型腔的电火花加工

4.1.7　型腔的电火花加工

与机械加工相比，电火花加工的型腔具有加工质量好、表面粗糙度值小、减少了切削加工和手工劳动的工作量，使生产周期缩短等优点。随着电火花加工设备与工艺技术的不断发展和完善，电火花成型加工已成为型腔加工的主要生产加工手段。

与电火花穿孔加工相比较，用电火花加工型腔比加工凹模型孔要困难得多。这主要是由于以下几个原因：

（1）型腔加工的金属蚀除量很大。

（2）型腔加工属于盲孔加工，所以工作液循环困难，电蚀产物排除条件差。

（3）电极损耗不能用增加电极长度和进给来补偿。

（4）加工精度较低，型腔加工的加工面积大，加工过程中要求电规准的调节范围也较大；形状复杂的型腔，其电极损耗不均匀性大，所以加工精度低。

因此，型腔电加工要从设备、电源、工艺等几个方面采取措施来减小或补偿电极损耗，以提高加工精度和生产率。

1．型腔加工的几种常用工艺方法

（1）单电极加工法。单电极加工是指只用一个电极即可完成所需型腔的加工。单电极加工分为单电极直动法和单电极平动法两种类型：

1）单电极直动法。单电极加工法是指在型腔淬火之后，只使用一个电极直接对工件进行精加工，就可以达到型腔的精度要求的电加工方法。

单电极直动法主要应用于已经经过其他加工手段预加工的型腔。

由于电加工基本上属于低效率加工，为了提高模具的生产加工效率，型腔在电加工之前多采用切削加工的方法先进行预加工，将绝大多数的余量预先进行了切除，只留下电火花加工所必需的余量，到电加工工序只进行较小余量的电火花精加工。

单电极加工法一般应用于较简单的小型型腔的电加工。

对型腔的预先加工，一般型腔可用立式铣床来进行，复杂型腔或大型型腔可先用立式铣床去除大部分的加工余量，再用仿形铣床进行精铣。

电加工余量的大小在能保证加工成型要求的前提下越小越好。一般型腔侧面余量单边留0.1～0.5mm，底面余量留0.2～0.7mm。多台阶的复杂型腔，余量应适当减小些，以便在电极损耗较小时就形成所需要的型腔。电加工余量应分布均匀、合理；否则将使电极损耗不均匀，影响成型精度。

2）单电极平动法。所谓单电极平动加工法是指利用机床的平动驱动装置来带动电极实现平面回转运动或移动，完成最终精加工的电加工方法。

所谓平动是指电极相对于工件除了可以在轴向方向上完成正常的进给运动外，还可以沿着径向方向进行移动或转动，如图4-28所示是数控电火花加工机床上常用的典型平动方式，该平动运动是借助于数控机床工作台的微动伺服进给功能来实现的，为了区别于主轴头的轴向进给运动，习惯上把该平动运动称为电极的摇动。慢速均匀的自转可以使电极损耗很均匀，而径向移动可以不断扩大电极加工的区域和范围，达到所需要的展成表面的目的。

图4-28　几种典型的摇动模式

单电极平动法电加工需要机床具有平动功能，如机床具有数控坐标回转或移动工作台来带动工件作平面圆周回转运动或移动，或者机床配备有专门的平动头附件等驱动装置。

平动加工法加工的特点是：型腔可不经过预加工，直接利用电极，先采用低损耗、高生产率的粗规准对型腔进行粗加工，然后启动平动装置来带动电极进行平动回转或移动，同时按粗、中、精的加工顺序逐级转换电规准，并相应加大电极作平面圆周运动的回转半径，将型腔的内腔逐步扩大，直至加工到所需要的尺寸及表面粗糙度要求为止。

（2）多电极加工法。多电极加工法是指轮流采用不同尺寸的电极，依次完成型腔的粗加工和精加工的电加工方法。

如图4-29所示，依次用不同尺寸的三个电极对同一个型腔进行粗规准、中规准和精规准加工，这样，每一次加工的电极尺寸和电规准可以根据各自的加工要求来灵活地设计，可以保证最终得到较高的加工精度。

图4-29　多电极加工示意图

1—凹模模块；2—精加工后的型腔；3—中规准加工后的型腔；4—粗加工后的型腔

多电极加工法的特点是：用多电极加工法加工的型腔精度高，所以该方法尤其适用于加工尖角、窄缝多的型腔。其缺点是需要设计制造多个电极，并且对电极的制造精度要求很高，每次更换电极时，需要保证较高的电极校准定位精度，而且每更换一个电极进行加工，都必须把被加工表面上，由前一道工序所产生的加工误差和电蚀痕迹完全去除。因此，这种方法一般只用于精密型腔的电加工。

（3）分解电极法。分解电极法是指把较复杂的电极分解为主型腔电极和副型腔电极，分别加工型腔的主要部分和其他细节部分的二次加工方法。

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，两电极分别制造，先用主型腔电极加工出型腔的主要部分，再用副型腔电极加工型腔的尖角、窄缝等部位。这种方法能根据主、副型腔的不同加工条件，按照各自的加工特点，选择不同的电规准。有利于提高加工速度和加工质量，并使电极易于制造和修整。

由于分解电极加工法要用不同的电极对同一个型腔的不同部位先后进行电加工，型腔各部的几何形状与相对位置关系要借助于主、副电极加工时的严格的相对位置关系来保证，所以分解电极加工法对主、副型腔电极每一次的安装校正定位精度有较高的要求。

2．成型电极的设计与制造

（1）电极材料的选择。与电火花穿孔加工相同，型腔电加工中，电极材料的选择一般多使用紫铜或石墨。紫铜材料的强度和塑性都比较理想，适合于制造形状复杂、较多尖角和棱角、精度要求较高的塑料成型模、压铸模等轮廓要求清晰的模具，但紫铜的组织紧密，质量大，价格也比较贵，不适合制造大型的电极；而石墨比较轻，也易于加工，大型电极多用石墨来制造，但石墨材料的机械强度较差，不适合于制造带有微细结构的电极。

（2）电极尺寸设计。电极尺寸可分为轴向尺寸和水平尺寸两个方向，加工型腔的电极尺寸与型腔电加工时的放电间隙大小、型腔电加工方法以及电极损耗率等因素有关，电极设计时需综合考虑以上各个因素的影响。

1）电极水平尺寸。电极在垂直于主轴进给方向上的尺寸称为水平尺寸。

当型腔采用单电极进行电火花加工时，电极的水平尺寸只考虑放电间隙的影响，即电极的水平尺寸等于型腔的水平尺寸均匀地缩小一个放电间隙即可。

当型腔采用单电极平动加工时，需考虑的因素较多，除了要考虑放电间隙的影响外，还要将平动调整量从水平尺寸中减掉。一般精加工的放电间隙可控制在0.01～0.03mm范围内，而电极平动调整量要根据机床的具体情况来确定，一般在0.5mm以上。单电极水平尺寸的周边收缩量如图4-30所示。

图4-30　单电极水平尺寸收缩示意图

1—电极；2—型腔

2）电极垂直方向尺寸。电极垂直方向尺寸是指电极在轴线方向上的尺寸。电极在主轴轴线方向上的尺寸情况如图4-31所示。

图4-31　电极垂直方向尺寸

1—电极固定板；2—电极；3—工件

由图可知，电极在垂直方向上的尺寸除了考虑电极在型腔内的工作高度外，还要为电极的轴向损耗的补偿和电极的多次重复使用、修理预留出足够的修正长度，同时还要给夹头或固定板的装夹留出足够的长度。

（3）电极的排气孔和冲油孔。由于型腔电极的截面尺寸较大，型腔的型面结构复杂，加上型腔的盲孔结构，所以，排气和排屑条件比穿孔加工要困难得多，由于排气、排屑不畅会造成二次放电、加工斜度等表面质量问题，严重时会影响到加工稳定性和电加工效率，所以，型腔加工的电极需要很好地解决排气和冲油排屑问题，设计电极时应在电极上设置必要的排气孔和冲油孔。如图4-32所示为设计有强制冲油孔的电极。如图4-33所示为设置有排气孔的电极。

图4-32　电极上的冲油孔

图4-33　电极上的排气孔

一般情况下，冲油孔要设计在难于排屑的拐角、窄缝等处，而排气孔要设计在蚀除面积较大的位置和电极端部有凹入的位置，冲油孔和排气孔的直径一般为l～2mm为宜，过大的孔径容易在电蚀表面留下电加工凸起，不易清除。孔距在20～40mm左右，以工作通道内不产生气体和电蚀产物的滞留积存死角为原则。

（4）石墨电极的镶拼。大型电极多用石墨来制造，而当石墨的坯料尺寸不够大时，可以通过镶拼技术对石墨电极进行拼装。小块的石墨材料可以采用环氧树脂和聚乙烯醇缩醛等黏胶剂进行黏结，也可以用螺栓来进行石墨的拼接。由于石墨较脆，所以不适宜在石墨上攻螺纹。在进行石墨拼接时要注意，同一电极的各个拼块都应该采用同一牌号的石墨材料，并且使其纤维组织的方向要一致，如图4-34所示，以避免因石墨方向不一致而引起的损耗不均匀。

图4-34　石墨电极的正确拼合

3．电极的装夹与校正

在电火花成型加工中，电极在机床主轴上的正确安装以及电极相对于工作台上工件的严格位置是保证高精度地完成电加工的关键，所以，电极在主轴上的正确安装及校正是电加工操作的重要工作。

如果电火花加工采用的是单电极加工法，则电极的装夹比多电极加工法要简单，只需根据电极的结构和尺寸大小选用相应的夹具进行装夹和认真的校正即可。

如果加工采用的是多电极加工，即加工过程中的粗、中、精加工分别使用不同的电极，所采用的多个电极在加工时，电极要进行多次更换和装夹，那么，每次在主轴上安装电极时，电极都必须相对于主轴具有唯一确定的位置，尤其在使用分解电极法时，这一点就更加重要，为此，就需要采用能够进行准确的位置调整的专门夹具来安装电极，以保证电极严格的重复定位精度。如图4-35所示是一种可用于电极精确调整安装的夹具。

图4-35　可精调电极位置的夹具

1—电极；2—接杆柄；3—燕尾划板；4—安装板

需要注意的是，上述电极的定位是指电极相对于主轴的定位，还不包括电极相对于工件的严格位置关系，电极相对于主轴的严格定位，要求主轴夹具上必须具备较准确的定位基准元件，例如定位销、V形槽等定位结构，以便为电极的定位提供位置基准依据。

图4-36为用百分表对电极进行水平校正的示意图。

图4-36　用百分表校正电极

4．工件的定位安装

所谓工件的定位是指当模具坯件在工作台上安装时，必须与已经安装在主轴上的工作电极间有一个严格的相对位置，即工件的所谓“定位”，工件常用的定位方法一般有以下几种方法：

（1）量块、角尺定位法。利用量块和角尺对工件进行安装定位的方法一般应用于具有垂直侧面的电极或工件，工件安装与校正的具体方法如图4-37所示，利用电极的实际尺寸和计算好的量块来确定工件相对于电极的正确位置。

图4-37　用量块和角尺来定位工件

1—工件；2—电极；3—角尺；4—量块

（2）十字线定位法。十字线定位法是指在电极或电极固定板的四个侧面划出十字中心线，同时在工件模坯上也划出十字中心线，校正电极和工件的相对位置时，依靠角尺将电极在模坯上方对应的中心线处进行仔细的校准，如图4-38所示。这种方法的定位精度在很大程度上取决于划线精度和操作技工的校正视觉，所以定位精度较低，只适用于定位精度要求不高的模具。

图4-38　工件的十字线定位法

1—电极；2—工件；3—角尺；4—电极固定板

（3）定位板定位法。定位板定位法是指利用定位板来进行工件的定位，如图4-39所示，在电极固定板的两个相互垂直的侧面上分别安装两块定位基准板，在工件安装定位时将工件上的定位面分别与两定位板贴紧，达到准确定位安装的目的。此法较十字线定位法的定位精度高，但电极固定板上的两块定位基准板相对于工件的预定位置，需要提前用专用的调整块进行精确的调整安装。

图4-39　用定位板定位工件

5．型腔加工电规准的选择

一般粗规准的蚀除能量大，对材料的蚀除速度快、电加工生产率高，但加工表面粗糙度差，不易得到光洁的表面，而精规准的加工精度高，但生产效率低。

（1）不同电规准对型腔加工的影响。与穿孔电加工不同，由于型腔加工的截面积较大，所以要求电规准能量要大，尤其对于粗加工更是这样。影响电极和工件的蚀除量和电加工精度的最主要因素是脉冲宽度t_i和脉冲电流的峰值I_e，另外还受到电极及工件的材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等因素的影响。

1）脉冲电流峰值I_e的影响。脉冲电流的峰值I_e的大小对蚀除量的影响程度曲线如图4-40所示，脉冲的峰值越大，蚀除量越大，电加工的生产效率就越高。当然，蚀除量的另一个重要影响因素脉冲宽度t_i的正确选择也是相当重要的，由图4-41中可以看出，只有在脉冲宽度t_i达到200sμ～500sμ的范围时，大的电流峰值I_e才能够发挥其高效蚀除作用。

图4-40　脉冲电流峰值对生产率的影响

2）脉冲宽度t_i的影响。脉冲宽度除直接影响蚀除量和生产效率外，还直接影响电加工质量。脉冲宽度大，电加工的蚀除量大，生产效率就高。而脉冲宽度影响电加工质量的主要原因是由于电极损耗的影响，因为不同脉冲宽度条件下的电极损耗是不一样的。如图4-41所示，脉冲宽度t_i在100～500s μ的范围内，电极损耗随脉冲宽度的不断增大而减小，而当脉冲宽度超过600s μ时，电极的相对损耗才会明显减小，所以，在电极损耗较大的粗加工中，一般采用较大脉冲宽度的电规准（t_i>500s μ）。

3）脉冲间隔的影响。为确保脉冲电源发出的一串电脉冲在电极和工件间产生一个个间断的火花放电，而不是连续的电弧放电，必须保证前后两个电脉冲之间具有足够的间歇时间，使放电间隙中的电介质充分消除电离状态，迅速恢复放电通道的绝缘性，以避免在同一部位发生连续放电而导致电弧的发生。正常情况下，脉冲间隔应保证达到脉冲宽度的1～4倍，所以脉冲间隔也是十分重要的电参数。

图4-41　脉冲宽度对电极损耗的影响

（2）电规准的选择。根据工件的粗、精加工等不同的加工工序的需要，分别采用粗、中、精三种相应电规准来达到不同的加工要求。

1）粗规准。对粗规准的要求是：粗规准应以高的蚀除速度加工出型腔的基本轮廓，而且电极损耗要尽量小，电蚀表面不能太粗糙，以免精加工的工作量过大。所以，在粗加工中，一般选用较宽的电脉冲（t_i>500sμ）和较大的峰值电流。为了减小电极损耗，采用负极性加工。另外应注意脉冲电流与加工面积间的相应配合关系，一般，在采用石墨电极加工钢时，电流密度取3～5A/cm²为宜；采用纯铜电极加工钢时，电流密度可稍大些。

2）中规准。中规准的作用是减小被加工表面的粗糙度，为后面的精加工作准备。中规准的脉冲宽度一般为t_i=20～400sμ，电流密度要比粗加工时的密度适当减小。

3）精规准。由于精加工的加工余量较小，所以，常采用较窄的脉冲宽度和较小的峰值电流。

在电规准调整时应注意避免发生电弧放电。火花放电与电弧放电的主要区别有以下两点：

① 电弧放电的击穿电压较低，而电火花的击穿电压高。用示波器就可观察到这一点差异。

② 电弧放电的放电爆炸力小，颜色发白，蚀除量低。这是因为电弧放电的放电间隙小，电介质的绝缘恢复不充分，始终在同一部位产生连续而稳定的放电，而火花放电是游走性的非稳定性放电，其放电爆炸力大，放电声音清脆，呈蓝色火花，蚀除量高。