模具制造中電火花加工淺析

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1電火花加工

電火花加工是一種利用電能和熱能進(jìn)行加工的新工藝，又稱放電加工。當(dāng)電火花加工時(shí)，工具電極與工件之間存在間隙，不像切削加工，其利用間隙一直產(chǎn)生的脈沖電壓進(jìn)行火花放電，由放電時(shí)產(chǎn)生的高溫蝕除掉金屬材料。因?yàn)樵诜烹娖陂g能夠觀察到火花，故稱電火花加工[2]。

2電火花加工條件

電火花加工條件必須具備以下幾點(diǎn)。在工具電極和工件間存在合理間隙。此間隙需要滿足兩點(diǎn)：①脈沖電壓可不斷擊穿工作介質(zhì)，進(jìn)行火花放電。②在火花放電結(jié)束后，工作介質(zhì)可以消除電離和帶離蝕除產(chǎn)物。工具電極和工件之間間隙不能過大或過小，若過大，脈沖電壓不能擊穿工作介質(zhì)，不能進(jìn)行火花放電；若過小，則會(huì)出現(xiàn)短路，工具電極和工件之間沒有脈沖電壓，不會(huì)出現(xiàn)電加工。工具電極和工件之間存在工作介質(zhì)。在形成火花通道之后，工具電極和工件間脈沖電壓不能發(fā)生大變化，因此輸出的脈沖能量必須足夠大?；鸹ㄍǖ纼?nèi)能量密度能用電流密度表示，當(dāng)能量密度滿足要求時(shí)，加工材料才會(huì)熔化或者氣化，以此進(jìn)行火花放電加工。脈沖放電時(shí)間一定要短暫。當(dāng)放電時(shí)，因?yàn)槎虝旱姆烹姇r(shí)間，由其高溫引起的熱能不能在加工材料內(nèi)發(fā)散，這也就是電火花加工所具備的冷極性。脈沖放電不間斷發(fā)生，在時(shí)間和空間兩方面是分散的?？梢岳斫鉃椋孩僭谕粋€(gè)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)相近的脈沖不能夠在相同的點(diǎn)形成放電通道；②如果有兩個(gè)不同的固定時(shí)間段，那么脈沖放電不能都在相同區(qū)域，這樣可以避免放電中出現(xiàn)積碳，甚至引起更嚴(yán)重情況。在火花放電之后產(chǎn)生的蝕除物可以快速從工具電極和工件之間間隙排出，從而順利進(jìn)行不間斷的放電。

3加工應(yīng)用

根據(jù)工藝過程中工具電擊的形式及其與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特征，可分為電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展成加工、非金屬電火花加工和電火花表面強(qiáng)化等[3]。下面將從電火花成形加工和電火花線切割加工兩方面進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

3.1電火花成形加工

電火花成形加工的工作原理是：工件和工具電極分別與脈沖電源的兩輸入端連接，并且浸入工作液中。通過自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置控制工具電極向工件進(jìn)給，當(dāng)兩個(gè)電極之間有一個(gè)很小的放電間隙時(shí)，脈沖電壓就會(huì)施加到兩極之間，并且會(huì)在這種情況下對(duì)兩電極最小間隙或者最小絕緣處擊穿工作液，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生火花放電，而瞬間產(chǎn)生得高溫會(huì)蝕除掉工具和工件表面上少量的金屬粒，同時(shí)自身會(huì)出現(xiàn)小型凹坑，其蝕除金屬會(huì)立刻熔化或者氣化，之后掉落到工作液中快速凝固形成固態(tài)的金屬微粒，被工作液帶走。當(dāng)?shù)谝淮蚊}沖放電結(jié)束后，放電會(huì)出現(xiàn)短暫停止，工作液會(huì)出現(xiàn)在兩電極之間，使其恢復(fù)絕緣狀態(tài)。過了一段間隔時(shí)間，第二個(gè)脈沖電壓又會(huì)加到兩個(gè)電極相對(duì)接近的另外一個(gè)點(diǎn)上，又會(huì)在相當(dāng)?shù)拈g隙距離時(shí)對(duì)最近處或者絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿放電，就會(huì)電蝕出一個(gè)小凹坑，然后不斷重復(fù)這個(gè)過程。從一次脈沖放電中了解到只有非常少量金屬被蝕除掉，但是每秒鐘會(huì)有超過次脈沖放電，總體還是能夠蝕除較多金屬，擁有較高的加工率。憑借著非常高的頻率，持續(xù)不斷放電，工具電極就會(huì)一直朝工件方向進(jìn)給，以此把工具電極的形狀反向復(fù)制在工件上。所以，只需要將工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行改變，就能加工出所需的各種各樣復(fù)雜型面[3]。電火花成形加工工作原理如圖1所示，鏡面火花機(jī)加工如圖2所示。

3.2電火花線切割加工

電火花線切割加工的工作原理是：工具電極（移動(dòng)的金屬絲，如鉬絲）連接直流脈沖電源的負(fù)極，工件接直流脈沖電源的正極，當(dāng)工具電極與工件之間有很小的放電間隙時(shí)，脈沖電壓就會(huì)施加到兩者之間，進(jìn)行火花放電，從而切割工件。其能切割工件的原因是當(dāng)正負(fù)電極在工作液中相互靠近時(shí)，因?yàn)閺奈⒂^方面看兩極的表面不是平整的，導(dǎo)致電極間存在不平衡電場(chǎng)，而電場(chǎng)強(qiáng)度最高處是最近的凸點(diǎn)，先擊穿兩極間工作介質(zhì)，形成放電通道，此時(shí)電流快速上升。放電通道內(nèi)的正離子在強(qiáng)大的電場(chǎng)力作用下會(huì)以高速?zèng)_向負(fù)極，同時(shí)負(fù)電子也以高速?zèng)_向正極。在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)電子和正離子會(huì)相互發(fā)生碰撞，陽極和陰極表面分別受到電子流和離子流的強(qiáng)烈轟擊，導(dǎo)致兩電極間隙內(nèi)的通道中瞬間釋放大量熱能，由于熱能不能及時(shí)散發(fā)，引起部分金屬熔化或者氣化，同時(shí)在工件和工具電極之間的部分工作液也會(huì)發(fā)生氣化，由其產(chǎn)生得氣體和工作液發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的能量帶離熔化和氣化后的金屬廢料，以此完成切割。電火花線切割加工工作原理如圖3所示。電火花線切割加工不需要單獨(dú)制造電極，僅用一根電極絲代替專用電極，擁有電極絲損耗小和方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)行線切割時(shí)，由于電極絲持續(xù)運(yùn)動(dòng)，所以電極絲有很小的消耗，因此，加工精度相對(duì)較高[4]。

4加工特點(diǎn)和用途

電火花加工有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①任何能導(dǎo)電材料都可以加工；②適合加工低剛度工件和微細(xì)加工；③由電火花加工的表面硬度相較于機(jī)械加工更高，并且有能夠保護(hù)潤(rùn)滑油；④直接利用電能進(jìn)行加工，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。根據(jù)以上特點(diǎn)，電火花加工的主要用途如下：①制造各類熱鍛模、壓鑄模、擠壓模和塑料模等；②加工型孔（圓孔、多邊形孔、方孔和異形孔）、曲線孔（彎孔、螺旋孔）、小孔和微孔；③在金屬板上切割出零件；④加工樣板、各種形狀復(fù)雜型孔、型面和窄縫等。

5影響電火花加工質(zhì)量的因素

5.1影響材料放電腐蝕量（電蝕量）的因素

影響材料放電腐蝕量（電蝕量）的因素有以下幾個(gè)方面：①電參數(shù)。通過調(diào)節(jié)各種電參數(shù)（脈沖寬度、脈沖頻率和脈沖能量等），可以改變電蝕量。如提高電流，可以加大電蝕量。②極性效應(yīng)。工具電極和工件使用相同的材料進(jìn)行放電加工，兩者中一個(gè)被電蝕量一定比另外一個(gè)大，這就是極性效應(yīng)。當(dāng)工具電極和工件使用不相同材料時(shí)，其極性效應(yīng)更大。③金屬材料。當(dāng)電參數(shù)相同時(shí)，工件材料的熱學(xué)性能決定著電蝕量，如果材料的比熱容、熔點(diǎn)、熱穩(wěn)定性等越大，其電蝕量越小。④工作液。在電火花加工中工作液被當(dāng)作放電介質(zhì)，主要作用是冷卻、排屑。常用的工作液具有黏度較低、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，如煤油、去離子水和乳化液等。

5.2影響加工精度的因素

影響加工精度的因素有以下兩個(gè)方面：①加工間隙。在工具電極和工件間存在合理間隙，加工間隙過大或者過小都會(huì)直接影響加工精度。②加工斜度。除了電極設(shè)計(jì)要求的斜度外，制造過程中由于技術(shù)原因、電極損耗不均勻、多次放電和加工深度等導(dǎo)致的斜度，都會(huì)降低加工精度。

6結(jié)束語

根據(jù)加工需要，部分模具工件和模具型腔需要選擇高強(qiáng)度材料，對(duì)這些材科進(jìn)行熱處理，其硬度會(huì)更高，基本上無法使用一般機(jī)械加工方法加工。模具型腔基本使用電火花加工（包括電火花成形和線切割），所以電火花加工是模具加工中不可分離的部分。但是，電火花加工本身也有缺點(diǎn)，如加工過程緩慢、加工質(zhì)量存在不穩(wěn)定情況，從這點(diǎn)來看電火花加工還無法達(dá)到大批量生產(chǎn)。如今模具的開發(fā)和制造已對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)速度起到關(guān)鍵性作用，提高模具的開發(fā)和制造速度成為重中之重。而高速加工技術(shù)的出現(xiàn)，為模具制造技術(shù)打開一扇新的大門，電加工技術(shù)被高速加工技術(shù)取代是加快模具開發(fā)速度和提高模具制造質(zhì)量的必經(jīng)之路[5]。但是現(xiàn)階段電火花加工在模具加工中仍占有十分重要地位，無法被取代。

參考文獻(xiàn)：

［1］左敦穩(wěn)，黎向鋒.現(xiàn)代加工技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017.

［2］周世權(quán)，田文峰.機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)［M］.3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2016.

［3］周暉.數(shù)控電火花加工工藝與技巧［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

［4］李明輝，楊曉欣.數(shù)控電火花線切割加工工藝及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

［5］屈華昌，吳夢(mèng)陵.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2018.

作者:肖磊 王克通 單位:河南駝人醫(yī)療器械研究院有限公司 河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室