浅议电火花成型加工在模具教学中的应用

浅议电火花成型加工在模具教学中的应用

浅议电火花成型加工在模具教学中的应用

　　王　珂

　　在模具专业实习教学中，电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难以加工的模具型孔和成型面。用电火花加工的冲模，容易获得均匀的配合间隙和所需的落料斜度，刃口平直耐磨，可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。对于塑料模具更是方便，可用于加工各种复杂曲面，以及精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角、不便于切削加工、材料硬度很高的场合。但加工中电极的损耗、电极材料的选择、电极的制作安装校正、工艺方法的选用、加工规程的选择等因素均会影响加工精度，下面就这些问题做一阐述。

　　一、选择电极材料，准确控制电极的尺寸精度

　　我们一般使用的电极材料有石墨和紫铜，以及钢、铸铁、黄铜、铜钨合金等。紫铜组织致密，适用于形状复杂、轮廓清晰、精度要求较高的塑料成形模、压铸模等，但机械加工性能差，难以成形磨削。其密度大、价贵，不宜作大、中型电极。石墨电极容易成型，密度小，所以宜作大、中型电极，但机械强度较差。在采用宽脉冲大电流加工时，石墨电极容易起弧烧伤。铜钨合金和银钨合金是较理想的电极材料，但价格贵，只能用于特殊型腔加工。另外，铸造或锻造的紫铜坯料做出的电极，会出现材质的疏松、夹层或砂眼，会使电极表面本身有缺陷、粗糙和损耗不均匀等。

　　电火花成型加工中，首先要制作电极。根据图样要求，缩放电极尺寸是顺利完成加工的关键。粗加工电极，可以选用其安全间隙接近电极缩放尺寸的电参数。精加工参数选择的主要依据最终的表面粗糙度要求，选用多组电参数，放电能量从大到小进行平动加工，达到表面粗糙度和加工尺寸的要求。为保证成型加工质量，电极应达到的尺寸精度不低于IT7级；表面粗糙度Ra值不大于1.25um；各表面（或其母线）的平行度误差在100mm，长度上不大于0.01mm。

　　由于型腔加工的排气、排屑条件不畅，影响加工稳定性、加工速度和工件质量，制作电极时应在电极上设置适当的排气孔和冲油孔。一般情况下，冲油孔要设计在难于排屑的窄缝和拐角处。排气孔要设计在蚀除面积较大的位置和电极端部有凹入的部位。冲油孔和排气孔的直径应小于平动偏心量的两倍，常选1～2mm。过大则会在电蚀表面形成凸起，不易清除。各孔间的距离为20～40mm，以不产生气体和电蚀产物的积存为准。

　　二、正确的电极装夹和找正

　　根据工件大小和形状，电极的结构常分为整体式电极、组合镶拼式电极。不论哪种结构都应有足够的刚度，以提高加工过程的稳定性。对于体积小、易变形的电极，可将电极工作部分以外的截面尺寸增大以提高刚度。对于体积较大的电极，要尽可能减轻电极的重量，以减小机床的变形。电极与主轴连接后，其重心应位于主轴中心线上，避免产生附加偏心力矩，使电极轴线偏斜，从而影响模具的加工精度。

　　在校正完水平与垂直后紧固时，往往会使电极发生错位、移动。因此，紧固后要反复进行校正检查，甚至在加工开始少量进给后，还需要停机再查看一下是否正确无误。另外加工过程中夹具发热，也会使电极松动，影响加工精度。

　　模具制造电火花加工最常用的定位方式是利用电极基准中心与工件基准中心之间的距离来确定加工位置，称之为“四面分中”。利用电极基准中心与工件单侧之间的距离确定加工位置的定位方式也比较常用，称之为“单侧分中”。它可以直接利用电极的基准面与工件的基准面进行接触感知实现定位。精密模具电火花加工采用基准球进行点接触定位，减少了误差，可实现较高精度的定位。另外，还可以用千分表比较、放电定位等定位方法。目前的数控电火花加工机床都具有自动找内外中心、找单侧、找角等功能，只要输入相关的测量数值，即可方便地实现加工的定位，比手动定位要方便得多。

　　三、不同型腔加工工艺的选择

　　型腔加工属于盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差，电极损耗不能用增加电极长度和进给来补偿，加上型腔复杂，电极损耗不均匀，影响加工精度。因此，型腔加工要从设备、电源、工艺等方面采取措施来减小或补偿电极损耗，以提高加工精度和生产率。我们常用的型腔加工方式如下。

　　1.单电极加工

　　适用于形状简单、精度不高的模具。为提高电火花加工效率，型腔在电加工之前采用切削加工进行预加工，留适当的电火花加工余量，在型腔淬火后用一个电极进行精加工，以达到型腔的精度要求。在能保证加工成形的条件下，电加工余量越小越好，一般型腔侧面余量单边留0.1～0.5mm，底面余量留0.2～0.7mm。如果是多台阶复杂型腔则余量应适当减小，电加工余量应均匀，否则将使电极损耗不均匀，影响成型精度。

　　对有平动功能的电火花机床，在型腔不预加工的情况下也可用一个电极加工出所需型腔。在加工过程中，先采用低损耗、高生产率的电规准对型腔进行粗加工；然后启动平动头带动电极（或数控坐标工作台带动工件）做平面圆周运动；同时按粗、中、精的加工顺序逐级转换电规准，并相应加大电极做平面圆周运动的回转半径，将型腔加工到所规定的尺寸及表面粗糙度要求。

　　2.多电极加工法

　　加工的型腔精度高，尤其适用于加工尖角、窄缝多的型腔。其缺点是要制造多个电极，并且对电极的制造精度要求很高，更换电极需要保证高的定位精度，增加了找正时间。因此，这种方法一般只用于精密型腔加工。

　　四、电规准的选择

　　电规准应根据工件的加工要求、工艺指标、电极和工件材料等因素来选择。通常要用几个规准才能完成凹模型孔加工的全过程。

　　粗规准主要用于粗加工，生产率高，电极损耗小，被加工表面的粗糙度值Ra＜12.5μm。所以，要求粗规准以高的蚀除速度加工出型腔基本轮廓，电极损耗要小，电蚀表面不能太粗糙，以免增大精加工的工作量。为此，一般选用宽脉冲（ti＞500μs）、大的峰值电流并用负极进行粗加工，但应注意加工电流与加工面积之间的配合关系。一般用石墨电极加工钢的电流密度为3～5A／cm2，用紫铜电极加工钢的电流密度可稍大些。

　　中规准的作用是减小被加工表面的粗糙度值，一般中规准加工时的表面粗糙度值为Ra6.3～3.2μm。在保持一定加工速度的条件下，电极损耗尽可能小。一般选用脉冲宽度ti=20～400μs。

　　精规准用来使型腔达到加工的最终要求，所去除的余量一般不超过0.1～0.2mm。因此，常采用窄的脉冲宽度（ti＜20μs）和小的峰值电流进行加工。由于脉冲宽度小，电极损耗大（约25%左右），但因精加工余量小，故电极的绝对损耗并不大。

　　粗、精规准的正确配合，可以较好地解决电火花加工的质量和生产率之间的矛盾。粗规准加工时，排屑容易，冲油压力应小些；转入精规准后加工深度增加，放电间隙小，排屑困难，冲油压力应逐渐增大；当穿透工件时，冲油压力适当降低。有关试验资料表明，电极材料不同，电极损耗随电流峰值变化的规律也不同，而且和脉冲宽度有关。因此，在选择电规准时应综合考虑这些因素的影响。开始加工时，应选择粗规准参数进行加工，当型腔轮廓接近加工深度（大约留1mm的余量）时，减小电规准，依次转换成中、精规准各挡参数加工，直至达到所需的尺寸精度和表面粗糙度。

　　五、细心观察，及时排除电火花加工的不稳定状况

　　由于电火花成型加工是单脉冲放电过程组成的，放电通道内瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化，瞬时高压使加工屑被抛入工作液中，各种放电状态在加工中是交替、概率性地出现。正常加工中液面冒无烟小气泡，火花声音清脆、连续、细小均匀，火花颜色通常为蓝白色夹火红颜色。每次抬刀动作、放电时间有规律地持续，电流、电压表呈有规律的摆动。如果出现放电异常，比如火花放炮声音沉闷，液面冒白烟大气泡，火花颜色偏红亮，电流、电压表指针急剧摆动，可判断可能是电弧放电，这常使电极、工件结炭、烧伤。

　　电参数调节不正确也是造成放电不稳定的主要原因。主要体现在过大的电流、过大的脉冲宽度、过小的脉冲间隙不合理产生放电不稳定。在此情况下，首先要考虑增大脉冲间隙，改善排屑状况，再考虑减小脉冲宽度。因为过大的脉冲宽度使加工中短时内放电次数过多，加工中来不及消电离，易产生烧弧。另外还可以加快抬刀速度，减少放电时间，增大抬刀高度。

　　加工液质量及加工液处理方式不当也是常见的不稳定因素。电火花加工液要求具有低粘度、高绝缘性，能疏通放电通道，流动性、渗透性好。劣质污脏的加工液在加工中因不能及时缓解放电间隙内的污染，会导致放电点不分散而形成有害的电弧放电。

　　其他因素也可造成放电不稳定现象。比如工件经磨床加工后会产生磁性，加工中铁屑被吸附难以排出而导致加工中放电不稳定。因此，加工前必须对工件多次退磁。在深腔类部位加工中，没有及时清除加工屑积存杂质等，也会在加工中出现放电不稳定现象。加工细小、清角、窄缝部位时，放电面积偏小，电流密度偏大，放电点不能分散转移，局部电蚀产物浓度过高，放电后的余热来不及扩散而造成过热，一样可以破坏加工的稳定性。

　　以上所述是在模具教学中电火花加工常见的影响质量的几个因素。尽管目前机床的智能控制技术越来越先进，配置好的成套电参数也越发成熟，但实践中，还是不能缺少人工监控和分析，应及时处理异常现象，保证加工精度，提高教学质量，使学生在实践中积累更多的实际经验。

　　（作者单位：河南省郑州市技师学院）

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