| 第七节 电火花穿孔成形加工 一、 冲模电火花加工：电火花穿孔加工一般应用于冲裁模具加工、粉末冶金模具加工、拉丝模具加工、螺纹加工等。 凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，因此，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1，单边火花间隙值为SL，则 L2=L1+2SL 其中，火花间隙值SL主要取决于脉冲参数与机床的精度。只要加工规准选择恰当，加工稳定，火花间隙值SL的波动范围会很小。因此，只要工具电极的尺寸精确，用它加工出的凹模的尺寸也是比较精确的。 优点：1）可在工件淬火后进行；2）冲模配合间隙均匀；3）不受材料硬度限制；4）可采用整体式结构 用电火花穿孔加工凹模有较多的工艺方法，在实际中应根据加工对象、技术要求等因素灵活地选择。穿孔加工的具体方法简介如下。 a．间接法 间接法是指在模具电火花加工中，凸模与加工凹模用的电极分开制造，首先根据凹模尺寸设计电极，然后制造电极，进行凹模加工，再根据间隙要求来配制凸模。图示为间接法加工凹模的过程。 间接法的优点是： (1) 可以自由选择电极材料，电加工性能好。 (2) 因为凸模是根据凹模另外进行配制，所以凸模和凹模的配合间隙与放电间隙无关。 间接法的缺点是：电极与凸模分开制造，配合间隙难以保证均匀。 b．直接法 直接法适合于加工冲模，是指将凸模长度适当增加，先作为电极加工凹模，然后将端部损耗的部分去除直接成为凸模(具体过程如图所示)。直接法加工的凹模与凸模的配合间隙靠调节脉冲参数、控制火花放电间隙来保证。 直接法的优点是： (1) 可以获得均匀的配合间隙、模具质量高。 (2) 无须另外制作电极。 (3) 无须修配工作，生产率较高。 直接法的缺点是： (1) 电极材料不能自由选择，工具电极和工件都是磁性材料，易产生磁性，电蚀下来的金属屑 可能被吸附在电极放电间隙的磁场中而形成不稳定的二次放电，使加工过程很不稳定，故电火花加工性能较差。 (2) 电极和冲头连在一起，尺寸较长，磨削时较困难。 C. 混合法 混合法也适用于加工冲模，是指将电火花加工性能良好的电极材料与冲头材料粘结在一起，共同用线切割或磨削成型，然后用电火花性能好的一端作为加工端，将工件反置固定，用“反打正用”的方法实行加工。这种方法不仅可以充分发挥加工端材料好的电火花加工工艺性能，还可以达到与直接法相同的加工效果(如图所示)。 混合法的特点是： (1) 可以自由选择电极材料，电加工性能好。 (2) 无须另外制作电极。 (3) 无须修配工作，生产率较高。 (4) 电极一定要粘结在冲头的非刃口端 (1) 无预孔或加工余量较大时，可以将工具电极制作为阶梯状，将工具电极分为两段，即缩小了尺寸的粗加工段和保持凸模尺寸的精加工段。粗加工时，采用工具电极相对损耗小、加工速度高的电规准加工，粗加工段加工完成后只剩下较小的加工余量(如图6(a)所示)。精加工段即凸模段，可采用类似于直接法的方法进行加工，以达到凸凹模配合的技术要求(如图6(b)所示)。 (2) 在加工小间隙、无间隙的冷冲模具时，配合间隙小于最小的电火花加工放电间隙，用凸模作为精加工段是不能实现加工的，则可将凸模加长后，再加工或腐蚀成阶梯状，使阶梯的精加工段与凸模有均匀的尺寸差，通过加工规准对放电间隙尺寸的控制，使加工后符合凸凹模配合的技术要求(如图6(c)所示)。 d. 阶梯工具电极加工法 阶梯工具电极加工法在冷冲模具电火花成型加工中极为普遍。其应用方面有两种： (1) 无预孔或加工余量较大时，可以将工具电极制作为阶梯状，将工具电极分为两段，即缩小 了尺寸的粗加工段和保持凸模尺寸的精加工段。粗加工时，采用工具电极相对损耗小、加工速度高的电规准加工，粗加工段加工完成后只剩下较小的加工余量。精加工段即凸模段，可采用类似于直接法的方法进行加工，以达到凸凹模配合的技术要求。 (2) 在加工小间隙、无间隙的冷冲模具时，配合间隙小于最小的电火花加工放电间隙，用凸模作为精加工段是不能实现加工的，则可将凸模加长后，再加工或腐蚀成阶梯状，使阶梯的精加工段与凸模有均匀的尺寸差，通过加工规准对放电间隙尺寸的控制，使加工后符合凸凹模配合的技术要求。 除此以外，可根据模具或工件不同的尺寸特点和尺寸，要求采用双阶梯或多阶梯工具电极。阶梯形的工具电极可以由直柄形的工具电极用“王水”酸洗、腐蚀而成。机床操作人员应根据模具工件的技术要求和电火花加工的工艺常识，灵活运用阶梯工具电极的技术，充分发挥穿孔电火花加工工艺的潜力，完善其工艺技术。 二、型腔电火花加工 电火花成型加工和穿孔加工相比有下列特点： (1) 电火花成型加工为盲孔加工，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差。 (2) 型腔多由球面、锥面、曲面组成，且在一个型腔内常有各种圆角、凸台或凹槽，有深有浅，还有各种形状的曲面相接，轮廓形状不同，结构复杂。这就使得加工中电极的长度和型面损耗不一，故损耗规律复杂，且电极的损耗不可能由进给实现补偿，因此型腔加工的电极损耗较难进行补偿。 (3) 材料去除量大，表面粗糙度要求严格。 (4) 加工面积变化大，要求电规准的调节范围相应也大。 1、电火花成型加工方法： （1）. 单工具电极直接成型法(如下所示) 单工具电极直接成型法是指采用同一个工具电极完成模具型腔的粗、中及精加工。 对普通的电火花机床，在加工过程中先用无损耗或低损耗电规准进行粗加工，然后采用平动头使工具电极做圆周平移运动，按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准，进行侧面平动修整加工。在加工过程中，借助平动头逐渐加大工具电极的偏心量，可以补偿前后两个加工电规准之间放电间隙的差值，这样就可完成整个型腔的加工。 单电极平动法加工时，工具电极只需一次装夹定位，避免了因反复装夹带来的定位误差。但对于棱角要求高的型腔，加工精度就难以保证。 如果加工中使用的是数控电火花机床，则不需要平动头，可利用工作台按照一定轨迹做微量移动来修光侧面。 （2）. 多电极更换法 对早期的非数控电火花机床，为了加工出高质量的工件，多采用多电极更换法。 多电极更换法是指根据一个型腔在粗、中、精加工中放电间隙各不相同的特点，采用几个不同尺寸的工具电极完成一个型腔的粗、中、精加工。在加工时首先用粗加工电极蚀除大量金属，然后更换电极进行中、精加工；对于加工精度高的型腔，往往需要较多的电极来精修型腔。多电极更换加工法的优点是仿型精度高，尤其适用于尖角、窄缝多的型腔模加工。它的缺点是需要制造多个电极，并且对电极的重复制造精度要求很高。另外，在加工过程中，电极的依次更换需要有一定的重复定位精度。 （3）．分解电极加工法 分解电极加工法是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，分别制造。先用主型腔电极加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位的副型腔。此方法的优点是能根据主、副型腔不同的加工条件，选择不同的加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量，同时还可简化电极制造，便于电极修整。缺点是主型腔和副型腔间的精确定位较难解决。 近年来，国内外广泛应用具有电极库的数控电火花机床，事先将复杂型腔面分解为若干个简单型腔和相应的电极，编制好程序，在加工过程中自动更换电极和加工规准，实现复杂型腔的加工。 （4）．手动侧壁修光法 这种方法主要应用于没有平动头的非数控电火花加工机床。具体方法是利用移动工作台的X和Y坐标，配合转换加工规准，轮流修光各方向的侧壁。 在使用手动侧壁修光法时必须注意： (i) 各方向侧壁的修整必须同时依次进行，不可先将一个侧壁完全修光后，再修光另一个侧壁，避免二次放电将已修好的侧壁损伤。 (ii) 在修光一个周期后，应仔细测量型腔尺寸，观察型腔表面粗糙度，然后决定是否更换电加工规准，进行下一周期的修光。 这种加工方法的优点是可以采用单电极完成一个型腔的全部加工过程；缺点是操作烦琐，尤其在单面修光侧壁时，加工很难稳定，不易采取冲油措施，延长了中、精加工的周期，而且无法修整圆形轮廓的型腔。 2 型腔加工用工具电极 （1.） 电极材料选择 从理论上讲，任何导电材料都可以做电极。但由第三章所述，不同的材料做电极对于电火花加工速度、加工质量、电极损耗、加工稳定性有重要的影响。因此，在实际加工中，应综合考虑各个方面的因素，选择最合适的材料做电极。 目前常用的电极材料有紫铜(纯铜)、黄铜、钢、石墨、铸铁、银钨合金、铜钨合金等。 这些材料的性能如表1所示。 1) 铸铁电极的特点 (1) 来源充足，价格低廉，机械加工性能好，便于采用成型磨削，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。 (2) 电极损耗和加工稳定性均较一般，容易起弧，生产率也不及铜电极。 (3) 是一种较常用的电极材料，多用于穿孔加工。 2) 钢电极的特点 (1) 来源丰富，价格便宜，具有良好的机械加工性能。 (2) 加工稳定性较差，电极损耗较大，生产率也较低。 (3) 多用于一般的穿孔加工。 3) 紫铜(纯铜)电极的特点 (1) 加工过程中稳定性好，生产率高。 (2) 精加工时比石墨电极损耗小。 (3) 易于加工成精密、微细的花纹，采用精密加工时能达到优于1.25 μm的表面粗糙度。 (4) 因其韧性大，故机械加工性能差，磨削加工困难。 (5) 适宜于做电火花成型加工的精加工电极材料。 4) 黄铜电极的特点 (1) 在加工过程中稳定性好，生产率高。 (2) 机械加工性能尚好，它可用仿形刨加工，也可用成型磨削加工，但其磨削性能不如钢和铸 铁。 (3) 电极损耗最大。 5) 石墨电极的特点 (1) 机加工成型容易，容易修正。 (2) 加工稳定性能较好，生产率高，在长脉宽、大电流加工时电极损耗小。 (3) 机械强度差，尖角处易崩裂。 (4) 适用于做电火花成型加工的粗加工电极材料。因为石墨的热胀系数小，也可作为穿孔加工 的大电极材料。 (2.) 电极设计 电极设计是电火花加工中的关键点之一。在设计中，首先是详细分析产品图纸，确定电火花加工位置；第二是根据现有设备、材料、拟采用的加工工艺等具体情况确定电极的结构形式；第三是根据不同的电极损耗、放电间隙等工艺要求对照型腔尺寸进行缩放，同时要考虑工具电极各部位投入放电加工的先后顺序不同，工具电极上各点的总加工时间和损耗不同，同一电极上端角、边和面上的损耗值不同等因素来适当补偿电极。 1) 电极的结构形式 电极的结构形式可根据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。常用的电极结构形式如下： a 整体电极。整体式电极由一整块材料制成。若电极尺寸较大，则在内部设置减轻孔及多个冲油孔。对于穿孔加工，有时为了提高生产率和加工精度及降低表面粗糙度，常采用阶梯式整体电极，即在原有的电极上适当增长，而增长部分的截面尺寸均匀减小，呈阶梯形。 (2) 组合电极。组合电极是将若干个小电极组装在电极固定板上，可一次性同时完成多个成型表面电火花加工的电极。采用组合电极加工时，生产率高，各型孔之间的位置精度也较准确。但是对组合电极来说，一定要保证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。 (3) 镶拼式电极。镶拼式电极是将形状复杂而制造困难的电极分成几块来加工，然后再镶拼成整体的电极。这样即可保证电极的制造精度，得到尖锐的凹角，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。 2) 电极的尺寸 电极的尺寸包括垂直尺寸和水平尺寸，它们的公差是型腔相应部分公差的1/2～2/3。 (a) 垂直尺寸。电极平行于机床主轴线方向上的尺寸称为电极的垂直尺寸。电极的垂直尺寸取决于采用的加工方法、加工工件的结构形式、加工深度、电极材料、型孔的复杂程度、装夹形式、使用次数、电极定位校直、电极制造工艺等一系列因素。 (b) 水平尺寸。电极的水平尺寸是指与机床主轴轴线相垂直的横截面尺寸 电极的水平尺寸可用下式确定： a=A±Kb 式中：a——电极水平方向的尺寸； A——型腔的水平方向的尺寸； K——与型腔尺寸标注法有关的系数； b——电极单边缩放量，粗加工时 a=A±Kb中的±号和K值的具体含义如下： (i) 凡图样上型腔凸出部分，其相对应的电极凹入部分的尺寸应放大，即用“+”号；反之，凡图样上型腔凹入部分，其相对应的电极凸出部分的尺寸应缩小，即用“-”号。 (ii) K值的选择原则：当图中型腔尺寸完全标注在边界上(即相当于直径方向尺寸或两边界都为定形边界)时，K取2；一端以中心线或非边界线为基准(即相当于半径方向尺寸或一端边界定形另一端边界定位)时，K取1；对于图中型腔中心线之间的位置尺寸(即两边界为定位尺寸)以及角度值和某些特殊尺寸，电极上相对应的尺寸不增不减，K取0。对于圆弧半径，亦按上述原则确定。 （C) 电极的排气孔和冲油孔 电火花成型加工时，型腔一般均为盲孔，排气、排屑条件较为困难，这直接影响加工效率与稳定性，精加工时还会影响加工表面粗糙度。为改善排气、排屑条件，大、中型腔加工电极都设计有排气、冲油孔。一般情况下，开孔的位置应尽量保证冲液均匀和气体易于排出。 三、小孔电火花加工： 加工面积小；为盲孔加工，排屑困难。加工时工具电极做轴向进给运动。电极选择刚性好，容易矫直加工稳定性好和损耗小的材料。采用电磁振动头改善排屑条件。 四、小深孔告诉电火花加工 采用中空管状电极，管中通过高压工作液带走电蚀产物；电极做回转运动，时端面损耗均匀。 五、异型小孔的电火花加工 关键是异型电极的制造和电极的装夹。制造电极主要方法为冷拔整体电极，电火花切割整体电极法；电火花切割整体电极法。 简单介绍以下加工方法： 一、电火花小孔磨削 电火花磨削可在穿孔、成形机床上附加磨头实现，工具电极做旋转运动。 二、电火花铲磨硬质合金小模数齿轮滚刀 三、电火花共轭同步回转加工螺纹 四、电火花双轴回转展成法磨削凹凸球面、球头 五、聚晶金刚石高阻抗材料的电火花加工 六、电火花表面强化、刻字 |