淺析模具制造中的電火花加工

肖 磊，王克通

（河南駝人醫(yī)療器械研究院有限公司河南省醫(yī)用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453400）

1 電火花加工

電火花加工是一種利用電能和熱能進行加工的新工藝，又稱放電加工。當電火花加工時，工具電極與工件之間存在間隙，不像切削加工，其利用間隙一直產生的脈沖電壓進行火花放電，由放電時產生的高溫蝕除掉金屬材料。因為在放電期間能夠觀察到火花，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。

在工具電極和工件間存在合理間隙。此間隙需要滿足兩點：①脈沖電壓可不斷擊穿工作介質，進行火花放電。②在火花放電結束后，工作介質可以消除電離和帶離蝕除產物。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，不能進行火花放電；若過小，則會出現短路，工具電極和工件之間沒有脈沖電壓，不會出現電加工。

工具電極和工件之間存在工作介質。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纼饶芰棵芏饶苡秒娏髅芏缺硎?，當能量密度滿足要求時，加工材料才會熔化或者氣化，以此進行火花放電加工。

脈沖放電時間一定要短暫。當放電時，因為短暫的放電時間，由其高溫引起的熱能不能在加工材料內發(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，在時間和空間兩方面是分散的?？梢岳斫鉃椋孩僭谕粋€時間內，兩個相近的脈沖不能夠在相同的點形成放電通道；②如果有兩個不同的固定時間段，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積碳，甚至引起更嚴重情況。在火花放電之后產生的蝕除物可以快速從工具電極和工件之間間隙排出，從而順利進行不間斷的放電。

3 加工應用

根據工藝過程中工具電擊的形式及其與工件相對運動的特征，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行簡單分析。

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。通過自動進給調節(jié)裝置控制工具電極向工件進給，當兩個電極之間有一個很小的放電間隙時，脈沖電壓就會施加到兩極之間，并且會在這種情況下對兩電極最小間隙或者最小絕緣處擊穿工作液，此時就會產生火花放電，而瞬間產生得高溫會蝕除掉工具和工件表面上少量的金屬粒，同時自身會出現小型凹坑，其蝕除金屬會立刻熔化或者氣化，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。當第一次脈沖放電結束后，放電會出現短暫停止，工作液會出現在兩電極之間，使其恢復絕緣狀態(tài)。過了一段間隔時間，第二個脈沖電壓又會加到兩個電極相對接近的另外一個點上，又會在相當的間隙距離時對最近處或者絕緣強度最弱處擊穿放電，就會電蝕出一個小凹坑，然后不斷重復這個過程。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，工具電極就會一直朝工件方向進給，以此把工具電極的形狀反向復制在工件上。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運動方式進行改變，就能加工出所需的各種各樣復雜型面[3]。電火花成形加工工作原理如圖1所示，鏡面火花機加工如圖2所示。

圖2 鏡面火花機加工圖

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（移動的金屬絲，如鉬絲）連接直流脈沖電源的負極，工件接直流脈沖電源的正極，當工具電極與工件之間有很小的放電間隙時，脈沖電壓就會施加到兩者之間，進行火花放電，從而切割工件。

其能切割工件的原因是當正負電極在工作液中相互靠近時，因為從微觀方面看兩極的表面不是平整的，導致電極間存在不平衡電場，而電場強度最高處是最近的凸點，先擊穿兩極間工作介質，形成放電通道，此時電流快速上升。放電通道內的正離子在強大的電場力作用下會以高速沖向負極，同時負電子也以高速沖向正極。在高速運動時負電子和正離子會相互發(fā)生碰撞，陽極和陰極表面分別受到電子流和離子流的強烈轟擊，導致兩電極間隙內的通道中瞬間釋放大量熱能，由于熱能不能及時散發(fā)，引起部分金屬熔化或者氣化，同時在工件和工具電極之間的部分工作液也會發(fā)生氣化，由其產生得氣體和工作液發(fā)生爆炸，產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。

圖3 電火花線切割加工工作原理圖

電火花線切割加工不需要單獨制造電極，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。當進行線切割時，由于電極絲持續(xù)運動，所以電極絲有很小的消耗，因此，加工精度相對較高[4]。

4 加工特點和用途

電火花加工有以下幾個特點：①任何能導電材料都可以加工；②適合加工低剛度工件和微細加工；③由電火花加工的表面硬度相較于機械加工更高，并且有能夠保護潤滑油；④直接利用電能進行加工，便于實現自動化等。

根據以上特點，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、各種形狀復雜型孔、型面和窄縫等。

5 影響電火花加工質量的因素

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）的因素有以下幾個方面：①電參數。通過調節(jié)各種電參數（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。工具電極和工件使用相同的材料進行放電加工，兩者中一個被電蝕量一定比另外一個大，這就是極性效應。當工具電極和工件使用不相同材料時，其極性效應更大。③金屬材料。當電參數相同時，工件材料的熱學性能決定著電蝕量，如果材料的比熱容、熔點、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作放電介質，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，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直接影響加工精度。②加工斜度。除了電極設計要求的斜度外，制造過程中由于技術原因、電極損耗不均勻、多次放電和加工深度等導致的斜度，都會降低加工精度。

6 結束語

根據加工需要，部分模具工件和模具型腔需要選擇高強度材料，對這些材科進行熱處理，其硬度會更高，基本上無法使用一般機械加工方法加工。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，如加工過程緩慢、加工質量存在不穩(wěn)定情況，從這點來看電火花加工還無法達到大批量生產。

如今模具的開發(fā)和制造已對新產品開發(fā)速度起到關鍵性作用，提高模具的開發(fā)和制造速度成為重中之重。而高速加工技術的出現，為模具制造技術打開一扇新的大門，電加工技術被高速加工技術取代是加快模具開發(fā)速度和提高模具制造質量的必經之路[5]。但是現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。