數(shù)控電解加工與數(shù)控切削加工在解決復(fù)雜零件加工上相互補(bǔ)充，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵中加工渦輪、壓氣機(jī)靜子、三元流葉輪等整體構(gòu)件的主要加工方式．整體構(gòu)件數(shù)控電解加工一般先分析數(shù)據(jù)，建立幾何模型，從幾何模型獲取工藝數(shù)據(jù)，制定加工工藝方案，計(jì)算工序間余量分配；然后進(jìn)行陰極設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、加工編程、零件測量等工作．過去，整體構(gòu)件的電解加工過分依賴于加工技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，工藝裝備設(shè)計(jì)的周期長，工藝試驗(yàn)次數(shù)多，其主要原因在于：1)整體構(gòu)件的形狀特殊，數(shù)據(jù)處理、加工路徑的規(guī)劃、編程較復(fù)雜；2)陰極設(shè)計(jì)的成功率低，反復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)多，設(shè)計(jì)周期長；3)電解加工過程復(fù)雜，影響成形的因素多，工藝試驗(yàn)過程中缺少先進(jìn)的計(jì)算與分析手段，成形精度達(dá)不到要求．這些一直是制約電解加工工藝推廣應(yīng)用的主要因素．電解加工技術(shù)人員在長期的加工探索中逐步意識(shí)到，把CAD／CAE／CAM等先進(jìn)技術(shù)引入電解加工領(lǐng)域，已成為提高電解加工效率以及工藝試驗(yàn)成功率的有效措施之一．

    近幾年來，國內(nèi)外電解加工技術(shù)人員十分重視電解加工的數(shù)字化制造技術(shù)研究，對電解加工中的CAD／CAE／CAM、加工工藝數(shù)據(jù)庫等技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了葉片的電解加工CAD／CAE／CAM專家系統(tǒng)框架；開發(fā)了陰極設(shè)計(jì)的CAD／CAE／CAM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電解加工的仿真．這些研究成果主要集中在電解加工的單元技術(shù)方面，為加工技術(shù)平臺(tái)的構(gòu)建提供了技術(shù)支撐；但其局限于只能針對特定零件的加工，通用性差，沒有形成系統(tǒng)化、集成化的電解加工應(yīng)用系統(tǒng)．本文在對數(shù)控電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用軟件開發(fā)技術(shù)構(gòu)建了整體構(gòu)件數(shù)控電解加工CAD／CAM技術(shù)平臺(tái)(簡稱加工平臺(tái))，下面主要介紹其構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用．

1加工平臺(tái)構(gòu)建

    加工平臺(tái)體系構(gòu)成如圖1所示，其平臺(tái)分為3層結(jié)構(gòu)：上層為表示層，包括加工零件逆向建模、數(shù)據(jù)處理、陰極設(shè)計(jì)、數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)過程仿真、自動(dòng)編程和零件測量接口界面；中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，包括幾何建模、數(shù)據(jù)處理、有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真、加工編程和參數(shù)優(yōu)化單元技術(shù)模塊；下層為數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索等功能．

圖1加工平臺(tái)構(gòu)成

2加工平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能

    在電解加工工藝設(shè)計(jì)過程中，曲面建模與數(shù)據(jù)處理、陰極設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)選擇、加工路徑規(guī)劃與數(shù)控加工編程是電解加工的幾大難點(diǎn)，構(gòu)建加工平臺(tái)就是通過對其關(guān)鍵技術(shù)的研究解決這些難題，達(dá)到快速、高效的目的．該加工平臺(tái)是圍繞電解加工的難點(diǎn)建立起來的，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：1)零件建模與數(shù)據(jù)處理；2)電解加工模擬與陰極設(shè)計(jì)；3)加工參數(shù)選擇與優(yōu)化；4)數(shù)控運(yùn)動(dòng)仿真與加工編程；5)零件測量與誤差分析．

3加工平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3．1參數(shù)化與特征建模技術(shù)

    參數(shù)化建模、特征建模和變量化建模是當(dāng)今CAD建模的主流技術(shù)．整體構(gòu)件通常由基本特征與特殊結(jié)構(gòu)組成，對于基本特征的造型，CAD軟件都具有這些基本功能；對于整體構(gòu)件的特殊結(jié)構(gòu)的造型，則需要利用CAD軟件提供的開放接口以及整體構(gòu)件加工表面的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過二次開發(fā)而成．下面以圖2所示的整體葉輪葉片參數(shù)化建模為例進(jìn)行說明．

圖2葉片參數(shù)化建模

    葉片參數(shù)化建模首先要建立葉片的網(wǎng)格模型，通常葉片的網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)如圖2a所示．它把葉片沿徑向分成n個(gè)跨距層，每層上有一個(gè)控制點(diǎn)，在葉片的軸向上又分為m個(gè)切片層，這樣就有n×m個(gè)控制點(diǎn)．利用這些控制點(diǎn)構(gòu)造葉片的網(wǎng)格線，再由網(wǎng)格線構(gòu)造曲面，然后在網(wǎng)格面上疊加上葉片的厚度分布，就形成了葉片輪廓，建好的葉片模型如圖2b所示．葉片的參數(shù)由控制點(diǎn)的數(shù)目決定，實(shí)際應(yīng)用中可以固定部分邊界點(diǎn)，以減少葉片的參數(shù)數(shù)量．

3．2 電解加工物理過程數(shù)值模擬技術(shù)

    電解加工的過程非常復(fù)雜，加工成形受到電場、流場、溫度等影響．研究表明，電解加丁的成形形狀主要與陰極刃口形狀、加工運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)；加工精度與電場、流場分布，進(jìn)給速度等參數(shù)有關(guān)．本加工平臺(tái)運(yùn)用電解加工理論模型，采用過程離散法和連續(xù)有限元計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了加工過程的物理模擬，真實(shí)地模擬了整個(gè)電解加工的物理過程，利用它可輔助設(shè)計(jì)陰極、優(yōu)化加工參數(shù)、預(yù)測加工形狀．

    電解加工物理過程模擬首先要建立加工的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)加工原理把電解加工的連續(xù)加工過程用微分方程表示，即

（1）

其中，為電解加工中溶解速度，方向?yàn)槿芙饷娴姆ň€方向；dt為時(shí)間增量；dl為dt出時(shí)間內(nèi)的溶解位移增量．

    為了求解方程式(1)，把整個(gè)電解加工過程按加工時(shí)間離散成若干個(gè)連續(xù)的微小加工區(qū)間．加工過程的離散方法如下：

    設(shè)為總的電化學(xué)加工時(shí)間，對以Δt為時(shí)間步長進(jìn)行離散，則得到的一個(gè)時(shí)間序列以時(shí)間序列中每一個(gè)時(shí)刻為計(jì)算點(diǎn)計(jì)算陽極溶解面的位置，則工件陽極溶解面在△t內(nèi)的位移為

（2）

    由式(2)可知，陽極溶解面從到位置為

（3）

其中α為溶解速度與X方向的夾角．

    設(shè)時(shí)刻陰極送進(jìn)速度為，則陰極從到時(shí)刻的位置為

（4）

其中ψ為送進(jìn)速度與X方向的夾角．

    式(3)(4)即為仿真過程中陽極溶解表面和陰極位置的遞推計(jì)算公式．根據(jù)它們可以計(jì)算陽極溶解表面和陰極在加工過程中任何時(shí)刻的位置，再以此時(shí)刻的陰極和陽極位置計(jì)算加工間隙中的電場和流場，以此類推，最后計(jì)算出陽極溶解表面的最終加工形狀．