电火花加工技术应用在模具制造中电加工的应用

HEATS · 发表于 2010-10-23 18:32:15

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　　当今世界，日新月异，各行各业都发展很快。其中材料科学的发展和机械行业的发展尤为迅速，这两个行业的联系也越来越紧密。其中，一个很具体的表现就是随着材料科学的发展与进步，为了满足一些特殊情况的需要，一大批具有高强度、高硬度、高韧性、高脆性、能耐高温等特殊性能的模具材料相继产生，从而给传统的带来了许多新的困难与问题，用传统的加工方法难以再满足要求。如对具有复杂结构的工件，如复杂的型腔，凹模型孔的模具采用传统的切削方法就往往很难实现，因而人们在生产中研究出了一些新的方法，并有一些已经被广泛应用。其中，电火花加工加工方法就是其中之一，其在模具制造工业中被广泛应用于型孔及型腔的加工。　　一、电火花加工的机理与特点

　　电火花加工是在一定的介质中通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工的方法。电火花加工的原理如下图所示。

　　自动进给调节装置3此处为液压油缸和活塞使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最弱处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面局部熔化，甚至气化蒸发而电蚀掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过脉冲间隔时间，使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。整个加工表面将由无数小凹坑所组成。这种放电循环每秒钟重复数千次到数万次，使工件表面形成许许多多非常小的凹坑，称为电蚀现象。随着工具电极不断进给，工具电极的轮廓尺寸就被精确地“复印"在工件上，达到成型加工的目的。

　　电火花加工能加工高熔点、高硬度、高强度、高纯度、高韧性的各种材料，而其加工机理与切削方法完全不同，具有以下特点：

　　1、脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。2、脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。3、加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。4、可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。

　　二、影响模具电火花加工质量的主要因素

　　模具的加工质量主要包括加工精度和电蚀表面的质量。由于电火花加工过程中的输入、输出参数多且较为复杂，影响模具加工精度的工艺因素涉及有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极的制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等诸多方面，其中以电极损耗、放电间隙影响较大。

　　1、电极损耗对加工精度的影响

　　在模具电火花加工过程中，脉冲放电会使工具电极受电腐蚀而发生损耗，因而了解和掌握电极损耗规律，进而采取多种措施以尽量减少工具电极的损耗，可保证模具具有更高的加工精度。电火花加工时，工具电极的不同部位其损耗情况也是不同的，通常其尖角、棱边等凸起部位的电场强度高，易形成尖端放电，所以其损耗比平坦部位要快，不均匀的损耗必然导致加工精度的下降。

　　同时电极的损耗还受电极材料的热学物理常数影响。电极材料的熔点、沸点、比热容、熔化与气化潜热越高，导热系数越大，其耐腐蚀性越好，传热能力越强，因而能降低电极的损耗。

　　2、放电间隙对加工精度的影响

　　电火花加工模具时，工具电极与工件之间发生脉冲放电需要保持一定的放电间隙，使加工出的工件型孔尺寸与电极尺寸相比，沿加工轮廓上要相差一个放电间隙。放电间隙主要决定加工稳定性，一般增大脉冲放电间隙时间可提高加工稳定性。而提高峰值电流将使生产率提高，但电极损耗将加大。

　　表面变质层加深，粗糙度会变大。要使放电间隙保持稳定，必需使脉冲电源的电参数保持稳定，此外还应使机床精度和刚度也保持稳定，同时特别注意电蚀产物引起的二次放电对放电间隙的影响。

　　3、对加工表面粗糙度的影响

　　电蚀表面的粗糙度评定参数Ra随脉冲宽度和电流峰值增大而增大。在一定加工条件时，脉冲宽度和电流峰值增大会使单个脉冲能量增大，使电蚀凹坑的断面尺寸增大，因此表面粗糙度主要取决于单个脉冲能量的大小。要减少表面粗糙度Ra的值，则必须减少单个脉冲的能量。

　　4、表面变化层对模具表面质量的影响

　　模具经电火花加工后的表面将产生包括凝固层和热影响层的表面变化层。凝固层是工件表层材料在脉冲放电的瞬时高温作用下发生熔化而未能抛出，在脉冲放电结束后迅速冷却、凝固而保留下来的金属层，该层金属晶粒非常细小，有较强的抗腐蚀能力。

　　热影响层位于凝固层与工件基体材料之间，由于受放电点传来的高温影响，使材料金相组织发生变化。在加工过程中由于所选用的电参数，冷却条件及工件材料原来的热处理状况不同，变化层的硬度变化情况就会不一样。表面变化层的厚度与工件材料及脉冲电源的电参数有关，随脉冲能量的增大而增厚，凝固层硬度通常较高。因此，电火花加工后的模具表面耐磨性比普通机械加工要好。

　　三、电火花加工技术在模具加工中的应用

　　由于模具工业的迅速发展，为了满足一些特殊情况的需要，一大批具有高强度、高硬度、高韧性、高脆性、能耐高温等特殊性能的模具材料相继产生，从而给传统的金属切削加工带来了许多新的困难与问题，用传统的加工方法难以再满足要求，这时，电火花加工技术就被广泛应用与模具加工。随着电火花加工技术运用于模具工业，对传统的模具加工工艺产生了很大的影响，改变了模具加工工艺流程。常规的加工方法是在退火后进行铣削加工；然后进行热处理、磨削或电火花加工；最后手工打磨、抛光，加工周期很长。冲模时常因淬火变形或开裂而导致报废。而电火花加工技术可以加工淬火后的模板，避免热变形弊病和镶拼结构，既简化了模具结构，又能提高模具强度与寿命。

　　电火花改性技术在模具表面有很大的应用，为改进模具表面的质量，利用电火花脉冲放电产生高温的工作原理，用硬质合金如YG8等做电极材料，将硬质合金材料熔渗到模具及易损件的工作面上，形成一层高硬度、高强度、高耐磨、高耐温、又不剥离的硬质白色合金强化层，改变表面的物理、化学性能，是对模具进行表面处理非常有效的方法。电火花强化层是电极和工件材料在放电的瞬间在高温高压条件下重新合金化，而形成的新合金层，不是电极材料简单的涂覆和堆积。合金层与基体金属之间具有氮元素等的扩散层，与基体结合牢固，极耐冲击。强化处理时，由于放电时间很短，放电点的面积又很小，放电的热作用只发生在工件表面的微小区域，而整个工件仍处于常温状态或升温较低，工件处于冷态，时间短，不会产生退火或热变形。电火花改性是在空气或液体介质中进行的。它既可以作用在零件的局部表面，也可对一般几何形状的平面或曲面进行改性，比如刀具、模具、机械零件等。电极材料可以根据用途自由选择，在修复己磨损的机器零件时，可采用碳元素、紫铜、黄铜等材料作为电极，这些材料来源比较广，而且材料消耗量也很少。可通过对电气参数的调节和改性时间的控制来获得不同厚度和表面粗糙度的改性层。操作方法容易掌握，不需要技术等级高的操作人员。它可以用少量材料起到大量、昂贵的整体材料难以达到的效果，既能提高产品的硬度、耐磨性及高温红硬性等性能，显著提高产品的使用寿命，又能大大减少贵重材料的消耗，降低生产或维修成本。

　　电火花加工精密型腔模具的精度表现在尺寸精度、仿形精度、表面质量等三个方面。加工精密型腔模具.应正确分析其各部位尺寸要求，灵活控制不同地方的尺寸精度.应特别重视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达±2～3微米，可见其尺寸要求的严格性。仿形精度要求亦高，型腔应清角，棱角清楚。表面粗糙度值均匀，并达到预定表面精糙度值，一般要求Ra值很小，甚至要求镜面加工，另外电火花加工部位表面变质层的厚度要很小。

　　四、小结

　　现今，随着经济的高速发展，电火花成型加工技术所具有的一系列特色和生产效益方面的巨大潜力，早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域，不同规格的各种商业化高速机床也已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造等行业。但电火花加工技术在模具工业中，由于电火花加工过程中，影响加工质量的因素较多，在具体加工时应根据工件的加工要求，电极与工件的材料，加工的工艺指标等因素来合理选择加工参数，并通过工艺试验和生产实践掌握其转换规律，以提高模具加工精度，加工生产率和经济性。如果这些问题解决得当，相信在不久的将来，电火花加工技术在模具工业中会具有越来越广泛的应用，也具有越来越美好的前景。

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