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| 阿奇夏米尔混粉电火花加工在型腔模中的应用 | |
| 北京阿奇夏米尔技术服务公司 伍端阳 | |
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摘要：混粉电火花加工是一种改善电火花加工表面粗糙度与加工效率的先进工艺方法，近几年，像在手机外壳模具、遥控器外壳模具等型腔模的电火花精加工中发挥着越来越重要的作用。本文针对型腔模混粉电火花加工应用技术进行探讨，对模具制造企业吸收与消化当前先进的电火花加工工艺具有实际的应用价值。
关键词：型腔模；混粉电火花加工；工艺方法
1 引 言
电火花加工技术广泛地应用于型腔模制造中。当前，模具制造技术的快速发展，赋予了电火花更高的加工要求。其中表面粗糙度是电火花加工的一项重要技术指标，越来越多的型腔模具要求电火花加工实现Ra<0.4 um的均匀表面。
在普通火花油（无混粉）进行电火花精加工时，当加工面积较大时，工件和电极间就会形成较大的寄生电容，产生集中放电现象，生产效率极低，表面粗糙度难以达到加工要求，因此，以往复杂型腔模的的亚光要求面无法达到均匀表面的加工要求，光整加工主要依靠手工抛光。
混粉电火花加工正是基于上述精加工存在的弊端而开发的一门技术。它的显著优点是：加工效率高，精加工时间大幅度缩短，提高了模具制造的生产效率；表面均匀性好，大幅度改善了精加工大面积的均匀程度，提高了模具表面质量；对于大面积的加工，同样能达到低于Ra0.4um以下的表面粗糙度，满足了模具制造商的高要求。
目前混粉电火花加工技术已经商品化，和一些数控电火花成形机床配套应用，深受模具制造商的青睐。
2 混粉电火花加工应用技术的探讨
基于GF阿奇夏米尔蓝线产品SA数控电火花机床的混粉加工实践的应用，根据实际加工经验，对混粉电火花加工应用的关键技术进行探讨。
2.1 混粉电火花加工的简要原理
所谓混粉电火花加工是指在工作液中添加了微粉（如硅粉），整个电火花加工过程在这种具有一定浓度的粉末工作液中进行。混粉电火花加工由于工作液介质中混入一定比例的导电性或半导电性超细粉未，放电时极间距离加大，使工件与电极之间的寄生电容急剧减少，破坏性的寄生电容放电不再出现，容易形成电火花放电，较常规电火花加工的放电间隙变大，能够有效防止集中放电发生，使放电在加工表面均匀产生，相应放电蚀坑在加工表面均匀分布，形成大而浅的放电蚀坑。互相重叠的盘状凹坑表面，比普通放电表面要平整，减少了光的乱反射并容易形成闪光的镜面。
2.2 混粉电火花加工对机床的要求
要成功地实行混粉电火花加工，对数控电火花机床有相应的要求。
1）由于工作液中添加了粉末，首先要求电火花机床具有防止粉末沉淀的装置。GF阿奇夏米尔蓝线产品SA数控电火花机床在工作液槽的工作台四周安装了一圈管道，管道上均匀分布有小孔；同样，油箱里也安装有一圈含孔的管道；使用大功率油泵，大功率油泵工作时，工作液从管道的小孔喷出，给工作液槽供给混粉工作液，同时使工作液槽中的液体不断循环流动，防止粉末沉淀，另一方面，油泵同样给油箱中的管道供给混粉工作液，工作液从管道的小孔喷出，使得油箱中的液体不断循环流动，防止粉末沉淀。
2）要求电火花机床具有镜面精加工电路，也就是要求机床的脉冲电源具有极小的单个脉冲能量（纳秒级脉冲宽度、低峰值电流的电源），能在小放电能量下进行稳定的放电加工。一些普通型电火花机床的脉冲电源虽具有小的单个脉冲能量，但它不能满足镜面加工的持续稳定放电，虽然可以通过混粉工艺改善了其放电稳定性，但还是不能保证可靠的预定加工效果。高性能的脉冲电源不但可以提高加工效率，还可以降低电极损耗、表面粗糙度。GF阿奇夏米尔蓝线产品SA数控电火花机床采用瑞士阿奇等能量脉冲电源ISOPULSE。
3）要求电火花机床具有丰富的应用功能。如能够灵活编制加工程序，具备混粉电火花加工要求的空间平动方式（见下详细介绍）。
可见，选择可靠的混粉数控电火花机床是成功实现混粉电火花加工的前提条件。
2.3 混粉电火花加工工艺过程
进行混粉电火花加工之前，首先要进行工艺分析，判断型腔是否适合使用混粉电火花加工。混粉电火花加工主要是针对大面积的高光洁度加工。对于绝大多数型腔模，像手机外壳模具、遥控器外壳模具等，混粉电火花加工可作为型腔表面的最终加工。即使是高速铣加工的三维曲面，因得到的是非连续的光滑表面，故仍需使用电火花进行精加工得到光滑的加工面。对于微细型腔，混粉加工由于工作液中粉末的存在，放电间隙大而难以实现一些精细件的清角要求，如IC模的精密尺寸要求，混粉加工明显不合适。
进行混粉电火花加工前，型腔必须经过预铣加工，并留有合适的加工余量。电火花加工的工艺过程就是一个从粗加工到精加工的过程。采用多电极更换的工艺方法，用二个不同尺寸缩放量的电极完成一个型腔的粗、精加工。首先用粗加工电极，在保证一定加工质量的条件下(尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度)，采用较大的放电能量蚀除大量金属，以缩短加工时间，提高加工效率。（对于型腔的粗加工，要求在非混粉的状态下进行加工，否则粗加工中蚀除下来粗大的材料颗粒与粉末混合，影响加工效果）；然后使用精加工电极进行混粉电火花加工，达到要求的加工精度和表面质量。
在混粉电火花加工前，要严格控制好粗加工的尺寸。如果粗加工预留的加工量太小，那么混粉加工将不能完全修上，影响表面效果；如果粗加工预留的加工量太多，那么混粉加工将很难去除过多的材料量，导致加工速度极慢，电极疲劳。建议粗加工型腔表面达到VDI25（Ra1.8um）级，底面预留0.07mm，侧面单边预留0.08mm。
混粉电火花加工过程中，往往能保持高稳定的放电状态，一般不会产生积碳现象，因此在加工过程中应尽量少停机，尤其是不要将留在工件加工表面的粉末层清理掉，以免干扰正常的放电过程。
混粉电火花加工需要控制好各个环节，以追求一次加工的成功率，如果因细节处理不当产生细微缺陷将导致反复修整，往往花费多倍的时间。
2.4 混粉电火花加工对工作液与粉末的要求
电火花工作液在加工过程中起着消电离、冷却、排除电蚀产物的作用。对于精加工用的电火花工作液，要求粘度低，以保证电极间熔渣有良好的清洗性能；工作液的抗氧化性能和热稳定性也很关键，决定油品的使用寿命。GF阿奇夏米尔蓝线产品SA数控电火花机床混粉加工建议配用电火花油TOTAL EDM 3（法国道达尔，黏度20°C : 6.7 mm2/s (cST)，闪点 O.C : >135°C）。
目前混粉电火花加工在工作液中加入的粉末，据国内外众多混粉加工的技术报道基本有硅粉、铝粉、镁粉、石墨粉几种。SA20使用的粉末为阿奇夏米尔集团研究的专用混粉溶液，其成分主要为石墨颗粒，大致长度小于8um，粉末添加的浓度要求为2g/L。每一次更换混粉液前需要过滤、清洁火花油，将加工过程中的残屑与失效的粉末过滤掉再加入混粉溶液。该混粉溶液要求最好在加工 350 或400 个小时后更换。混粉加工将会在工作槽的内侧沉淀黑色的泥浆，经验证明不能将这些泥浆与火花油再次进行混合，因为它会严重影响到加工性能。
混粉工作液的浓度对加工表面效果有较大的影响。混粉液的浓度不够时，在较短的时间内不能达到要求的表面效果，降低了加工效率。在要求镜面加工的场合，会因混粉浓度不够而导致表面光泽效果较差；当混粉浓度过大时，型腔的锐边棱角会被破坏，降低了加工精度。电极与工件之间由于较多粉末的存在，粉末就会产生搭桥导致流动短路，严重时会在工件表面产生伤痕。
混粉电火花加工过程中，工作液槽箱中的工作液处于循环状态，不建议再使用冲液加工，尤其是不能使用强烈的冲液，否则将会造成放电过程中不均匀的流场，影响表面效果的均匀性。
2.5 混粉电火花加工参数的配置
混粉电火花加工参数的配置包括：使用的电规准，如电流、脉冲宽度、脉冲间隙等；每档电规准的放电间隙值与预留量。
混粉电火花加工必须保证每一档电规准放电能够稳定进行，最终规准能达到要求的表面效果。多个规准中电流依次减少，脉冲宽度依次减少，再选配相应的脉冲间隙、伺服间隙。通常在VDI18级（Ra0.8um）规准以下使用负极性加工参数（电极为负极）。各档规准的放电能量逐渐减小，逐步修光来达到要求的表面粗糙度。值得一提的是，混粉电火花加工可以产生较高的加工效率，较普通工作液可选用更大的放电能量来获得同样的表面粗糙度。另外，在混粉电火花加工中有相当好的放电稳定性，放电时间要设长些，抬刀高度短些，这样设置的目的是为了维持一个稳定的小能量电蚀过程，与常规加工的选择是有差别的。[1]
混粉电火花加工需要精确计算各电规准的的放电间隙值与预留量。较小的材料预留量会影响加工的表面粗糙度，导致修不光。最理想的加工状况是第一个条件加工完后，其后的加工只是修光第一个加工条件形成的表面不平度，而不打掉新的材料。但实际加工时，考虑到放电状况受到的制约因素千变万化，因此要考虑安全的预留量。余量的大小可根据实际的放电状况而定，对于面积较大，加工状态比较好的情况，可适当减小材料余量，以提高加工速度。
目前先进数控电火花机床的电规准配置方法一般是智能化的。机床具有许多成套的加工参数，都是通过大量的工艺实验取得的最佳参数组合，可以根据加工要求来检索加工条件，如输入加工面积、加工形状、电极锥度、电极尺寸缩放量、摇动方式以及加工表面粗糙度值等，机床就能配置出最优的电规准，它将加工过程分用多个加工条件段进行加工，逐段降低电蚀能力，智能设置各规准的预留量。这种智能方式选用的电规准一般能满足加工要求，操作简单，但通常自动化的方式是以保证加工品质为前提的，因此在加工效率上会较低。在实际生产中，应根据重复的加工不断积累经验，优化加工过程。
2.6 混粉电火花加工对平动功能的要求
对于型腔模的混粉电火花加工，需达到要求的尺寸精度，另外要求底面与侧面表面效果相同，这就要求数控机床必须具备数控平动功能。电火花加工机床具备了数控平动功能，对于尺寸精度的控制是比较容易的。但要保证底面与侧面均匀一致的表面效果，就要求机床具备符合要求的平动功能。混粉电火花加工的过程中，要求每一规准的平动量能随深度同时变化，也就是深度逐步加大，平动量也随之加大，底面与侧面处于同步加工的三轴联动方式。在这种平动方式下，同时可实现定时加工功能，也就是可指定每一规准的加工时间，在指定的加工时间内，底面与侧面获得的表面效果一致。如GF阿奇夏米尔蓝线产品SA数控电火花机床在混粉电火花加工时要求选用空间平动圆形。这种平动方式在小能量的精加工中，显著地提高了加工的稳定性，可实现侧面与底面的表面效果一致。某些平动功能在混粉电火花加工中是不适用的，如SA机床的圆形伺服平动，该平动方式执行的动作为，每档电规准必须先将加工深度完成，再执行一个圆周的平动轨迹，显然这种平动方式在型腔模混粉加工的精加工阶段是不适合的。
2.7 混粉电火花加工对电极的要求
混粉电火花加工对电极的要求主要包括材料、表面粗糙度、缩放尺寸、精度等方面。
混粉电火花加工要求使用纯度较高的紫铜作为电极材料（如日本三宝红铜），其加工性能很好，不易发生电弧放电或过渡电弧放电，能获得均匀一致的加工表面。石墨电极在普通工作液（无混粉）精加工中性能较差，但在混粉加工中，由于工作液中添加了粉末，精加工放电间隙较大，经过实际验证，石墨电极在混粉电火花加工中也能实现镜面电火花加工。值得说明的是，如果型腔要求进行混粉电火花镜面加工，就必须对电极材料的品质就提出严格的要求，否则加工效果受到影响，譬如使用的紫铜电极材料纯度不够就会导致加工的镜面效果表面可能局部缺陷，不均匀等不良现象。
电火花加工的过程就是把电极的形状复制到工件上去。由此可知，电极表面粗糙度在一定程度上决定了加工出工件的表面粗糙度，所以镜面加工用的电极必须进行精修抛光（至少要经过1000#砂纸的精抛），以达到高光洁度的电火花加工表面质量。
电极的缩放尺寸决定了电火花加工第一档规准能量的大小与平动幅度的大小，直接影响加工速度、仿形精度等工艺指标。一般混粉电火花精加工电极的尺寸缩放量取单侧0.07～0.15 mm，加工面积小时可取小一些，仿形精度要求高时可取小一些。
混粉电火花加工有粗、精加工电极，这就要求电极的一致性要好、制造精度要高，更换电极的重复装夹、定位精度要高。可以采用高速铣制造电极、使用基准球测量的定位方法、使用快速装夹定位系统进行重复定位等先进工艺来满足高要求。
2.8 混粉电火花加工对工件材料的要求
混粉电火花加工因工件材料的不同会产生不同的加工效果。在加工纹面（VDI18级表面/Ra0.8um以上）时不同材料获得的表面效果差异不明显，但在加工镜面（VDI7级表面/Ra0.2um以下）时会因工件材料特性的不同获得的表面效果有较大的差异。有些材料能获得良好的镜面效果，如常用的镜面加工材料有：S136、SKD61、NAK80等进口钢材；有些材料却不能达到镜面效果，如SKD11（相当于Cr12MoV）。可以认为下列情况是工件材质影响镜面加工效果的原因：含硅成分有利于获得较好的镜面效果；含有大粒径的粗生碳化物或粗大晶体颗粒添加物对加工镜面不利，产生显微裂纹；含有快削成分的硫对加工镜面不利，产生表面条纹；材料轧制方向等胚料制造工艺因素对加工镜面不利，产生表面条纹；金属夹杂物、气泡、氧化物等因素形成针眼和孔洞；工件钢的硬度高，电火花加工镜面的效果好。一般要求镜面加工的工件材质热处理淬硬至HRC>50。[2]
2.9 混粉电火花加工效率的控制
混粉电火花精加工的效率的控制决定于几方面：VDI22以上更强规准的加工效率主要决定于各档规准之间的预留量，如果预留量合适，在具有一定蚀除能力的电规准下，加工效率是比较高的；VDI22及以下更弱的电规准，由于各电规准的电蚀能力弱，加工时的尺寸变化已经较小，基本只起修光作用，如果严格地按照指定的尺寸执行加工，加工过程需要花费很长的时间。而实际上只要加工到要求的表面粗糙度后就可结束加工，因此可采用数控电火花机床的定时加工功能来控制加工效率。根据放电加工的面积来设定各段所需的修光时间。
3 结束语
随着模具行业对制造技术提出的更高要求，混粉电火花加工将成为大面积复杂型腔模制造的一种重要工艺技术。混粉电火花加工的研究探讨，对于这一应用技术的推广提供参考作用。
1/27/2013 | |
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