电火花加工工艺及工艺改进探究.doc

8电火花加工工艺及改进探究电火花加工工艺及工艺改进探究摘要: 提出了一种用于普通电火花加工和混粉电火花加工的超声辅助装置, 并利用国产电火花机床进行了试验研究。试验结果表明, 这一装置的使用对于改善电火花加工的加工质量和加工效率都有明显效果。关键词: 电火花加工; 电火花机床Abstract:U lt rason ic equ ipmen t fo r EDM 2stoo l w as designed, w h ich can be u sed to aid o rdinary EDMand m ixed2pow der EDM. The experimen tal resu lt sindicated that the mach in ing quality and eff iciency of EDM 2stoo l cou ld be imp roved.一、电火花成型加工工艺及设备 电火花成型加工是用成型电极，在电火花成型加工机床上，对工件进行仿形加工的工艺方法，主要有零件的穿孔加工及型腔加工。1. 冲模的电火花加工冲模是生产上应用最多的一种模具，由于形状复杂和尺寸精度要求高，它的制造已成为生产中的关键技术之一。特别是凹模，应用一般的机械加工方法很困难，甚至不可能，若靠钳工加工则劳动量大，且质量不易保证，常因淬火变形而报废。采用电火花加工能较好地解决这一问题。冲模采用电火花加工比传统的机械加工有如下优点； （1）可以在工件淬火后进行加工，避免了热处理变形的影响； （2）冲模的配合间隙和斜度均匀刃口耐磨，提高了模具质量； （3）可加工机械加工难以加工的材料，从而扩大了模具材料的选用范围； （4）对于复杂的凹模可以不用镶拼结构，而采用整体式，大大简化了模具结构。一副冲模应首先进行预加工并留适当的电蚀余量，经淬火处理后再进行电火花加工。冲模的主要质量指标是尺寸精度、冲头与凹模的配合间隙p、刃口高度h、刃口斜度和落料斜角，如图510，其中角一般为50l00。根据模具有使用要求，凹模的材料可选T10A、T8A、Cr12、GCrl5等，其中Crl2应用较多。 凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，如果凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1，单面火花间隙为SL，则 L2= L1+2SL （58） 其中火花间隙SL主要取决于脉冲参数与机床精度，只要加工规准选择恰当，保证加工的稳定性，SL的误差是很小的，因此，只要工具电极尺寸准确，用它加工出的凹模也是比较准确的。 冲头与凹模的配合间隙p是一个重要的质量参数，它的大小和均匀性直接影响冲件质量和模具寿命。电火花加工保证配合间隙的方法主要有：直接配合法、间接配合法，冲头修配法和二次电极间接法。 直接配合法是用加长的钢冲头作为电极加工凹模，加工后将电极损耗部分切除，而未损耗的冲头部分与加工出的凹模配合使用。此法通过调节脉冲参数，可保证加工间隙与所要求的配合间隙均匀一致。加工的模具质量高，制作周期短，还节省了电极材料。缺点是钢冲头直接作为工具电极，加工稳定性差，加工速度较低。 间接配合法是将冲头和电极粘结在一起用成型磨削同时磨出，加工时调节脉冲电源参数，保证电极穿透凹模时的加工间隙与冲头和凹模的配合间隙一致。这样，凹模就可不经任何修整而直接与冲头配合。采用此法凸凹模配合间隙均匀，模具质量高，电极材料可采用电火花加工性能好的铸铁，提高加工速度。但电极与冲头需要粘结或焊接，若电极与冲头联在一起长度过大，则成型磨削较难保证精度。另外，由于冲头和电极须同时磨削，限制了紫铜、石墨等理想电极材料的选用。铸铁打钢或“钢打铜”对电源要求高，因工具电极和工件都有磁性，电蚀屑被吸附在电极和工件上，形成不稳定的二次放电，使加工过程很不稳定。近年来出现了高低压复合回路脉冲电源，可采用高压击穿，加工情况能够大大改善。 冲头修配法是将冲头与电极分别用机械加工的方法制出，但冲头不加工到最终尺寸，留一定的待修余量，用制好的电极加工出凹模，然后按凹模修配冲头，保证所需的配合间隙。这种方法的优点是：工具电极可任选电蚀性能好的材料制作；电极尺寸可以和冲头尺寸不同，配合间隙的范围可以很大，便于凹模成批生产。但配合间隙不均匀，冲模质量不高，生产效率低，因而只适合于形状简单或配合间隙较大的冲模制作。 二次电极间接法（简称二间法）是用机械加工出的电极，用电火花加工的方法制出两个凹模，并用其中一个作电极再加工一个凸模，使二者配合使用。此法通过合理调节各次的加工间隙、可得到配合间隙极小的精密冲模。上述四种冲模电火花加工方法，各有自己的特点和适用范围，选择时可参考表53。 刃口斜度角是指刃口斜面与轴线的夹角，主要靠精规准加工时“二次放电”形成的锥角来保证。目前锥角已可控制到24,一般可选到10以内，保证510的斜度不成问题。 由于凹模的精度主要决定于工具电极的精度，所以一般要求工具电极的尺寸精度和表面粗糙度比凹模高一级。通常尺寸精度不低于IT7，粗糙度R值不大于1.25m，平面度、平行度和直线度在100mm长度上不大于0.01mm。 工具电极长度L参照图49可用下式进行估算 L=KH+H1+H2+（0.40.8）（n1）KH （59）式中H凹模需电火花加工的厚度； H1模板后都挖空时，电极需加长的部分； H2一些小电极端部不宜开连接螺孔而必须用夹具夹持电极尾部时需要增加的长度，约1020mm； n一个电极使用的次数； K与电极材料、加工方式，型孔复杂程度等因素有关的系数。对常用的电极材料K取值为：紫铜22.6、黄铜33.5、石墨1.72、铸铁2.53，钢33.5。 若加工硬质合金凹模，由于电极损耗大，电极还需加长。 冲模电极的制造一般先经传统的机械加工，然后是成型磨削。对不易磨削加工的材料，可在机械加工后，由钳工精修。目前，直接用电火花线切割加工的电极已获得广泛应用。 电火花加工前，工件型孔部分要预加工孔，所留余量应能补偿电火花加工的定位、找正误差及机械加工误差。一般情况下，单边余量为0.31.5mm，并力求均匀。对形状复杂的型孔，余量要适当加大。 电规准即电火花加工过程中的一组电参数，如电压、电流、脉宽、脉间等，电规准选择正确与否，直接影响着模具加工工艺指标，生产中应根据工件的要求、电极和工件的材料，加工工艺指标和经济效果等因素来确定电规准，并在加工过程中及时地转换。 冲模加工中常选择粗、中、精三种规准。对粗规准的要求是生产率高（不低于50mm3/min）；工具电镀损耗小。转换中规准前粗糙度R值应小于10m，加工过程要稳定。所以粗规准主要采用较大的电流，较长的脉冲宽度（ti=20200s）。 中规准用于过渡性加工，以减少精加工时的加工余量，提高加工速度，中规准采用的脉冲宽度一般为620s。 精规准用来最终保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度，刃口斜度等质量指标，并在此前提下尽可能地提高生产率。故应采用小电流、高频率、短的脉冲宽度（一般为26s）。2. 型腔模的电火花加工 型腔模包括锻模、压铸模、塑料模、胶木模、挤压模等，它们的加工比较困难，因为均是盲孔，工作液循环困难，电蚀产物不易排除；型腔复杂，加工面积大，电极损耗大且不均匀，损耗后无法靠进给补偿。因此，电火花加工型腔模，既要有高的加工速度，又要求电极损耗低，保证所要求的精度和表面粗糙度。 型腔模电火花加工主要有单电极平动法、多电极更换法和分解电极加工法。 单电极平动法在型腔模电火花加工中应用最为广泛，它是采用一只成型电极，先用低损耗（l）、高加工速度的规准进行粗加工，然后利用装在机床主轴头上的平动头作平面平行运动，按粗、中、精的顺序逐级改变电规准。同时，依次加大电极的平动量，以补偿前后两个加工规准之间放电间隙差和表面不平度差，实现型腔侧向仿型，完成整个型腔的加工。 单电极平动法的最大优点是只需一个电极，一次装夹定位，缺点是加工精度低，尤其难以加工出清棱、清角的型腔。 多电极更换法是采用多个电极依次更换对型腔进行粗、半精、精加工的工艺方法。此法仿形精度高，特别适于尖角、窄缝多的型腔模加工。缺点是需制作多个电极，且电极的重复制造精度、更换电极时的重复定位精度要求高。 分解电极加工法是单极平动法和多电极更换加工法的综合应用。根据型腔的几何形状把电极分解成主型腔电极和副型腔电极，先用主型腔电极加工出主型腔，然后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位的副型腔。此法的优点是根据主、副型腔不同的加工条件，可选择不同的加工规准，有利于提高加工速度和改善表面质量，同时还可以简化电极的制造，便于电极修整。缺点是主、副型腔间的精确定位较难解决。 型腔模加工工具电极常用紫铜和石墨制成。紫铜组织致密，制造时不易崩边塌角，适用于形状复杂、轮廓清晰、精密和表面粗糙度要求高的型腔模。紫铜的不足之处是不宜成型磨削，比重大、价格贵，因而不适宜作大、中型电极。石墨电极成型容易，且比重小适宜作大、中型电极；缺点是机械强度差，在宽脉冲大电流加工时，容易起弧烧伤。铜钨合金和银钨合金是较理想的电极材料，但价格较贵，只用于特殊型腔加工。 设计电极时，计算与主轴头进给方向垂直的电极尺寸即水平尺寸（见图510），可用下式确定： a=AK （510） 式中 a电极水平方向尺寸； A型腔图纸上名义尺寸； K与型腔尺寸注法有关的系数； 电极单边缩放量（或平动头偏心量，一般取0.70.9mm）。其中电极单边缩放量又由下式确定 =SL+Hmaxhmax （511） 式中SL最粗规准加工时单面加工间隙； Hmax最粗规准加工时表面微观不平度最大值； hmax最精规准加工时表面微观不平度最大值。 式（510）中“+”、“”号按下述原则确定：凡图纸上型腔凸出部分，其相应的电极凹入部分的尺寸应放大，用“+”号；凡图上型腔凹入部分，其相对应的电极凸出部分的尺寸应缩小，用“”号。系数K按下述原则选取：当图中型腔尺寸完全注在边界上时，K=2；一端以中心线或非边界线为基准时，Kl；图纸上型腔中心线之间的位置尺寸以及角度数值，电极上相对应的尺寸不缩不放，K0。电极与主轴头进给方向平行的尺寸，称为垂直尺寸（图513），设计时用下式确定：b=BK （512）式中 b电极垂直方向的有效加工尺寸； B型腔深度方向的尺寸； 加工时的放电间隙和电极损耗要求电极端面的修正量； K与尺寸注法有关的系数，如为线性尺寸时K=1。其中电极端面修正量又由下式确定： mgg （513）式中mg电极端面损耗的总和，若忽略中、精加工的损耗，可取mg =0.0lB； g最末档精规准的加工间隙。 电极总高度H的确定，须根据电极使用次数、装夹要求等因素，用下式确定： Hh+L1+L2 （514）式中H除装夹部分以外的电极总高度； h电极每加工一个型腔在垂直方向的有效高度； L1当需加工的型腔位于另一型腔中时，电极需要增加的高度；L2考虑到加工结束时电极夹具或固定板不和模块或压板发生碰撞，以及同一电极能重复使用而需要增加的高度。型腔加工通常都是盲孔加工，排气、排屑困难，并成为影响加工状态稳定和表面粗糙度的重要因素，因此应在电极上设置排气孔和冲油孔。一般情况下，冲油孔要设计在难于排屑的位置，如拐角、窄缝等处。排气孔要设计在蚀除面积较大和电极端部有凹入的位置（如图515（a）、（d）。因为前者气体外逸路程太长，而后者气体易于积聚。冲油孔和排气孔的直径应不大于偏心量的二倍，一般为12mm。为了利于排气排屑，要把冲油孔和排气孔上端加大到58mm（如图515（b）、（c）。 型腔模加工电规准的选择与转换主要是根据模具要求和加工方法而定。粗加工时，要求生产率高和工具损耗小，为此首先应选择宽脉冲（一般应大于400s），其次再选择大电流。石墨电极加工钢时，一般最高电流密度为35Acm2，用紫铜电极加工钢时，还可以稍大些。半精加工要考虑利用平动运动来补偿前后两个加工规准间的放电间隙和表面粗糙度差值，脉宽一般为20400s，电流为1025A（R10m），留给精加工余量0.10.2mm。精加工通常是指表面粗糙度值R2.5m的加工，脉宽一般为220s，电流为10A左右。二、改进实验1试验装置及原理超声波清洗设备一般由超声波发生器和超声波换能器两部分组成。超声波发生器将工频电信号转变成20 kHz 以上的高频电信号, 通过高频电缆输送到换能器。超声波换能器可将电能转换成强有力的超声波振动, 并以超音频纵波的形式在清洗液中辐射3 。应用到本次电火花加工试验的超声辅助装置的设计原理是: 利用超声波在工作液中产生的空化泡破灭时所形成的强大的冲击波, 促使工作液槽内的工作液流速加快, 工作液快速流动形成的冲击波直接作用于工作台上的被加工工件表面, 加快了附着在工件表面的碎屑、积碳清除。除此之外, 用于混粉电火花加工作业时, 超声辅助装置之超声波对工作液作用, 形成对工作液的振动搅拌, 它可防止粉末沉淀, 保持混粉工作液浓度均匀。本文试验使用的是深圳福斯特数控机床有限公司生产的DM 7120 精密电火花成型床。超声波振板装置(见图1) 是按照该机床的工作液槽和工作台所设计, 其设计图纸和加工技术要求另文表述。振板装置采用两个震子, 每个震子功率为100W。震子振动方向向着工作台, 选择边振(侧震式) 安装, 并使其尽量靠近工作台如图2 所示。按照电火花机床的加工槽, 设计出合适的安装位置, 并确保安装稳固, 以防超声波工作时产生摇摆和晃动, 影响装置正常工作。普通电火花加工时, 由于超声波振板的强大清洗功能和搅拌作用, 有利于排除加工碎屑, 减少积碳现象, 理论上可以提高加工精度和加工效率。混粉电火花加工采用浸油加工方式, 超声波辅助装置可有效防止粉末沉淀, 还可在加工抬刀时及时清洗加工渣滓, 避免发生积碳现象, 有利于提高加工质量和加工速度。2试验结果与分析2. 1试验参数试验各项参数如下。(1) 基本参数。电极材料为紫铜, 加工极性工件为(+ ) , 加工间隙为4 s, 抬刀间隙为3mm , 加工面积为45 mm 32 mm , 加工深度为0. 2 mm。(2) 精加工电参数。其峰值电流为4 A , 平均电流为3 A , 间隙电压为50 V , 脉宽为31 Lm, 脉间为60 Ls。(3) 半精加工电参数。峰值电流为9 A , 平均电流为6 A , 间隙电压为50 V , 脉宽为63 Lm; 脉间为60 Ls。(4) 混粉电火花加工参数为。粉末材料为JT - FLQ T 4,NO: 010105, 粉末大小为6 1. 5 Lm, 工作液浓度为30 gL 。2. 2试验结果试验分为4 组进行。(1) 精加工时普通加工与超声辅助普通加工的对比试验; (2) 半精加工时普通加工与超声辅助普通加工的对比试验; (3) 精加工时混粉加工与超声辅助混粉加工的对比试验; (4) 半精加工时混粉加工与超声辅助混粉加工的对比试验。试验结果如表1 与表2 所示, 表中数据为同一试验条件下5