得每一步加工都將前一規(guī)準形成的表面粗糙度全部蝕除，而且還增加一個過修量，該過修量有時還過大，這樣就顯得過于保守，將大幅度降低加工效率．

圖1　通常的電極進給量示意圖

圖2　通常的電極理動量示意圖

2.3　加工余量及分配的優(yōu)化模型
　　實際上，每步加工都將上一步規(guī)準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，若使本規(guī)準形成的放電痕的底部與上一步規(guī)準形成的放電痕的底部相平，是最理想的．為了保證對上一步規(guī)準的放電痕的可靠修整，并考慮到要去掉表面熱影響層，可再增加一個合適的過修量，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）來描述：

W_i=R_i-1-R_i+a^．R_i-1　　　(2)

其中　W_i—第i擋規(guī)準沿深度進給方向或側向的加工量，在此以長度計量；
　　　R_i-1—第i擋規(guī)準形成的表面粗糙度；
　　　R_i—第i-1擋規(guī)準形成的表面粗糙度；
　　　a—安全帶系數(shù)．
　　上式可用圖3來形象地表示．在該模型中R_i采用的是國標中用來評定表面粗糙度的R_max，即最大高度偏差值．每次加工只蝕除掉上一規(guī)準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)準的表面粗糙度，使得本規(guī)準形成的表面粗糙度的波谷和上一規(guī)準形成的表面粗糙度的波谷的根部相平．為安全起見，在該模型中還提出一個安全帶系數(shù)的概念，使之與上一規(guī)準形成的表面粗糙度相乘，則可以得到本規(guī)準的過修量，或稱為安全帶，它與上一規(guī)準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，根據(jù)不同情況可取0.1～0.3． a越大，過修量越大，則加工越偏于安全．安全帶系數(shù)概念的提出為過修量的確定提供了一個計算和調整的依據(jù)．

圖3　加工量優(yōu)化示意圖

　　基于該優(yōu)化模型的電極深度方向進給量和側向平動量可以用圖4、圖5來表示．

圖4　基于優(yōu)化模型的電極進給量示意圖

圖5　基于優(yōu)化模型的電極平動量示意圖

　　若再考慮電極損耗，則電極每步的平動量和深度方向進給量可用式（3）表示：

S_i(或Z_i)=G_i-1-G_i+R_i-1-R_i+a^．R_i-1
+EW_i^．（0.5R_i-1-0.5R_i+a^．R_i-1）　　�。�3）

其中　EW_i為第i擋規(guī)準的電極消耗比，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，可以很容易地計算出電極每步的平動量和深度方向進給量．
　　利用上述模型，利用反推法，逐次計算出從精加工到中加工的每步加工量，進而，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)電極的縮減量對該模型進行修正．

3　實驗驗證結果

　　為驗證本文提出的優(yōu)化模型，進行了對比實驗．實驗條件如下：
　　機床：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：負極性；
　　工作液：煤油；
　　排屑條件：無沖抽油，油液自動循環(huán)；
　　加工要求：加工深度為5mm，最終精加工表面粗糙度Ra為3.2μm．
　　基于工藝數(shù)據(jù)庫，選擇電規(guī)準的轉換為C270→C240→C220→C210，其中C270為粗加工規(guī)準，其余的為中加工和精加工規(guī)準．工藝數(shù)據(jù)庫中 C210規(guī)準能達到的表面粗糙度Ra約為2.7μm．實驗分四種情況進行，其中，在前一種傳統(tǒng)的模型中計算了兩種情況，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，對加工余量進行分配．②按照圖1、圖2所示的模型，其中的過修量參照利用安全帶系數(shù)的方法，確定一適當?shù)闹担�在圖4、圖5所示的優(yōu)化模型中計算了兩種情況，①安全帶系數(shù)a=0.1．②a=0.2．在每種情況中分別計算每一步的電極深度方向進給量和側向平動量，計算結果如下表所示．其中，Z_i為電極相對于加工底面的距離，Step_i為電極搖動半徑．
并測得加工時間和表面粗糙度，實驗結果如圖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 　計算結果

　　從圖6和圖7中可以看到，傳統(tǒng)模型情況1由于加工余量過大，所以極大地降低了加工效率．在優(yōu)化模型中，當a=0.1時（優(yōu)化1），過修量偏小，略顯不安全，表面粗糙度數(shù)值稍大．當a=0.2時（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，但都處于一個等級．所以，可以認為它們達到的表面粗糙度基本相同，都可以安全地達到加工要求，而優(yōu)化模型的加工效率則改善了很多．

圖6　加工時間對比圖

圖7表面粗糙度對比圖

4　結論

　　在電火花型腔加工中，加工余量的確定及分配對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，可以合理地對加工余量進行確定和分配，明顯地提高了加工效率．