TAZE鏡面火花機混粉電火花加工在型腔模中的應用
發(fā)布時間：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工藝方法，近幾年，像在手機外殼模具、遙控器外殼模具等型腔模的電火花精加工中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文針對型腔?；旆垭娀鸹庸眉夹g進行探討，對模具制造企業(yè)吸收與消化當前先進的電火花加工工藝具有實際的應用價值。
關鍵詞：型腔模；混粉電火花加工；工藝方法
1 引 言
電火花加工技術廣泛地應用于型腔模制造中。當前，模具制造技術的快速發(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重要技術指標，越來越多的型腔模具要求電火花加工實現Ra<0.4 um的均勻表面。
在普通火花油（無混粉）進行電火花精加工時，當加工面積較大時，工件和電極間就會形成較大的寄生電容，產生集中放電現象，生產效率極低，表面粗糙度難以達到加工要求，因此，以往復雜型腔模的的亞光要求面無法達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發(fā)的一門技術。它的顯著優(yōu)點是：加工效率高，精加工時間大幅度縮短，提高了模具制造的生產效率；表面均勻性好，大幅度改善了精加工大面積的均勻程度，提高了模具表面質量；對于大面積的加工，同樣能達到低于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已經商品化，和一些數控電火花成形機床配套應用，深受模具制造商的青睞。
2 混粉電火花加工應用技術的探討
基于廣東臺正產品TAZE數控電火花機床的混粉加工實踐的應用，根據實際加工經驗，對混粉電火花加工應用的關鍵技術進行探討。
2.1 混粉電火花加工的簡要原理
所謂混粉電火花加工是指在工作液中添加了微粉（如硅粉），整個電火花加工過程在這種具有一定濃度的粉末工作液中進行?；旆垭娀鸹庸び捎诠ぷ饕航橘|中混入一定比例的導電性或半導電性超細粉未，放電時極間距離加大，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，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生，相應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 混粉電火花加工對機床的要求
要成功地實行混粉電火花加工，對數控電火花機床有相應的要求。
1）由于工作液中添加了粉末，首先要求電火花機床具有防止粉末沉淀的裝置。廣東臺正TAZE數控電火花機床在工作液槽的工作臺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，工作液從管道的小孔噴出，給工作液槽供給混粉工作液，同時使工作液槽中的液體不斷循環(huán)流動，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，防止粉末沉淀。
2）要求電火花機床具有鏡面精加工電路，也就是要求機床的脈沖電源具有極小的單個脈沖能量（納秒級脈沖寬度、低峰值電流的電源），能在小放電能量下進行穩(wěn)定的放電加工。一些普通型電火花機床的脈沖電源雖具有小的單個脈沖能量，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。廣東臺正TAZE數控電火花機床采用國際知名能量脈沖電源。
3）要求電火花機床具有豐富的應用功能。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方式（見下詳細介紹）。
可見，選擇可靠的混粉數控電火花機床是成功實現混粉電火花加工的前提條件。
2.3 混粉電火花加工工藝過程
進行混粉電火花加工之前，首先要進行工藝分析，判斷型腔是否適合使用混粉電火花加工?；旆垭娀鸹庸ぶ饕轻槍Υ竺娣e的高光潔度加工。對于絕大多數型腔模，像手機外殼模具、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行精加工得到光滑的加工面。對于微細型腔，混粉加工由于工作液中粉末的存在，放電間隙大而難以實現一些精細件的清角要求，如IC模的精密尺寸要求，混粉加工明顯不合適。
進行混粉電火花加工前，型腔必須經過預銑加工，并留有合適的加工余量。電火花加工的工藝過程就是一個從粗加工到精加工的過程。采用多電極更換的工藝方法，用二個不同尺寸縮放量的電極完成一個型腔的粗、精加工。首先用粗加工電極，在保證一定加工質量的條件下(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，以縮短加工時間，提高加工效率。（對于型腔的粗加工，要求在非混粉的狀態(tài)下進行加工，否則粗加工中蝕除下來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行混粉電火花加工，達到要求的加工精度和表面質量。
在混粉電火花加工前，要嚴格控制好粗加工的尺寸。如果粗加工預留的加工量太小，那么混粉加工將不能完全修上，影響表面效果；如果粗加工預留的加工量太多，那么混粉加工將很難去除過多的材料量，導致加工速度極慢，電極疲勞。建議粗加工型腔表面達到VDI25（Ra1.8um）級，底面預留0.07mm，側面單邊預留0.08mm。
混粉電火花加工過程中，往往能保持高穩(wěn)定的放電狀態(tài)，一般不會產生積碳現象，因此在加工過程中應盡量少停機，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程。
混粉電火花加工需要控制好各個環(huán)節(jié)，以追求一次加工的成功率，如果因細節(jié)處理不當產生細微缺陷將導致反復修整，往往花費多倍的時間。
2.4 混粉電火花加工對工作液與粉末的要求
電火花工作液在加工過程中起著消電離、冷卻、排除電蝕產物的作用。對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)定性也很關鍵，決定油品的使用壽命。廣東臺正TAZE數控電火花機床混粉加工建議配用電火花油TOTAL EDM 3（法國道達爾，黏度20°C : 6.7 mm2/s (cST)，閃點 O.C : >135°C）。
目前混粉電火花加工在工作液中加入的粉末，據國內外眾多混粉加工的技術報道基本有硅粉、鋁粉、鎂粉、石墨粉幾種。CNC-300使用的粉末為廣東臺正專用混粉溶液，其成分主要為石墨顆粒，大致長度小于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濾、清潔火花油，將加工過程中的殘屑與失效的粉末過濾掉再加入混粉溶液。該混粉溶液要求最好在加工 350 或400 個小時后更換?；旆奂庸诠ぷ鞑鄣膬葌瘸恋砗谏哪酀{，經驗證明不能將這些泥漿與火花油再次進行混合，因為它會嚴重影響到加工性能。
混粉工作液的濃度對加工表面效果有較大的影響?；旆垡旱臐舛炔粔驎r，在較短的時間內不能達到要求的表面效果，降低了加工效率。在要求鏡面加工的場合，會因混粉濃度不夠而導致表面光澤效果較差；當混粉濃度過大時，型腔的銳邊棱角會被破壞，降低了加工精度。電極與工件之間由于較多粉末的存在，粉末就會產生搭橋導致流動短路，嚴重時會在工件表面產生傷痕。
混粉電火花加工過程中，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，尤其是不能使用強烈的沖液，否則將會造成放電過程中不均勻的流場，影響表面效果的均勻性。
2.5 混粉電火花加工參數的配置
混粉電火花加工參數的配置包括：使用的電規(guī)準，如電流、脈沖寬度、脈沖間隙等；每檔電規(guī)準的放電間隙值與預留量。
混粉電火花加工必須保證每一檔電規(guī)準放電能夠穩(wěn)定進行，最終規(guī)準能達到要求的表面效果。多個規(guī)準中電流依次減少，脈沖寬度依次減少，再選配相應的脈沖間隙、伺服間隙。通常在VDI18級（Ra0.8um）規(guī)準以下使用負極性加工參數（電極為負極）。各檔規(guī)準的放電能量逐漸減小，逐步修光來達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獲得同樣的表面粗糙度。另外，在混粉電火花加工中有相當好的放電穩(wěn)定性，放電時間要設長些，抬刀高度短些，這樣設置的目的是為了維持一個穩(wěn)定的小能量電蝕過程，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算各電規(guī)準的的放電間隙值與預留量。較小的材料預留量會影響加工的表面粗糙度，導致修不光。最理想的加工狀況是第一個條件加工完后，其后的加工只是修光第一個加工條件形成的表面不平度，而不打掉新的材料。但實際加工時，考慮到放電狀況受到的制約因素千變萬化，因此要考慮安全的預留量。余量的大小可根據實際的放電狀況而定，對于面積較大，加工狀態(tài)比較好的情況，可適當減小材料余量，以提高加工速度。
目前先進數控電火花機床的電規(guī)準配置方法一般是智能化的。機床具有許多成套的加工參數，都是通過大量的工藝實驗取得的最佳參數組合，可以根據加工要求來檢索加工條件，如輸入加工面積、加工形狀、電極錐度、電極尺寸縮放量、搖動方式以及加工表面粗糙度值等，機床就能配置出最優(yōu)的電規(guī)準，它將加工過程分用多個加工條件段進行加工，逐段降低電蝕能力，智能設置各規(guī)準的預留量。這種智能方式選用的電規(guī)準一般能滿足加工要求，操作簡單，但通常自動化的方式是以保證加工品質為前提的，因此在加工效率上會較低。在實際生產中，應根據重復的加工不斷積累經驗，優(yōu)化加工過程。
2.6 混粉電火花加工對平動功能的要求
對于型腔模的混粉電火花加工，需達到要求的尺寸精度，另外要求底面與側面表面效果相同，這就要求數控機床必須具備數控平動功能。電火花加工機床具備了數控平動功能，對于尺寸精度的控制是比較容易的。但要保證底面與側面均勻一致的表面效果，就要求機床具備符合要求的平動功能?；旆垭娀鸹庸さ倪^程中，要求每一規(guī)準的平動量能隨深度同時變化，也就是深度逐步加大，平動量也隨之加大，底面與側面處于同步加工的三軸聯(lián)動方式。在這種平動方式下，同時可實現定時加工功能，也就是可指定每一規(guī)準的加工時間，在指定的加工時間內，底面與側面獲得的表面效果一致。如廣東臺正TAZE數控電火花機床在混粉電火花加工時要求選用空間平動圓形。這種平動方式在小能量的精加工中，顯著地提高了加工的穩(wěn)定性，可實現側面與底面的表面效果一致。某些平動功能在混粉電火花加工中是不適用的，如SA機床的圓形伺服平動，該平動方式執(zhí)行的動作為，每檔電規(guī)準必須先將加工深度完成，再執(zhí)行一個圓周的平動軌跡，顯然這種平動方式在型腔模混粉加工的精加工階段是不適合的。
2.7 混粉電火花加工對電極的要求
混粉電火花加工對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，經過實際驗證，石墨電極在混粉電火花加工中也能實現鏡面電火花加工。值得說明的是，如果型腔要求進行混粉電火花鏡面加工，就必須對電極材料的品質就提出嚴格的要求，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導致加工的鏡面效果表面可能局部缺陷，不均勻等不良現象。
電火花加工的過程就是把電極的形狀復制到工件上去。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行精修拋光（至少要經過1000#砂紙的精拋），以達到高光潔度的電火花加工表面質量。
電極的縮放尺寸決定了電火花加工第一檔規(guī)準能量的大小與平動幅度的大小，直接影響加工速度、仿形精度等工藝指標。一般混粉電火花精加工電極的尺寸縮放量取單側0.07～0.15 mm，加工面積小時可取小一些，仿形精度要求高時可取小一些。
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，更換電極的重復裝夾、定位精度要高?？梢圆捎酶咚巽娭圃祀姌O、使用基準球測量的定位方法、使用快速裝夾定位系統(tǒng)進行重復定位等先進工藝來滿足高要求。
2.8 混粉電火花加工對工件材料的要求
混粉電火花加工因工件材料的不同會產生不同的加工效果。在加工紋面（VDI18級表面/Ra0.8um以上）時不同材料獲得的表面效果差異不明顯，但在加工鏡面（VDI7級表面/Ra0.2um以下）時會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等進口鋼材；有些材料卻不能達到鏡面效果，如SKD11（相當于Cr12MoV）?？梢哉J為下列情況是工件材質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加工鏡面不利，產生顯微裂紋；含有快削成分的硫對加工鏡面不利，產生表面條紋；材料軋制方向等胚料制造工藝因素對加工鏡面不利，產生表面條紋；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以上更強規(guī)準的加工效率主要決定于各檔規(guī)準之間的預留量，如果預留量合適，在具有一定蝕除能力的電規(guī)準下，加工效率是比較高的；VDI22及以下更弱的電規(guī)準，由于各電規(guī)準的電蝕能力弱，加工時的尺寸變化已經較小，基本只起修光作用，如果嚴格地按照指定的尺寸執(zhí)行加工，加工過程需要花費很長的時間。而實際上只要加工到要求的表面粗糙度后就可結束加工，因此可采用數控電火花機床的定時加工功能來控制加工效率。根據放電加工的面積來設定各段所需的修光時間。
3 結束語
隨著模具行業(yè)對制造技術提出的更高要求，混粉電火花加工將成為大面積復雜型腔模制造的一種重要工藝技術?；旆垭娀鸹庸さ难芯刻接懀瑢τ谶@一應用技術的推廣提供參考作用。
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