基于混粉加工的電火花成型銑削*

段 雷，常云朋

(洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南洛陽(yáng) 471023)

基于混粉加工的電火花成型銑削*

段 雷，常云朋

(洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南洛陽(yáng) 471023)

在研究分析電火花成型銑削的工藝方法，工藝特點(diǎn)及適用范圍基礎(chǔ)上，提出將其與混粉工藝相結(jié)合，應(yīng)用于模具成型零件的制造，可提高加工效率，獲得鏡面效果的高精度型腔，使電火花加工成為模具型腔的最終精加工。

電火花;成型銑削;混粉加工

0 引言

電火花成型銑削是一種新的電火花加工工藝方法，其與混粉加工相結(jié)合，應(yīng)用在部分典型結(jié)構(gòu)的型腔加工中，選取合適的電及非電參數(shù)，在加工時(shí)間及表面質(zhì)量等工藝指標(biāo)上，可以比普通電加工及簡(jiǎn)單桿狀電極展成加工更具優(yōu)勢(shì);與使用仿形電極的混粉加工相比更具“柔性”，并使混粉加工對(duì)表面質(zhì)量的提高效果更明顯。

1 基于混粉加工的電火花成型銑削加工機(jī)理

電火花成型銑削加工是指電極設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)體，類(lèi)似于成型銑削時(shí)的成型銑刀，工作時(shí)電極自轉(zhuǎn)，工件在水平面內(nèi)x和y兩個(gè)坐標(biāo)方向作軌跡合成運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)電極母線根據(jù)所加工的工件側(cè)壁輪廓設(shè)計(jì)，尺寸為工件輪廓縮放放電間隙s，如圖1所示。

回轉(zhuǎn)半徑即軸線確定要根據(jù)工件水平投影的最小圓角半徑設(shè)計(jì)，應(yīng)保證不會(huì)過(guò)切。x和y兩個(gè)坐標(biāo)方向的軌跡合成運(yùn)動(dòng)根據(jù)工件水平面輪廓確定并編寫(xiě)相應(yīng)程序，通過(guò)數(shù)控電火花機(jī)床加工，這種將電火花加工仿形法與數(shù)控加工相結(jié)合的方法，稱(chēng)之為電火花成型銑削。

圖1 電火花成型銑削電極

混粉加工是近年來(lái)出現(xiàn)的電火花加工工藝，與普通電火花加工最大的區(qū)別是在工作液中均勻的加入導(dǎo)電微粉(如硅粉、鋁粉)，導(dǎo)電微粉的加入，使工作液絕緣性能下降，擊穿電壓下降，在同樣電規(guī)準(zhǔn)情況下，放電間隙比普通工作液增大，與普通電加工相比，可以采用更小的電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行精加工。同時(shí)由于導(dǎo)電微粉對(duì)放電通道的分割效應(yīng)，同樣電規(guī)準(zhǔn)條件下，使工件表面的脈沖能量減小，工件材料熔化、氣化的量減小，所形成的放電凹坑也減小，因此在精加工時(shí)采用混粉加工，可以采用比普通電火花加工精加工更大的電規(guī)準(zhǔn)，在較高加工速度同時(shí)，可以獲得表面粗糙度值更小的加工表面［1］。同時(shí)由于電加工中的濺射效應(yīng)，工件表面層硬度較高，耐磨性好，可以作為最終表面使用。

結(jié)合了電火花銑削與混粉加工的工藝方法，具有以下特點(diǎn):

(1)電極的自轉(zhuǎn)可以解決工作液中微粉的均勻性問(wèn)題，使混粉加工取得更好的效果。與普通電火花加工相比，混粉加工在工作液中加入了微粉，微粉分布的均勻程度對(duì)加工質(zhì)量及加工的穩(wěn)定性有較大影響。在微粉濃度高的區(qū)域，由于絕緣性能下降的多，工作液更容易被擊穿，發(fā)生火花放電的次數(shù)增多，與之相反，在微粉濃度低的區(qū)域由于絕緣性能下降的少，在同樣電規(guī)準(zhǔn)條件下，發(fā)生火花放電的次數(shù)少，要降低工件的表面粗糙度值。應(yīng)盡量使加工區(qū)域微粉分布均勻，電極的旋轉(zhuǎn)可以加快工作液在加工區(qū)域的循環(huán)，使微粒在加工區(qū)域分布均勻，有效的降低表面粗糙度值［2］。

(2)工具電極的損耗減少?；旆奂庸づc普通電加工相比，擊穿工作液需要的能量減少，當(dāng)作用在工件上的能量相等時(shí)，可以采用更小的電規(guī)準(zhǔn)，同樣脈寬下，減小峰值電流，可以減少電極損耗。同時(shí)由于放電通道被導(dǎo)電微粉分割，脈沖能量被分散，工具電極表面的脈沖能量減小，電極表面被電蝕的量減小，損耗減少。有利于提高被加工工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。

(3)電極加工簡(jiǎn)便，可直接車(chē)削而成，精度及粗糙度容易保證。質(zhì)量要求較高的電火花加工如鏡面加工需采用多電極更換成形工藝，電極設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)體則多個(gè)電極制造簡(jiǎn)便，制造精度高，多型腔加工時(shí)一致性好，更換電極時(shí)的重復(fù)裝夾、定位精度高。如果采用整體仿形電極，電極形狀復(fù)雜，制造困難，多個(gè)電極制造時(shí)電極尺寸的一致性較難保證。裝夾找正比較復(fù)雜。

(4)電極的自轉(zhuǎn)有利于加工區(qū)附近的工作液的更新，使電蝕產(chǎn)物及放電產(chǎn)生的熱量及時(shí)地排散出去，避免二次放電對(duì)尺寸精度及形狀精度的影響;同時(shí)有效地防止拉弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高放電穩(wěn)定性，也有利于降低加工表面的粗糙度。

(5)電火花成型銑削由于在深度方向上下同時(shí)加工，避免了由于電極損耗而造成的在加工深度方向產(chǎn)生的斜度。與桿狀電極展成加工相比，成型銑削數(shù)控程序的編寫(xiě)較為簡(jiǎn)單。若加工側(cè)壁與底面夾角較小，桿狀電極向下進(jìn)給時(shí)步距相鄰運(yùn)動(dòng)軌跡之間的材料殘留會(huì)影響表面粗糙度，成型銑削可以避免上述情況對(duì)加工質(zhì)量的影響，提高表面質(zhì)量，減小加工誤差。

2 試驗(yàn)研究結(jié)果與討論

在密封圈橡膠模具模板加工中分別應(yīng)用基于混粉加工的電火花成型銑削和普通電火花加工進(jìn)行比較試驗(yàn)。圖2所示為密封圈產(chǎn)品圖。

圖2 密封圈

密封圈為汽車(chē)插接器使用的密封零件，材料為硅橡膠6144，采用開(kāi)放式壓制成型模具成型，設(shè)計(jì)為一模48腔。主要成型零件模板如圖3所示，材料為SKD61，模板零件加工難點(diǎn)在于0.6環(huán)形槽的加工，0.6環(huán)形槽屬于成型面，對(duì)尺寸精度及表面粗糙度有較高要求。

圖3 模板局部結(jié)構(gòu)尺寸

在采用機(jī)械切削加工時(shí)，由于刀具切削刃薄，剛性較差，加工時(shí)振動(dòng)大，刀具磨損快，加工后表面粗糙度為Ra6.3μm不能滿足設(shè)計(jì)要求。

采用電火花加工，工序?yàn)榫€切割加工型孔→電火花半精加工型腔→電火花精加工型腔。由于加工后0.6環(huán)形槽無(wú)法拋光，要求電火花精加工后的表面為最終表面，精加工分別應(yīng)用基于混粉加工的電火花成型銑削和普通電火花加工進(jìn)行比較試驗(yàn)。圖4所示為電火花成型銑削用工具電極，電極材料為紫銅。

圖4 電火花成型銑削用精加工電極

普通電火花加工用工具電極，電極材料也選用紫銅，如圖5所示，電極結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制作較困難，中間螺孔為裝夾使用。在加工中采用搖動(dòng)加工。

圖5 電火花搖動(dòng)加工用精加工電極

工藝參數(shù)包括電參數(shù)與非電參數(shù)。電火花加工遵循由粗到中到精加工逐步進(jìn)行的過(guò)程，粗加工電規(guī)準(zhǔn)較大，采用負(fù)極性加工，精加工電規(guī)準(zhǔn)較小，采用正極性加工，精加工單個(gè)脈沖能量越小，加工表面粗糙度值就越小。但脈沖能量過(guò)小，加工時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。采用混粉加工后，因?yàn)楣ぷ饕航^緣性能降低，在小脈寬條件下更容易擊穿工作液，形成放電通道，減小脈沖寬度，使脈沖頻率增加，加工效率可以提高。同時(shí)由于導(dǎo)電微粒對(duì)放電通道的分散效應(yīng)，可以選用較大的峰值電流加工，也可以提高效率［3］。因此，混粉加工電參數(shù)與普通電加工相比，脈寬較小，峰值電流較大。

工作液的混粉濃度是一個(gè)重要的非電參數(shù)，加工中選用的工作液是硅粉濃度為20g/L的煤油，硅粉微粒直徑為10μm。在混粉加工中，電極的旋轉(zhuǎn)速度也是一個(gè)重要的非電加工參數(shù)，轉(zhuǎn)速過(guò)小則均勻工作液排散電蝕產(chǎn)物與加工熱量的作用不明顯;也不宜過(guò)大，因?yàn)殡S著旋轉(zhuǎn)速度的增加，產(chǎn)生的離心力也增大，當(dāng)超過(guò)一定的值后，由于離心力過(guò)大則導(dǎo)致工作液難以順利進(jìn)入加工間隙而形成局部真空，這在微精加工時(shí)就直接影響了加工質(zhì)量，使加工表面粗糙度值又開(kāi)始上升［4］。電極轉(zhuǎn)速與混粉濃度、電極半徑有關(guān)，一般的規(guī)律是濃度越高，轉(zhuǎn)速越高;半徑越大，轉(zhuǎn)速越低。在加工時(shí)電極的轉(zhuǎn)速確定為60r/min。電火花成型銑削電加工的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 電火花成型銑削的工藝參數(shù)及加工后表面粗糙度

為便于比較，普通電火花加工采用和電火花銑削相同的電參數(shù)。工藝參數(shù)如表2所示。在加工最后階段，由于電參數(shù)很小，電蝕能力很弱，對(duì)尺寸影響很小，因此不再增加搖動(dòng)步距，主要起修光作用。

表2 普通電火花搖動(dòng)加工工藝參數(shù)及加工后表面粗糙度

加工結(jié)果如表3所示，由結(jié)果可知，同樣電參數(shù)條件下，基于混粉加工的電火花成型銑削的表面質(zhì)量更高。加工后的型腔尺寸精度及表面粗糙度符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到鏡面效果，型腔表面變質(zhì)層較厚，表面顯微硬度更高，耐腐蝕性良好，耐疲勞性能與機(jī)械加工表面相近，滿足模具使用要求。而普通電火花加工經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間修光也難以達(dá)到鏡面效果。

表3 加工數(shù)據(jù)檢測(cè)

3 結(jié)束語(yǔ)

基于混粉加工的電火花成型銑削，不必制造復(fù)雜的電極，多型腔、多電極加工時(shí)電極的一致性好，制造精度高，定位精度、裝夾精度高，加工時(shí)可以避免工作液濃度不均勻而導(dǎo)致的電極損耗不均;放電間隙不一致;或二次放電等因素而出現(xiàn)的加工斜度。加工精度高。由于加工區(qū)域工作液可以迅速得到更新，因此可以選用較大的電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行加工，蝕除速度快，加工效率較高。

電火花成型銑削適用于截面沿軌跡線掃描而得出的實(shí)體的模具加工。比如多數(shù)橡膠密封制品，其模具型腔側(cè)壁輪廓形狀復(fù)雜且一致;或側(cè)壁有較大斜度的穿孔加工等情況。如圖6所示為部分適用于電火花成型銑削加工的典型結(jié)構(gòu)。

圖6 適用于電火花成型銑削的典型結(jié)構(gòu)

混粉加工與電火花成型銑削相結(jié)合，運(yùn)用在型腔精加工階段，多項(xiàng)工藝指標(biāo)如:型腔表面粗糙度、加工速度、表面質(zhì)量以及工具損耗等，比普通電火花加工有很大提高。在較高的加工效率下提高了模具加工精度及表面質(zhì)量，達(dá)到鏡面的加工效果，使電火花加工可以作為模具型腔的最終精加工工序。

［1］尹占民.混粉鏡面電火花加工在模具制造中的應(yīng)用研究［J］. 模具制造，2002(12):50-51.

［2］趙福令.混粉電火花加工工藝特性的研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2003(6):573-576.

［3］伍端陽(yáng).鏡面電火花加工的探討［J］.模具工業(yè)，2007，33(11):70-72.

［4］閆換新.混粉電火花加工工藝實(shí)驗(yàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2000(7):36-37.

EDM Forming Milling Based on Powder Mixed Machining

DUAN Lei，CHANG Yun-peng
(Luoyang Institute of Science and Technology He Nan，Luoyang Henan 471023，China)

By analyzing the process，characteristics and application areas of Electrical Discharge Machining(EDM)forming milling，the method of combining forming milling with powder mixed machining technique is put forward.When it is applied to the machining of the mould for seal washer，the high-accuracy cavities with mirror finish can be obtained efficiently.Thus EDM can be the finish machining of cavities.

electrical discharge machining;forming milling;powder mixed machining

TH16;TG661

A

1001-2265(2012)01-0096-03

2011-05-04;

2011-06-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61004085)

段雷(1971—)，男，河南新鄉(xiāng)人，洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系講師，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造，(E-mail)duanleiemail@yahoo.com.cn。

(編輯 趙蓉)