0923张守军电加工和高速加工在模具制造中的应用

收稿日期：作者简介：张勋杰（1961～），男，本科，从事塑料机械研究与应用加工开发工作。联系地址：新疆石河子市开发区天业节水公司滴灌车间邮政编码：832000联系电话：[phone]E-mail:[e-mail]电加工/高速加工在模具制造中的应用张勋杰（新疆天业节水灌溉股份有限公司新疆石河子832000）摘要：随着现代模具制造技术的发展，电加工与高速切削加工技术越来越紧密的结合，本文重点阐述电加工和高速切削加工在模具加工方面的应用，并对两种加工方法进行了比较，指出电加工和高速切削加工是互补的，又形成一种竞争。关键词：高速切削；电加工；模具制造ApplicationofEDMandhighspeedprocessinginmouldmanufactureZhangXunjie(XinjiangTianyeWaterSavingGroupXinjiangShihezi832000)Abstract:withthedevelopmentofmodernmoldmanufacturingtechnology,combinedwithelectricalandhighspeedcuttingprocessingtechnologyismoreandmoreclose,thisarticlefocusesontheapplicationofEDMandhighspeedcuttingprocessinginmouldprocessing,andtwokindsofprocessingmethodswerecompared,andpointsoutthatthemachiningandhighspeedmachiningiscomplementary,andformakindofcompetition.Keywords:highspeedcutting;EDM;moldmanufacturing前言模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工产品的质量和经济效益。世界各国都在不断研究和开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构等措施，来稳定和提高模具的使用寿命，防止模具的早期失效。但是除了正确进行模具设计、采用合理模具结构外，还必须有高质量的制造技术作为保证。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一。模具是一种专用工具，用于成型各种金属或非金属材料所需要零件的形状制品，是制造业的一种基础工艺装备，是实现少切削和无切削的不可缺少的工具。由于模具的广泛应用，与之相关的模具制造技术也有着很大的发展，其中电加工和高速切削加工是模具成形加工中的两大主力。目前，采用高速切削加工生产模具已经成为模具制造的大趋势，在国外，一些模具生产厂家，高速加工机床正在大量取代电火花机床，随着高速加工技术的迅猛发展，其发展趋势是否能完全替代电加工技术，本文针对这两种加工方法各自的特点进行了比较和阐述。1、电加工1.1、电加工的特征电加工是利用放电产生的瞬时高温将与电极相对的工件表面熔化，甚至汽化，逐渐蚀除材料，达到加工目的。在常规机械加工十分困难的超硬材料的加工中，具有很大的技术优势。适用于无法采用刀具切削或切削加工十分困难的高熔点、高硬度、高强度、高韧性材料及形状复杂工件的加工。工具电极和工件在加工过程中不接触，保证了较好的加工状态。适宜于加工弱刚度、薄壁工件的复杂外型，有利于实现微细加工。直接利用电能、热能进行加工，易于实现加工过程的自动控制及无人化操作。加工精度高，由于切削力小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，可保持尺寸的精确性；由于刀具与工件间存在的间隙，使切削破坏层变薄，可实现高精度、低粗糙度加工。1.2、电加工在模具中的应用目前，电加工的精度已达到2μm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3μm，这对诸如IC引线框架模等精密模具的加工具有十分重要的意义。随着大锥度（已可达到±(30°～40°），有的甚至能作90°的切割）和大厚度（已有可切割1m厚度的机床）加工方面的技术进展，以及自动穿丝、自动定位等技术的进步，电加工在挤出模及冲压模制造中充分发挥了它的优势。精密电加工与研磨、抛光相结合的加工方式，在模具加工中正在不断发展。对导致模具失效的因素进行分析可知，模具的表面强化质量是发挥模具材料潜力、提高模具使用寿命的关键。电加工改性技术在模具表面有着很大的应用，为改进模具表面的质量，利用电加工脉冲放电产生高温的工作原理，用硬质合金做电极材料，将硬质合金材料熔渗进模具工作面上，形成一层高硬度、高强度、高耐磨、耐高温、又不易剥离的硬质白色合金强化层，改变模具工作表面的物理、化学和力学性能。该项技术是对模具进行表面处理非常有效的方法。电火花强化层是电极和工件材料在放电瞬间的高温高压条件下重新合金化而形成的新合金层，而不是电极材料简单的涂覆和堆积。合金层与基体金属之间具有氮元素等的扩散层，与基体结合牢固，极耐冲击。强化处理时，由于放电时间很短，放电点的面积又很小，放电的热作用只发生在工件表面的微小区域，而整个工件仍处于室温状态或升温较低，工件处于冷态，时间短，不会产生退火或热变形。电加工改性既可以作用在零件的局部表面，也可对一般几何形状的平面或曲面进行改性；而且，电极材料可以根据用途自由选择，可选用碳元素、紫铜、黄铜等材料作为电极修复已磨损的模具或微量修补模具磨损表面。这样不仅能提高产品表面硬度、耐磨性及红硬性等性能，恢复磨损模具的使用性能，又能大大减少新模具贵重材料的消耗，降低生产或维修成本。随着模具工业的发展，数控电加工技术已取得了突破性的进展，高效、精密、数控低速慢走丝电火花线切割机床、精密数控电火花成形机床、电火花铣削等许多高新技术的模具加工设备应运而生。数控低速慢走丝电火花线切割主要用于精密、高效、长寿命冲压模的加工制造，尤其是模具中关键部位的硬质合金型孔加工更是慢走丝电火花线切割的“用武之地”。而在冲压模的加工方面，慢走丝电火花线切割可谓独树一帜，近几年来，随着窄脉宽高峰值电流脉冲电源的开发，其最大峰值电流≥1200A，高峰值电流与其它条件配合(各种控制方式、供液条件、复合电极丝等），可使最大工效率达到400～500mm2/min。另外，双丝精密数控线切割机床可进行电极丝自动交换，实现粗加工用粗丝，精加工用细丝，这可大幅度提高平均加工效率，还可以实现精密加工。若在加工中遇到不同的加工截面，随着加工截面的变化，通过自动检测，根据截面的变化自动控制加工能量，使加工效率自始至终保持最佳状态，这是提高变截面加工效率的有效方法。这些技术的运用，都导致了数控慢走丝电加工效率的提高。慢走丝电加工表面质量是模具精密加工领域的关键技术。加工表面质量除表面粗糙度和几何形貌(尺寸精度）外，还涉及两个方面。一是慢走丝电加工表层的化学、物理、力学性能，主要包括表层金相组织、表层的显微硬度、残余应力及宏观和微观裂纹等，即“表面变质层”这个问题。二是由于慢走丝电加工采用水质工作液，在脉冲电源的作用下产生的电化学反应在工件表面形成的表面“软化层”，也称“表面变质层”。这2个“变质层”的特性直接影响模具耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度和使用寿命。在保持相同的加工效率，放电能量相同的原则下，采取压缩放电时间和增大峰值电流以优化脉冲能量的方法，可以使表面质量得到很大改善，也就是采用优化放电能量的新型电源。慢走丝电加工的硬质合金模具寿命可达到机械磨削加工得到的模具寿命水平。改善工件的加工精度方面，采取了精密机床的结构，采取了类似三坐标测量机的3点吸振支撑结构，各轴的运动不影响其它轴的精度；各运动轴采用直线光栅尺与编码器双测量反馈伺服系统，其位置检测控制精度达到0.1μm。另外，机床上所有的发热源都安装了温度传感器，具有循环气冷、水冷或热隔离结构，消除了温升对机床精度的影响。由于解决了加工表面质量问题，且在加工效率、加工精度等方面的一系列技术进步，使慢走丝电火花线切割的加工有了质的飞跃。微细电加工和电火花高速精微小孔加工机床以其独特的优越性而呈现广阔的应用前景，在今后的模具加工中的作用将逐渐增大。微进给机构和电火花微细加工伺服系统及微型传感器的研制、细小电极的制作、微小型电加工状态检测等，都使微细电加工的应用拓宽。中国生产的D703型数控高速电火花小孔加工机床的工艺指标已达到国际先进水平，加工的小孔深径比已超过1000﹕1，可加工不锈钢、硬质合金、铜、铝等各种导电难加工材料，可直接从斜面和曲面上打孔以及直接使用自来水作为工作液等特点，且其最高加工速度可达60mm/min。另外，利用放电加工法还可以用来加工模具内部的曲线孔。2、高速切削加工2.1、高速切削加工的优点1931年德国物理学家Salomon提出高速切削（HSC）理论，经历了理论探索，应用研究，初步应用和较成熟应用等4个阶段，已日趋成熟。目前在我国正处于推广应用阶段。高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工，因此，有时也称为超高速切削(Ultra—HighSpeedMachi-ning）。其加工优势是：在采用高速切削加工时，随着加工速度的大幅度提高，进给速度也相应地提高。这样，单位时间内的材料切除率大大增加，可达到常规切削的3～6倍，甚至更高，极大地提高了生产率，由此加工时间的大大缩短，整个加工成本也有所降低。能获得较高的加工精度，由于切削速度高，剪切变形区窄，剪切角增大，变形系数减少，且在加工速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，有利于零件的切削加工，尤其是径向切削力的大幅度减少，这更有利于薄壁零件的切削加工。在高速切削时，95%～98%以上的切削热来不及传给工件就被切屑带走，工件基本上保持冷态，因而特别适合于切削加工容易产生热变形的零件。高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床——刀具——工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳，振动小，因而能够加工出非常精密、光洁的零件，甚至可以省去精加工工序。能加工各种难加工材料，特别适用于模具的加工。2.2、高速切削关键技术高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展的结果。高速切削主要包括以下几方面的关键技术。高速切削机床性能良好的机床是实现模具高速切削的前提和关键，高精度的高速主轴和高速进给系统则是高速切削机床技术的关键所在。机床高速主轴是高速切削机床的核心部件，它决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前，高速切削加工中心中的主轴转速一般都大于10000r/min，如加工表壳模具时，转速达到40000r/min，有的高达60000～100000r/min，约为普通机床的10倍。高速切削刀具技术在对模具型腔进行高速切削的情况下，要保证加工刀具的结构在高速旋转状态下的动平衡和刀具寿命。为达到这一目的，必须采用带有动平衡装置的刀具，即在刀套表面安装机械滑块或采用流体动平衡设计，或采用整体刀具形式，确保刀体与刀套的安装间隙最小。同时高速切削刀具的材料必须具有较长的使用寿命，一般使用高硬度、高强度、高韧度以及好的化学稳定性等性能的刀具材料。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金刚石（PCD）材料等。加工模具型腔过程中所用的高速切削刀具有：直径为φ0.8mm的球面铣刀、直径为φ0.5mm的标准球面铣刀、直径为φ0.3mm的标准球头铣刀等等。高速切削加工工艺在高速切削加工过程中，为了缩短加工时间、延长刀具的使用寿命、提高加工质量，满足一定的加工工艺要求，一般采取(3+2）轴加工方式。刀具与加工表面法向夹角为100°～300°顺铣，在这种方式下，切削过程的工艺性比较稳定。另外，要求每齿进给量尽可能保持稳定。半精加工时，常通过优化了的加密行间距，尽可能为精加工提供均匀的加工余量。在整个精加工过程中，一般遵循不换刀的原则，以保证加工精度。由于不同型面过渡区的圆弧半径较小，加工刀具的半径必须等于或小于过渡圆弧半径。2.3、高速切削加工模具的优势与模具的传统加工方式