貴州航天烏江機電設(shè)備有限責(zé)任公司 （遵義 563003） 鄭繼康 張玉峰

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電火花加工技術(shù)與模具制造變得密不可分，已在模具制造、復(fù)雜零件加工中得到廣泛應(yīng)用。

模具制造中電火花加工的工藝流程

模具制造中電火花加工包括多個工藝環(huán)節(jié)，這里按照電火花加工的操作順序介紹其工藝流程，分析主要的工藝要點。

1.電火花加工的工藝確定

模具零件在制造前，根據(jù)本身特點、加工要求來確定合理的加工工藝。一般來說，為了使模具零件在盡量短的時間內(nèi)加工出來，減少加工成本，提高加工效率，所以在可能的情況下盡量選用銑削加工、線切割加工等工藝來加工零件。當(dāng)在銑削加工、線切割加工等加工接觸不到或工件有特殊要求的情況下，像刀具難于接觸到的復(fù)雜表面或需要深度切削的地方，及長徑比特別高的地方，如精密小型腔、窄縫、溝槽及拐角，不便于切削加工裝夾，材料硬度很高，規(guī)定了要提供火花紋表面等的加工場合，就要選用電火花加工。

2.工具電極的設(shè)計與制造

電火花加工首先要進行電極的設(shè)計、制造。那些高端的CAD/CAM軟件，像UG、Pro/E、CimatronE、MasterCAM等都提供了強大的電極設(shè)計、編程功能，減少了手工拆電極的繁瑣工作，與傳統(tǒng)的電極設(shè)計、制造相比，提高效率十幾倍甚至幾十倍。

根據(jù)企業(yè)的工藝水平，考慮電極加工精度要求、加工成本等工藝要點來安排電極的制造工藝。目前模具企業(yè)已廣泛使用加工中心來制造各種型面復(fù)雜的電極。加工中心比傳統(tǒng)銑削加工速度快，全自動，重復(fù)生產(chǎn)的精度很高，可得到較復(fù)雜的形狀。最近推出的高速加工中心，能勝任形狀更復(fù)雜、精度要求更高類電極的制造，為制造電極提供了完美的技術(shù)解決方案。

采用快速裝夾定位系統(tǒng)來制造電極是電火花加工的一種先進工藝方法，它是將電極坯料裝夾在加工機床的裝夾系統(tǒng)上來制造，制造完成后，可直接將電極裝于電火花機床的快速裝夾系統(tǒng)上進行放電加工。給加工操作帶來了很大的方便，提高了電極的制造效率，也保證了電極的裝夾、定位精度。

3.加工的定位

當(dāng)工件和電極裝夾、校正完成后，就需要將電極對準(zhǔn)工件的加工位置，才能在工件上加工出準(zhǔn)確的型腔。模具制造中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)中心與工件單邊之間的距離確定加工位置的定位方式也比較常用，稱之為“單邊分中”。另外還有一些其他的定位方式。

各種定位方式都是通過一定的方法來實現(xiàn)的。模具電火花加工操作中，通常運用電火花機床的接觸感知功能來獲得正確的加工位置?？梢灾苯永秒姌O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)球進行接觸感知定位，點接觸減少了誤差，可實現(xiàn)較高精度的定位。另外還有千分表比較、放電定位等定位方法。使用快速裝夾定位系統(tǒng)，可省卻重復(fù)的定位操作，當(dāng)配備ATC裝置時，則完全可以實現(xiàn)長時間無人操作的自動化加工，可有效地提升企業(yè)的競爭力。

目前的數(shù)控電火花機床都具有自動找內(nèi)中心、找外中心、找角及找單邊等功能，這些功能只要輸入相關(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。

4.加工參數(shù)的配置

在完成校正、定位等基本操作以后，就要根據(jù)加工要求選擇合理的電參數(shù)。電參數(shù)選擇的好壞，直接影響加工的各項工藝指標(biāo)。選用電參數(shù)最終目的是為了達(dá)到預(yù)定的加工尺寸和表面粗糙度值要求。一般是根據(jù)電極縮放量確定加工參數(shù)，在控制放電間隙和搖動量中進行加工的。選用加工參數(shù)時，基本上要考慮電極數(shù)目、電極損耗、加工液處理、加工表面粗糙度值要求、電極縮放量、加工面積及加工深度等因素。粗加工選擇的主要依據(jù)是電極縮放尺寸的大小。粗加工電極的縮放尺寸一般都比較大，可以選用其安全間隙接近電極縮放尺寸的電參數(shù)。精加工選擇的主要依據(jù)是最終的表面粗糙度值要求，選用多組電參數(shù)，依次按放電能量從大到小進行搖動加工，達(dá)到表面粗糙度值和加工尺寸的要求。

影響模具電火花加工質(zhì)量的主要因素

模具的加工質(zhì)量主要包括加工精度和電蝕表面的質(zhì)量。由于電火花加工過程中的輸入、輸出參數(shù)多且較為復(fù)雜，影響模具加工精度的工藝因素涉及有機床本身的制造精度、工件的裝夾精度、電極的制造及裝夾精度、電極損耗、放電間隙及加工斜度等諸多方面，其中以電極損耗和放電間隙影響較大。

1.電極損耗對加工精度的影響

在模具電火花加工過程中，脈沖放電會使工具電極受電腐蝕而發(fā)生損耗，因而了解和掌握電極損耗規(guī)律，進而采取多種措施以盡量減少工具電極的損耗，可保證模具具有更高的加工精度。電極損耗常有兩種不同的表現(xiàn)形式。加工模具型腔時，采用電極的體積損耗率來衡量電極的損耗情況，其表達(dá)式為

式中，δ為放電間隙；ti為脈沖寬度；Ie為放電峰值電流；Kδ為與電極、工件材料有關(guān)的系數(shù)。

放電間隙主要決定加工穩(wěn)定性，一般增大脈沖放電間隙時間可提高加工穩(wěn)定性。而提高峰值電流將使生產(chǎn)率提高，但電極損耗將加大。表面變質(zhì)層加深，粗糙度值變大，因而對一般電火花成形機床選Ip=2～4A/cm2，對數(shù)控電火花成形機床Ip＜10A/cm2。

要使放電間隙保持穩(wěn)定，必需使脈沖電源的電參數(shù)保持穩(wěn)定，此外還應(yīng)使機床精度和剛度也保持穩(wěn)定，同時特別注意電蝕產(chǎn)物引起的二次放電對放電間隙的影響。其加工精度與放電間隙的大小是否穩(wěn)定和均勻有關(guān)，間隙越穩(wěn)定，加工精度越高，一般放電間隙誤差應(yīng)控制在0.05δ的范圍內(nèi)。

式中，CV為電極的體積損耗率；VE為電極的體積損耗速度；VW為工件的體積蝕除速度。

而在加工穿孔時，則一般采用長度損耗來衡量電極的損耗情況，表達(dá)式為

式中，CL為工具電極的長度損耗率；hE為電極的長度方向上的損耗尺寸；hW為工件已加工的深度尺寸。

電火花加工時，工具電極的不同部位其損耗情況也是不同的，通常其尖角、棱邊等凸起部位的電場強度高，易形成尖端放電，所以其損耗比平坦部位要快，不均勻的損耗必然導(dǎo)致加工精度的下降。同時電極的損耗還受電極材料的熱學(xué)物理常數(shù)影響。電極材料的熔點、沸點、比熱容、熔化與氣化潛熱越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其耐腐蝕性越好，傳熱能力越強，因而能降低電極的損耗。

2.放電間隙對加工精度的影響

電火花加工模具時，工具電極與工件之間發(fā)生脈沖放電需要保持一定的放電間隙，使加工出的工件型孔尺寸與電極尺寸相比，沿加工輪廓上要相差一個放電間隙。若不考慮電蝕產(chǎn)物引發(fā)的二次放電和電極進給時機械誤差的影響，放電間隙則常用經(jīng)驗公式表示

3.對加工表面粗糙度的影響

模具型腔表面經(jīng)電火花加工后，會存在大量的由脈沖放電時所形成的重疊排列的凹坑，在一定的加工條件下，加工表面粗糙度的經(jīng)驗公式可表達(dá)為

式中，Ra為實測的表面粗糙度評定參數(shù)；KRa為系數(shù)；ti為脈沖寬度；Ie為峰值電流。

電蝕表面的粗糙度評定參數(shù)Ra隨脈沖寬度和電流峰值增大而增大。在一定加工條件時，脈沖寬度和電流峰值增大會使單個脈沖能量增大，使電蝕凹坑的斷面尺寸增大， 因此表面粗糙度值主要取決于單個脈沖能量的大小。要減少Ra，則必須減少單個脈沖的能量。

4.表面變化層對模具表面質(zhì)量的影響

模具經(jīng)電火花加工后的表面將產(chǎn)生包括凝固層和熱影響層的表面變化層。凝固層是工件表層材料在脈沖放電的瞬時高溫作用下發(fā)生熔化而未能拋出，在脈沖放電結(jié)束后迅速冷卻、凝固而保留下來的金屬層，該層金屬晶粒非常細(xì)小，有較強的抗腐蝕能力。

熱影響層位于凝固層與工件基體材料之間，由于受放電點傳來的高溫影響，使材料金相組織發(fā)生變化。在加工過程中由于所選用的電參數(shù)，冷卻條件及工件材料原來的熱處理狀況不同，變化層的硬度變化情況就會不一樣。

表面變化層的厚度與工件材料及脈沖電源的電參數(shù)有關(guān)，隨脈沖能量的增大而增厚，凝固層硬度通常較高。因此，電火花加工后的模具表面耐磨性比普通機械加工要好。

典型案例

圖1所示是某電器蓋的注塑模，模具材料為ASSAB 718HH，加工方法主要是采用電火花加工，加工后在模具A、B處分別出現(xiàn)了凹坑，類似于材料“砂眼”，在50倍放大下在凹坑截面底部明顯發(fā)現(xiàn)厚厚的電火花加工產(chǎn)生的白層和熱影響區(qū)，并伴有大量裂紋，其現(xiàn)象如圖2所示。

圖1

圖2

產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因：在電火花加工過程中電介質(zhì)（一般為煤油）可能不清潔，沒有及時更換；或者放電時產(chǎn)生的雜質(zhì)沒有被有效沖刷，排屑不暢造成此處雜質(zhì)、金屬細(xì)屑積聚、放電所致。解決措施：在加工過種中應(yīng)使用足夠大的機械和離子交換過濾裝置來過濾、及時定期地更換電介質(zhì)、保持良好地沖刷狀態(tài)，能有效防止該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖3所示是某產(chǎn)品包裝盒的模具，模具材料為ASSAB S-136 ESR，加工方法主要是采用電火花加工，模具在使用一定周期后發(fā)生斷裂。對斷裂處通過500倍放大，如圖4所示，產(chǎn)生的主要原因是在裂紋源拐角處表面電火花加工產(chǎn)生的微裂紋和白層沒有完全去除，應(yīng)力集中效應(yīng)造成擴展，直至斷裂。

綜述以上原因，在電火花加工過程中造成表面上缺陷的大小程度，對模具壽命的影響非常大，電火花加工表面越粗糙，產(chǎn)生的白層越厚，并且還有微裂紋存在，模具的壽命就越低。為了有效控制電火花加工帶來的負(fù)面影響，電火花加工過程中要采用多次放電加工，在最后階段采用低電流高頻率放電，在電火花加工完成后及時回火去應(yīng)力，再用油石打磨盡量去除白層。

圖3

結(jié)語

在模具工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的新形勢下，電火花加工技術(shù)已取得了突破性的進展，相信在今后的模具加工中其也必將發(fā)揮重要作用。