密封圈模具的電火花成形銑削*

段 雷 常云朋

(洛陽理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南洛陽 471023)

圖1所示的汽車插接器密封圈，材料為硅橡膠 6144，流動性好、硬度低、硫化速度快，采用開放式壓制成型模具成型。

壓制模具雖然結(jié)構(gòu)簡單，但加工難度較大，難點(diǎn)在于環(huán)形凸筋所對應(yīng)的0.6 mm環(huán)形槽的加工。圖2所示為模板局部結(jié)構(gòu)尺寸，0.6 mm環(huán)形槽屬于成型面，對尺寸精度及表面粗糙度有較高要求，如果采用機(jī)械切削加工，須使用如圖3所示成形銑刀。

由于刀具切削刃薄，剛性較差，加工時振動大，難以保證加工質(zhì)量，且加工后側(cè)凹槽無法拋光，因此嘗試采用電火花加工。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，半精加工后留0.05 mm精加工量。對于無法拋光的側(cè)凹槽，要求電火花精加工后的表面為最終表面。為保證尺寸精度及粗糙度要求，在工藝上采取了以下幾項(xiàng)措施。

(1)材料選擇 選擇SKD61作為模板材料，這是精密注塑模具常用的材料，電火花加工性能好，容易實(shí)現(xiàn)鏡面加工。電火花加工時電極材料采用紫銅，其導(dǎo)電性能優(yōu)良、質(zhì)地均勻、放電穩(wěn)定、加工性能好。

(2)精加工采用混粉加工工藝 混粉加工是近年來出現(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加入導(dǎo)電微粉(如硅粉、鋁粉)，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，可以采用更小的電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行精加工。同時，由于導(dǎo)電微粉對放電通道的分割效應(yīng)，在同樣電規(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，在精加工時采用混粉加工，可以采用比普通電火花加工更大的電規(guī)準(zhǔn)，在較高加工速度下，可以獲得表面粗糙度值更小的加工表面［1］。此外，由于電加工的濺射效應(yīng)，工件表面層硬度較高，耐磨性好，可以作為最終表面使用。

(3)應(yīng)用電火花成形銑削工藝加工 精加工電極的設(shè)計(jì)方案如圖4所示，放電間隙取單側(cè)0.05 mm。電極設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)體，類似于成形銑削時的成形銑刀。工作時電極自轉(zhuǎn)，工件在水平面內(nèi)x和y兩個坐標(biāo)方向作軌跡合成運(yùn)動。回轉(zhuǎn)電極母線根據(jù)要加工的工件側(cè)壁輪廓設(shè)計(jì)，尺寸為工件輪廓縮放放電間隙;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)保證不會過切。x和y兩個坐標(biāo)方向作軌跡合成運(yùn)動，根據(jù)工件水平面輪廓確定并編寫相應(yīng)程序。這種將電火花加工仿形法與展成法相結(jié)合的方法，稱之為電火花成形銑削，這樣的工藝方法具有以下優(yōu)點(diǎn):

①電極加工簡便，可直接車削而成，精度及粗糙度容易保證。鏡面加工需要多電極更換成形工藝加工，電極設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)體則多個電極的一致性好、制造精度高，更換電極時的重復(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，多個電極制造時電極尺寸的一致性較難保證。而且，對于側(cè)凹結(jié)構(gòu)須采用分段加工，加工面相接處會出現(xiàn)接刀痕。

②與混粉工藝相結(jié)合可以取得更好的加工效果。旋轉(zhuǎn)的電極可以解決加工過程中工作液的均勻性問題。與普通電火花加工相比，由于在工作液中加入了微粉，微粉分布的均勻程度對加工質(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，由于絕緣性能下降得多，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得少，在同樣電規(guī)準(zhǔn)條件下，發(fā)生火花放電的次數(shù)少。因此，要減小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，通常的做法是增大工具電極抬刀頻率及幅度，增大脈間寬度。但這些措施直接降低了加工速度，使加工效率降低。采用成形銑削，工具電極的旋轉(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。在確定加工參數(shù)時可以減小脈間寬度、抬刀頻率及幅度，或采取不抬刀加工，有效地提高加工速度，減小表面粗糙度值［2］。

旋轉(zhuǎn)電極也有利于加工區(qū)附近的工作液的更新，使電蝕產(chǎn)物及放電產(chǎn)生的熱量及時地排散出去，有效地防止拉弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高放電穩(wěn)定性，減小加工表面粗糙度值。因此在混粉加工中，電極的旋轉(zhuǎn)速度是一個重要的加工參數(shù)，轉(zhuǎn)速過低則均勻工作液、排散電蝕產(chǎn)物與加工熱量的作用不明顯;過高則由于離心力增大，導(dǎo)致工作液難以順利進(jìn)入加工間隙而形成局部真空，這在微精加工時就直接使加工表面粗糙度值增大［3］。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。通過實(shí)驗(yàn)，確定該電極的轉(zhuǎn)速為60 r/min。

③與簡單桿狀電極進(jìn)行展成加工相比，數(shù)控程序的編寫較為簡單。電火花成形銑削還解決了相鄰運(yùn)動軌跡之間的材料殘留問題，提高了表面質(zhì)量，減小了加工誤差，同時可以避免由于電極損耗而造成的在加工深度方向產(chǎn)生的斜度。

以電火花成形銑削的方式加工，不必制造復(fù)雜的電極，多電極加工時電極的一致性好，制造精度高，定位精度、裝夾精度高，加工時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。電火花成形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。

(4)加工參數(shù) 電火花加工遵循由粗到中再到精加工逐步進(jìn)行的過程。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。精加工單個脈沖能量越小，加工表面粗糙度值就越小;但脈沖能量過小，加工時間會很長。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，由于導(dǎo)電微粒對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［4］。工作液的混粉濃度也是一個重要參數(shù)，加工中選用的工作液是硅粉濃度為20 g/L的煤油，硅粉微粒直徑為10 μm。電加工的工藝參數(shù)及加工后表面粗糙度如表1所示。

表1 電加工的工藝參數(shù)及加工后表面粗糙度

加工后進(jìn)行測量，尺寸精度及表面粗糙度符合設(shè)計(jì)要求。型腔表面變質(zhì)層厚度5～6 μm，表面顯微硬度875 HV，耐腐蝕性良好，耐疲勞性能與機(jī)械加工的表面相近，滿足模具使用要求。

混粉加工與電火花成形銑削相結(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。在較高的加工速度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］閆換新，趙萬生，郭永豐.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.

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