精密小深盲孔的電火花成型加工的研究

王志春

(桂林航天電子有限公司，桂林，541002)

1 引言

隨著硬材料的銑削技術(shù)的應(yīng)用以及3D打印技術(shù)的發(fā)展，精密電火花成型加工技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸收窄，因此，高精度且細(xì)微的加工更應(yīng)成為其主要研究方向。用電火花加工小孔在難切削金屬材料中，它在精度和深徑比等方面有一定的優(yōu)勢(shì)，而小孔通常指的是在￠0.3至￠3mm范圍的孔，深孔是指深徑比大于20︰1的孔，用普通電火花機(jī)床加工小孔其深徑比通常小于20︰1，而隨著加工深度增加，其加工速度急劇下降，加工條件迅速惡化，以至于難以加工到預(yù)定深度[1]本文將結(jié)合實(shí)踐來(lái)論述如何實(shí)現(xiàn)深徑比達(dá)25︰1的精密小深盲孔加工，并將成果運(yùn)用到生產(chǎn)工作中。

2 存在的問(wèn)題

高速小孔機(jī)雖然能實(shí)現(xiàn)小孔的加工，但加工后的孔壁直徑大小不均勻且粗糙，無(wú)法實(shí)現(xiàn)放電規(guī)準(zhǔn)隨平動(dòng)量的增加而逐漸變小的精加工，所以常用于孔的貫穿粗加工。電火花成型機(jī)加工深小孔的主要困難是：隨著加工深度的增加，導(dǎo)致加工穩(wěn)定性變差，而且加工速度迅速下降，甚至于不能繼續(xù)加工下去。此時(shí)，大量被蝕除的金屬顆粒因沉積在孔的底部，不易排出[1]。它造成二次放電后給加工帶來(lái)不穩(wěn)定，未達(dá)加工深度而加工條件已經(jīng)迅速惡化，使向下伺服進(jìn)給終止，同樣在電流的作用下，排屑物與電極粘連在一起，形成積屑瘤，增大了電極的尺寸，造成有害的電弧放電而燒壞工件。原來(lái)的電極已經(jīng)無(wú)法滿足加工要求。

3 解決方案

要解決這個(gè)問(wèn)題必須從改進(jìn)電極和電極的裝夾方式入手，再到加工的關(guān)鍵點(diǎn)：如何使蝕除物和熱量順利排出？解決了這個(gè)核心問(wèn)題后就能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)盲孔的精加工。

3.1 電極的解決方案

3.1.1 電極制造精度方面

改進(jìn)前：通過(guò)車削和磨削的方法制造￠0.8mm，長(zhǎng)25mm的純銅電極，由于材料的強(qiáng)度和剛性的原因，會(huì)使電極工作部分產(chǎn)生較大的錐度、同心度和圓度誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲斷裂。因此保證電極在尺寸、輪廓精度、工作部分與電極柄的同心度等一致性要求是難以實(shí)現(xiàn)的。

改進(jìn)后：高速小孔機(jī)使用的純銅空心電極管，采用拉削制造而成，外形具有良好的形位尺寸精度、表面粗糙度和非常好的互換性，它可以滿足工具電極的精度要求。具體做法：可將300mm長(zhǎng)的電極管通過(guò)線切割方法把它切割成所需要的長(zhǎng)度，通過(guò)計(jì)量隨機(jī)抽取剛性和直線度最差的￠0.4mm，長(zhǎng)度是30mm，數(shù)量是10件的電極管的直線度，最大的直線度誤差不超過(guò)0.02mm。因此，直徑￠0.4mm以上的電極管是可以作為理想的電極材料的。

3.1.2 電極的裝夾和重復(fù)定位精度方面

電極的裝夾和重復(fù)定位精度對(duì)于孔的精加工，具有重要意義。改進(jìn)前：采用鉆夾頭裝夾電極。使用此夾頭的缺點(diǎn)是它采用三點(diǎn)定位方式，重復(fù)定位精度不高，裝夾細(xì)小電極不可靠。改進(jìn)后：自制精密導(dǎo)向器。方法是--用精密線切割一次加工完成￠0.8mm的內(nèi)孔及￠6mm外圓使之同心，內(nèi)孔與電極形成0.002 mm的配合間隙。它用于建立電極和機(jī)床夾具之間的精密連接，是提升電極裝夾精度及重復(fù)定位精度的關(guān)鍵零件。

電極的定位精度誤差按公式1來(lái)求解：

(1)

其中：Tmax：電極最大定位誤差

a：x方向上的誤差

b：y方向上的誤差

由公式1得出電極的重復(fù)定位誤差的最大值不超過(guò)0.025mm。

3.1.3 電極的優(yōu)化改進(jìn)方面

現(xiàn)狀：電極工作部分是圓柱形的。

優(yōu)化：將電極沿著軸線方向割扁。但必須在工作長(zhǎng)度之內(nèi)。弦徑高度H按照經(jīng)驗(yàn)公式2來(lái)?。?/p>

(2)

其中 H：弦徑高度

D：電極外圓直徑

d：電極內(nèi)孔直徑

￠0.8mm的電極管中心孔的直徑是￠0.15mm，弦徑高度為(0.8-0.15)/10 =0.065 mm。

3.2 放電中難點(diǎn)的解決方案

3.2.1 加工方式的改變

改進(jìn)前：通常情況下用縮小尺寸后的圓柱電極直接加工孔，達(dá)圖紙要求。

改進(jìn)后：可用機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)軌跡對(duì)電極輪廓進(jìn)行補(bǔ)償，轉(zhuǎn)速0.5轉(zhuǎn)/秒為佳。實(shí)踐證明此法可有效地防止積屑瘤的產(chǎn)生，在一定深度范圍內(nèi)有利于排出蝕物。電極轉(zhuǎn)速不能過(guò)快，否則會(huì)影響放電跟蹤的穩(wěn)定，降低加工速度。

3.2.2 沖油方式和油壓的改變

改進(jìn)前：采用的是對(duì)零件的左側(cè)和右側(cè)進(jìn)行的方式。該方式的缺點(diǎn)是左右流量相抵后，反而會(huì)阻礙蝕除物的排出，無(wú)法有效地保證加工順利進(jìn)行。

改進(jìn)后：利用電極中空的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)從電極頂端對(duì)電極底端加工部分進(jìn)行沖油，采用自制密封塞和改變沖油方式，并提高沖油壓力，實(shí)現(xiàn)了3MPa下的中心沖油。此法是解決問(wèn)題的核心關(guān)鍵，這是因?yàn)樵谙拿谞柍尚蜋C(jī)主軸上的its 50卡盤座與電極裝夾系統(tǒng)之間的有效位置加裝密封塞，提高油壓力的方法是通過(guò)充分了解機(jī)床主軸與夾具的連接結(jié)構(gòu)后，不斷摸索和實(shí)驗(yàn)才得出來(lái)的。有效的安裝位置決定著密封塞的形狀和尺寸，機(jī)床說(shuō)明書上沒(méi)有此法和相關(guān)介紹，附件里更沒(méi)有密封塞，因此是方法創(chuàng)新。在沖油壓力在3 MPa時(shí)金屬去除率達(dá)到峰值，這是由于工作液壓力和流量增加時(shí)，加工間隙中工作條件明顯改善，可以有效地排除間隙中的金屬顆粒和熱量，有利于放電過(guò)程持續(xù)進(jìn)行[1]。如圖1所示：

工作液壓力/MPa圖1 油壓與金屬去除率關(guān)系表

在將電極割扁、電極以0.5轉(zhuǎn)/秒的速度旋轉(zhuǎn)，裝上密封塞并保持3 MPa的中心沖油壓力等改進(jìn)措施進(jìn)行加工。在這三條改進(jìn)措施共同作用下，蝕除物源源不斷地從底部被帶離到工件表面上，有效地解決排屑困難和積屑瘤的形成，從而有效避免二次放電給加工帶來(lái)的不穩(wěn)定因素。改進(jìn)前：加工至7.5 mm深時(shí)，也就是在140分鐘之后，就一直伴隨著燒弧、橋接，短路等異常放電的報(bào)警出現(xiàn)。在245至295分鐘的加工時(shí)段，深度已經(jīng)無(wú)明顯變化，隨時(shí)間推移深度已經(jīng)不再增加，孔內(nèi)積滿蝕除物，向下伺服進(jìn)給停止，二次放電造成零件內(nèi)壁損壞。精加工已無(wú)從談起。改進(jìn)后：在205分鐘時(shí)達(dá)到設(shè)定深度25mm，全程無(wú)報(bào)警，加工效率較改進(jìn)前有本質(zhì)的提升。可更換電極進(jìn)行精加工。如圖2所示：

圖2 加工時(shí)間與加工深度對(duì)照表

4 加工結(jié)果

改進(jìn)前后加工結(jié)果有天壤之別，如圖3所示。由此可見能否實(shí)現(xiàn)帶有壓力的中心沖油對(duì)蝕除物的排出以及效率的提升至關(guān)重要。改進(jìn)后的加工結(jié)果經(jīng)鑒定后，經(jīng)查閱有關(guān)資料，公差等級(jí)符合GB/T1804-f精密級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 加工前后效果對(duì)照表

5 工作中的實(shí)例應(yīng)用

以XX#絕緣墊片落料沖孔模的陰陽(yáng)模為例 改進(jìn)前：加工此零件共用電極21件，耗時(shí)24小時(shí)才完成。每一個(gè)孔都需要人工清理幾次蝕除物和電極上的積碳，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。改進(jìn)后：加工時(shí)將刃口面緊貼在墊鐵上。目的是保證每一個(gè)￠0.78mm孔都密閉不漏油，采用上述加工方法解決了孔內(nèi)積碳的問(wèn)題，用2組電極8個(gè)小時(shí)順利的完成加工。除更換電極以外，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人加工，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

將足夠長(zhǎng)的圓管電極的工作部分割扁后,再與精密導(dǎo)向套，密封塞結(jié)合成電極組件。另一方面，機(jī)床主軸以0.5轉(zhuǎn)/秒的速度帶動(dòng)電極旋轉(zhuǎn)，再以3 MPa的油壓和中心沖油方式的配合下進(jìn)行小孔加工就能加工出深徑比達(dá)25︰1以上的f精密級(jí)的小深盲孔。此法在小孔范圍內(nèi)可運(yùn)用到不同孔徑大小的加工中。此法用于粗加工方面，在￠2mm以內(nèi)的沉孔，無(wú)論深淺都不再需要車削電極，可用電極管替代，可謂省工時(shí)、省人力、節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。用于精加工方面，它給塑壓模的進(jìn)料孔的設(shè)計(jì)提供技術(shù)儲(chǔ)備。