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TAZE鏡面火花機(jī)混粉電火花加工在型腔模中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2016-07-06

摘要：混粉電火花加工是一種改善電火花加工表面粗糙度與加工效率的先進(jìn)工藝方法，近幾年，像在手機(jī)外殼模具、遙控器外殼模具等型腔模的電火花精加工中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文針對(duì)型腔模混粉電火花加工應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行探討，對(duì)模具制造企業(yè)吸收與消化當(dāng)前先進(jìn)的電火花加工工藝具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：型腔模；混粉電火花加工；工藝方法

1 引言

電火花加工技術(shù)廣泛地應(yīng)用于型腔模制造中。當(dāng)前，模具制造技術(shù)的快速發(fā)展，賦予了電火花更高的加工要求。其中表面粗糙度是電火花加工的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，越來(lái)越多的型腔模具要求電火花加工實(shí)現(xiàn)Ra<0.4 um的均勻表面。

在普通火花油（無(wú)混粉）進(jìn)行電火花精加工時(shí)，當(dāng)加工面積較大時(shí)，工件和電極間就會(huì)形成較大的寄生電容，產(chǎn)生集中放電現(xiàn)象，生產(chǎn)效率極低，表面粗糙度難以達(dá)到加工要求，因此，以往復(fù)雜型腔模的的亞光要求面無(wú)法達(dá)到均勻表面的加工要求，光整加工主要依靠手工拋光。

混粉電火花加工正是基于上述精加工存在的弊端而開(kāi)發(fā)的一門(mén)技術(shù)。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：加工效率高，精加工時(shí)間大幅度縮短，提高了模具制造的生產(chǎn)效率；表面均勻性好，大幅度改善了精加工大面積的均勻程度，提高了模具表面質(zhì)量；對(duì)于大面積的加工，同樣能達(dá)到低于Ra0.4um以下的表面粗糙度，滿足了模具制造商的高要求。

目前混粉電火花加工技術(shù)已經(jīng)商品化，和一些數(shù)控電火花成形機(jī)床配套應(yīng)用，深受模具制造商的青睞。

2 混粉電火花加工應(yīng)用技術(shù)的探討

基于廣東臺(tái)正產(chǎn)品TAZE數(shù)控電火花機(jī)床的混粉加工實(shí)踐的應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)混粉電火花加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 混粉電火花加工的簡(jiǎn)要原理

所謂混粉電火花加工是指在工作液中添加了微粉（如硅粉），整個(gè)電火花加工過(guò)程在這種具有一定濃度的粉末工作液中進(jìn)行。混粉電火花加工由于工作液介質(zhì)中混入一定比例的導(dǎo)電性或半導(dǎo)電性超細(xì)粉未，放電時(shí)極間距離加大，使工件與電極之間的寄生電容急劇減少，破壞性的寄生電容放電不再出現(xiàn)，容易形成電火花放電，較常規(guī)電火花加工的放電間隙變大，能夠有效防止集中放電發(fā)生，使放電在加工表面均勻產(chǎn)生，相應(yīng)放電蝕坑在加工表面均勻分布，形成大而淺的放電蝕坑。互相重疊的盤(pán)狀凹坑表面，比普通放電表面要平整，減少了光的亂反射并容易形成閃光的鏡面。

2.2 混粉電火花加工對(duì)機(jī)床的要求

要成功地實(shí)行混粉電火花加工，對(duì)數(shù)控電火花機(jī)床有相應(yīng)的要求。

1）由于工作液中添加了粉末，首先要求電火花機(jī)床具有防止粉末沉淀的裝置。廣東臺(tái)正TAZE數(shù)控電火花機(jī)床在工作液槽的工作臺(tái)四周安裝了一圈管道，管道上均勻分布有小孔；同樣，油箱里也安裝有一圈含孔的管道；使用大功率油泵，大功率油泵工作時(shí)，工作液從管道的小孔噴出，給工作液槽供給混粉工作液，同時(shí)使工作液槽中的液體不斷循環(huán)流動(dòng)，防止粉末沉淀，另一方面，油泵同樣給油箱中的管道供給混粉工作液，工作液從管道的小孔噴出，使得油箱中的液體不斷循環(huán)流動(dòng)，防止粉末沉淀。

2）要求電火花機(jī)床具有鏡面精加工電路，也就是要求機(jī)床的脈沖電源具有極小的單個(gè)脈沖能量（納秒級(jí)脈沖寬度、低峰值電流的電源），能在小放電能量下進(jìn)行穩(wěn)定的放電加工。一些普通型電火花機(jī)床的脈沖電源雖具有小的單個(gè)脈沖能量，但它不能滿足鏡面加工的持續(xù)穩(wěn)定放電，雖然可以通過(guò)混粉工藝改善了其放電穩(wěn)定性，但還是不能保證可靠的預(yù)定加工效果。高性能的脈沖電源不但可以提高加工效率，還可以降低電極損耗、表面粗糙度。廣東臺(tái)正TAZE數(shù)控電火花機(jī)床采用國(guó)際知名能量脈沖電源。

3）要求電火花機(jī)床具有豐富的應(yīng)用功能。如能夠靈活編制加工程序，具備混粉電火花加工要求的空間平動(dòng)方式（見(jiàn)下詳細(xì)介紹）。

可見(jiàn)，選擇可靠的混粉數(shù)控電火花機(jī)床是成功實(shí)現(xiàn)混粉電火花加工的前提條件。

2.3 混粉電火花加工工藝過(guò)程

進(jìn)行混粉電火花加工之前，首先要進(jìn)行工藝分析，判斷型腔是否適合使用混粉電火花加工。混粉電火花加工主要是針對(duì)大面積的高光潔度加工。對(duì)于絕大多數(shù)型腔模，像手機(jī)外殼模具、遙控器外殼模具等，混粉電火花加工可作為型腔表面的最終加工。即使是高速銑加工的三維曲面，因得到的是非連續(xù)的光滑表面，故仍需使用電火花進(jìn)行精加工得到光滑的加工面。對(duì)于微細(xì)型腔，混粉加工由于工作液中粉末的存在，放電間隙大而難以實(shí)現(xiàn)一些精細(xì)件的清角要求，如IC模的精密尺寸要求，混粉加工明顯不合適。

進(jìn)行混粉電火花加工前，型腔必須經(jīng)過(guò)預(yù)銑加工，并留有合適的加工余量。電火花加工的工藝過(guò)程就是一個(gè)從粗加工到精加工的過(guò)程。采用多電極更換的工藝方法，用二個(gè)不同尺寸縮放量的電極完成一個(gè)型腔的粗、精加工。首先用粗加工電極，在保證一定加工質(zhì)量的條件下(尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面粗糙度)，采用較大的放電能量蝕除大量金屬，以縮短加工時(shí)間，提高加工效率。（對(duì)于型腔的粗加工，要求在非混粉的狀態(tài)下進(jìn)行加工，否則粗加工中蝕除下來(lái)粗大的材料顆粒與粉末混合，影響加工效果）；然后使用精加工電極進(jìn)行混粉電火花加工，達(dá)到要求的加工精度和表面質(zhì)量。

在混粉電火花加工前，要嚴(yán)格控制好粗加工的尺寸。如果粗加工預(yù)留的加工量太小，那么混粉加工將不能完全修上，影響表面效果；如果粗加工預(yù)留的加工量太多，那么混粉加工將很難去除過(guò)多的材料量，導(dǎo)致加工速度極慢，電極疲勞。建議粗加工型腔表面達(dá)到VDI25（Ra1.8um）級(jí)，底面預(yù)留0.07mm，側(cè)面單邊預(yù)留0.08mm。

混粉電火花加工過(guò)程中，往往能保持高穩(wěn)定的放電狀態(tài)，一般不會(huì)產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，因此在加工過(guò)程中應(yīng)盡量少停機(jī)，尤其是不要將留在工件加工表面的粉末層清理掉，以免干擾正常的放電過(guò)程。

混粉電火花加工需要控制好各個(gè)環(huán)節(jié)，以追求一次加工的成功率，如果因細(xì)節(jié)處理不當(dāng)產(chǎn)生細(xì)微缺陷將導(dǎo)致反復(fù)修整，往往花費(fèi)多倍的時(shí)間。

2.4 混粉電火花加工對(duì)工作液與粉末的要求

電火花工作液在加工過(guò)程中起著消電離、冷卻、排除電蝕產(chǎn)物的作用。對(duì)于精加工用的電火花工作液，要求粘度低，以保證電極間熔渣有良好的清洗性能；工作液的抗氧化性能和熱穩(wěn)定性也很關(guān)鍵，決定油品的使用壽命。廣東臺(tái)正TAZE數(shù)控電火花機(jī)床混粉加工建議配用電火花油TOTAL EDM 3（法國(guó)道達(dá)爾，黏度20°C : 6.7 mm2/s (cST)，閃點(diǎn) O.C : >135°C）。

目前混粉電火花加工在工作液中加入的粉末，據(jù)國(guó)內(nèi)外眾多混粉加工的技術(shù)報(bào)道基本有硅粉、鋁粉、鎂粉、石墨粉幾種。CNC-300使用的粉末為廣東臺(tái)正專(zhuān)用混粉溶液，其成分主要為石墨顆粒，大致長(zhǎng)度小于8um，粉末添加的濃度要求為2g/L。每一次更換混粉液前需要過(guò)濾、清潔火花油，將加工過(guò)程中的殘屑與失效的粉末過(guò)濾掉再加入混粉溶液。該混粉溶液要求最好在加工 350 或400 個(gè)小時(shí)后更換。混粉加工將會(huì)在工作槽的內(nèi)側(cè)沉淀黑色的泥漿，經(jīng)驗(yàn)證明不能將這些泥漿與火花油再次進(jìn)行混合，因?yàn)樗鼤?huì)嚴(yán)重影響到加工性能。

混粉工作液的濃度對(duì)加工表面效果有較大的影響。混粉液的濃度不夠時(shí)，在較短的時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到要求的表面效果，降低了加工效率。在要求鏡面加工的場(chǎng)合，會(huì)因混粉濃度不夠而導(dǎo)致表面光澤效果較差；當(dāng)混粉濃度過(guò)大時(shí)，型腔的銳邊棱角會(huì)被破壞，降低了加工精度。電極與工件之間由于較多粉末的存在，粉末就會(huì)產(chǎn)生搭橋?qū)е铝鲃?dòng)短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在工件表面產(chǎn)生傷痕。

混粉電火花加工過(guò)程中，工作液槽箱中的工作液處于循環(huán)狀態(tài)，不建議再使用沖液加工，尤其是不能使用強(qiáng)烈的沖液，否則將會(huì)造成放電過(guò)程中不均勻的流場(chǎng)，影響表面效果的均勻性。

2.5 混粉電火花加工參數(shù)的配置

混粉電火花加工參數(shù)的配置包括：使用的電規(guī)準(zhǔn)，如電流、脈沖寬度、脈沖間隙等；每檔電規(guī)準(zhǔn)的放電間隙值與預(yù)留量。

混粉電火花加工必須保證每一檔電規(guī)準(zhǔn)放電能夠穩(wěn)定進(jìn)行，最終規(guī)準(zhǔn)能達(dá)到要求的表面效果。多個(gè)規(guī)準(zhǔn)中電流依次減少，脈沖寬度依次減少，再選配相應(yīng)的脈沖間隙、伺服間隙。通常在VDI18級(jí)（Ra0.8um）規(guī)準(zhǔn)以下使用負(fù)極性加工參數(shù)（電極為負(fù)極）。各檔規(guī)準(zhǔn)的放電能量逐漸減小，逐步修光來(lái)達(dá)到要求的表面粗糙度。值得一提的是，混粉電火花加工可以產(chǎn)生較高的加工效率，較普通工作液可選用更大的放電能量來(lái)獲得同樣的表面粗糙度。另外，在混粉電火花加工中有相當(dāng)好的放電穩(wěn)定性，放電時(shí)間要設(shè)長(zhǎng)些，抬刀高度短些，這樣設(shè)置的目的是為了維持一個(gè)穩(wěn)定的小能量電蝕過(guò)程，與常規(guī)加工的選擇是有差別的。[1]

混粉電火花加工需要精確計(jì)算各電規(guī)準(zhǔn)的的放電間隙值與預(yù)留量。較小的材料預(yù)留量會(huì)影響加工的表面粗糙度，導(dǎo)致修不光。最理想的加工狀況是第一個(gè)條件加工完后，其后的加工只是修光第一個(gè)加工條件形成的表面不平度，而不打掉新的材料。但實(shí)際加工時(shí)，考慮到放電狀況受到的制約因素千變?nèi)f化，因此要考慮安全的預(yù)留量。余量的大小可根據(jù)實(shí)際的放電狀況而定，對(duì)于面積較大，加工狀態(tài)比較好的情況，可適當(dāng)減小材料余量，以提高加工速度。

目前先進(jìn)數(shù)控電火花機(jī)床的電規(guī)準(zhǔn)配置方法一般是智能化的。機(jī)床具有許多成套的加工參數(shù)，都是通過(guò)大量的工藝實(shí)驗(yàn)取得的最佳參數(shù)組合，可以根據(jù)加工要求來(lái)檢索加工條件，如輸入加工面積、加工形狀、電極錐度、電極尺寸縮放量、搖動(dòng)方式以及加工表面粗糙度值等，機(jī)床就能配置出最優(yōu)的電規(guī)準(zhǔn)，它將加工過(guò)程分用多個(gè)加工條件段進(jìn)行加工，逐段降低電蝕能力，智能設(shè)置各規(guī)準(zhǔn)的預(yù)留量。這種智能方式選用的電規(guī)準(zhǔn)一般能滿足加工要求，操作簡(jiǎn)單，但通常自動(dòng)化的方式是以保證加工品質(zhì)為前提的，因此在加工效率上會(huì)較低。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)重復(fù)的加工不斷積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化加工過(guò)程。

2.6 混粉電火花加工對(duì)平動(dòng)功能的要求

對(duì)于型腔模的混粉電火花加工，需達(dá)到要求的尺寸精度，另外要求底面與側(cè)面表面效果相同，這就要求數(shù)控機(jī)床必須具備數(shù)控平動(dòng)功能。電火花加工機(jī)床具備了數(shù)控平動(dòng)功能，對(duì)于尺寸精度的控制是比較容易的。但要保證底面與側(cè)面均勻一致的表面效果，就要求機(jī)床具備符合要求的平動(dòng)功能。混粉電火花加工的過(guò)程中，要求每一規(guī)準(zhǔn)的平動(dòng)量能隨深度同時(shí)變化，也就是深度逐步加大，平動(dòng)量也隨之加大，底面與側(cè)面處于同步加工的三軸聯(lián)動(dòng)方式。在這種平動(dòng)方式下，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)加工功能，也就是可指定每一規(guī)準(zhǔn)的加工時(shí)間，在指定的加工時(shí)間內(nèi)，底面與側(cè)面獲得的表面效果一致。如廣東臺(tái)正TAZE數(shù)控電火花機(jī)床在混粉電火花加工時(shí)要求選用空間平動(dòng)圓形。這種平動(dòng)方式在小能量的精加工中，顯著地提高了加工的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)側(cè)面與底面的表面效果一致。某些平動(dòng)功能在混粉電火花加工中是不適用的，如SA機(jī)床的圓形伺服平動(dòng)，該平動(dòng)方式執(zhí)行的動(dòng)作為，每檔電規(guī)準(zhǔn)必須先將加工深度完成，再執(zhí)行一個(gè)圓周的平動(dòng)軌跡，顯然這種平動(dòng)方式在型腔模混粉加工的精加工階段是不適合的。

2.7 混粉電火花加工對(duì)電極的要求

混粉電火花加工對(duì)電極的要求主要包括材料、表面粗糙度、縮放尺寸、精度等方面。

混粉電火花加工要求使用純度較高的紫銅作為電極材料（如日本三寶紅銅），其加工性能很好，不易發(fā)生電弧放電或過(guò)渡電弧放電，能獲得均勻一致的加工表面。石墨電極在普通工作液（無(wú)混粉）精加工中性能較差，但在混粉加工中，由于工作液中添加了粉末，精加工放電間隙較大，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，石墨電極在混粉電火花加工中也能實(shí)現(xiàn)鏡面電火花加工。值得說(shuō)明的是，如果型腔要求進(jìn)行混粉電火花鏡面加工，就必須對(duì)電極材料的品質(zhì)就提出嚴(yán)格的要求，否則加工效果受到影響，譬如使用的紫銅電極材料純度不夠就會(huì)導(dǎo)致加工的鏡面效果表面可能局部缺陷，不均勻等不良現(xiàn)象。

電火花加工的過(guò)程就是把電極的形狀復(fù)制到工件上去。由此可知，電極表面粗糙度在一定程度上決定了加工出工件的表面粗糙度，所以鏡面加工用的電極必須進(jìn)行精修拋光（至少要經(jīng)過(guò)1000#砂紙的精拋），以達(dá)到高光潔度的電火花加工表面質(zhì)量。

電極的縮放尺寸決定了電火花加工第一檔規(guī)準(zhǔn)能量的大小與平動(dòng)幅度的大小，直接影響加工速度、仿形精度等工藝指標(biāo)。一般混粉電火花精加工電極的尺寸縮放量取單側(cè)0.07～0.15 mm，加工面積小時(shí)可取小一些，仿形精度要求高時(shí)可取小一些。

混粉電火花加工有粗、精加工電極，這就要求電極的一致性要好、制造精度要高，更換電極的重復(fù)裝夾、定位精度要高。可以采用高速銑制造電極、使用基準(zhǔn)球測(cè)量的定位方法、使用快速裝夾定位系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)定位等先進(jìn)工藝來(lái)滿足高要求。

2.8 混粉電火花加工對(duì)工件材料的要求

混粉電火花加工因工件材料的不同會(huì)產(chǎn)生不同的加工效果。在加工紋面（VDI18級(jí)表面/Ra0.8um以上）時(shí)不同材料獲得的表面效果差異不明顯，但在加工鏡面（VDI7級(jí)表面/Ra0.2um以下）時(shí)會(huì)因工件材料特性的不同獲得的表面效果有較大的差異。有些材料能獲得良好的鏡面效果，如常用的鏡面加工材料有：S136、SKD61、NAK80等進(jìn)口鋼材；有些材料卻不能達(dá)到鏡面效果，如SKD11（相當(dāng)于Cr12MoV）。可以認(rèn)為下列情況是工件材質(zhì)影響鏡面加工效果的原因：含硅成分有利于獲得較好的鏡面效果；含有大粒徑的粗生碳化物或粗大晶體顆粒添加物對(duì)加工鏡面不利，產(chǎn)生顯微裂紋；含有快削成分的硫?qū)庸ょR面不利，產(chǎn)生表面條紋；材料軋制方向等胚料制造工藝因素對(duì)加工鏡面不利，產(chǎn)生表面條紋；金屬夾雜物、氣泡、氧化物等因素形成針眼和孔洞；工件鋼的硬度高，電火花加工鏡面的效果好。一般要求鏡面加工的工件材質(zhì)熱處理淬硬至HRC>50。[2]

2.9 混粉電火花加工效率的控制

混粉電火花精加工的效率的控制決定于幾方面：VDI22以上更強(qiáng)規(guī)準(zhǔn)的加工效率主要決定于各檔規(guī)準(zhǔn)之間的預(yù)留量，如果預(yù)留量合適，在具有一定蝕除能力的電規(guī)準(zhǔn)下，加工效率是比較高的；VDI22及以下更弱的電規(guī)準(zhǔn)，由于各電規(guī)準(zhǔn)的電蝕能力弱，加工時(shí)的尺寸變化已經(jīng)較小，基本只起修光作用，如果嚴(yán)格地按照指定的尺寸執(zhí)行加工，加工過(guò)程需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。而實(shí)際上只要加工到要求的表面粗糙度后就可結(jié)束加工，因此可采用數(shù)控電火花機(jī)床的定時(shí)加工功能來(lái)控制加工效率。根據(jù)放電加工的面積來(lái)設(shè)定各段所需的修光時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著模具行業(yè)對(duì)制造技術(shù)提出的更高要求，混粉電火花加工將成為大面積復(fù)雜型腔模制造的一種重要工藝技術(shù)。混粉電火花加工的研究探討，對(duì)于這一應(yīng)用技術(shù)的推廣提供參考作用。

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