模具企业电火花成型加工误区的分析
2009-09-03
摘要：列举了 模具 企业中 电火花 加工存在的常见误区，针对这些误区进行了技术探讨，对 模具 企业 电火花 加工具有指导意义。
1 引言
电火花 加工是 模具 制造的一种重要工艺方法，尤其在注塑模制造中更是发挥着举足轻重的作用。目前仍有不少 模具 企业的工艺水平不够完善，工艺中存在的一些误区往往导致 模具 零件的 电火花 加工达不到预定的精度、效率要求。下文对 模具 企业中 电火花 加工常见的误区进行了较详细的分析。
2 电火花 加工的常见误区
2.1定位方法的误区
电火花 加工的精度控制和保证在很大程度上取决于定位精度。在通常采用的Z轴加工中，X、Y轴保证型腔位置要求，Z轴保证所加工型腔的深度要求。实现 电火花 加工定位的方法有多种，利用电极与工件进行接触感知的定位方法（图1）在 模具 企业被广泛采用。
图1 电极与工件直接接触感知定位
这种定位方法相对简单，是操作人员非常熟悉的。但我们可以发现，如果 电火花 加工的精度要求很高，定位误差要求不能大于0.01㎜，像在塑胶模的哈夫滑块、上下模仁的对合、插穿部位等的加工，这些情况下使用上述方法将会有很大的难度，难以保证稳定的定位精度，因定位超差导致零件反复修理、报废的情况时有发生。操作者往往埋怨机床的感知性能不好或者定位精度不高。其实目前的 电火花 加工机床在位移方面的精度是相当高的，出现定位不准的情况就是在选用定位的方法上存在误区。
利用电极与工件进行直接碰边，因为接触面积较大，电极或工件上的毛刺、存在的细微杂物，电极及工件的平面度、平行度、垂直度等因素影响定位精度，即使工件和电极擦得很干净也难以保证0.01mm的定位精度。对于工件（电极）异形或电极过大（过小）及精度要求相当高的加工来说，有且只有采用间接定位方法，即利用基准球进行间接定位（图2），这种定位方法由于采用的是点接触，可在最大范围内消除误差。
图2 基准球间接定位
目前还有不少 模具 企业不知道使用基准球定位的方法。使用基准球进行定位不但容易保证精度，而且在工件形状复杂的情况下，能方便地实现分中；电极对基准球找中心的过程避免了电极作较大行程的移动，节省了操作时间；对于多个工件加工的情况，不需要利用电极多次分中，只要对基准球分一次中即可，节省了大量的操作时间，多电极加工中优势尤为明显。当然，这里并不是一味强调使用基准球定位方法的优势，对于一般精度要求的加工、少量工件、电极数目不多的情况来说，为了提高工作效率，通常还是使用电极直接进行定位。另外使用基准球定位的方法要求电极和工件基准面的精度要很高，否则反而会产生更大的定位误差。
2.2电极材料选择的误区
电极材料的选取直接关系到放电的效果，在很大程度上，材料的选取是否恰当，决定了放电速度，加工精度以及表面粗糙度的最终情况。应根据不同类型 模具 加工的实际需求，有针对性地进行材料的选用。 电火花 加工的电极材料主要有紫铜、石墨、铜钨合金。很多 模具 企业在选择电极材料时，很少进行考虑，大小电极一律习惯选用同种电极材料。这种做法在通常加工中不会发现其弊端，但在极限加工就可以发现明显的问题，影响 电火花 加工的效果。如所有的电极材料都选用紫铜，那么在高精密加工时往往会埋怨机床损耗太大，需要采用很多个电极进行加工，大型电极也选用紫铜，导致加工所耗时间很多，成本也很高。这就是 电火花 加工中电极材料选择的误区。
合理选择电极材料，可以从下列方面进行考虑：电极是否容易加工成形；电极的放电加工性能如何；加工精度、表面质量如何；电极材料的成本是否合理；电极的重量如何。在很多情况下，选择不同的电极材料各有其优劣之处，这就要求抓住加工的关键要素。如果进行高精度加工，那就要抛弃电极材料成本的考虑，如果要求进行高速加工，那就要将加工精度要求放低。
紫铜能比较容易获得稳定的加工状态，精加工中采用低损规准可获得轮廓清晰的型腔，加工表面光洁度高。但因本身材料熔点低，不宜承受较大的电流密度，一般不能超过30A电流的加工，否则会使电极表面严重受损、龟裂，影响加工效果。热膨胀系数较大，在加工深窄筋位部分，较大电流下产生的局部高温很容易使电极发生变形。紫铜电极通常采用低损耗的加工条件，由于低损耗加工的平均电流较小，其生产率并不高。
石墨电极特别适用于加工蚀除量较大的型腔，在大面积加工情况下能实现低损耗、高速粗加工，像在大型塑料 模具 、锻模、 压铸模 等 模具 的 电火花 加工中可发挥其独特的加工优势。在高温下具有良好的机械强度，热膨胀系数小，非常适合对窄缝进行高精度加工。因其重量轻，常用于大型电极的制造。导电性能好，加工速度快，能节省大量的放电时间，价钱一般是铜料的1/2。其缺点是在精加工中放电稳定性较差，容易过渡到电弧放电，只能选取损耗较大的加工条件来加工。加工微细面粗糙度略差，在加工中容易脱落、掉渣。制作石墨电极要专门的加工机器。
铜钨合金材料在通常加工中很少采用，只有在高精密 模具 及一些特殊场合的 电火花 加工中才用到。由于含钨量高，可以有效地抵御 电火花 加工时的损耗，能保证极低的电极损耗，在极困难的加工条件下也能实现稳定的加工。缺点是价格昂贵，材料来源困难。加工电子接插件类高精度 模具 时，对细微部分的形状（如深长直壁孔、复杂小型腔）要求很严格，这就要求加工中电极损耗必须极小，选用铜钨合金来制造电极是加工技术的基本要求。铜钨电极针对钨钢，高碳钢，耐高温超硬合金金属，因普通电极损耗大，速度慢，铜钨电极是首选材料。
2.3电极缩放量选取的误区
电火花 加工时两极间存在火花间隙，为了加工出符合要求的尺寸，对电极缩放适当尺寸来加工。电极缩放量的大小对加工的尺寸精度、仿形精度、加工效率、表面质量都有影响。多数 模具 企业在选取电极的缩放量时是按照固定的模式，如通常粗加工电极缩放单边0.2㎜，精加工电极缩放单边0.07㎜。如果电极的面积很大，因电极缩放量偏小而限制了 电火花 加工中不能选用较大的放电参数，降低了加工效率，这就是电极缩放量选取的误区。
电极缩放量的选取要考虑多方面的因素。 电火花 加工有平动加工和不平动加工两种方式，数控 电火花 机床一般都可采用平动加工，而传统 电火花 机床如果没有安装平动头就不能进行平动加工。这两种加工方式电极缩放量的选取是有区别的。
在不采用平动加工时，如果所产生的火花间隙小于电极缩放量，加工出来的尺寸将小于标准值。相反，电极缩放量比实际火花间隙要小时会使加工后的尺寸大于标准值。因此正确确定电极缩放量的大小是保证加工尺寸合格的前提。确定电极缩放量大小时要视加工部位的不同而合理选用。塑胶 模具 加工部位一般分为结构性部位和成型部位。结构性部位在 模具 中起配合、定位等作用。这些部位的加工表面粗糙度无严格要求，但要求尺寸一次加工到位，保证加工后的尺寸符合要求。在确定这些部位火花位大小时取加工时实际产生的火花间隙的大小。成型部位是用来直接成型塑件的部位。此类部位的加工尺寸和表面粗糙度都有相应的要求。 电火花 加工的成型部位一般在加工完成后采用抛光的方法去除火花纹迹达到预定表面粗糙度要求，所以在确定这类成型部位电极缩放量时应准确确定抛光余量。一般抛光余量取4Ra+0.005mm左右（Ra： 电火花 加工完成的表面粗糙度值），在计算电极缩放量时取实际火花间隙和抛光余量之和。 电火花 加工工艺一般是用不同尺寸的电极采用不同的电规准由粗到精完成加工。加工后的尺寸主要决定于精加工的控制。确定精加工火花位大小时应先考虑好为达到预定表面粗糙度要选用的电参数条件，明确该条件火花间隙的大小再确定电极缩放量。成型部位精加工的火花位一般取单侧0.04～0.08mm，结构部位取单侧0.02～0.06mm。确定粗加工火花位大小时以考虑加工速度和为精加工预留适当余量为标准，一般取单侧0.15～0.25mm。
在采用电极平动加工时，加工的尺寸精度决定于对放电间隙、电极缩放量和平动量的控制。由于平动量的大小是可控的，所以可以根据放电间隙的大小调节平动量，能够较容易地控制加工的尺寸，电极缩放量的大小也就可以相对大一些，尤其是对精加工来说，并且可以根据一些具体情况来灵活选取。一般在粗加工中不用平动加工，电极缩放量取单侧0.15—0.3mm。精加工采用多段加工条件用平动的方法来改善排屑状况，达到稳定的加工，可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度。电极的缩放量一般取0.05—0.15 mm。普通加工中因平动量并不是很大，对加工仿形精度不会有影响。但在精密加工中，由于选用平动方式的形状与加工形状有差别，为了提高仿形精度，电极缩放量不能太大，一般取单边0.05 mm以下。
确定电极缩放量的大小时还应详细考虑加工部位的加工性能。如在通孔类排渣良好的情况下，不容易形成二次放电，电极缩放量可取小些；而盲孔类加工因排渣不是很顺，二次放电的机会比较多，电极缩放量应取大一些；大面积加工时为了获得较快的加工速度，电极缩放量可取大些；混粉加工中的放电间隙比采用普通工作液加工的放电间隙要大些，电极缩放量可取大些；精密加工较通常加工的电极缩放量要小一些。但要注意，对于薄、尖形状的电极，缩放量要选小些，因为这类加工不能选择大的加工条件，否则会使电极在加工中发生变形，另外较大的电极缩放量也降低了电极的强度。
2.4工艺方法的误区
目前数控 电火花 机床在 模具 企业的应用越来越普及。 模具 企业中有些厂家是由使用传统 电火花 机床发展到使用数控 电火花 机床的，这些企业由于受到长时间使用传统机床的影响，已经形成了很多加工经验。但实际上，由于数控 电火花 机床的操作和传统 电火花 机床的操作是不一样的，这就造成了 模具 企业在使用数控 电火花 机床时存在很多误区。
传统 电火花 机床一般只能采用Z轴进行垂直的伺服进给加工。而目前大多数控 电火花 机床可以实现横向加工、多轴联动加工。但是这些功能在 模具 企业中并没有得到很好的应用，很多操作者认为只要能把零件加工完成就可以了，习惯采用保守的Z轴加工。其实，如果能充分发挥机床的功能，是可以显著改善加工质量，提高加工效率的。图3所示为一注塑模的成型镶件，四周有比较薄、深的胶位。此部位如果采用Z轴伺服加工，会因局部放电面积小，加工深度大，加工过程中就会发生放电不稳定的现象，继而导致电极进给呈反复回退，加工速度缓慢，电极损耗较大，表面粗糙度不均匀等异常问题，不能满足加工要求。若通过改善工艺方法，利用数控 电火花 机床的横向伺服功能，使电极作横向伺服加工，则能解决上述问题，取得明显的改善效果，尤其是加工速度可比采用Z轴伺服加工提高数倍。
图3 横向伺服加工
图4是利用 电火花 加工来清除切削加工后剩下的 刀具 R角，是比较常见的加工类型，又称“清角加工”。进行这类加工时，如果采用X、Y、Z三轴联动的方法，即斜向加工，可避免因加工部位面积小而发生放电不稳定的现象。
图4 斜向清角加工
3 结束语
目前一些模具企业在工艺方法上缺乏革新，缺乏对外界新技术的了解，这就使得企业无法整体提高 模具 的制造水平。上文对模具企业 电火花 加工的常见误区进行了技术分析，希望可以给相关企业带来提示性的帮助。另外，当前 电火花 加工的技术已经取得了很大发展，如先进数控 电火花 机床层出不穷，可以实现高效率的精密加工；快速装夹定位系统（EROWA、3R）不需要对电极和工件进行重复校正、定位，大为提高了加工的操作效率；混粉加工使得大面积的镜面加工成为现实，等等。可见在 模具 制造技术快速发展的情况下， 模具 企业应根据自身的制造需求，量身订做一套合理的工艺，不断地去改善，使企业在竞争激烈的潮流中处于不败之地。
