2.7电火花成型穿孔加工工艺应用

时间：2024-10-15 百科知识版权反馈

【摘要】：电火花穿孔成型加工是利用火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法。穿孔加工是相对于型腔加工而言的，有时也把穿孔加工和型腔加工统称为电火花穿孔成型加工。电火花穿孔加工达到配合间隙的方法主要有以下3种配合方法。目前，电火花加工冲模时的单边配合间隙最小可达0.02 mm，甚至达到0.01 mm。这种方法可充分发挥加工端材料好的电火花加工工艺性能，还可达到与直接配合法相同的加工效果。

2.7　电火花成型穿孔加工工艺应用

电火花穿孔成型加工是利用火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法。机床主轴只在垂直方向进给、加工表面是二维直壁等截面的加工工艺，加工出的形状可以是圆孔、方孔或各类型孔。穿孔加工是相对于型腔加工而言的，有时也把穿孔加工和型腔加工统称为电火花穿孔成型加工。

2.7.1　冲模和型腔模的电火花加工

(1)冲模的电火花加工

冲模是生产上应用较多的一种模具。由于形状复杂和尺寸精度要求高，因此，它的制造已成为生产上的关键技术之一。特别是凹模，应用一般的机械加工是困难的，在某些情况下甚至不可能，而靠钳工加工则劳动量大，质量不易保证，还常因淬火变形而报废，采用电火花加工或线切割加工能较好地解决这些问题。冲模采用电火花加工工艺较机械加工工艺有以下优点:

①可在工件淬火后进行加工，避免了热处理变形的影响。

②冲模的配合间隙均匀，刃口耐磨，提高了模具质量。

③不受材料硬度的限制，可加工硬质合金等冲模，扩大了模具材料的选用范围。

④对于中、小型复杂的凹模，可不用镶拼结合，而采用整体式，可简化模具的结构，提高模具强度。

图2.43　凹模电火花加工

冲模电火花加工中，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(见图2.43)，单侧面火花间隙值为S_L，则

式中，火花间隙值S_L主要决定于脉冲参数与机床的精度，只要加工规准选择恰当，保证加工的稳定性，火花间隙值S_L的误差就很小，因此，只要工具电极的尺寸精确，用它加工出的凹模也就比较精确。

配合间隙是冲模的一个很重要质量指标，其大小与均匀性都直接影响冲件的质量及模具的寿命，在加工中必须给予保证。电火花穿孔加工达到配合间隙的方法主要有以下3种配合方法。

1)“钢打钢”“反打正用”直接配合法

此方法是直接用加长的上冲头钢凸模作为电极直接加工凹模，加工时将凹模刃口端朝下形成向上的“喇叭口”，加工后将工件翻过来使“喇叭口”(此喇叭口正好符合刃口斜度，有利于冲模落料)向下作为凹模，电极也倒过来把损耗部分切除或用低熔点合金浇固作为凸模，如图2.44所示为电火花穿孔成型加工直接配合法示意图。

图2.44　电火花穿孔成型加工直接配合法示意图

(a)加工前　(b)加工后　(c)切除损耗部分

配合间隙靠调节脉冲参数，控制火花放电间隙来保证。这样，电火花加工后的凹模就可不用经任何修正而直接与凸模配合。这种方法具有配合间隙均匀、模具质量高、电极制造方便、钳工工作量少等优点。

但这种“钢打钢”时的工具电极和工件都是磁性材料，在直流分量的作用下易产生磁性，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。近年来由于采用了具有附加300 V高压击穿(高低压复合回路)的脉冲电源，情况有了很大改善。目前，电火花加工冲模时的单边配合间隙最小可达0.02 mm，甚至达到0.01 mm。因此，对一般的冲模加工，采用控制电极尺寸和火花间隙的方法可得到广泛的应用。

2)间接配合法

图2.45　电火花穿孔成型加工间接配合法的示意图

这种方法适用于冷冲模具的加工。它首先是将电火花性能良好的电极材料与冲头材料黏结在一起，共同线切割或磨削成型。然后用电极材料与冲头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。这种方法可充分发挥加工端材料好的电火花加工工艺性能，还可达到与直接配合法相同的加工效果。

间接配合法的加工端材料可选用纯铜、铸铁或石墨。必须注意一定要黏结在冲头的非刃口端，才符合“反打正用”的加工原则，如图2.45所示。

3)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，其应用方面有以下两种:

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粗加工段。粗加工时，采用工具电极相对损耗较小、加工速度高的规准加工，粗加工段加工完成后只剩下较小的加工余量，如图2.46(a)所示。精加工段即凸模段，可采用类似于直接成型法的方法实行加工，以达到凸凹模配合的要求，如图2.46(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，用凸模作为精加工是不能实行加工的，则可将凸模加长后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控制，使之加工后符合凸凹模配合的技术要求，如图2.46(c)所示。

图2.46　用阶梯工具加工冲模

图2.47　平动头扩大间隙原理图

除此以外，可根据模具或工件各种不同的尺寸特点和尺寸要求采用双阶梯、多阶梯工具电极。阶梯形的工具电极可以将直柄形的工具电极用“王水”酸洗、腐蚀而成。

随着数控线切割加工机床性能和数控线切割编程技术的不断提高和完善，可很方便地加工出任何配合间隙的冲模和落料模等，而且在有锥度切割功能的线切割机床上还可切割出刃口斜度β和落料角α 。因此，近年来绝大多数凸、凹冲模都已采用线切割加工。

(2)型腔模的电火花加工

型腔模主要包括锻模、压铸模、胶木模、塑料模及挤压模等，也包括一些型腔零件。由于均是盲孔加工、工作液循环和电蚀产物排除条件差，工具电极损耗后无法靠主轴进给补偿精度，金属蚀除量大；加工面积变化大，加工过程中电规准的变化范围也较大；而且型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大，因此，对于型腔模的电火花加工，既要求蚀除量大，加工速度高，同时又要求电极损耗低，并保证所要求的精度和表面粗糙度是很困难的。

根据电火花成型加工的特点，在实际中通常采用单电极直接成型法，单电极平动(摇动)法，多工具电极更换法和分解工具电极加工法等。其中，单电极平动法是应用最广泛的方法。

1)单电极平动法

单电极平动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，然后采用平动使工具电极做圆周或平移运动(见图2.47)，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和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿形修光，完成整个型腔的加工。

如果不采用平动(摇动)加工，如图2.48(a)所示，在用粗加工电极对型腔进行粗加工后，型腔四周侧壁留下很大的放电间隙，且表面粗糙度很差，此时再用精加工规准已无法进行加工，必要时只好更换一个尺寸较大的精加工电极(见图2.48(b))，费时又费钱。如果采用平动(摇动)加工(见图2.48(c)、图2.48(d)、图2.48(e))，只要用一个电极向四周平动，逐步地由粗到精改变电规准，就可较快地加工出型腔来。

图2.48　平动加工的优点

(a)粗加工　(b)更换大电极精加工　(c)粗加工

(d)精加工型腔(左侧)　(e)精加工型腔(右侧)

用平动头单工具电极平动法加工的最大优点是只需一个电极、一次装夹定位，便可达到± 0.05 mm的加工精度，并方便了电蚀产物的排除，使加工过程稳定。其缺点是电极损耗后难以获得高精度的型腔模，特别是难以加工出清棱、清角的型腔；因为平动时，电极上的每个点都按平动头的偏心半径做圆周运动，清角半径由偏心半径决定。此外，电极粗加工中容易引起不平的表面龟裂状的积炭层，影响型腔表面粗糙度。为弥补这一缺点，可采用精度较高的重复定位夹具，将粗加工后的电极取下，经均匀修光后，再重复定位装夹，再用平动头完成型腔的加工，可消除上述缺陷。完成这样一个周期后，随着加工电规准的不断切换，逐渐增大平动值，使型腔最后达到完全修光的目的。

采用数控电火花加工机床时，是利用工作台按一定轨迹做微量移动来修光侧面的，为区别于夹持在主轴头上的平动头的运动，通常将其称为摇动。由于摇动轨迹是靠数控系统产生的，所以具有更灵活多样的模式，除了小圆轨迹运动外，还有方形、十字形运动，因此更能适应复杂形状的侧面修光的需要，尤其可以做到尖角处的“清根”，这是一般平动头无法做到的。

目前我国生产的数控电火花机床，有单轴数控(主轴Z向、垂直方向伺服)、三轴数控(主轴Z向、水平轴X，Y方向伺服)和四轴数控(主轴能数控回转及分度，称为C轴，加Z，X，Y轴)。如果在工作台上加双轴数控回转台附件(绕X轴转动的称A轴，绕Y轴转动的称B轴)，这样就称为六轴数控机床。如果主轴只进行普通旋转运动，没有数控分度功能，则称R轴，此类多轴数控机床可实现近年来出现的用简单电极(如棒状电极)展成法加工复杂表面，它是靠旋转的工具电极(旋转可使电极损耗均匀和促进排屑)和工件间的数控运动及正确的编程来实现的，不必制造复杂的工具电极，就可加工复杂的模具或零件，大大缩短了生产周期和展示出数控技术的“柔性”及适应能力。

如图2.49(a)所示为基本摇动模式，如图2.49(b)所示为工作台变半径圆形摇动，主轴上下数控联动，可以修光或加工出锥面、球面。由此可知，数控电火花加工机床更适合单工具电极法加工。

同时，可利用数控功能加工出以往普通机床难以或不能实现的零件。例如，利用成型电极并切换成侧向(X，Y向)伺服进给可在工件侧面打孔，如图2.49(c)所示；又如，利用简单电极配合侧面(X，Y向)移动、转动、分度等进行多轴控制，可加工坐标孔、复杂曲面、螺旋面、斜齿轮、分度槽等，如图2.49(d)—(h)所示。

图2.49　几种典型的摇动模式和数控加工实例

(a)基本摇动模式　(b)锥度摇动模式　(c)—(h)数控联动加工实例R₁—起始半径；R₂—终了半径；R—球面半径

2)多工具电极更换法

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，采用几个形状相同、尺寸不同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。但多工具电极更换法对工具电极的制造精度有严格的要求，要求多个工具电极尺寸精度的一致性，同时各工具电极间相对位置的尺寸差极为均匀，要求定位装夹精度高，来确保在更换工具电极时的重复定位精度。

3)分解电极法

分解工具电极法是单工具电极平动法和多工具电极更换法的综合应用。它工艺灵活性强，仿形精度高，适用于尖角窄缝、深孔、深槽多的复杂型腔模具加工。

根据型腔的几何形状，把工具电极分解为主型腔电极和副型腔电极，其分别制造和使用。主型腔电极完成去除量大，形状简单的主型腔加工，如图2.50(a)所示；后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位的副型腔，如图2.50(b)所示。

图2.50　分解工具电极加工法示意图

(a)主型腔加工　(b)副型腔加工

此方法的优点是能根据主、副型腔不同的加工条件，选择不同的加工电规准，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。其缺点是主型腔和副型腔间的精确定位较难解决。

近年来，国外已广泛采用像加工中心那样具有电极库的多轴数控电火花机床，事先把复杂型腔分解为简单形状和相应的简单电极，编制好程序。加工过程中，自动更换电极和转换电规准，实现复杂型腔的加工。同时配合一套高精度辅助工具、夹具系统，可大大提高电极的装夹定位精度，使采用分解电极法加工的模具精度大为提高。

2.7.2　电火花成型加工的工具电极设计

(1)电极材料的选择

电火花加工常用电极材料的性能如表2.7所示。凸模一般选优质高碳钢T8A、T10A、铬钢Cr12、GCr15、硬质合金等。应注意，凸、凹模不可选用同一种钢材型号，否则电火花加工时就不易稳定。

表2.7　电火花加工常用电极材料的性能

型腔模首先选择耐蚀性高的电极材料提高加工精度，如铜钨合金、银钨合金以及石墨电极等，但铜钨合金和银钨合金成本高，机械加工比较困难，故采用较少，常用的是纯铜和石墨，其共同特点是宽脉冲粗加工时都能实现低损耗。

(2)电极的设计

电极设计是电火花加工中的关键点之一。在设计中，一是详细分析产品图纸，确定电火花加工位置；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；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。如图2.51所示为经过损耗预测后对电极尺寸和形状进行补偿修正的示意图。

图2.51　电极补偿图

由于凹模的精度主要决定于工具电极的精度，要求工具电极的尺寸精度和表面粗糙度比凹模高一级，一般精度不低于IT7，表面粗糙度R_a小于1.25 μm，且直线度、平面度和平行度在100 mm长度上不大于0.01 mm。工具电极应有足够的长度，要考虑端部损耗后仍有足够的修光长度。若加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极还应适当加长。工具电极的截面轮廓尺寸除考虑配合间隙外，还要考虑比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一个加工时间的火花放电间隙。

(3)电极的水平尺寸

加工型腔模时的工具电极尺寸，一方面与模具的大小、形状、复杂程度有关，另一方面与电极材料、加工电流、深度、余量及间隙等因素有关。当采用平动法加工时，还应考虑所选用的平动量。

与主轴头进给方向垂直的电极尺寸称为水平尺寸，如图2.52所示。计算时，应加入放电间隙和平动量。任何有内、外直角及圆弧的型腔，可用公式确定为

式中　a——电极水平方向的尺寸；

　　　A——型腔图纸上名义尺寸；

　　　K——与型腔尺寸注法有关的系数，直径方向(双边)K＝2，半径方向(单边)K＝1；

　　　b——电极单边缩放量(包括平动头偏心量，一般取0.5～0.9 mm)，b＝s_L＋H_max＋h_max，其中s_L是电火花加工时的表面加工间隙；

　　　H_max——前一电规准加工时表面微观不平度最大值；

　　　h_max——本电规准加工时表面微观不平度最大值。

图2.52　电极水平截面尺寸缩放示意图

1—工具电极；2—工作型腔

图2.53　电极总高度确定说明图

1—夹具；2—电极；3—工件

式(2.9)中的“ ± ”号按缩、放原则确定，如图2.52中，计算a₁用“－”号，计算a₂时用“＋”号。

电极总高度H的确定如图2.53所示，可计算为

式中　H——除装夹部分外的电极总高度；

　　　l——电极每加工一个型腔，在垂直方向的有效高度，包括型腔深度和电极端面损耗量，并扣除端面加工间隙值；

　　　L——考虑到加工结束时，电极夹具不和夹具模块或压板发生接触，以及同一电极需重复使用而增加的高度。

(4)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。工作液的强迫循环(一般冲油压力20 kPa)，电极开孔示意图如图2.54所示。

(5)电极的制造

冲模电极的制造一般是先经普通机械加工，然后再成型磨削。一些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电极以获得广泛的应用。

采用钢凸模淬火后直接作为电极加工钢凹模时，可用线切割或成型磨削磨出。如果凸凹模配合间隙超出电火花加工间隙范围，则作为电极的部分必须在此基础上增大或缩小。可采用化学侵蚀的办法作出一面台阶，均匀减小到尺寸要求，或采用镀铜、镀锌的办法扩大到要求的尺寸。在加工冲模时，尤其是“钢打钢”加工冲模时，为了提高加工速度，常将电极工具的下端用化学腐蚀(酸洗)的方法均匀腐蚀去掉一定厚度，使电极工具成为阶梯形。这样，刚开始加工时可用较小的截面、较大的电规准进行粗加工，等到大部分留量已被蚀除、型孔基本穿透，再用上部较大截面的电极工具进行精加工，保证所需的模具配合间隙。

2.7.3　深小孔和异形孔的电火花加工

电火花高速小孔加工工艺是近年来新发展起来的。出现了专用电极制造商，加工直径为矱0.1～矱4 mm(间隔0.1 mm)小孔的电极。

图2.54　电极开孔示意图

图2.55　电火花高速小孔

加工原理示意图1—管电极；2—导向器；3—工件

电火花高速小孔加工工艺采用中空的管状电极，如图2.55所示。加工时，工具电极做轴向进给运动，管电极中通入1～5 MPa的高压工作液(自来水、去离子水、蒸馏水、乳化液或煤油)，由于高压工作液能迅速将电极产物排除，且能强化火花放电的蚀除作用，加工时电极做回转运动，可使端面损耗均匀，不致受高压、高速工作液的反作用力而偏斜，相反，高压流动的工作液在小孔孔壁按螺旋线轨迹流出孔外，像静压轴承那样，使工具电极管“悬浮”在孔心，不易产生短路，加工速度高，一般小孔加工速度可达20～60 mm/min，比普通钻削小孔的速度还要快。这种方法可加工出直线度和圆柱度很好的小深孔，最适合加工矱0.3～矱3 mm的小孔，且深径比可超过200。小孔加工精度可达± 0.02 mm，孔壁的粗糙度R_a≤0.32 μm。同时，可在斜面和曲面上打孔。这种方法已应用在加工线切割零件的预穿丝孔、喷嘴小孔等。

电火花加工不但能加工圆形小孔，而且能加工多种异形小孔，如图2.56所示为喷丝板异形孔的几种孔形。孔槽宽为0.05～0.12 mm，公差为± 5 μm，槽长公差为± 0.02 mm，孔壁表面粗糙度值R_a应小于0.32 μm。

加工微细而又复杂的异形小孔，与圆形小孔加工基本一样，关键是异形电极的制造，其次是异形电极的装夹和找正。制造异形小孔电极，主要有以下3种方法。

1)冷拔整体电极法

采用电火花线切割加工工艺并配合钳工修磨制成异形电极的硬质合金拉丝模，然后用该模具拉制成异形截面的电极。这种方法效率高，一致性和质量好，用于较大批量生产。冷拔、冷挤压的形和十字形整体电极已在加工化纤纤维喷丝板的专业工厂中广泛使用。