TPA拉絲模模具沖頭的電火花加工研究

趙　達(dá)，趙　穎，鄒金喜

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412000)

?

TPA拉絲模模具沖頭的電火花加工研究

趙達(dá)1，趙穎2，鄒金喜2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司，湖南 株洲 412000)

摘要：分析了TPA拉絲模模具沖頭制作過(guò)程中影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素：電極損耗、機(jī)床的機(jī)械精度和控制精度.研究認(rèn)為：采用電火花多次循環(huán)加工方式加工拉絲模模具沖頭時(shí)，隨著電極和循環(huán)次數(shù)的增加，電火花間隙相應(yīng)減小，電極損耗減少，直到滿足加工精度要求為止；在電火花加工條件不變的情況下，電極損耗比近似恒定，加工軌跡隨著電極損耗的增加依次逼近工件，補(bǔ)償電極損耗，從而達(dá)到電火花去除能力恒定的目的；采用沖頭和電極都沿各自軸線旋轉(zhuǎn)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為單軸直線逼近的方式，也可完成拉絲模模具沖頭加工；結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境，優(yōu)化選擇電火花加工方式，才能滿足拉絲模模具沖頭工件的高質(zhì)量要求.

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；電火花加工；TPA拉絲模模具沖頭；工藝優(yōu)化

拉絲模作為線材拉拔行業(yè)中各金屬線材生產(chǎn)企業(yè)(如電線電纜廠、鋼絲廠、焊條廠等) 使用的一種非常重要的易耗模具，被廣泛用于拉拔棒材、線材、絲材、管材等直線型難加工工件，適于加工鋼鐵、銅、鎢、鉬等金屬和合金材料的拉拔加工[1].

國(guó)外金屬制品企業(yè)為提高生產(chǎn)能力，越來(lái)越重視拉絲模的質(zhì)量和制造工藝改進(jìn)，從提高拉絲模壽命入手，對(duì)拉絲模的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、制造工藝、制造設(shè)備以及檢測(cè)儀器等進(jìn)行系統(tǒng)研究，開(kāi)發(fā)出了微孔拉絲模、拉絲模新材料、表面涂層新技術(shù)、拉絲模新的孔型設(shè)計(jì)技術(shù)等[2].我國(guó)是金屬線材生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量居世界前列.我國(guó)的拉絲模制造工業(yè)從上世紀(jì)80年代起發(fā)展較快.隨著拉絲模制造水平的不斷提高和生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，我國(guó)的拉絲模制造技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展，尤其是在拉絲模的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面有了很大進(jìn)步，但總的來(lái)說(shuō)與國(guó)外還有不小的差距.國(guó)外生產(chǎn)的拉絲模雖然種類與國(guó)內(nèi)的差不多，但所用材料和工藝過(guò)程更加先進(jìn)，拉絲模的加工精度、耐用性、耐磨性等指標(biāo)均優(yōu)于我國(guó)的產(chǎn)品[3-4].因此，加強(qiáng)制模管理,提高拉絲模具質(zhì)量水平，推動(dòng)制模工藝技術(shù)進(jìn)步，特別是微孔拉絲模具的高精度制作，是當(dāng)前我國(guó)制模領(lǐng)域面臨的重要研究課題.

1硬質(zhì)合金拉絲模模具

硬質(zhì)合金拉絲模模具硬度高，余量去除困難，無(wú)法用普通切削工藝完成，因此研究拉絲模模具的加工工藝至關(guān)重要.硬質(zhì)合金拉絲模模具主要由鋼套、硬質(zhì)合金模體、下沖頭和上沖頭組成.在設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金拉絲模模具時(shí)，一般把拉絲模的孔型制作在上、下沖頭上.圖1為硬質(zhì)合金拉絲模結(jié)構(gòu)剖視圖.圖2為硬質(zhì)合金拉絲模模具壓制裝配圖.模具零件裝配后的空隙部分是壓制出的拉絲模，因此決定拉絲?？浊痪鹊年P(guān)鍵部件便是模具的上、下沖頭.若模具沖頭粗糙度、同軸度以及其他形位公差達(dá)不到高精度的要求，勢(shì)必影響拉絲模的拉拔效果.本研究將重點(diǎn)解決現(xiàn)有模具沖頭加工工藝的不足，尤其是在電火花加工成形方面的缺陷，達(dá)到提升模具沖頭精度的目的.

圖1　硬質(zhì)合金拉絲模剖視圖

1.鋼套　2.合金模體　3.上沖頭　4.下沖頭圖2　硬質(zhì)合金拉絲模模具裝配圖

2拉絲模模具沖頭的傳統(tǒng)加工方法

2.1硬質(zhì)合金拉絲模模具沖頭

根據(jù)所拉拔產(chǎn)品的不同，選用的硬質(zhì)合金拉絲模的型腔結(jié)構(gòu)和定徑區(qū)橫截面形狀也不同.根據(jù)粉末合金壓制原理，模具沖頭芯桿的結(jié)構(gòu)形狀與拉絲模型腔始終保持一致.幾種常見(jiàn)的拉絲模定徑區(qū)截面形狀如圖3所示.硬質(zhì)合金拉絲模模具沖頭如圖4所示.

圖3　拉絲模定徑區(qū)截面形狀

圖4　硬質(zhì)合金拉絲模模具沖頭

2.2傳統(tǒng)加工過(guò)程

基于電火花腐蝕原理，電加工機(jī)床的脈沖電源可輸出單向脈沖電壓，加在工件和電極上.當(dāng)電壓升高到間隙中工作液的擊穿電壓時(shí)，介質(zhì)在絕緣強(qiáng)度最低處被擊穿，火花放電，瞬間產(chǎn)生高溫，放電氣化而產(chǎn)生的熱量來(lái)不及從放電點(diǎn)傳導(dǎo)擴(kuò)散到其他部位，從而只在較小范圍內(nèi)使金屬局部熔化，直至氣化.這樣，電極的輪廓形狀便被復(fù)制到工件上，達(dá)到加工目的[5].

硬質(zhì)合金拉絲模模具沖頭采用電極繞沖頭方式進(jìn)行電火花加工(圖5).沖頭固定在工作臺(tái)上，依靠裝夾在機(jī)床主軸上的電極繞X軸、Y軸運(yùn)動(dòng)，完成電極繞沖頭的軌跡旋轉(zhuǎn).電極運(yùn)行的軌跡曲線與沖頭成形區(qū)的外形始終保持一致(圖6).

圖5　沖頭與電極的相對(duì)位置

粗線之內(nèi)為沖頭截面，細(xì)線為電極運(yùn)行軌跡圖6　沖頭與電極的相對(duì)軌跡

2.3傳統(tǒng)加工方法的不足

使用拉絲模模具沖頭的傳統(tǒng)加工方法，一次脈沖放電后，在電極表面形成一個(gè)小凹坑，多次脈沖放電后，電極產(chǎn)生一定比例的損耗，電極外徑變小，放電火花間隙增大，蝕除沖頭待加工余量的能力變差，加之機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，會(huì)產(chǎn)生反向間隙誤差，對(duì)非閉環(huán)控制系統(tǒng)尤其明顯，使得加工后的沖頭尺寸偏大，圓度偏小，甚至出現(xiàn)橢圓.以上加工的不足對(duì)當(dāng)今高精度要求的拉絲模來(lái)說(shuō)，是亟需解決的問(wèn)題.

3拉絲模模具沖頭的加工工藝優(yōu)化

通過(guò)壓制燒結(jié)，要加工出高精度的硬質(zhì)合金拉絲模，必須解決模具沖頭的精度問(wèn)題，采用優(yōu)化的加工工藝，排除電極損耗和機(jī)床精度誤差對(duì)模具沖頭精度的影響.

3.1多次循環(huán)加工方式

在采用多次循環(huán)加工方式時(shí)，隨著電極數(shù)量和循環(huán)次數(shù)的增加，相應(yīng)地，電火花間隙減小，電極損耗減少，加工后沖頭精度得到保證.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，沖頭形位偏差越來(lái)越小，直到滿足精度要求為止.多次循環(huán)加工采用逐次逼近方式，一方面，通過(guò)多根電極加工，尺寸依次變大，依次接近加工要求而電極運(yùn)行軌跡不變；另一方面，通過(guò)單根電極多次循環(huán)加工，電極尺寸不變或減小，電極運(yùn)行軌跡依次逼近沖頭.

這種加工方式主要根據(jù)火花間隙決定電極的尺寸或加工軌跡.隨著循環(huán)次數(shù)和電極數(shù)量的增加，機(jī)床加工成本會(huì)相應(yīng)增加.因此，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求確定合理的電極數(shù)量和加工循環(huán)次數(shù).

3.2電極損耗軌跡補(bǔ)償方式

電火花加工在加工條件不變的情況下電極損耗比近似恒定，即隨著電極損耗的增加，加工軌跡依次逼近工件而補(bǔ)償電極損耗，達(dá)到恒定電火花去除能力的目的.

設(shè)電極損耗比為β，加工運(yùn)行軌跡的位移為S，則電極半徑方向的損耗為βS.在直線加工時(shí)，可將起點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，則加工電極運(yùn)行軌跡為直線：

y=αx

(1)

對(duì)電極損耗進(jìn)行補(bǔ)償后，圖7中(a)所示的加工電極運(yùn)行軌跡為：

y=(α-β)x

(2)

式中，α為直線斜率.

圖7中(b)所示的加工電極運(yùn)行軌跡為圓弧曲線：

(3)

式中：r為電極運(yùn)行軌跡的極坐標(biāo)半徑；θ為加工電極運(yùn)行軌跡的極坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角.

對(duì)電極損耗進(jìn)行補(bǔ)償后，電極運(yùn)行的軌跡方程為：

(4)

對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的反向間隙進(jìn)行處理：系統(tǒng)程序具有自動(dòng)補(bǔ)償功能的，在系統(tǒng)中進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償；系統(tǒng)程序不具備補(bǔ)償功能的，可在反向處用直線補(bǔ)償.

結(jié)合式(2)和式(4)考慮，在電極損耗補(bǔ)償過(guò)程中，由于偏差角很小，可以忽略，因此可近似認(rèn)為電極運(yùn)行軌跡保持在切線方向.

(a)直線軌跡加工補(bǔ)償　　　　(b)圓軌跡加工補(bǔ)償注：實(shí)線為原軌跡，虛線為補(bǔ)償后軌跡圖7　電火花加工軌跡補(bǔ)償

3.3單軸直線逼近加工方式

軸線對(duì)稱的圓孔拉絲模模具，沖頭和電極都可沿各自軸線旋轉(zhuǎn)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為單軸直線逼近.該種運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，不需反向運(yùn)動(dòng)，不存在軸的反向間隙誤差和運(yùn)動(dòng)軌跡誤差.因?yàn)楣ぜ碗姌O都做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不存在電極損耗對(duì)工件某個(gè)部位的影響，所以工件圓度、同軸度較好.

對(duì)于沖頭的旋轉(zhuǎn)裝置，安裝時(shí)要沉沒(méi)在油中，而且對(duì)機(jī)床有特殊要求：精度高，轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)，密封性能好.因此，本研究設(shè)計(jì)了圖8所示的旋轉(zhuǎn)裝置.該旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)部為密封空間，所有連接部位均采用密封件密封，防止外部油液進(jìn)入，并通入低壓(1～2 bar)壓縮空氣，對(duì)密封空間內(nèi)的電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻，以便更加有效地防止油液進(jìn)入密閉空間.電機(jī)采用24 V直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速可調(diào).

4結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化電火花加工工藝提高了硬質(zhì)合金拉絲模模具沖頭的加工精度，達(dá)到了高精度拉絲模的壓制和燒結(jié)要求，特別是解決了微孔拉絲模模具沖頭芯桿的加工難題.多次循環(huán)加工方式主要用于減小電極損耗對(duì)加工精度造成的影響，隨著循環(huán)次數(shù)和電極數(shù)量的增加，加工精度提高，但生產(chǎn)成本會(huì)相應(yīng)增加.因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需求選擇合適的加工循環(huán)次數(shù)和電極數(shù)量.電極損耗的軌跡補(bǔ)償，處理過(guò)程雖然復(fù)雜，但對(duì)批量生產(chǎn)很實(shí)用.單軸逼近直線加工，操作簡(jiǎn)單，加工效果好，但只適合中心軸線對(duì)稱工件.在實(shí)際加工中，應(yīng)根據(jù)具體工件要求選擇合適的加工方式，以最經(jīng)濟(jì)有效的方式提升產(chǎn)品質(zhì)量.

參考文獻(xiàn):

[1]謝鐵橋,于仁偉.我國(guó)拉絲模的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].金屬制品，1989，15(3):5-9.

[2]羅麗.國(guó)外拉絲模加工方法及材料特性綜述[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,1993，114(9):55-58.

[3]孫金茂,張建家.拉絲?，F(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及國(guó)外修模設(shè)備綜述[J].上海金屬,1991,13(3):23-26.

[4]劉瑞娟,姚志英.硬質(zhì)合金拉絲模設(shè)計(jì)與裝配[J].模具制造,2011(2):33-36.

[5]彭婧.非導(dǎo)電材料電加工機(jī)床[J].模具制造,2009(11):66-67.

Electrical Discharge Machining Research of the TPA Mold’s Punch of the Drawing Die

ZHAO Da1,ZHAO Ying2,ZOU Jin-xi2

(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China；2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Co., Ltd.,Zhuzhou 412000,China)

Abstract：This paper analyzes the key factors affect the quality of the production process of TPA mold punch: the electrode loss, machine precision and control accuracy. When using multiple cycles of processing methods, with the increasing of the electrode and the number of cycles, the gap of electric spark and the electrode loss is relatively reduced until meeting the accuracy. Electrode loss ratio of electric spark machining keeps an approximating constant, with the electrode loss increased, the path of machining sequentially approached the workpiece and compensated for electrode loss so as to achieve the purpose of a constant spark and removal capabilities; using both punches and electrodes along their axis of rotation, the relative motion emerge out of the single-axial linear approximation. The three previous optimization methods should be combined with specific applied environment to ensure that the workpiece can meet the requirements of high quality.

Key words:cemented carbide；electrical discharge machining；TPA mold punch of drawing die；technical optimization

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.01.010

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：趙達(dá)(1988-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒅圃炫c信息裝備技術(shù).

收稿日期：2015-07-10

文章編號(hào)：1006-3269(2016)01-0053-04