电火花成形加工工具电极的设计与制造

电火花成形加工工具电极的设计与制造

电火花加工模具的特点是把工具电极的形状精确地复制在工件（模具）上。因

此，电极是电火花加工中不可缺少的工具之一。电极的合理设计及制造，与模具

型孔或型腔的加工精度有着密切的关系。为了保证模具的加工精度，在设计电极

时，必须选择适当的电极材料，合理的电极结构和正确的几何尺寸，同时还应考

虑电极加工工艺性等问题。

1.对电极的技术要求

1）电极的几何形状要和模具型孔或型腔的几何形状完全相同，其尺寸大小艰据

模具型孔或型腔的尺寸及公差、放电间隙的大小、凸模与凹模配合间隙来决定。

2）电极的尺寸精度不低于it7级精度。

3）电极的表面粗糙度应在ra0.63~1.25pm以上，如果采用铸铁或铸铜时，表面

不能有砂眼。

4）各表面的平行度，100mm长度内不能大于0.01〜0.02mm。

5）电极加工成形后变形小，具有一定强度。

2.电极材料

从电火花加工原理来说，加工时工具电极与工件不接触，是通过电蚀作用对工件

进行加工，似乎任何导电材料都可以作为电极。但是，由于不同材料的电极对于

电火花加工的稳定性，生产率及模具被加工质量等都有很大的影响。因此，在实

际使用中不能任意选择电极材料，而应选择相对损耗小、加工过程稳定、生产率

高、易于制造加工及成本低廉的材料作为电极材料，以满足模具成型零件的电加

工要求。目前，常用的电极材料有：铸铁、钢、纯铜、黄铜、铜铝合金、银鸨合

金、石墨等。这些材料的性能见表4.2.2所示。

表4.2.2电火花成形加工常用电极及其性能

常用电加工工艺性能机械价格应用情况

材料稳定性电极损耗加工性能材料来源

铸铁较差适中好低主要用于型孔加工，

（常月材料）制造精度高

钢较差适中好低常采用加长凸模，加

（常月材料）长部分为加工型孔的电

极；可降低制造费用

石墨较好较小好较低适用于加工大、中型

（取决于石（有粉尘、易崩（常月材料）尺寸的型孔与型控

墨性能）角、掉渣）

纯铜好较大较差较高主要用于加工较小尺

（磨削困难）（小型电极常用材寸型腔，精密型腔，表面

料）加工粗糙度可很低

黄铜好大较好较高

（可磨削）（小型电极常用材

料）

铜鸽好小较好高主要用于加工精密

合金（为纯铜电（可磨削）（高于铜价40倍以深孔、直壁孔和硬质合金

极损耗的上）材料的型孔与型控

15%~25%）

银鸨好很小较好高

合金（可磨削）（比铜铝合金高）

（1）铸铁电极的电极损耗和加工稳定性均较一般，容易起弧，生产率不及铜电

极。但是，它的来源丰富、价格低廉、并且机械加工性能好，因此电极的尺寸精

度，几何形状精度及表面粗糙度等都容易保证。因此，铸铁是一种较常用的电极

材料，多用于穿孔加工。

（2）钢电极的加工稳定性较差、电极损耗较大、生产率也较低、但是来源丰富、

价格便宜、具有良好的机械加工性能。钢电极还有其独特的优点，即把电极和凸

模做成一体，实质上就是将凸模加长，加长的部分就用作电极。电火花加工后，

把损耗部分切除掉，余下部分可做凸模使用。这种方法使电极的制造工时减少到

了最低程度。所以钢为常用的电极材料之一，多用于一般的穿孔加工。

（3）纯铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、但损耗较大、来源少、吩格

较贵。由于其韧性大，机械加工性能差、磨削加工困难，其加工精度较低。由于

磨削困难，使得难以将电极与凸模连接在一起加工，电极与凸模分别制造使凸模

与凹模配合间隙不易均匀。对于电火花型腔加工来说，纯铜电极适用对小型腔

及高精度型腔的加工。纯铜电极与其他材料电极相比，在电火花加工中能使模具

达到最细表面粗糙度。

(4)黄铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、与纯铜电极相比价格较低、

机械加工性能尚好，但其磨削性能不如钢和铸铁。而黄铜电极的损耗最大。因此，

黄铜电极一般用在对加工表面粗糙度较低，尺寸、形状精度要求较高及形状复杂

的小孔穿孔加工。

(5)石墨电极的电极损耗小、加工稳定性尚好、易于加工、生产率最高、其价

格与铜大体相同，但机械强度较差，尖角处易崩裂。石墨是电火花型腔加工的常

用电极材料，适用于大、中、小型腔。由于石墨的热胀系数小，所以，最适于大

电极的穿孔加工。

(6)铜铝合金和银鸨合金的加工稳定性均很好，电极损耗也均很小，它们的电

加工性能优越，而机械加工性能尚好，其磨削性匕铜好.但其价格较高，比利的

价格高40倍。因此，主要用于模具中高精度的深孔、直壁孔等的穿孔加工和加

工面积小且高精度的型腔加工，以及硬质合金模具的加工。而银鸨合金的价格更

高，约为铜的100倍，所以它的使用受到限制，一般只用于硬质合金模具的加

工。

当用同一种电极材料加工不同材料的模具时，加工情况也会有一定的差异，即使

同是钢件也会因其成分不同而对加工有所影响，在实际生产中应根据具体情况选

用电极材料。

3电极的结构形式

电极的结构形式应根据模具型孔或型腔的尺寸大小，复杂程度及电极的加工工艺

性等来确定,常用的电极结构有下列几种形式：

(1)整体电极

整体电极就是用一整块电极材料加工出的完整电极，这是型孔或型腔加工中最常

用的电极结构形式，图4.2.4所示即为型腔加工用整体电极的结构形式。当电极

面积较大时，可在电极上开一些孔，或者挖空以减轻重量。

对于穿孔加工，有时为了提高生产率和加工精度，降低表面粗糙度，可以采用阶

梯式整体电极。所谓阶梯式整体电极就是在原有的电极上适当增长，而增长部分

的截面尺寸适当均匀减小(f=0.1~0.3mm),呈阶梯形。如图4.2.5所示，L为

原有电极的长度，I2为增长部分的长度(为型孔深度的1.2~2.4倍)。加工时利

用电极增长部分来粗加工，蚀除掉大部分金属，只留下很少余量，让原有的电极

进行精加工。阶梯电极有许多优点：能充分发挥粗加工的作用，大幅度提高生产

效率，使精加工的加工余量降低到最小，特别适宜小斜度型孔的加工，易保证模

具的加工质量，并且可减少电规准的转换次数。

a)无固定板式；b)

有固定板式

图4.2.4整体电极结构形

式图4.2.5阶梯式整体电极

1•冲油孔；2•石墨电极：3-电极固定板

(2)组合电极

在冲模加工中常遇到需要化同一凹模上加工出

几个型孔，对于这样的凹模可以用单个电极分

别加工各孔，也可以采用组合电极加工，即把

多个电极组合装夹在一起。如图4.2.6所示，

一次完成凹模各型孔的电火花穿孔加工。采用

组合电极加工时，生产率高，各型孔间的位置

精度也较为准确，但必须保证组合电极各电极

间的定位精度，并且每个电极的轴线要垂直于

安装表面。

图4.2.6组合电吸图4.2.7分解

式电极

1）分解式电极当工件形状比较复杂，则可将

电极分解成简单的几何形状，分别制造成电极，

以相应的加工基准，逐步将工件型腔加工成形。

采用分解式电极成形加工，可简化电加工工艺。

但是，必须统一加工基准，否则将增加加工误

差，如图4.2.7所示。分解式电极多用在形状

复杂的异型孔和型腔的加工。

2）镶拼式电极对形状复杂而制造困难的电

极，可分解成几块形状简单的电极来加工，加

工后镶拼成整体的电极来电加工型孔，该电极

即为镶拼式电极。如图4.2.8所示，是将e字

形硅钢片冲模所用的电极分成三块，加工完毕

后再镶拼成整体。这样即可保证电极的制造精

度，得到了尖锐的凹角，而且简化了电极的加

工，节约了材料，降低了制造成本。但在制造

中应保证各电极分块之间的位置准确，配合要

紧密牢固。

图4.2.8镶拼式电极

4电极尺寸的确定

（1）电极横截面尺寸的确定

电极横截面尺寸是根据凹模（或凸模）的尺寸

及公差，凸模、网模配合间隙和放电间隙的大

小确定的.电火花放电间隙的大小与电极材料、

模具材料、电规准的选择、设备的精度及工作

液等有关。为了保证模具加工后的表面粗糙度，

最后必须用精规准修出，因此在确定电极尺寸

时，应先按相应的条件得到放电间隙值。

在凸模、凹模零件图上标注的公差时，根据模

具的设计基准不同，有不同的标注方法。因此，

电极截面尺寸的确定也要按以凹模设计为基

准，还是凸模设计为基准两种情况来讨论。

1）按凹模尺寸和公差确定电极横截面尺寸如

图4.2,9所示凹模型孔不同部位的尺寸公差标

注。其相应部位电极横截面尺寸的计算公式,如

下：

a/-2S+此

8=（B+2S-（5）蓝

c=C±3

々二（R「S+»t

式中s一一单面放电间隙；

6一一电极制造公差，通常取模具公差6的

1/2〜2/3,并按“入体原贝『‘标注。

2）按凸模尺寸和公差确定电极横截面尺

寸图4.2.10所示为凸模尺寸及公差标注，由

于凹模、凸模配合间隙的不同又存在三种情况：

①凸模、网模单边配合间隙等于放电间隙（z/2

=s）：电极横截面尺寸和凸模截面尺寸完全相

同，电极公差取凸模公差1/2~3/2。

②凸模、凹模单边配合间隙小于放电间隙（z/2

<s）：电极应按凸模四周每边均匀缩小一个值

（s-z/2）,电极横截面尺寸计算公式如下：

图4.2.9凹模尺寸及公差标注图

4.2.10凸模尺寸及公差标注

Q

a=[A-2(S-Zf2)]_ff

8=[B+2(S-Z/2)]:

c=C±d

一=［一+公-2/2)］；'

々二岛-(S-Z/2)L

③凸模、凹模配合间隙大于放电间隙(z/2>s),

电极应按凸模四周每边均匀放大一个值(z/2-

s),电极横截面尺寸计算公式如下：

a=［力+2(2/2—S)巳

b=［B-2(Z/2-^

c=C±6

。=因+(2/2-胡/

々二［&-(Z，2-醴

式中s——单面放电间隙；

z/2——凸模、凹模单边间隙；

6一一电极制造公差，取模具公差6的1/2〜2/3。

由以上相应公式设计计算出的电极横截面尺寸

适合一般型孔的电火花加工，对加工型腔的电

极还应考虑精加工及抛光加工余量。

图4.2.11穿孔加工用电极长度图4.2.12

加工型腔电极纵截面尺寸

1•电极；2•凹模

（2）电极长度的确定

在电极长度确定方面，穿孔加工与型腔加工是

不同的，穿孔加工只计算电极长度，而型位加

工还须考虑各纵截面的形状和尺寸。

1）穿孔加工电极长度的确定图4.2.11所示为

穿孔加工用电极长度。电极长度按下式计算：

=［t+（1.3〜1.8兄］+［（1.6〜2.0）房冬］

式中।一一电极总长度；

h——精加工用的电极长度；

12一一粗中加工用的电极长度；

t一一电极长度损耗（用铸铁电极，当加工钢模

具时，t=0.9ti；当加工硬质合金模具时，t

=1.7tio用钢电极，当加工钢模具时，t=1.1匕；

当加工硬质合金模具时，t=2.13）;

ti——凹模有效刃口厚度；

t2一一凹模中有较大斜度的漏料部分厚度；

pt一一粗中加工的电极端面损耗比。

当凹模的刃口为全刃口，没有斜度较大的漏料

部分时，电极长度仅计算L部分，即1=用但

此时凹模有效刃口厚度h应为t。

以上计算所得的电极长度是电火花穿孔加工时

的工作部分长度，需要夹持时，还要加上夹持

部分长度。若采用同一只电极加工几副模具时，

其电极的长度应加长，每多加工一副模具应比

原来的长度约增加0.4〜0.8倍丁但电极总长度

一般不应超过110〜120mm,否则将会给加工

带来困难。

2)型腔加工电极纵截面尺寸的确定型腔加

工电极纵截面的形状和尺寸，应根据型腔底部

的形状和尺寸并考虑放电间隙而确定。对型腔

底部不同部位的尺寸，其电极的尺寸计算也有

所不同。图4.2.12所示为加工型腔时，电极纵

截面尺寸，尺寸的计算如下：

H'=H

周二&-S

夕二8-2Stan[(90・-a)/2j

式中：s为单面放电间隙；h、口、仁、b为型腔

要求尺寸；h\n\r2\b'为电极尺寸。

以上的计算方法仅适合型腔加工中低损耗加工

的电极设计，并且精加工或抛光余量应另行考

虑。对于有损耗加工的电极设计在此没有涉及。

5.电极的制造

工具电极是电火花加工中必不可少的工具之

一，因此方便而又准确地制造出电极是一个十

分重要的问题。由于电极的材料、类型、几何

形状复杂程度及精度要求的不同，则采用的加

工方法也各有不同。

(1)机械加工方法

对几何形状比较简单的电极，可用一般的切削

方法来进行加工，如圆形电极可直接在车末上

一次加工成形。矩形、多边形等铸铁或钢电极

可在刨床、铳床或到插床上加工后，再由平面

磨床进行磨削加工，经钳工修整后即可使用。

对形状比较复杂的电极，往往需要经过多道工

序才能加工成形，达到图样要求。

机械加工电极除采用一般的加工方法外，已广

泛采用成形磨削。对根据凹模尺寸设计出的电

极，最后用成形磨削的方法进行精加工，可以

提高电极的尺寸精度、形状精度和降低表面粗

糙度，用此电极对凹模进行电火花加工，再由

凹模按间隙要求配制凸模，这种方法适合于凸、

凹模配合间隙比放电间隙大0.10mm以上，或

凸、凹模配合间隙小于0.01mm的场合。

对于纯铜、黄铜一类的电极，由于不能用成形

磨削加工，一般可用仿形刨床加工而成，并经

钳工锂削进行最后修整。

（2）电极与凸模联合成形磨削

在电极制造中，为了缩短电极和凸模的制造周

期，保证电极与凸模的轮廓一致，常采用电极

与凸模联合成形磨削。这种方法的电极材料大

多选用铸铁和钢。当电极材料为铸铁时，电极

与凸模常用环氧树脂等胶合在一起，如图

4.2.13所示。但对于截面积较小的工件则不易

粘牢，为防止在磨削过程中发生电极或凸模脱

落，可采用锡焊或机械方法使电极与凸模连接

在一起。当电极材料为钢时，可把凸模加长些，

将其作电极。即把电极和凸模做成一个整体。

电极与凸模联合成形磨削，其共同截面的公称

尺寸应直接按世模的公称尺寸进行磨削，公差

取凸模公差的1/2〜1/3。

当凸、凹模的配合间隙等于放电间隙时，正好

适用磨削后电极的轮廓尺寸与凸模完全相司的

情况。

当凸、凹模的配合间隙小于放电间隙时，电极

的轮廓尺寸应小于凸模的轮廓尺寸则可用化学

腐蚀法将电极尺寸缩小至设计尺寸。腐蚀剂可

用草酸：双氧水：蒸储水=40：40：100的溶液，

腐蚀速度为0.04〜0.07mm/min。腐蚀的方法

为：将干净的电极垂直浸人腐蚀剂中，根据其

腐蚀速度的大小，每隔一定的时间后取出，测

量其尺寸是否符合要求，若尺寸仍偏大时应继

续侵入，直到适合为止。但取出的次数不要太

多，否则在电极上会出现斜度，影响电极的加

工质量。

当凸、凹模的配合间隙大于放电间隙时，电极

的轮廓尺寸应大于凸模的轮廓尺寸，则需用电

镀法将电极扩大到设计尺寸。如单面放大量在

0.05mm以下时，可以镀铜。单面放大量超过

0.05mm时，可以镀锌。

An

4.2.13电极与凸模粘

结4.2.14机械加工与线切割

加工电极

I-电极；2-粘结面，3-凸

模a）机械加工；b）线切

割加工

（3）电极制造常用工艺

电极制造常用工艺一般可按下述工序进行：

1）刨（或铳）：按图样要求刨或铳所要求的形

状的电极毛坏（若是圆形可车削），按最大外

形尺寸留1mm左右精加工余量。

2）平磨：在平面磨床上磨两端面及相邻两测面

（对铜及石墨电极应在小台钳上，用刮研的方

法刮平或磨平）。

3）划线：按图样要求在划线平台上划线。

4）包i|（或铳）:按划线轮廓，在刨床或铳床上加工

成形，并留有0.2〜0.4mm的精加工余量，形

状复杂的可适当加大，但不超过0.8mm。

5）钳工：钻、攻电极装夹螺孔。

6）热处理：指采用钢电极时，按图样要求淬火。

7）精加工电极：对于铸铁或钢电极，在有条件

的情况下，可用成形磨削加工成形；而对于铜

电极，可在仿形刨床上进行仿刨成形。

8）化学腐蚀或电镀：指电