mashan電火花加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

當(dāng)今世界，日新月異，各行各業(yè)都發(fā)展很快。其中材料科學(xué)的發(fā)展和機(jī)械行業(yè)的發(fā)展尤為迅速，這兩個(gè)行業(yè)的聯(lián)系也越來越緊密。其中，一個(gè)很具體的表現(xiàn)就是隨著材料科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，為了滿足一些特殊情況的需要，一大批具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性、能耐高溫等特殊性能的模具材料相繼產(chǎn)生，從而給傳統(tǒng)的金屬切削加工帶來了許多新的困難與問題，用傳統(tǒng)的加工方法難以再滿足要求。如對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件，如復(fù)雜的型腔，凹模型孔的模具采用傳統(tǒng)的切削方法就往往很難實(shí)現(xiàn)，因而人們?cè)谏�產(chǎn)中研究出了一些新的方法，并有一些已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。其中，電火花加工加工方法就是其中之一，其在模具制造工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于型孔及型腔的加工。 

一、電火花加工的機(jī)理與特點(diǎn) 

    電火花加工是在一定的介質(zhì)中通過工具電極和工件電極之間的脈沖放電的電蝕作用，對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。電火花加工的原理如下圖所示。  

           1.工件 2.脈沖電源 3.自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置 4.工具 5.工作液 6.過濾器 7.工作液泵 

                            電火花加工原理示意圖

    工件l與工具4分別與脈沖電源2的兩輸出端相連接。自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置3(此處為液壓油缸和活塞)使工具和工件間經(jīng)常保持一很小的放電間隙，當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間，便在當(dāng)時(shí)條件下相對(duì)某一間隙最小處或絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生火花放電，瞬時(shí)高溫使工具和工件表面局部熔化，甚至氣化蒸發(fā)而電蝕掉一小部分金屬，各自形成一個(gè)小凹坑。脈沖放電結(jié)束后，經(jīng)過脈沖間隔時(shí)間，使工作液恢復(fù)絕緣后，第二個(gè)脈沖電壓又加到兩極上，又會(huì)在當(dāng)時(shí)極間距離相對(duì)最近或絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿放電，又電蝕出一個(gè)小凹坑。整個(gè)加工表面將由無數(shù)小凹坑所組成。這種放電循環(huán)每秒鐘重復(fù)數(shù)千次到數(shù)萬次，使工件表面形成許許多多非常小的凹坑，稱為電蝕現(xiàn)象。隨著工具電極不斷進(jìn)給，工具電極的輪廓尺寸就被精確地“復(fù)印”在工件上，達(dá)到成型加工的目的。 

電火花加工能加工高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、高純度、高韌性的各種材料，而其加工機(jī)理與切削方法完全不同，具有以下特點(diǎn)： 

1、脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機(jī)械加工方法難于加工或無法加工的特殊材料和復(fù)雜形狀的工件。不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響。 

2、脈沖放電持續(xù)時(shí)間極短，放電時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴(kuò)散范圍小，材料受熱影響范圍小。 

3、加工時(shí)，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小。工具電極材料不需比工件材料硬，因此，工具電極制造容易。 

4、可以改革工件結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 

二、影響模具電火花加工質(zhì)量的主要因素 

    模具的加工質(zhì)量主要包括加工精度和電蝕表面的質(zhì)量。由于電火花加工過程中的輸入、輸出參數(shù)多且較為復(fù)雜，影響模具加工精度的工藝因素涉及有機(jī)床本身的制造精度、工件的裝夾精度、電極的制造及裝夾精度、電極損耗、放電間隙、加工斜度等諸多方面，其中以電極損耗、放電間隙影響較大。 

1、電極損耗對(duì)加工精度的影響 

    在模具電火花加工過程中，脈沖放電會(huì)使工具電極受電腐蝕而發(fā)生損耗，因而了解和掌握電極損耗規(guī)律，進(jìn)而采取多種措施以盡量減少工具電極的損耗，可保證模具具有更高的加工精度。電火花加工時(shí)，工具電極的不同部位其損耗情況也是不同的，通常其尖角、棱邊等凸起部位的電場(chǎng)強(qiáng)度高，易形成尖端放電，所以其損耗比平坦部位要快，不均勻的損耗必然導(dǎo)致加工精度的下降。 

    同時(shí)電極的損耗還受電極材料的熱學(xué)物理常數(shù)影響。電極材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化與氣化潛熱越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其耐腐蝕性越好，傳熱能力越強(qiáng)，因而能降低電極的損耗。  

2、放電間隙對(duì)加工精度的影響 

    電火花加工模具時(shí)，工具電極與工件之間發(fā)生脈沖放電需要保持一定的放電間隙，使加工出的工件型孔尺寸與電極尺寸相比，沿加工輪廓上要相差一個(gè)放電間隙。放電間隙主要決定加工穩(wěn)定性，一般增大脈沖放電間隙時(shí)間可提高加工穩(wěn)定性。而提高峰值電流將使生產(chǎn)率提高，但電極損耗將加大。 

    表面變質(zhì)層加深，粗糙度會(huì)變大。要使放電間隙保持穩(wěn)定，必需使脈沖電源的電參數(shù)保持穩(wěn)定，此外還應(yīng)使機(jī)床精度和剛度也保持穩(wěn)定，同時(shí)特別注意電蝕產(chǎn)物引起的二次放電對(duì)放電間隙的影響。 

3、對(duì)加工表面粗糙度的影響 

    電蝕表面的粗糙度評(píng)定參數(shù)Ra 隨脈沖寬度和電流峰值增大而增大。在一定加工條件時(shí)，脈沖寬度和電流峰值增大會(huì)使單個(gè)脈沖能量增大，使電蝕凹坑的斷面尺寸增大，因此表面粗糙度主要取決于單個(gè)脈沖能量的大小。要減少表面粗糙度Ra的值，則必須減少單個(gè)脈沖的能量。 

4、表面變化層對(duì)模具表面質(zhì)量的影響 

    模具經(jīng)電火花加工后的表面將產(chǎn)生包括凝固層和熱影響層的表面變化層。凝固層是工件表層材料在脈沖放電的瞬時(shí)高溫作用下發(fā)生熔化而未能拋出，在脈沖放電結(jié)束后迅速冷卻、凝固而保留下來的金屬層，該層金屬晶粒非常細(xì)小，有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。 

    熱影響層位于凝固層與工件基體材料之間，由于受放電點(diǎn)傳來的高溫影響，使材料金相組織發(fā)生變化。在加工過程中由于所選用的電參數(shù)，冷卻條件及工件材料原來的熱處理狀況不同，變化層的硬度變化情況就會(huì)不一樣。表面變化層的厚度與工件材料及脈沖電源的電參數(shù)有關(guān)，隨脈沖能量的增大而增厚，凝固層硬度通常較高。因此，電火花加工后的模具表面耐磨性比普通機(jī)械加工要好。 

三、電火花加工技術(shù)在模具加工中的應(yīng)用 

    由于模具工業(yè)的迅速發(fā)展，為了滿足一些特殊情況的需要，一大批具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性、能耐高溫等特殊性能的模具材料相繼產(chǎn)生，從而給傳統(tǒng)的金屬切削加工帶來了許多新的困難與問題，用傳統(tǒng)的加工方法難以再滿足要求，這時(shí)，電火花加工技術(shù)就被廣泛應(yīng)用與模具加工。隨著電火花加工技術(shù)運(yùn)用于模具工業(yè)，對(duì)傳統(tǒng)的模具加工工藝產(chǎn)生了很大的影響，改變了模具加工工藝流程。常規(guī)的加工方法是在退火后進(jìn)行銑削加工；然后進(jìn)行熱處理、磨削或電火花加工；最后手工打磨、拋光，加工周期很長(zhǎng)。沖模時(shí)常因淬火變形或開裂而導(dǎo)致報(bào)廢。而電火花加工技術(shù)可以加工淬火后的模板，避免熱變形弊病和鑲拼結(jié)構(gòu)，既簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，又能提高模具強(qiáng)度與壽命。 

    電火花改性技術(shù)在模具表面有很大的應(yīng)用，為改進(jìn)模具表面的質(zhì)量，利用電火花脈沖放電產(chǎn)生高溫的工作原理，用硬質(zhì)合金(如YG8等)做電極材料，將硬質(zhì)合金材料熔滲到模具及易損件的工作面上，形成一層高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨、高耐溫、又不剝離的硬質(zhì)白色合金強(qiáng)化層，改變表面的物理、化學(xué)性能，是對(duì)模具進(jìn)行表面處理非常有效的方法。電火花強(qiáng)化層是電極和工件材料在放電的瞬間在高溫高壓條件下重新合金化，而形成的新合金層，不是電極材料簡(jiǎn)單的涂覆和堆積。合金層與基體金屬之間具有氮元素等的擴(kuò)散層，與基體結(jié)合牢固，極耐沖擊。強(qiáng)化處理時(shí)，由于放電時(shí)間很短，放電點(diǎn)的面積又很小，放電的熱作用只發(fā)生在工件表面的微小區(qū)域，而整個(gè)工件仍處于常溫狀態(tài)或升溫較低，工件處于冷態(tài)，時(shí)間短，不會(huì)產(chǎn)生退火或熱變形。電火花改性是在空氣或液體介質(zhì)中進(jìn)行的。它既可以作用在零件的局部表面，也可對(duì)一般幾何形狀的平面或曲面進(jìn)行改性，比如刀具、模具、機(jī)械零件等。電極材料可以根據(jù)用途自由選擇，在修復(fù)己磨損的機(jī)器零件時(shí)，可采用碳元素、紫銅、黃銅等材料作為電極，這些材料來源比較廣，而且材料消耗量也很少�？赏ㄟ^對(duì)電氣參數(shù)的調(diào)節(jié)和改性時(shí)間的控制來獲得不同厚度和表面粗糙度的改性層。操作方法容易掌握，不需要技術(shù)等級(jí)高的操作人員。它可以用少量材料起到大量、昂貴的整體材料難以達(dá)到的效果，既能提高產(chǎn)品的硬度、耐磨性及高溫紅硬性等性能，顯著提高產(chǎn)品的使用壽命，又能大大減少貴重材料的消耗，降低生產(chǎn)或維修成本。 

    電火花加工精密型腔模具的精度表現(xiàn)在尺寸精度、仿形精度、表面質(zhì)量等三個(gè)方面。加工精密型腔模具．應(yīng)正確分析其各部位尺寸要求，靈活控制不同地方的尺寸精度．應(yīng)特別重視那些尺寸要求高的部位，精密型腔模具中的重要尺寸公差可達(dá)±(2～3)微米，可見其尺寸要求的嚴(yán)格性。仿形精度要求亦高，型腔應(yīng)清角，棱角清楚。表面粗糙度值均勻，并達(dá)到預(yù)定表面精糙度值，一般要求Ra值很小，甚至要求鏡面加工，另外電火花加工部位表面變質(zhì)層的厚度要很小。 

四、小結(jié) 

    現(xiàn)今,隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電火花成型加工技術(shù)所具有的一系列特色和生產(chǎn)效益方面的巨大潛力，早已成為德、美、日等國(guó)競(jìng)相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域，不同規(guī)格的各種商業(yè)化高速機(jī)床也已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用于飛機(jī)、汽車及模具制造等行業(yè)。但電火花加工技術(shù)在模具工業(yè)中，由于電火花加工過程中，影響加工質(zhì)量的因素較多，在具體加工時(shí)應(yīng)根據(jù)工件的加工要求，電極與工件的材料，加工的工藝指標(biāo)等因素來合理選擇加工參數(shù)，并通過工藝試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐掌握其轉(zhuǎn)換規(guī)律，以提高模具加工精度，加工生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性。如果這些問題解決得當(dāng)，相信在不久的將來，電火花加工技術(shù)在模具工業(yè)中會(huì)具有越來越廣泛的應(yīng)用，也具有越來越美好的前景。