數(shù)控電火花成型加工的質(zhì)量問題分析及對(duì)策研究

吳軍

（華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330013）

數(shù)控電火花成型加工的質(zhì)量問題分析及對(duì)策研究

吳軍

（華東交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330013）

數(shù)控電火花成型加工技術(shù)不斷發(fā)展，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題，在這其中，表面質(zhì)量以及加工精度是常見的難點(diǎn)問題，本文對(duì)這些常見問題進(jìn)行了深入研究，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，從電極設(shè)置、放電參數(shù)選擇、成型工藝和工作循環(huán)方式等方面對(duì)影響數(shù)控電火花成型加工質(zhì)量的問題進(jìn)行詳細(xì)研究，并提出了有效的解決措施.

數(shù)控電火花；成型加工；加工質(zhì)量

電火花成型加工技術(shù)已經(jīng)逐漸被普及，并在不斷發(fā)展.特別是數(shù)控電火花成型加工，已經(jīng)成為模具型腔加工中的主要技術(shù)之一.這門技術(shù)能夠針對(duì)復(fù)雜的高精型腔、型孔、窄縫、超薄工件等進(jìn)行加工.其中電極設(shè)計(jì)是保證零件加工質(zhì)量的核心要素.在加工中分為粗、中、精三種情況，在不同模式下的放電間隙有所不同，這就要求制作不同的電極滿足不同的加工精度.型腔加工是模具加工中經(jīng)常遇到的，在型腔面積較大時(shí)，必須采用分割電極法，逐一對(duì)型腔每個(gè)部分進(jìn)行加工.本文對(duì)影響電火花成型加工精度和質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，提出了一些有效的措施.

1 電火花成型加工技術(shù)概述

早在20世紀(jì)40年代，電火花成型加工技術(shù)就已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，并且成為數(shù)控加工制造領(lǐng)域中極其重要的一部分.在新技術(shù)不斷開發(fā)涌現(xiàn)的當(dāng)今時(shí)代，電火花成型加工技術(shù)也面向高層次、高水準(zhǔn)不斷開拓發(fā)展.即便很多傳統(tǒng)加工技術(shù)都在結(jié)合新的加工需求不斷發(fā)展，或者與新技術(shù)進(jìn)行融合，并且在某些加工領(lǐng)域具有較高優(yōu)勢(shì)，但是這些技術(shù)也無(wú)法完全取代電火花成型加工技術(shù)在加工難度大材料、復(fù)雜型面以及模具制造等方面的優(yōu)勢(shì).

2 電火花成型加工技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀.對(duì)于電火花成型的基本理論研究方面，放電過(guò)程本身是一個(gè)復(fù)雜的，隨機(jī)性較強(qiáng)的過(guò)程，時(shí)至今日，在研究手段的局限下，仍未曾取得突破性的進(jìn)展，但是在關(guān)于電火花成型和加工工藝以及控制理論的研究方面，很多研究成果已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，例如高效加工技術(shù)、高精密加工技術(shù)、低損耗加工技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、非導(dǎo)電材料加工技術(shù)、電火花表面處理技術(shù)、智能控制技術(shù)等.電火花同樣能夠應(yīng)用在工藝設(shè)備生產(chǎn)方面，新型電火花成型加工機(jī)床技術(shù)有著更高的加工功能，獲得了更高的加工精度和自動(dòng)化程度，其可靠性也得到了全面提升.

2.2 發(fā)展趨勢(shì).從電火花成型加工的研究對(duì)象考慮，其中精密加工、精細(xì)加工、深腔加工和窄槽加工將成為核心發(fā)展方向.與此同時(shí)，應(yīng)注重與其他相關(guān)技術(shù)的融合和借鑒，取得彼此增值的成效，如與傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的復(fù)合作用方面.在電火花成型加工技術(shù)自身成果優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)不斷更新加工工藝，讓該項(xiàng)技術(shù)能夠更好的為數(shù)控加工產(chǎn)業(yè)服務(wù).

3 表面加工質(zhì)量問題分析及采取的措施

經(jīng)過(guò)對(duì)電火花成型加工技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用實(shí)踐分析，我們發(fā)現(xiàn)其中存在的常見加工質(zhì)量問題主要有以下幾個(gè)方面：1.加工的表面不光滑甚至很粗糙；2加工的孔壁有瑕疵，如裂紋、燒傷等；3.加工存在偏差和劣質(zhì)殘留，最常見的是分割電機(jī)加工型腔內(nèi)流線的電極拼縫痕跡.通過(guò)對(duì)問題產(chǎn)生根源的合理分析，做好有效的預(yù)防準(zhǔn)備工作，通過(guò)科學(xué)可行的控制措施，數(shù)控電火花加工質(zhì)量是能夠得到保證的.

3.1 加工表面粗糙問題解決方案

通過(guò)對(duì)電火花成型加工過(guò)程中的加工表面粗糙問題進(jìn)行總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這個(gè)問題的原因可以分為幾個(gè)方面：其一，受到電極表面粗糙的影響，造成微觀放電間隙不夠勻稱；其二，在廢屑無(wú)法暢通排除的情況下，導(dǎo)致積碳；其三，沒有選擇合適的放電參數(shù).加工間隙的大小對(duì)加工質(zhì)量有著直接的影響，精加工過(guò)程需要使用小間隙，如果在加大加工間隙下進(jìn)行精加工，同樣能夠改善表面的粗糙度，但是會(huì)出現(xiàn)型腔清晰度和平面度惡化的結(jié)果.若要在綜合考量下保證加工的穩(wěn)定性，選擇在小間隙下進(jìn)行加工，并不需要很高的加速度和速度，需要較小的伺服系統(tǒng)，平穩(wěn)的低速以及嚴(yán)格的間隙檢測(cè).在小間隙限制下，加工往往會(huì)出現(xiàn)短路、空載、間隙污染等問題.這些問題可以通過(guò)對(duì)放電參數(shù)的及時(shí)調(diào)整來(lái)解決，例如降低脈沖電流以及脈沖頻率，如果通過(guò)對(duì)放電參數(shù)的調(diào)節(jié)仍然不能解決問題，就需要重新拋光電極，提高電極表面的粗糙度，獲得最佳的工作液沖刷狀態(tài).在CNC640火花機(jī)上，采用紫銅電極(+)，間隙電壓是50V，高壓是200V，加工材料是S45C鋼（-），加工直徑是16mm，加工深度是10mm，工作液選用EDM110火花機(jī)油時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 CNC640火花機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.2 消除復(fù)雜零件型腔內(nèi)的拼接痕

應(yīng)用數(shù)控電火花加工復(fù)雜零件型腔時(shí)，出于降低加工工藝難度，控制加工成本的目的，可改變復(fù)雜形狀電極為簡(jiǎn)單、易于加工的電極，最后重新進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)放電加工，還可以進(jìn)行單個(gè)電極的放電加工，拼合與分割電極.

但是電極拼合或者電極逐個(gè)放電加工之后，型腔表面往往會(huì)留下拼接加工痕跡.產(chǎn)生拼接痕跡是非常容易出現(xiàn)的問題，歸根結(jié)底，是由于電極損耗造成的.加工放電過(guò)程中，在電極端部前沿尖角位置，電流密度過(guò)大，放電集中度較高，導(dǎo)致尖端燒損.如果電極損耗非常嚴(yán)重，可能會(huì)造成電極拼縫位置形狀的改變，從而導(dǎo)致放電間隙增加，對(duì)應(yīng)位置的金屬得不到加工，于是拼縫位置加工表面會(huì)殘生不規(guī)則的凸起瘢痕，為了避免這種情況，設(shè)計(jì)以及加工電極時(shí)，要將電極重合部分重合1-2mm進(jìn)行拼接.

圖1 拼合與分割電極

圖2 拼接加工痕跡

圖3 電極拼縫棱角損耗

圖4 重合拼接電極

3.3 型腔內(nèi)壁燒傷和裂紋

數(shù)控電火花加工是在加工面上通過(guò)放電產(chǎn)生瞬間高溫，融化、蒸發(fā)、氣化、溶蝕金屬，并使用工作液沖刷，是金屬?gòu)娜诨癄顟B(tài)到極冷凝固的循環(huán)，在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，無(wú)論是直流電壓調(diào)節(jié)過(guò)高，還是有雜質(zhì)混入放電間隙，或者廢屑不能及時(shí)消除導(dǎo)致的二次放電，都會(huì)引起工件溫度過(guò)高，從而導(dǎo)致工件燒傷.除此之外，工件溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致工件晶粒粗大，降低工件韌性，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，增加了加工表面的裂紋傾向.為了防止工件過(guò)熱燒傷以及產(chǎn)生裂紋，可對(duì)問題成因綜合考慮，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整：1.可適當(dāng)降低直流電壓，改善工作液沖刷，及時(shí)清理放電間隙中的雜質(zhì)和廢屑；2.更換工作液；3.如果電極較大，可改變電極制作工藝孔，改善沖刷條件，保證廢渣能夠及時(shí)得到清理.

4 加工精度問題分析及采取的措施

想要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控電火花成型加工精度的有效提高，需要從機(jī)床、電極、夾具、放電參數(shù)和環(huán)境等方面入手，這些方面可能出現(xiàn)如下影響加工精度的問題：加工另加型腔尺寸偏差較大、清角半徑增加、平面度偏差較大、型腔孔壁產(chǎn)生臺(tái)階等，控制加工精度需要對(duì)影響加工精度的各種因素進(jìn)行全面控制.

4.1 型腔的尺寸偏差

型腔尺寸與電極之間息息相關(guān)，電極的精度直接影響著型腔的尺寸精度，其中電極的精度分為本身的尺寸精度和針對(duì)型腔而言的位置精度，并且在設(shè)計(jì)加工時(shí)需要對(duì)這兩種精度要求同時(shí)考慮.因此，設(shè)計(jì)加工電極時(shí)，還要考慮電極放電時(shí)的位置尺寸，以及確定電極在X、Y、Z三個(gè)軸向的校正基準(zhǔn).如圖5所示.

圖5 校正電極位置

4.2 型腔清角圓角半徑太大

清角圓角半徑過(guò)大也是在型腔加工中極為常見的現(xiàn)象.究其產(chǎn)生的原因大致分為以下幾個(gè)方面：1.電極棱角嚴(yán)重?fù)p耗；2.放電參數(shù)設(shè)置不合理；3.精加工時(shí)間不夠.對(duì)應(yīng)措施如下：1.進(jìn)一步縮小清角處放電間隙；2.分多次放電加工.進(jìn)行第二次加工處理時(shí)，可適當(dāng)增加電極外形尺寸，降低電流，控制電極棱角損耗，維持電極交角狀或者直角狀.同時(shí)放電參數(shù)需要按照加工要求合理確定，通過(guò)降低電流電壓規(guī)格，清角時(shí)使用工作液直沖循環(huán)等措施，提高清角位置形狀滿足精度要求.

4.3 形狀誤差

造成數(shù)控電火花加工中出現(xiàn)形狀誤差的主要原因是：沒有準(zhǔn)確定位工件和電極裝卡環(huán)節(jié)，或者在加工時(shí)受到技術(shù)水平和環(huán)境因素影響產(chǎn)生移動(dòng)、偏離.下面給出相對(duì)簡(jiǎn)單有效的解決辦法：1.確保準(zhǔn)確的裝卡定位；2.在不影響電極精度的條件下，在電極相對(duì)并不重要的位置鉆孔，或安置吸流排渣功能，提高流動(dòng)性能和廢渣清除性能.小間隙加工過(guò)程中會(huì)存在一定的真空，所以要注意防止真空產(chǎn)生的沖擊作用對(duì)電極和工件造成影響，防止電極在工件加工中產(chǎn)生移動(dòng)和偏斜，防止出現(xiàn)極小錐體，控制加工表面可能出現(xiàn)的形狀精度誤差.

4.4 型腔孔壁出現(xiàn)臺(tái)階狀

在對(duì)型腔孔進(jìn)行數(shù)控電火花加工的過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生型腔孔壁出現(xiàn)臺(tái)階狀的意外狀況.依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得知，主要原因?yàn)椋?.電極表面不符合平直的要求；2.機(jī)床主軸在垂直進(jìn)擊過(guò)程中不夠平穩(wěn)；3.電極發(fā)生二次改變位置；4.電機(jī)的上下部位磨損程度不相符.

針對(duì)上述原因可以運(yùn)用如下解決辦法：1.結(jié)合實(shí)際情況，在對(duì)電火花機(jī)床設(shè)備進(jìn)行選擇時(shí)，注意機(jī)床剛度和主軸強(qiáng)度要符合自身生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)；2.加強(qiáng)電極精度；3.利用不同的加工強(qiáng)度多次反復(fù)的進(jìn)行放電加工，以防止型腔孔壁出現(xiàn)臺(tái)階狀問題.

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，雖然數(shù)控電火花加工技術(shù)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)期的研究與應(yīng)用，并且工藝已經(jīng)比較成熟，在相關(guān)行業(yè)占據(jù)極其重要的地位.但是，基于電火花加工技術(shù)的特殊性，加工過(guò)程中的質(zhì)量控制依舊存在一些難以避免的問題.文中對(duì)數(shù)控電火花成型技術(shù)進(jìn)行了充分的理論分析并指出了經(jīng)常發(fā)生的問題，然后從多個(gè)要點(diǎn)相應(yīng)切入進(jìn)行剖析解決，希望能夠?yàn)樘幚矸烹娂庸ぜ夹g(shù)的相關(guān)問題供參考.

〔1〕秦勇，王霖.數(shù)控技術(shù)在電火花成形加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)械工程師，2011（3）：41-43.

〔2〕盧存?zhèn)?電火花加工工藝學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012（5）.

〔3〕王先逵.精密加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011（9）.

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〔5〕許發(fā)根.模具制造工藝與裝配［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013（5）.

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TG661

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1673-260X（2015）04-0042-03