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EDM鏡面電火花加工技術,學會成行家!

模具人雜志2019-11-16 07:37:02


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目前鏡面電火花加工技術在精密型腔模具制造中逐步得以推廣。本文就企業中鏡面電火花加工應用的關鍵環節,結合實踐分析了影響鏡面加工性能的因素。通過控制各個工藝環節,可有效實現高質量、高效率的鏡面電火花加工。對模具制造企業吸收與消化當前先進的電火花加工工藝具有實際的應用價值。




1、引 言

當前,模具制造技術的快速發展,賦予了電火花加工更高的要求。表面粗糙度是電火花加工的一項重要技術指標。目前通過對機床的改進和開發新的工藝方法,已能實現鏡面電火花加工。所謂鏡面電火花加工一般是指加工表面粗糙度Ra<0.2μm的電火花加工,同時加工表面具有鏡面反光效果。該技術主要應用于精密模具的復雜型面的加工,電火花加工獲得的高光潔度表面無需再進行手工拋光,避免了手工拋光導致的形狀與尺寸精度缺陷問題,具有實際意義。

2、鏡面電火花加工關鍵應用技術



以下根據實踐加工經驗對鏡面電火花加工應用的關鍵技術進行探討。

2.1 與工件材料的關系


由于工件材料的化學成分和組織結構的不同,在相同的加工條件下,會產生不同的加工效果。有一些材料能獲得良好的鏡面效果,而一些材料卻得不到鏡面效果,甚至表面有條紋等異常情況。表1列出了多種常見工件材料的電火花鏡面加工性能。需要注意的是,并不是電火花加工鏡面效果不好的材料就說明其不屬于鏡面材料,如S136 ESR鋼材本身具有出色的拋光性能,但使用電火花加工的鏡面效果卻不理想,這是因為電火花加工與拋光是兩種加工原理完全不同的工藝方法。電火花加工的表面是由許多互相重疊的盤狀凹坑組成,這些微小凹坑在光的反射下形成了閃光的鏡面,不同材料電火花加工后所產生的微觀凹坑形貌不相同,因此表面的光亮性也不相同。


表1 常見工件材料的電火花鏡面加工性能


可以認為下列情況是工件材料影響鏡面加工效果的一些原因:


(1)含有大粒徑的粗生碳化物或粗大晶體顆粒添加物對加工鏡面不利,產生顯微裂紋;
(2)含硅成分有利于獲得較好的鏡面效果;
(3)含有快削成分的硫S對加工鏡面不利,易產生表面條紋;
(4)材料軋制方向等胚料制造工藝因素對加工鏡面不利,產生表面條紋;
(5)金屬夾雜物、氣泡、氧化物等因素形成針眼和孔洞。

通常來講,大多數塑膠模具鋼能滿足鏡面電火花加工的要求,而大多數冷作模具鋼則不能滿足。

當材料的性能滿足鏡面電火花加工性能時,其硬度越高,電火花加工鏡面的效果要好,如表2所示。一般要求鏡面電火花加工的鋼料應熱處理淬硬至HRC>50。

表2 材料硬度對鏡面效果的影響對比



2.2 與加工面積及型腔類型的關系



電火花加工的鏡面效果與加工面積、形狀、深度有直接的關系。

由于電火花加工的表面粗糙度主要取決于單個脈沖能量,通過降低單個脈沖的火花放電能量可產生表面粗糙度值低的反光表面,但這時的鏡面加工僅限于小面積加工。隨著加工面積的增大,電極和工件之間的寄生電容相應增大,當單個小能量放電脈沖作用于兩極之間時,并不能引起兩極間的火花放電,此時的間隙電壓升高很慢,脈沖能量被儲存于寄生電容中,只有當多個放電脈沖到來,寄生電容中儲存了足夠多的能量后,間隙電壓逐漸升高到擊穿電壓,才引起火花放電,但此時的放電能量相當于多個放電脈沖能量的疊加,產生的放電蝕坑深度將大大增加,表面粗糙度值變大,加工表面便失去鏡面效果。

為了實現大面積的鏡面電火花加工,通過在工作液中添加一定數量的粉末,會顯著地改善電火花加工后的表面粗糙度,達到類似鏡面的效果,并能獲得更快的加工速度(使精加工時間縮短20%-30%)。

在不使用混粉加工工藝的情況下,加工面積越大越難以獲得好的鏡面效果。事實上,由于平動工藝的應用,電極并不是整個面積都接觸,這種局部放電減少了“電容效應”,另外由于電極與工件之間在放電過程中本身也會產生一層均勻的炭黑層,其作用類似于混粉加工的意義,因此更大一些的加工面積(如1600mm2)通過優化工藝參數也能實現均勻一致的鏡面效果。對于使用混粉加工工藝的情況,則可以輕松實現大面積(如10000mm2)的鏡面效果。

從加工形狀來看,簡易形狀比復雜形狀要容易獲得鏡面。最容易獲得鏡面效果的形狀是圓形,其次是方形、輪廓復雜的形狀,難度最大的是多個型腔整體放電的類型。復雜形狀的拐角、弧面處的鏡面效果較容易出現不均勻、波紋等異常。

判斷型腔鏡面加工的難易程度還可以參考放電產生的炭黑層能否均勻覆蓋于電極與工件表面的情況。例如底面比側面更容易獲得好的鏡面效果,這是因為在整個放電過程中,底面始終處于被修整的狀態,炭黑層能均勻分布在加工表面,但側面是依靠平動加工來完成,炭黑層相對底面不能有效地覆蓋。另外,深度越大的型腔,由于加工部位不能均勻地覆蓋炭黑層,因此鏡面效果的均勻性會受到影響。

2.3 鏡面加工工藝數據庫



電火花加工工藝數據庫的配置內容主要包括電規準和預留量。一套鏡面電火花加工數據庫由多達十幾個電規準組成。從粗加工電規準到精加工電規準,需要合理過渡電規準來逐步降低表面粗糙度。每一檔電規準都應能夠穩定放電,不產生拉弧、積碳等不良表面情況。同時每兩檔電規準之間需要預留合理的余量,后一電規準要能將前一電規準產生的放電凹坑修光。只有完美地將電規準和預留量搭配好構建一套加工數據庫,才能在實際生產中實現鏡面加工。

電規準包括電流、脈沖寬度、脈沖間隙、極性、電壓及抬刀控制等參數。粗加工階段的電規準使用較大的峰值電流與脈沖寬度,較小的脈沖間隙,使用正極性(電極為正)來實現高效率、低損耗加工,抬刀速度要快,有助排屑。中加工階段電規準的電流依次減少,為了降低表面粗糙度值并實現穩定的放電加工,脈沖寬度大幅度減少,由于粗加工階段已經將大部分加工量去除,中加工階段的相對損耗并不大。精加工階段通常在VDI18級(Ra0.8um)規準以下使用負極性加工(電極為負極),使用更小的脈沖寬度,通過電容儲能來放電,這樣實現了在精加工階段也能保持較高的效率與放電穩定性。為了避免表面黑斑等缺陷,精加工階段的電規準使用大脈間,以實現均勻一致的亞光精加工表面。

在精加工表面達到VDI12級(Ra0.4μm)左右時,就可以切換進入鏡面加工。鏡面加工的效果取決于最后這一檔電規準的配置。從理論上來講,鏡面電火花加工電規準配置應選用小的峰值電流、小的脈沖寬度、較大的脈沖間隙;峰值電流選的越小,脈沖寬度越小,脈沖間隙越大,加工表面粗糙度值就越小。事實上,采用這種參數搭配方法,加工效率極低,太小的脈沖能量由于不能穩定放電導致不能獲得均勻一致的鏡面效果。實際的鏡面加工,宜選用較大的峰值電流和較小的脈沖寬度,較大的峰值電流使得小脈寬條件下的放電擊穿變得容易。鏡面電火花加工采用負極性加工(電極為負),不能搭配電容。另外,抬刀控制參數的選擇同樣非常重要,與常規加工的選擇也存在一些差別,如放電時間要設長些,抬刀高度不要太高,抬刀速度不能太快,這樣設置的目的是為了使電極與工件之間能形成一層均勻的炭黑層,以維持穩定的電蝕過程,過勤的抬刀動作會干擾炭黑層的形成。

電規準之間的預留量會影響加工速度與表面粗糙度。較小的預留量加工效率高,但會導致表面修不光。最理想的加工狀況是第一個條件加工完后,其后的加工只是修光第一個加工條件形成的表面不平度,而不打掉新的材料。但實際加工時,考慮到放電狀況受到的制約因素千變萬化,因此要考慮安全的預留量。VDI18以上的電規準的加工效率主要取決于各檔規準之間的預留量,VDI18及以下的電規準,由于電蝕能力較弱,基本只起修光作用,如果嚴格地按照指定的尺寸執行加工,加工需要花費的時間就有可能很長。而實際上只要加工到要求的表面粗糙度后就可結束加工,因此數控電火花加工機床針對精加工規準通過定時加工功能來有效控制加工效率,也就是為每一檔電規準設定修光時間。

先進的數控電火花加工機床的電規準的配置方法是智能化的,可以通過專家系統來自動生成加工工藝數據。編程時選擇材料對、應用類型、表面粗糙度值,輸入加工面積、加工深度、電極尺寸縮放量等,機床就能配置出加工電規準。

表3 某先進機床鏡面加工工藝數據表(部分)



2.4 平動工藝


數控電火花加工機床的平動功能,電極沿著目標加工形狀不斷在搖動中加工,消除了電極的停滯,可實現型腔底面與側面均勻一致的表面效果。在不使用平動工藝的加工中,即使是直徑10mm的小面積也難以實現均勻一致的高光潔度鏡面效果。平動工藝的應用避免了電極整個面積的集中接觸放電,通過周期性的局部放電可實現較大面積的鏡面加工。

鏡面電火花加工需要選擇合適的平動方式。大部分型腔的鏡面電火花加工,加工過程中每一規準的平動量能隨深度同時變化,也就是深度逐步加大,平動量也隨之加大,底面與側面處于同步加工的三軸聯動方式。這種平動方式在小能量的精加工中,顯著地提高了加工的穩定性,由于底面與側面是同時進行加工,可有效啟用定時加工功能,在指定的加工時間內實現側面與底面的表面均勻一致的效果。

2.5 與電極的關系

鏡面電火花加工采用多電極更換的工藝方法。需要根據加工部位加工量的大小來確定使用幾個電極進行加工。通常使用粗、精加工兩個電極,粗加工電極尺寸縮放量取單邊0.25mm,精加工電極尺寸縮放量取單邊0.15mm,加工面積小或者仿形精度要求高時可取小一些。粗加工電極采用較大放電能量的電規準快速蝕除大量金屬,表面達到VDI28(Ra2.5μm)即可,通常預留0.07mm左右的余量;精加工電極逐步修細,最終進行鏡面加工。如果型腔已進行過預銑加工,加工量不大的情況,使用一個電極即可完成從粗到精的鏡面電火花加工。

粗、精加工要求電極的一致性要好、制造精度要高,更換電極的重復裝夾、定位精度要高。可以采用高速銑制造電極、使用基準球測量的定位方法、使用3R快速裝夾定位系統進行重復定位等工藝來滿足高要求。

鏡面電火花加工要求使用純度較高的紫銅作為電極材料(如日本三寶紅銅),其加工性能良好,不易發生電弧放電,能獲得均勻一致的加工表面。如果使用的紫銅電極材料的純度不夠會導致加工的鏡面不均勻、局部缺陷等不良現象。

鏡面加工用的電極必須進行精修拋光(至少要經過1000#砂紙的精拋),以達到表面粗糙度低值的表面。如果電極表面存在波紋、缺陷,并不影響加工表面目視的光亮效果,但測量其表面粗糙值會偏大于Ra0.2μm。鏡面電火花平動加工中電極相對XY平面內作微小周期性運動能使電極表面的微觀缺陷得到有效均化,有利于降低加工表面粗糙度值。根據加工經驗,電極的表面粗糙度為Ra0.25μm的情況下同樣能實現Ra0.1μm的鏡面加工效果。

2.6 與工作液的關系


電火花工作液在加工過程中起著消電離、冷卻、排除電蝕產物的作用。工作液應根據電火花加工的要求來進行選擇,主要參考“粘度”指標,抗氧化性能和熱穩定性也很關鍵,決定油品的使用壽命。低粘度有利于加工間隙中工作液的流動,將蝕除產物及加工產生的熱量帶走,使加工間隙及時恢復正常狀態。鏡面電火花加工使用的工作液粘性推薦為2~3 mm2/s,建議配用電火花油TOTAL EDM 22(運動粘度(40℃)2.4mm2/s;閃點102℃)。

混粉電火花加工在工作液中加入了一定數量的粉末顆粒,據國內外眾多混粉加工的技術報道基本有硅粉、鋁粉、鎂粉、石墨粉幾種。FORM20機床使用的粉末為GF加工方案公司研究的專用混粉溶液,其成分主要為石墨顆粒,大致長度小于8um,粉末添加的濃度要求為2g/L。每一次更換混粉液前需要過濾、清潔火花油,將加工過程中的殘屑與失效的粉末過濾掉再加入混粉溶液,保證加工效果的使用時間在 350 ~400 小時。混粉液的濃度不夠時,在較短的時間內不能達到表面有光澤的效果,當混粉濃度過大時,型腔的銳邊棱角會被破壞,電極與工件之間較多粉末的存在會導致流動短路,嚴重時會在工件表面產生傷痕。



2.7 鏡面加工過程處理


數控電火花加工一般在浸油加工的基礎上加適當壓力的側沖液,以幫助有效排屑來提高加工效率。而鏡面電火花加工過程中不能使用側沖液,將工作液設置為輕微循環狀態即可。側沖液的沖刷作用力會破壞電極與工件之間的炭黑層,影響鏡面加工效果的均勻性。

鏡面電火花加工過程中,往往能保持高穩定的放電狀態,一般不會產生積碳現象,因此在加工過程中應盡量不停機,尤其是不要將工件加工表面的粉末層清理掉,否則會嚴重影響鏡面加工過程的持續進行。

加工完成后發現鏡面效果不理想時,不要將工件拆下,使用鏡面電規準再進行精修。精修時會發現放電狀態非常不穩定,電極遲遲不能進入整體放電狀態。在這種情況下,先使用氣槍將電極與工件表面上的炭黑層完全吹干凈,然后啟動放電,并將電壓值增大至200V~250V,電壓加大后放電擊穿變得容易,在短短的幾分鐘內可以觀察到放電狀態由局部放電轉入到整體放電,這時再將電壓值恢復至正常值。這個過程中電極與工件之間會重新產生炭黑層,需要待整個加工部位都出現均勻的炭黑層才能結束加工。

3、結束語


綜上所述,通過選擇合適的工件材料、高純度的紫銅電極材料、低粘度的工作液,使用合適的平動工藝,同時合理配置工藝數據庫,正確地處理加工過程,把握好這些關鍵的應用環節,就可以有效實現高質量、高效率的鏡面電火花加工,對提升模具制造企業的工藝水平具有重要指導意義。


來源:《制造技術與機床》,①廣西南寧職業技術學院,梁慶;②北京阿奇夏米爾技術服務有限責任公司,伍端陽


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