第11讲 电火花成形加工

1第11讲电火花成形加工教学目标：掌握电火花加工型孔和型腔的电极设计与制造；掌握电规准的选择与转换；知识点：电极的设计与制造，电规准的选择；一、凹模型孔的电火花加工采用电火花加工，对于型孔复杂的凹模，可以不用镶拼结构，而采用整体结构，这样既节约模具设计和制造工时，又能提高凹模强度。用电火花加工的冲模，容易获得均匀的配合间隙和所需的落料斜度，刃口平直耐磨，可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。但加工中电极的损耗影响加工精度，难以达到小的表面粗糙度，要获得小的棱边和尖角也比较困难。21.保证凸、凹模配合间隙的方法冷冲模的配合间隙是一个很重要的技术指标，在电火花加工中，常用的保证配合间隙要求的工艺方法有以下几种。(1)直接配合法（工艺简单，电加工性差）直接配合法是用加长的钢凸模作电极加工凹模的型孔，加工后将凸模上的损耗部分去除。凸、凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。用这种方法可以获得均匀的配合间隙，模具质量高，另外制造电极，工艺简单。但是，用钢凸模作电极，加工速度低，在直流分量的作用下易磁化，使电蚀产物被吸附在电极放电间隙的磁场中形成不稳定的二次放电。此方法适用于形状复杂的凹模或多型孔凹模，如电动机定子、转子矽钢片冲模等。放电间隙等于模具间隙时，加长凸模直接作电极；放电间隙小于模具间隙时，电极需电镀；反之，电极需腐蚀。3(2)混合法（工艺简单，电加工性好）将凸模的加长部分选用与凸模不同的材料，如铸铁等粘接或钎焊在凸模上，与凸模一起加工，以粘接或钎焊部分作穿孔电极的工作部分。加工后，再将电极部分去除。此方法电极材料可选择，因此，电加工性能比直接配合法好；电极与凸模连接在一起加工，电极形状、尺寸与凸模一致，加工后凸、凹模配合间隙均匀。是一种使用较广泛的方法。(3)凸模修配法（修配工作量大，电加工性好）凸模和工具电极分别制造，在凸模上留一定的修配余量，按电火花加工好的凹模型孔修配凸模，达到所要求的凸、凹模的配合间隙。这种方法的优点是电极可以选用电加工性能好的电极材料。缺点是增加了制造电极和钳工修配的工作量，而且不易得到均匀的配合间隙。故修配凸模法只适合于加工形状比较简单的冲模。4(4)二次电极法（硬质合金，无成型磨情况下）利用一次电极制造出二次电极，再分别用一次和二次电极加工出凹模和凸模，并保证凸、凹模配合间隙。图4.6二次电极法(a)加工凹模；(b)制造二次电极；(c)加工凸模；(d)凸、凹模配合1—一次电极；2—凹模；3—二次电极；4—凸模用二次电极法加工，操作过程较为复杂，不常采用。但此法能合理调整放电间隙δ1、δ2、δ3，可加工无间隙或间隙极小的精冲模。对于硬质合金模具，在无成型磨削设备时可采用二次电极法加工凸模。由于电火花加工要产生加工斜度，型孔加工后其孔壁要产生倾斜，为防止型孔的工作部分产生反向斜度影响模具正常工作，在穿孔加工时应将凹模的底面向上，如图4.6(a)所示。加工后将凸模、凹模按照图4.6(d)所示方式进行装配。52.电极设计凹模型孔的加工精度与电极的精度和穿孔时的工艺条件密切相关。为了保证型孔的加工精度，在设计电极时必须合理选择电极材料和确定电极尺寸。此外，还要使电极在结构上便于制造和安装。(1)电极材料根据电火花加工原理，可以说任何导电材料都可以用来制作电极。但在生产中应选择损耗小、加工过程稳定、生产率高、机械加工性能良好、来源丰富、价格低廉的材料作电极材料。石墨：稳定性好、损耗小，强度较差，易崩角。紫铜：稳定性好、损耗较小，不能磨削。黄铜：稳定性好、损耗大。钢：稳定性差、损耗中等。6(2)电极结构电极的结构形式应根据电极外形尺寸的大小与复杂程度、电极的结构工艺性等因素综合考虑。①整体式电极②组合式电极整体式电极是用一块整体材料加工而成，是最常用的结构形式。对于横断面积及重量较大的电极，可在电极上开孔以减轻电极重量，但孔不能开通，孔口应朝上。在同一凹模上有多个型孔时，某些情况下可以把多个电极组合在一起，一次穿孔可完成各型孔的加工，这种电极称为组合电极，如图所示。各型孔间的位置精度，取决于各电极的位置精度。7③镶拼式电极对于形状复杂的电极整体加工有困难时，常将其分成几块，分别加工后再镶拼成整体，这样既节省材料又便于电极制造。电极不论采用哪种结构都应有足够的刚度，以利于提高加工过程的稳定性。对于体积小、易变形的电极，可将电极工作部分以外的截面尺寸增大以提高刚度。对于体积较大的电极，要尽可能减轻电极的重量，以减小机床的变形。电极与主轴连接后，其重心应位于主轴中心线上，这对于较重的电极尤为重要，否则会产生附加偏心力矩，使电极轴线偏斜，影响模具的加工精度。8(3)电极尺寸图4.9按型孔尺寸计算电极横截面尺寸1—型孔轮廓；2—电极横截面①电极横截面尺寸的确定垂直于电极进给方向的电极截面尺寸称为电极的横截面尺寸。在凸、凹模图样上的公差有不同的标注方法：当凸模与凹模分开加工时，在凸、凹模图样上均标注公差；当凸模与凹模配合加工时，落料模将公差注在凹模上，冲孔模将公差注在凸模上，另一个只注基本尺寸。截面的尺寸公差取凹模刃口相应尺寸公差的1/2~2/3，按入体原则标注。电极截面尺寸分别按下述两种情况计算。当按凹模型孔尺寸及公差确定横截面尺寸时，则电极的轮廓应比型孔均匀地缩小一个放电间隙值。电极尺寸与型孔尺寸相对应的尺寸为：a=A-2δb=B+2δc=Cr1=R1+δr2=R2-δδ——单边放电间隙9电极以凸模为基准时：Z=2δ，配合间隙等于放电间隙，电极与凸模尺寸相同。Z2δ，配合间隙小于放电间隙，电极比凸模尺寸均匀缩小。可用酸腐蚀电极。Z2δ，配合间隙大于放电间隙，电极比凸模尺寸均匀扩大。可电镀电极。电极缩小或放大的数值可按下式计算②电极长度尺寸的确定。电极的长度取决于凹模结构形式、型孔的复杂程度、电极使用次数、装夹形式及电极制造工艺等一系列因素。10电极长度计算：L＝Kt+h+l+(0.4~0.8)(n-1)Kt式中：t——凹模有效厚度(电火花加工的深度)，mm；h——当凹模下部挖空时，电极需要加长的长度，mm；l——为夹持电极而增加的长度(约为10mm~20mm)；n——电极的使用次数；K——与电极材料、型孔复杂程度等因素有关的系数。K值选用的经验数据：紫铜为2~2.5，黄铜为3~3.5，石墨为1.7~2，铸铁为2.5~3，钢为3~3.5。当电极材料损耗小、型孔简单、电极轮廓无尖角，K值取小值；反之取大值。11若加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极长度应适当加长些，但其总长度不宜超过120mm，太长会带来制造上的困难。在生产中为了减少脉冲参数的转换次数，简化操作，有时将电极适当增长，并将增长部分的截面尺寸均匀地缩小，做成阶梯状，成为阶梯电极，如图所示。阶梯部分的长度L，一般取凹模加工厚度的1.5倍左右，阶梯部分的均匀缩小量h1=0.10mm~0.15mm。对阶梯部分不便进行切削加工的电极，常用化学浸蚀方法将断面尺寸均匀缩小。阶梯电极的加工原理是利用前端加长部分进行粗加工，只留很少余量给后部进行精加工。123、电规准的选择与转换电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准。电规准应根据工件的加工要求、电极和工件材料、加工的工艺指标等因素来选择。选择的电规准是否恰当，不仅影响模具的加工精度，还直接影响加工的生产率和经济性，在生产中主要通过工艺试验确定。通常要用几个规准才能完成凹模型孔加工的全过程。电规准分为粗、中、精三档。从一个规准调整到另一个规准称为电规准的转换。粗规准主要用于粗加工。对它的要求是生产率高，工具电极损耗小。被加工表面的粗糙度Ra＜12.5μm。所以粗规准一般采用较大的峰值电流，较长的脉冲宽度(ti=20μs~60μs)，采用负极性加工。采用钢电极时，电极相对损耗应低于10％。精规准用来进行精加工。要求在保证模具各项技术要求(如配合间隙、表面粗糙度和刃口斜度)的前提下尽可能提高生产率。故多采用小的峰值电流、高频率和短的脉冲宽度(ti＝2μs~6μs)，采用正极性加工。被加工表面粗糙度可达Ra＝1.6μm~0.8μm。13中规准是粗、精加工间过渡性加工所采用的电规准，用以减小精加工余量，促进加工稳定性和提高加工速度。中规准采用的脉冲宽度一般为6μs~20μs。被加工表面粗糙度Ra=6.3μm~3.2μm。粗、精规准的正确配合，可以较好地解决电火花加工的质量和生产率之间的矛盾。凹模型孔用阶梯电极加工时，电规准转换的程序是：当阶梯电极工作端的阶梯进给到凹模刃口处时，转换成中规准过渡加工1~2mm后，再转入精规准加工；若精规准有两档，还应依次进行转换。在规准转换时，其他工艺条件也要适当配合。粗规准加工时，排屑容易，冲油压力应小些；转入精规准加工后加工深度增加，放电间隙小，排屑困难，冲油压力应逐渐增大；当穿透工件时，冲油压力适当降低。对加工斜度、粗糙度要求较小和精度要求较高的模具零件加工，要将上部冲油改为下部抽油，以减小二次放电的影响。4、电火花加工型孔的特点：①可加工整体的复杂型孔；（电火花加工不受材料硬度和形状的限制，把许多靠切削加工只能用镶拼结构的复杂凹模进行整体制造。整体凹模刚性好，使模具结构简化，从而减少模具设计和制造的工作量。）②型孔有加工斜度；（采用电火花穿孔加工的模具都有加工斜度，通常用粗规准打出凹模漏料斜度为30~50′，用精规准打出凹模刃口斜度为5~10′）③型孔尖角为R0.2左右的小圆角，可减少应力集中；④广泛采用直接法加工，使配合间隙均匀。（用加长的凸模做电极加工型孔，可得到均匀的配合间隙，加工后将凸模损耗部分切除。）1415二、型腔的电火花面形加工用电火花加工型腔要比加工凹模型孔困难得多。因为型腔属于盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差，电极损耗不能用增加电极长度和进给来补偿；加工面积大，加工过程中要求电规准的调节范围也较大；型腔复杂，电极损耗不均匀，影响加工精度。因此，型腔加工要从设备、电源、工艺等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。与机械加工相比，电火花加工的型腔具有加工质量好、粗糙度小、减少了切削加工手工劳动量，使生产周期缩短的优点。特别是近年来由于电火花加工设备和工艺的日趋完善，它已成为解决型腔半精加工、精加工的一种重要手段。161、型腔电火花加工的特点盲孔加工，排屑难，加工面积大，加工量大，电规准调节范围大，电极损耗直接影响型腔精度。型腔电火花加工排屑较困难，通常采用冲油强迫排屑。型腔电火花加工前通常要预加工，留少量加工余量，以减少金属蚀除量，降低电极损耗，提高生产率，降低成本。加工型腔的电火花机床应有平动头、深度测量装置、电极重复定位装置等附件。2.型腔加工方法(1)单电极加工法单电极加工法是指用一个电极加工出所需的型腔。用于下列几种情况。1)用于加工形状简单、精度要求不高的型腔。2)用于加工经过预加工的型腔。3)用平动法加工型腔。用一个电极完成型腔的粗、中、精加工。17为了提高电火花加工效率，型腔在电加工之前通常采用铣削加工方法进行预加工，留适当的电火花加工余量，在型腔淬火后用一个电极进行精加工，达到型腔的精度要求。一般型腔可用立式铣床进行预加工；复杂型腔或大型型腔可先用立式铣床去除大量的加工余量，再用仿形铣床或数控铣精铣。在能保证加工质量的条件下电加工余量越小越好。一般型腔侧面余量单边留0.1~0.5mm，底面余量0.2~0.7mm。如果是多台阶复杂型腔则余量应适当减小。电加工余量应均匀，否则将使电极损耗不均匀，影响成型精度。18对有平动功能的电火花机床，在型腔不预加工的情况下也可用一个电极加工出所需型腔。在加工过程中，先采用低损耗、高生产率的电规准进行粗加工，然后启动平动头带动电极(或数控坐标工作台带动工件)做平动，同时按粗、中、精的加工顺序逐级转换电规准，并相应加大电极做平动的回转半径，将型腔加工到所规定的尺寸及表面粗糙度要求。单电极平动加工的缺点是难以获得高精度的型腔，难以清棱、清角。此外，电极在粗加工中容易引起表面龟裂，影响型腔的表面粗糙度。为弥补这一缺陷，可将粗加工后的电极取下均匀修光，再装入精度较高