基于CimatronE的电火花加工电极设计技术

林明山，胡滨铠



基于CimatronE的电火花加工电极设计技术

林明山，胡滨铠

（漳州职业技术学院 机械工程系，福建 漳州 363000）

阐述了模具零件的型腔、型孔、窄槽和文字，及因结构的因素在CNC机床难以加工完成或难于达到满意的加工精度的位置，基本采用电火花加工的方法。介绍了CimatronE软件抽取放电曲面、建立电极基座、建立放电曲面与基座的关联、加载标准电极柄及生成工程图等方面的电极设计方法，并在设计中就电极设计关键参数设置进行了讨论。应用CimatronE电极设计方法在实际工作中有很强的实用性，且操作简单易学习，用途广安全高效，适用于各种复杂零件的电极设计。

CimatronE；模具；电火花加工；电极设计

在模具制造中，因注塑产品质量要求不断提升，产品结构日益复杂，对模具的加工精度提出了更高的要求，模具的型腔、型孔、窄槽和文字等位置，以及模具因结构的因素在CNC机床难以加工完成或难于达到满意加工精度的部分，需要采用电火花加工方法来实现。作为电火花加工的关键部分—电极设计的合理性影响着狭缝、尖角或清根部位、型面等特征的成形以及影响加工效率的电参数的选用，最终影响模具的加工精度。同时，电极的设计制造是模具制造过程中非常重要的环节，控制电极的制作成本也是控制整套模具生产成本的关键因素[1]。因此，电极拆分设计要同时兼顾有利于电极加工和放电加工[2]，充分利用先进CAD/CAM设计软件，迅速设计拆分好电极，精确加工出电极，有助于模具型腔放电加工效率，制造出高品质的模具。CimatronE电极一体化解决方案提供了强大的电极设计及加工功能，实现从模具表面提取电极、电极设计、制造、工艺图档信息管理等工作的自动化，大大缩短EDM加工周期，确保电极制造流程高效有序。以下介绍CimatronE电极设计的基本方法。

1 抽取放电面

在进行塑件结构设计时，为了增加塑件的强度、刚性，防止塑件变形，在塑件上增设加强筋是非常普遍现象，当然增设的加强筋有时候也用来起固定、连接或导向等作用[1]。图1所示为模具成型零件，该零件多处加强筋成型窄槽（圆圈内部分），这些NC加工不能实现的位置，都需要拆成局部小电极，放电加工模具型腔来完成，这就需要设计电极。打开CimatronE软件，选择电极设计功能模块，在电极设置向导中建立保存电极设计的装配文档图档信息管理要项，然后进入电极设计环境。一个完整的电极由放电加工工作部分（电极头）、避空直身位部分和基座三个部分组成。放电加工工工作部分形状要与模具结构吻合。[3]在模具零件上直接复制曲面建立电极不易出错，且数据量小，方便快捷。选择“抽取电极”指令，模具零件模型自动转化成线框形式，根据系统命令提示“在电极的初始位置拾取一个点”，在模型上拾取放电区域，这时放电区域显示为小矩形，拖动拾取的放电区域把要放电加工的曲面全部包容在里面，这时所选择的曲面如图2a)所示处于亮显状态，点击鼠标确认键就把所选择的曲面附着到电极上，点击特征向导中的确认标识，就完成如图2b)所示的放电区域的设定，这时在设计的特征树位置可以看到增加了一个新的电极文件。隐藏模具零件，在屏幕上只显示电极区域，如图2c)所示。然后修整多余曲面，放电曲面如图2d)所示。

图1 模具成型零件

图2 抽取放电曲面

2 设计电极基座

2.1 创建毛坯

电极基座的作用是在电火花加工时，用于电极安装和校表分中找正，电极基座一般设计为正方形或长方形，4个相互垂直的侧面被用作分中基准，称为分中面。电极基座与避空直身相连接的平面用于找平电极，称为校表面。一般电极基座设计的厚度约10 mm，而校表面与电极座单边距离一般不小于5 mm，否则不利于校表[4]。此外，因电极头与基座加工时会有圆角过度，留给电极基座加工时所带的R角，以及避免放电加工干涉，损坏模具型腔，电极基座也要偏移电极头单边5～6 mm，基于这些因素考虑，本例电极头与基座单边让位空间取5 mm。激活放电区域建立基座，选择坯料创建工具进入参数设置，根据测量放点区域的外形尺寸为长21.4 mm，宽18.3 mm，创建长32 mm，宽29 mm，厚度10 mm的电极基座，棱边倒R1圆角。为了避免电极基座与被加工工件靠得太近而放电，同时也为了方便将放电加工产生的残渣冲走，要设计避空直身。避空位要根据放电加工零件的形状与部位，一般使基准面离放电加工零件部位的最高处不少于3 mm，有利于加工过程中冲走残渣[3]。本例设置“避空高度”为5 mm及其他相关参数。

需要指出的是，在本设计软件的特征向导中，分别有匹配中心，最适化尺寸和底座标记这三项，选择“匹配中心”这一项后，的位置则发生变化，这是由放点区域的最中心所确定的，但这组数据会有小数，如图3a)所示，这将给电加工操作工将带来麻烦，因此最好把这两组数据调整为整数，如图3b)所示。选择“最适化尺寸”这一项后，的尺寸则发生变化，如图3c)所示，这是由放电区域的最大外形自动偏置一定的值，这个值可以也可以预设置里面设定，最大外形是根据放电区域的曲面所确定的，并不是固定值，但从图3c)中可以看出这个尺寸与我们要设置的电极基座尺寸是一致的，这就是智能化设计的特点。毛坯参数及底座参数设置结果如图4所示。

图3 设置电极位置尺寸

图4 设置毛坯参数及底座参数

2.2 创建底座标记

为避免电极安装出错，常在电极座上加工出方向辨认角(方向辨认角应对准被加工工件的加工基准)[4]，创建这个方向辨认角——“底座标记”是非常重要，这就是通常所称的“设置基准角”，将每个电极座其中1个直角设计成45斜角，其余3个直角设计成倒圆角，便于在电火花放电加工装夹时辨认装夹基准[5]。选择特征向导中的“底座标记”选项，选择斜角参数设置，该参数表示设置倒一个斜角作为操作工安装电极的基准标记，设置小了不容易分辨，设置太大了可能会产生干涉且完全完全没有必要，通常设置为3～5 mm的斜角就可以了，在此设置为3 mm。

2.3 创建电极坐标系

选择创建电极坐标系工具，这时在图中有3个点，分别对应于电极顶部，基准台顶部和基准台底部，要在哪里点上产生电极坐标系，取决于后续数控加工中的对刀方式及装夹方式，所以是根据需要选择并无最优选择。本例选择在电极上显示的一个点，接受默认的坐标系方向，确认后生成一个电极坐标系，如图5所示。

3 设计电极体

3.1 创建电极轮廓

设计电极体就是建立放电曲面与电极基座的关联成为一体。电极体的作用一是在电极头加工时为刀具提供避让空间；二是在零件电火花加工时提供高度方向的操作空间[6]。首先要创建一个电极轮廓，选择电极设计中的“自动轮廓”指令，点击电极曲面则会自动产生组合曲线，由于自动轮廓功能产生的组合曲线会自动选中，曲线被选中后会以深蓝色显示，而放电曲面则以红色显示，所以不注意的话，曲线会不太明显，要注意观察。如图6所示通过“组合曲线”和“自动轮廓”的功能，系统自动生成电极的轮廓。

图5 创建电极坐标系

图6 创建电极轮廓

3.2 曲面延伸

电极座设计后，放电曲面和电极座之间有一段空隙，需要把基准台和放电曲面这一段空隙建立关联形成一体，即形成电极体。接下来通过延伸面的方式来进行补面。选择电极设计向导中的“延伸”指令，延伸方式分为相切、方向和双方向3种，常用前两种，因常规中大多数的电极都需要切向延伸后再Z向延伸，而双方向主要用于一些特定形状的电极。拆电极时，两电极相接处要延长1 mm以上，以防在模具上留下不必要的夹线，为了保证模口部分顺滑及模口利角，一般需从模口延伸0.5～1 mm之后再取电极直身位[4]。

选取刚用自动轮廓生成的组合曲线，设置参数和方向，系统默认的方式是切向延伸1 mm，这是常规做法中的第一步，不需要作任何修改，直接确定就可以了，如图7a)所示。再次点击延伸指令，进入第二次延伸，将延伸方向参数修改为至毛坯，如图7b)所示。至此，电极体的设计就完成了，作必要处理后，结果如图8所示。有必要指出的是，如果拆出来的电极某些部位壁厚太薄，加工不容易，在条件允许的情况下，应将这些部位适当加厚，先把延伸设置合适距离，然后再进行空间部分的必要修补。

图7 创建电极体

图8 完成设计后的电极

4 加载电极柄标准件及运动模拟

拆分好的电极可以通过CimatronE电极运动模拟功能,在3D装配中检查，及时发现是否出现放电加工干涉现象。在模拟前加载与实际工作一致的电极夹柄，电极夹柄是电极上用来把所生成的电极固定在电火花加工机上的夹持部位。CimatronE自带常用的电极柄标准件，可以通过选择电极设计中的“电极柄”指令，从CimatronE标准件库中选择系统提供的电极柄的种类和具体型号，本例在该标准件库中选择Erowa电极柄，然后在导入参考零件中根据电极的位置以及电极柄的相对位置，设置电极在三个方向的位置。

5 生成工程图

通常，一张电极的工程图需要两张，一张检验图，一张移位图。检验图表达电极的关键尺寸，而移位图表达该电极的放电位置和放电深度。激活主装配，选择电极零件文件，在弹出的对话框中选择电极工程图，电极工程图就自动生成好了，这样操作把检验图和移位图合并在一起成为一张图，如果要分开出图，则需要在预设置中在电极的相关栏目设定导出两张图，则检验图和移位图各为一张。至此，一个电极就完全生成好了。创建完成后的电极文档可以导入到CimatronE的编程环境中进行刀路编制。同样的方法可以设计出图中其他的电极。

6 小结

电极是电火加工必备的工具，设计的合理性影响着狭缝、尖角或清根部位、型面等特征的成形以及影响加工效率的电参数的选用。应用CimatronE电极一体化解决方案，可快速建立工程图档信息，拾取放电曲面，裁剪放电区域，设计电极基座，延伸曲面创建电极体，设置避空空间，加载标准电极柄，进行电极运动模拟干涉检查，实现快速电极设计，提升电极设计效率、提高电极设计的安全系数，降低设计用时成本，缩短EDM加工周期，确保电极制造流程高效有序。该设计方法在实际工作中有很高的实用性，且操作简单易学习，用途广安全高效，适用于各种复杂零件的电极设计。

[1] 杜洪香,贾秋霜.多筋塑料盒注塑模具筋位电极设计方案研究[J]. 中国农机化学报,2017(3):89-90.

[2] 冯晓梅,史宏等.压铸模具放电加工电极设计[J]. 金属加工.工冷加,2018(3):32-35.

[3] 雷芳.基于UG的手机外壳型芯的电极设计与加工[J]. 模具制造,2016(3):74-76.

[4] 殷小清,王阳,等.模具铜电极设计及其数控编程[J]. 模具制造,2014(3):73-76.

[5] 陈学翔,手机外壳模具成型面电极设计与数控高速加工[J]. 模具制造,2016(10):75-79.

[6] 彭彬,周彩云.基于MasterCAM的模具型腔电极设计及数控加工[J]. 机械工程师,2017(12):161-163.

（责任编辑：黄文丽）

Design of EDM electrode based on CimatronE

LIN Ming-shan, HU Bin-kai

（Department of Mechanical and Automation engineering,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou, Fujian,363000,China)

This paper expounds the cavity, the hole, the narrow slot and the text of the mold part, and the method of electric discharge machining is adopted in the position where the CNC machine tool is difficult to process or it is difficult to achieve satisfactory machining accuracy due to structural factors. Using the software as a tool, the CimatronE electrode design method for extracting the discharge surface, establishing the electrode reference table, establishing the relationship between the discharge surface and the reference table, loading the standard electrode holder and generating the engineering drawing is described in detail, and discussing the electrode design theory in the design. The CimatronE electrode design method has high practicability in practical work, and the operation is simple and easy to learn. It is widely used safely and efficiently, and is suitable for workpieces of various complicated parts.

CimatronE; mold; EDM; electrode design

2018－10－24

福建省教育厅科技计划项目（JAT160871）。

林明山（1964—），男，福建漳州人，教授，研究方向：数字化设计与智能制造。

1673-1417（2018）04-0074-05

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2018.04.0015

TG661

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