模具零件電火花加工中電極定位方式的探析

鮮小紅

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 遂寧 629000）

沖壓模具的精度直接決定制件的精度，模具零件的精度是決定沖壓模具精度的先決條件。沖壓模具工作零件的加工精度還直接影響模具的壽命，如在沖裁模中由于凹模與凸模之間形成的間隙不均勻，常會(huì)出現(xiàn)啃?，F(xiàn)象從而影響沖壓模具壽命。同時(shí)，沖壓模具工作零件的表面粗糙度也是影響模具壽命的重要因素；所以提高模具零件的制造精度是模具制造工程技術(shù)人員最主要的奮斗目標(biāo)之一。在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，模具零件的加工方法一般可分為兩個(gè)大類：即傳統(tǒng)的切削加工方法和電加工方法。

1 模具零件的傳統(tǒng)加工方法

傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法主要包括車、銑、刨、磨、鉆、鏜等金屬切削類加工方法。車削加工主要用于加工軸類或者便于車床裝夾的回轉(zhuǎn)體零件的回轉(zhuǎn)體表面；銑削加工主要用于加工平面或者斜面；刨削加工主要用于加工平面或者曲面；磨削加工主要用于材料硬度高、尺寸精度和表面質(zhì)量要求高的表面的加工；鉆削加工主要用于實(shí)體材料上孔的粗加工；鏜削加工主要用于不規(guī)則形狀零件上較大尺寸孔的加工。除磨削而外，這些加工方法在工藝上都有一個(gè)共同的特點(diǎn)即：預(yù)先熱處理→切削加工→最終熱處理。最終熱處理難免引起工件的變形，使其尺寸精度、形狀精度、位置精度難以達(dá)到預(yù)想的加工效果。磨削加工雖然可以磨削淬火后的金屬，但其工藝的局限性使其不能成為沖壓模具型孔的最佳加工方法[1]。

2 模具零件的電火花加工方法

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家拉扎連柯夫婦發(fā)現(xiàn)：開關(guān)觸點(diǎn)遭受火花放電腐蝕損壞，通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)可以利用電火花的瞬時(shí)高溫熔化局部金屬，開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工。電火花加工基于電火花腐蝕原理，是在工件電極與工具電極相互靠近時(shí)，兩電極極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將金屬蝕除下來；兩極金屬的腐蝕量是不相等的；電極金屬的腐蝕量與電極的正負(fù)極性有關(guān)。通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電火花腐蝕金屬的過程大致可分為：

第一步，極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。工具電極與工件電極通常浸沒于煤油中，工件與電極之間有少許間隙，在這間隙中自然充滿煤油，在煤油介質(zhì)中不可避免地存在自由電子和其他雜質(zhì)，它們?cè)趶?qiáng)大的電場(chǎng)作用下，形成了大量的帶負(fù)電的粒子和帶正電的粒子，且電場(chǎng)強(qiáng)度越大，帶電粒子就越多，根據(jù)異性相吸的原理，必然帶電粒子定向移動(dòng)就形成了電流。這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上就是煤油介質(zhì)在電場(chǎng)作用下電離、擊穿，形成放電通道。

第二步，電極材料被腐蝕。液體介質(zhì)大量電荷定向移動(dòng)，由于電荷的電性不同，粒子在移動(dòng)過程中發(fā)生相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。通道高溫汽化并氣化工作液，然后高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化并沸騰氣化。

第三步，電極材料的拋出。由于電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓。通道中心的高壓工作液和金屬氣化后不斷向外膨脹，使得熔融金屬液體和蒸汽被排擠出放電通道，而進(jìn)入到工作液中。

第四步，極間的電離狀態(tài)消失。循環(huán)流動(dòng)的工作液不斷的擠過工件與電極的間隙，帶走了剩余的熱量和電蝕產(chǎn)物，并恢復(fù)絕緣狀態(tài)。

上述步驟一至四在一秒內(nèi)約數(shù)千次甚至數(shù)萬次地往復(fù)式進(jìn)行。與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法相比，電火花加工

有其自身的優(yōu)點(diǎn)：第一主要靠電能熱能去除金屬材料的余量，而不是依靠機(jī)械能。第二由于放電間隙的存在，加工過程中工具和工件之間根本沒有直接接觸，所以工件與電極之間不需要任何切削力，故加工的難易與工件硬度無關(guān)。這就突破了傳統(tǒng)機(jī)械加工的必須將淬火工藝放于零件切削加工之后的技術(shù)瓶頸。

電火花加工（Electrical Discharge Machining,簡(jiǎn)稱EDM）行業(yè)內(nèi)也稱為放電加工、電飾加工或電脈沖加工，在生產(chǎn)上其工作步驟通常如圖1所示[2]。

圖1 電火花加工零件的工作步驟

從圖1可以看出：要實(shí)現(xiàn)電極的加工功能，除了必須經(jīng)過電極材料的選擇、電極的設(shè)計(jì)與制造、電極的裝夾等工作步驟外，還必須經(jīng)歷電極的正確定位才能加工出合符要求的零件。所謂電極定位是指采用恰當(dāng)?shù)亩ㄎ环椒▉泶_定電極和工件的相對(duì)位置，以達(dá)到一定位置精度的要求。電極定位精度的高低，關(guān)系型孔在模板中的位置精度的高低，直接影響模具的工作性能和沖壓件的質(zhì)量。關(guān)于電極的定位方法常用的有：劃線法、量塊角尺法和自動(dòng)定位法等三種方法。本文以如圖2所示的沖壓模具凹模板為例，來探析電極的定位方式。

圖2 凹模板

3 電加工的工藝準(zhǔn)備

零件材料：零件是沖壓模具凹模板，需要足夠的硬度和耐磨性，通常采用冷作模具鋼CrWMn。

熱處理要求：為了保證零件的硬度、耐磨性和尺寸的穩(wěn)定性，通常采用淬火+低溫回火作為最終熱處理，熱處理后，零件的硬度可達(dá)60～64HRC。

加工工藝：作為是沖模工作零件，對(duì)型孔的尺寸精度、形狀精度和位置精度都有很高的要求，為了避免熱處理帶來的形變誤差，型孔的加工應(yīng)置于最終熱處理之后。因此，凹模板的工藝安排可以設(shè)計(jì)為：退火+切削加工+淬火+低溫回火+型孔加工。因?yàn)槔渥髂＞咪揅rWMn在淬火+低溫回火后，材料的硬度已達(dá)60～64HRC，型孔已不宜采用切削加工，所以采用電火花加工較為恰當(dāng)。

基準(zhǔn)選擇：如圖2所示，型孔的中心距AB的距離為40mm,距BC的距離為18mm,AB端面和BC端面均為平面且相互垂直，根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，以AB端面和BC端面作為電極的定位基準(zhǔn)是較好的選擇。

電極尺寸：孔的直徑為20mm，型孔的面積A=3.14×12=3.14cm2,根據(jù)表1，根據(jù)銅打鋼標(biāo)準(zhǔn)型型參數(shù)表，選用加工條件號(hào)C131，則理想的電極橫截面尺寸為加工孔的尺寸減去安全間隙，即20-0.61=19.39mm.

4 定位方法及過程

4.1 劃線法

在工件切削加工并淬火、低溫回火至工件件要求的硬度后，磨削工件至工件要求的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度；再以AB和BC端面為劃線基準(zhǔn)，用鉗工的方法在工件表面找出待加工孔的圓心，并以此劃出Φ19.39的輪廓線；然后將工件和電極分別安裝、校正；操作者憑借自身的經(jīng)驗(yàn)移動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)，逐步改變電極和工件在X、Y、Z三個(gè)方向的相對(duì)位置，使電極端部輪廓線與工件表面上Φ19.39的輪廓線相重合，即完成了電極的定位。

4.2 量塊角尺法

如圖3所示，以AB端面和BC端面為基準(zhǔn)，用一個(gè)加厚精密直角尺與AB端面和BC端面緊密貼合，再在直角尺和工具電極之間放置所需尺寸的量塊[3]，然后移動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)使電極同時(shí)、緊密接觸兩個(gè)方向的量塊，電極的定位即便完成。

圖3 量塊角尺法

4.3 自動(dòng)定位法

應(yīng)用G代碼進(jìn)行編程[4]，依靠數(shù)控程序控制電極和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而確定電極與工件的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)電極的定位。其過程為：首先將電極移動(dòng)到AB端面的左側(cè)并與AB端面在X方向保持適當(dāng)?shù)木嚯x，Y方向位置在A、B之間，然后執(zhí)行如下指令，就實(shí)現(xiàn)了電極的自動(dòng)定位，如圖4所示。

圖4 電極自動(dòng)定位坐標(biāo)圖

5 定位方式的探析

無論是劃線法、量塊角尺法還是自動(dòng)定位法，其定位基準(zhǔn)均為AB端面和BC端面，其精度高低是保證電極定位精度的先決條件。若要提高電極的定位精度，可從以下幾個(gè)方面改善基準(zhǔn)的定位條件：

第一，AB端面和BC端面與工件底面的垂直度。

第二，AB端面和BC端面平面度和表面粗糙度。

第三，AB端面和BC端面之間的垂直度。

由于實(shí)現(xiàn)電極定位的方法和過程不同，除保證可靠的定位基準(zhǔn)外，還必須考慮影響定位精度的自身因素。

劃線法：定位精度與電極自身的形狀精度、表面粗糙度幾乎沒有關(guān)系，除電極的端部而外。定位是否準(zhǔn)確取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和水平，因此主要適用于定位要求不高的工件。

量塊角尺法：操作簡(jiǎn)便、省時(shí)、精度高。但定位時(shí)，量塊與電極的側(cè)壁貼合，電極側(cè)面的形位精度和表面粗糙度直接影響定位精度；電極與量塊接觸的松緊程度也是影響定位精度的原因之一。

自動(dòng)定位法：自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、省時(shí)，由于采用了接觸感知指令G80，電極與基準(zhǔn)端面AB和BC貼合的松緊適度，因此定位精度高[5]。但是在定位過程中電極側(cè)面與基準(zhǔn)端面AB和BC直接貼合建立工件坐標(biāo)系是定位的基本依據(jù)，因此電極側(cè)面的形位精度和表面粗糙度是影響定位精度的重要因素。