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淺議電火花成型加工在模具教學(xué)中的應(yīng)用
淺議電火花成型加工在模具教學(xué)中的應(yīng)用
王 珂
在模具專業(yè)實習(xí)教學(xué)中，電火花加工方法在模具制造中主要用于加工普通切削加工方法難以加工的模具型孔和成型面。用電火花加工的沖模，容易獲得均勻的配合間隙和所需的落料斜度，刃口平直耐磨，可以相應(yīng)地提高沖件質(zhì)量和模具的使用壽命。對于塑料模具更是方便，可用于加工各種復(fù)雜曲面，以及精密小型腔、窄縫、溝槽、拐角、不便于切削加工、材料硬度很高的場合。但加工中電極的損耗、電極材料的選擇、電極的制作安裝校正、工藝方法的選用、加工規(guī)程的選擇等因素均會影響加工精度，下面就這些問題做一闡述。
一、選擇電極材料，準(zhǔn)確控制電極的尺寸精度
我們一般使用的電極材料有石墨和紫銅，以及鋼、鑄鐵、黃銅、銅鎢合金等。紫銅組織致密，適用于形狀復(fù)雜、輪廓清晰、精度要求較高的塑料成形模、壓鑄模等，但機械加工性能差，難以成形磨削。其密度大、價貴，不宜作大、中型電極。石墨電極容易成型，密度小，所以宜作大、中型電極，但機械強度較差。在采用寬脈沖大電流加工時，石墨電極容易起弧燒傷。銅鎢合金和銀鎢合金是較理想的電極材料，但價格貴，只能用于特殊型腔加工。另外，鑄造或鍛造的紫銅坯料做出的電極，會出現(xiàn)材質(zhì)的疏松、夾層或砂眼，會使電極表面本身有缺陷、粗糙和損耗不均勻等。
電火花成型加工中，首先要制作電極。根據(jù)圖樣要求，縮放電極尺寸是順利完成加工的關(guān)鍵。粗加工電極，可以選用其安全間隙接近電極縮放尺寸的電參數(shù)。精加工參數(shù)選擇的主要依據(jù)最終的表面粗糙度要求，選用多組電參數(shù)，放電能量從大到小進行平動加工，達(dá)到表面粗糙度和加工尺寸的要求。為保證成型加工質(zhì)量，電極應(yīng)達(dá)到的尺寸精度不低于IT7級；表面粗糙度Ra值不大于1.25um；各表面（或其母線）的平行度誤差在100mm，長度上不大于0.01mm。
由于型腔加工的排氣、排屑條件不暢，影響加工穩(wěn)定性、加工速度和工件質(zhì)量，制作電極時應(yīng)在電極上設(shè)置適當(dāng)?shù)呐艢饪缀蜎_油孔。一般情況下，沖油孔要設(shè)計在難于排屑的窄縫和拐角處。排氣孔要設(shè)計在蝕除面積較大的位置和電極端部有凹入的部位。沖油孔和排氣孔的直徑應(yīng)小于平動偏心量的兩倍，常選1～2mm。過大則會在電蝕表面形成凸起，不易清除。各孔間的距離為20～40mm，以不產(chǎn)生氣體和電蝕產(chǎn)物的積存為準(zhǔn)。
二、正確的電極裝夾和找正
根據(jù)工件大小和形狀，電極的結(jié)構(gòu)常分為整體式電極、組合鑲拼式電極。不論哪種結(jié)構(gòu)都應(yīng)有足夠的剛度，以提高加工過程的穩(wěn)定性。對于體積小、易變形的電極，可將電極工作部分以外的截面尺寸增大以提高剛度。對于體積較大的電極，要盡可能減輕電極的重量，以減小機床的變形。電極與主軸連接后，其重心應(yīng)位于主軸中心線上，避免產(chǎn)生附加偏心力矩，使電極軸線偏斜，從而影響模具的加工精度。
在校正完水平與垂直后緊固時，往往會使電極發(fā)生錯位、移動。因此，緊固后要反復(fù)進行校正檢查，甚至在加工開始少量進給后，還需要停機再查看一下是否正確無誤。另外加工過程中夾具發(fā)熱，也會使電極松動，影響加工精度。
模具制造電火花加工最常用的定位方式是利用電極基準(zhǔn)中心與工件基準(zhǔn)中心之間的距離來確定加工位置，稱之為“四面分中”。利用電極基準(zhǔn)中心與工件單側(cè)之間的距離確定加工位置的定位方式也比較常用，稱之為“單側(cè)分中”。它可以直接利用電極的基準(zhǔn)面與工件的基準(zhǔn)面進行接觸感知實現(xiàn)定位。精密模具電火花加工采用基準(zhǔn)球進行點接觸定位，減少了誤差，可實現(xiàn)較高精度的定位。另外，還可以用千分表比較、放電定位等定位方法。目前的數(shù)控電火花加工機床都具有自動找內(nèi)外中心、找單側(cè)、找角等功能，只要輸入相關(guān)的測量數(shù)值，即可方便地實現(xiàn)加工的定位，比手動定位要方便得多。
三、不同型腔加工工藝的選擇
型腔加工屬于盲孔加工，金屬蝕除量大，工作液循環(huán)困難，電蝕產(chǎn)物排除條件差，電極損耗不能用增加電極長度和進給來補償，加上型腔復(fù)雜，電極損耗不均勻，影響加工精度。因此，型腔加工要從設(shè)備、電源、工藝等方面采取措施來減小或補償電極損耗，以提高加工精度和生產(chǎn)率。我們常用的型腔加工方式如下。
1.單電極加工
適用于形狀簡單、精度不高的模具。為提高電火花加工效率，型腔在電加工之前采用切削加工進行預(yù)加工，留適當(dāng)?shù)碾娀鸹庸び嗔�，在型腔淬火后用一個電極進行精加工，以達(dá)到型腔的精度要求。在能保證加工成形的條件下，電加工余量越小越好，一般型腔側(cè)面余量單邊留0.1～0.5mm，底面余量留0.2～0.7mm。如果是多臺階復(fù)雜型腔則余量應(yīng)適當(dāng)減小，電加工余量應(yīng)均勻，否則將使電極損耗不均勻，影響成型精度。
對有平動功能的電火花機床，在型腔不預(yù)加工的情況下也可用一個電極加工出所需型腔。在加工過程中，先采用低損耗、高生產(chǎn)率的電規(guī)準(zhǔn)對型腔進行粗加工；然后啟動平動頭帶動電極（或數(shù)控坐標(biāo)工作臺帶動工件）做平面圓周運動；同時按粗、中、精的加工順序逐級轉(zhuǎn)換電規(guī)準(zhǔn)，并相應(yīng)加大電極做平面圓周運動的回轉(zhuǎn)半徑，將型腔加工到所規(guī)定的尺寸及表面粗糙度要求。
2.多電極加工法
加工的型腔精度高，尤其適用于加工尖角、窄縫多的型腔。其缺點是要制造多個電極，并且對電極的制造精度要求很高，更換電極需要保證高的定位精度，增加了找正時間。因此，這種方法一般只用于精密型腔加工。
四、電規(guī)準(zhǔn)的選擇
電規(guī)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)工件的加工要求、工藝指標(biāo)、電極和工件材料等因素來選擇。通常要用幾個規(guī)準(zhǔn)才能完成凹模型孔加工的全過程。
粗規(guī)準(zhǔn)主要用于粗加工，生產(chǎn)率高，電極損耗小，被加工表面的粗糙度值Ra＜12.5μm。所以，要求粗規(guī)準(zhǔn)以高的蝕除速度加工出型腔基本輪廓，電極損耗要小，電蝕表面不能太粗糙，以免增大精加工的工作量。為此，一般選用寬脈沖（ti＞500μs）、大的峰值電流并用負(fù)極進行粗加工，但應(yīng)注意加工電流與加工面積之間的配合關(guān)系。一般用石墨電極加工鋼的電流密度為3～5A／cm2，用紫銅電極加工鋼的電流密度可稍大些。
中規(guī)準(zhǔn)的作用是減小被加工表面的粗糙度值，一般中規(guī)準(zhǔn)加工時的表面粗糙度值為Ra6.3～3.2μm。在保持一定加工速度的條件下，電極損耗盡可能小。一般選用脈沖寬度ti=20～400μs。
精規(guī)準(zhǔn)用來使型腔達(dá)到加工的最終要求，所去除的余量一般不超過0.1～0.2mm。因此，常采用窄的脈沖寬度（ti＜20μs）和小的峰值電流進行加工。由于脈沖寬度小，電極損耗大（約25%左右），但因精加工余量小，故電極的絕對損耗并不大。
粗、精規(guī)準(zhǔn)的正確配合，可以較好地解決電火花加工的質(zhì)量和生產(chǎn)率之間的矛盾。粗規(guī)準(zhǔn)加工時，排屑容易，沖油壓力應(yīng)小些；轉(zhuǎn)入精規(guī)準(zhǔn)后加工深度增加，放電間隙小，排屑困難，沖油壓力應(yīng)逐漸增大；當(dāng)穿透工件時，沖油壓力適當(dāng)降低。有關(guān)試驗資料表明，電極材料不同，電極損耗隨電流峰值變化的規(guī)律也不同，而且和脈沖寬度有關(guān)。因此，在選擇電規(guī)準(zhǔn)時應(yīng)綜合考慮這些因素的影響。開始加工時，應(yīng)選擇粗規(guī)準(zhǔn)參數(shù)進行加工，當(dāng)型腔輪廓接近加工深度（大約留1mm的余量）時，減小電規(guī)準(zhǔn)，依次轉(zhuǎn)換成中、精規(guī)準(zhǔn)各擋參數(shù)加工，直至達(dá)到所需的尺寸精度和表面粗糙度。
五、細(xì)心觀察，及時排除電火花加工的不穩(wěn)定狀況
由于電火花成型加工是單脈沖放電過程組成的，放電通道內(nèi)瞬時高溫使工作液氣化和金屬材料熔化、氣化，瞬時高壓使加工屑被拋入工作液中，各種放電狀態(tài)在加工中是交替、概率性地出現(xiàn)。正常加工中液面冒無煙小氣泡，火花聲音清脆、連續(xù)、細(xì)小均勻，火花顏色通常為藍(lán)白色夾火紅顏色。每次抬刀動作、放電時間有規(guī)律地持續(xù)，電流、電壓表呈有規(guī)律的擺動。如果出現(xiàn)放電異常，比如火花放炮聲音沉悶，液面冒白煙大氣泡，火花顏色偏紅亮，電流、電壓表指針急劇擺動，可判斷可能是電弧放電，這常使電極、工件結(jié)炭、燒傷。
電參數(shù)調(diào)節(jié)不正確也是造成放電不穩(wěn)定的主要原因。主要體現(xiàn)在過大的電流、過大的脈沖寬度、過小的脈沖間隙不合理產(chǎn)生放電不穩(wěn)定。在此情況下，首先要考慮增大脈沖間隙，改善排屑狀況，再考慮減小脈沖寬度。因為過大的脈沖寬度使加工中短時內(nèi)放電次數(shù)過多，加工中來不及消電離，易產(chǎn)生燒弧。另外還可以加快抬刀速度，減少放電時間，增大抬刀高度。
加工液質(zhì)量及加工液處理方式不當(dāng)也是常見的不穩(wěn)定因素。電火花加工液要求具有低粘度、高絕緣性，能疏通放電通道，流動性、滲透性好。劣質(zhì)污臟的加工液在加工中因不能及時緩解放電間隙內(nèi)的污染，會導(dǎo)致放電點不分散而形成有害的電弧放電。
其他因素也可造成放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。比如工件經(jīng)磨床加工后會產(chǎn)生磁性，加工中鐵屑被吸附難以排出而導(dǎo)致加工中放電不穩(wěn)定。因此，加工前必須對工件多次退磁。在深腔類部位加工中，沒有及時清除加工屑積存雜質(zhì)等，也會在加工中出現(xiàn)放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。加工細(xì)小、清角、窄縫部位時，放電面積偏小，電流密度偏大，放電點不能分散轉(zhuǎn)移，局部電蝕產(chǎn)物濃度過高，放電后的余熱來不及擴散而造成過熱，一樣可以破壞加工的穩(wěn)定性。
以上所述是在模具教學(xué)中電火花加工常見的影響質(zhì)量的幾個因素。盡管目前機床的智能控制技術(shù)越來越先進，配置好的成套電參數(shù)也越發(fā)成熟，但實踐中，還是不能缺少人工監(jiān)控和分析，應(yīng)及時處理異�，F(xiàn)象，保證加工精度，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生在實踐中積累更多的實際經(jīng)驗。
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