mashan電火花加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

當今世界，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)展和機械行業(yè)的發(fā)展尤為迅速，這兩個行業(yè)的聯(lián)系也越來越緊密。其中，一個很具體的表現(xiàn)就是隨著材料科學(xué)的發(fā)展與進步，為了滿足一些特殊情況的需要，一大批具有高強度、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現(xiàn)，因而人們在生產(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、電火花加工的機理與特點 

    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，對工件進行加工的方法。電火花加工的原理如下圖所示。  

           1.工件 2.脈沖電源 3.自動進給調(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。自動進給調(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，當脈沖電壓加到兩極之間，便在當時條件下相對某一間隙最小處或絕緣強度最弱處擊穿介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生火花放電，瞬時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，各自形成一個小凹坑。脈沖放電結(jié)束后，經(jīng)過脈沖間隔時間，使工作液恢復(fù)絕緣后，第二個脈沖電壓又加到兩極上，又會在當時極間距離相對最近或絕緣強度最弱處擊穿放電，又電蝕出一個小凹坑。整個加工表面將由無數(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給，工具電極的輪廓尺寸就被精確地“復(fù)印”在工件上，達到成型加工的目的。 

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

1、脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機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)時間極短，放電時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴散范圍小，材料受熱影響范圍小。 

3、加工時，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)，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度。 

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、電極損耗對加工精度的影響 

    在模具電火花加工過程中，脈沖放電會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，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強度高，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、沸點、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，因而能降低電極的損耗。  

2、放電間隙對加工精度的影響 

    電火花加工模具時，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)使機床精度和剛度也保持穩(wěn)定，同時特別注意電蝕產(chǎn)物引起的二次放電對放電間隙的影響。 

3、對加工表面粗糙度的影響 

    電蝕表面的粗糙度評定參數(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，脈沖寬度和電流峰值增大會使單個脈沖能量增大，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，則必須減少單個脈沖的能量。 

4、表面變化層對模具表面質(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小，有較強的抗腐蝕能力。 

    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，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)運用于模具工業(yè)，對傳統(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行銑削加工；然后進行熱處理、磨削或電火花加工；最后手工打磨、拋光，加工周期很長。沖模時常因淬火變形或開裂而導(dǎo)致報廢。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)，既簡化了模具結(jié)構(gòu)，又能提高模具強度與壽命。 

    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、高強度、高耐磨、高耐溫、又不剝離的硬質(zhì)白色合金強化層，改變表面的物理、化學(xué)性能，是對模具進行表面處理非常有效的方法。電火花強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散層，與基體結(jié)合牢固，極耐沖擊。強化處理時，由于放電時間很短，放電點的面積又很小，放電的熱作用只發(fā)生在工件表面的微小區(qū)域，而整個工件仍處于常溫狀態(tài)或升溫較低，工件處于冷態(tài)，時間短，不會產(chǎn)生退火或熱變形。電火花改性是在空氣或液體介質(zhì)中進行的。它既可以作用在零件的局部表面，也可對一般幾何形狀的平面或曲面進行改性，比如刀具、模具、機械零件等。電極材料可以根據(jù)用途自由選擇，在修復(fù)己磨損的機器零件時，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。可通過對電氣參數(shù)的調(diào)節(jié)和改性時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±(2～3)微米，可見其尺寸要求的嚴格性。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、日等國競相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域，不同規(guī)格的各種商業(yè)化高速機床也已經(jīng)進入市場，應(yīng)用于飛機、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，加工的工藝指標等因素來合理選擇加工參數(shù)，并通過工藝試驗和生產(chǎn)實踐掌握其轉(zhuǎn)換規(guī)律，以提高模具加工精度，加工生產(chǎn)率和經(jīng)濟性。如果這些問題解決得當，相信在不久的將來，電火花加工技術(shù)在模具工業(yè)中會具有越來越廣泛的應(yīng)用，也具有越來越美好的前景。