浅析模具制造中的电火花加工技术

摘要：本文对模具制造中电火花加工技术的应用、加工中应考虑的影响因素、电火花加工的方法和加工精度的影响因素进行了分析，对模具制造中电火花加工技术的应用有重要的指导意义。

关键词：模具制造  电火花加工  模具精度    

   电火花加工技术（Electric Discharge Machining，EDM）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，在模具制造、不规则孔加工、窄缝加工和金属板材上切割零件等方面有着广泛的应用。在冲模、塑料模、锻模、压铸模和注射模等模具制造中，电火花加工技术有着独特甚至是不可替代的作用。比如在小型注射模制造中，尤其是成型产品复杂的模具，由于其型芯、滑块、镶件、斜销等零件的沟槽拐角多，精度要求高，用铣削加工方法难度大，工时多，而且很难达到精度要求，而用电火花加工技术可以很好地解决这些难题。本文对电火花加工技术在模具制造中的应用及相关问题进行分析，以更好促进电火花加工技术在模具制造中的应用。

    一、电火花加工技术在模具制造中的应用及优缺点

    1. 电火花加工技术在模具制造中的应用

电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺．随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性、高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工方法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。

    2. 电火花加工主要优点和局限性

电火花加工的主要优点：(1)适合任何难切削材料的加工；(2)可以加工特殊及复杂形状的表面和零件；(3)脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小；(4)可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。其局限性如下：(1)主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料；(2)一般加工速度较慢；但最近已有新的研究表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率提高；(3)存在电极损耗；但近年来粗加工时已能将电极相对损耗比降至0．1％以下，甚至更小。所以在加工中我们要了解其优缺点，做到扬长避短。

    二、电火花加工主要考虑因素

    1． 电火花加工的工艺确定

模具零件在制造前，根据本身特点、加工要求来确定合理的加工工艺。一般来说，为了使模具零件在尽量短的时间内加工出来，减少加工成本，提高加工效率，所以在可能的情况下尽量选用铣削加工、线切割加工等工艺来加工零件。当在铣削加工、线切割加工等加工不到或工件有特殊要求的情况下才进行电火花加工，像在对于当刀具难于接触到的复杂表面，在需要深度切削的地方，在长径比特别高的地方，精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角，不便于切削加工装夹，材料硬度又很高，规定了要提供火花纹表面等的加工场合，就要选用电火花加工。

    2． 工具电极的设计与制造

电火花加工首先要进行电极的设计、制造。当前计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术已广泛应用于模具制造行业。那些高端的CAD/CAM 软件，像UG、Pro/E、、MasterCAM 等都提供了强大的电极设计、编程功能，减少了手工拆电极的繁琐工作，与传统的电极设计、制造相比，提高效率十几倍甚至几十倍。

根据企业的工艺水平，考虑电极加工精度要求、加工成本等工艺要点来安排电极的制造工艺。目前模具企业已广泛使用加工中心来制造各种型面复杂的电极。加工中心比传统铣削加工速度快，全自动，重复生产的精度很高，可得到较复杂的形状。最近推出的高速加工中心，能胜任形状更复杂、精度要求更高类电极的制造，为制造电极提供了完美的技术解决方案。线切割加工也是很常用的一种电极加工方法，非常适合2D 电极的制造，可用来单独完成整个电极的制造，或者用于铣削制造电极的清角加工。另外，对于薄片类电极用机械切削加工很难进行，而使用线切割加工可以获得很高的加工效率和加工精度。使用慢走丝切割机床，可以加工有斜度、上下异形的复杂电极，获得很高的加工精度、表面质量。采用快速装夹定位系统来制造电极是电火花加工的一种先进工艺方法，它是将电极坯料装夹在加工机床的装夹系统上来制造，制造完成后，可直接将电极装于电火花机床的快速装夹系统上进行放电加工。给加工操作带来了很大的方便，提高了电极的制造效率、也保证了电极的装夹、定位精度。

    3． 工件、工具电极的装夹与校正

    电火花加工将工件安装于工作台，并对工件进行校正。由于电火花加工中工具电极与工件并不接触，宏观作用力很小，所以工件装夹一般都比较简单。通常用永磁吸盘来装夹工件，为了适应各种不同工件加工的需求，还可使用其它工具来进行装夹，如：平口钳、导磁块、正弦磁台、角度导磁块等。工件装夹后要对其进行校正。以保证工件的坐标系方向与机床的坐标系方向一致。使用校表来校正工件是在实际加工中应用最广泛的校正方法。先进的数控电火花机床可使用托盘进行工件的自动换装。电极安装在机床主轴上，应使电极轴线与主轴轴线方向一致，保证电极与工件在垂直的情况下进行加工。电极的装夹方式有自动装夹和手动装夹两种。自动装夹电极是先进数控电火花机床的一项自动功能。它是通过机床的电极自动交换装和配套使用电极专用夹具来完成电极换装的，使用电极专用夹具可实现电极的自然校正，无需对电极进行校正或调整，能够保证电极与机床的正确位置关系，大大减少了电火花加工过程中装夹、重复调整的时间。手动装夹电极是指使用通用的电极夹具，通过可调节电极角度的夹头来校正电极，由人工完成电极装夹、校正操作。

    4． 加工定位方式

    当工件和电极装夹、校正完成后，就需要将电极对准工件的加工位置，才能在工件上加工出准确的型腔。模具制造中电火花加工最常用的定位方式是利用电极基准中心与工件基准中心之间的距离来确定加工位置，称之为“四面分中”。利用电极基准中心与工件单边之间的距离确定加工位置的定位方式也比较常用，称之为“单边分中”。另外还有一些其它的定位方式。各种定位方式都是通过一定的方法来实现的。模具电火花加工操作中，通常运用电火花机床的接触感知功能来获得正确的加工位置。可以直接利用电极的基准面与工件的基准面进行接触感知实现定位。精密模具电火花加工采用基准球进行接触感知定位，点接触减少了误差，可实现较高精度的定位。另外还有千分表比较、放电定位等定位方法。使用快速装夹定位系统，可省却重复的定位操作，当配备动交换装装置时，则完全可以实现长时间无人操作的自动化加工，可有效地提升企业的竞争力。目前的数控电火花机床都具有自动找内中心、找外中心、找角、找单边等功能，这些功能只要输入相关的测量数值，即可方便地实现加工的定位，比手动定位要方便得多。

    5 、电参数的配置

在完成校正、定位等基本操作以后，就要根据加工要求选择合理的电参数。电参数选择的好坏，直接影响加工的各项工艺指标。选用电参数最终目的是为了达到预定的加工尺寸和表面粗糙度值要求。一般是根据电极缩放量确定电参数，在控制放电间隙和摇动量中进行加工的。选用电参数时，基本上要考虑：电极数目、电极损耗、加工液处理、加工表面粗糙度值要求、电极缩放量、加工面积、加工深度等因素。粗加工选择的主要依据是电极缩放尺寸的大小。粗加工电极的缩放尺寸一般都比较大，可以选用其安全间隙接近电极缩放尺寸的电参数。精加工选择的主要依据是最终的表面粗糙度值要求，选用多组电参数，依次按放电能量从大到小进行摇动加工，达到表面粗糙度值和加工尺寸的要求。数控电火花机床有许多配置好的最佳成套电参数，在机床自动选择电参数时只要对所需要输入的条件准确输入，即可自动配置好电参数。机床配置的电参数一般能满足加工要求，操作简单，避免了加工过程中人为的干预。而传统电火花机床要求操作者具有丰富的工作经验，能够根据加工要求灵活配置电参数。

三、 电火花加工

    1. 加工条件

电火花加工开始的加工条件应采取与加工面积相适应的加工电流。如果电流过大就会因放电热量而使电极产生异常损耗。另外，在精密加工中电极与工件多为薄形件，也会因放电热量而产生弯曲和毛刺，所以应根据实际需要限制电流值。加工条件虽然决定于表面粗糙度，但为使拐角冗达到最小，往往要选择放电间隙小、表面粗糙度较细的加工条件，这一点非常重要。此时的表面质量，因为成形品的观感非常重要，因此与光泽面相比，更倾向于希望获得看上去比较均质的梨皮面。

2. 加工方法

为减小拐角尺，必须将电极拐角尺部分的损耗控制到最小限度。通常的摇动加工，由于电极底面拐角不断的产生放电，棱边部分容易受到损耗，因此不能获得满意的拐角尺。为此，如图所示，在靠近棱之前不使产生放电而将电极下降，对着棱角斜向移动，当进行放电时只在拐角部分放电，这样就能使拐角达到最小化。

另外，作为拐角 实现最小化的方法，有如图所示的方法。如果电极是一种简单的形状，可在同一台机床上配置一块铜钨等材料的成形电极，借助电火花加工方法将电极底面修整成形。利用这种方法即使不使用多个电极也能将电极底面修整平坦，而且还能将拐角R修整到2 m以下。再者，因在同一台机床上进行修整，所以还有不存在更换电极时产生位置误差这一优点。

    四、电火花加工模具中精度问题分析及对策

   1. 加工精度影响因素

现代模具企业使用的电火花机床一般都是数显和数控的，机床本身的精度对加工精度起着主要影响．另外影响加工精度的因素还有：(1)放电间隙的大小及其一致性对加工精度的影响；(2)工具电极损耗对加工精度的影响；(3)工件结构形状对加工精度的影响．这些影响因素对工件的加工精度的影响是不能忽视的．

2. 模具中电加工精度质量问题分析及对策

（1）质量问题分析

型腔的尺寸误差  用电火花加工时，其加工精度受机床、夹具、电极、放电参数、放电环境等诸多因素影响，仅电极而言，其尺寸精度和相对于型腔的位置精度，直接影响放电型腔的尺寸精度，如果设计电极时，只考虑电极的尺寸精度，而忽略电极在型腔加工中的位置精度和校正电极的基准，势必造成型腔尺寸误差和位置误差．因此，设计加工电极时，不仅要考虑电极的尺寸精度，还要考虑电极放电时的位置精度。

（2）针对放电加工中出现的问题提出的相应的解决措施

针对型腔的尺寸误差可以采用多电极加工法．多电极加工法是根据一个型腔在粗、半精、精加工中放电间隙不同的特点，采用几个相应尺寸缩放量的电极，完成一个型腔的粗、半精、精加工．1.用粗加工电极蚀除大量金属，2.再换半精加工电极完成粗加工到精加工的过渡加工，3.用精加工电极进行终精加工．可以根据型腔的几何形状把电极分解成主型腔电极和副型腔电极．此种加工方法仿形精度高，只要熟练掌握火花间隙，保证重复定位精度，就可以达到满意的工艺要求。

针对型孔清角圆角半径太大的问题，应加强对电极的要求。合理选择电极材料。电火花加工中，用得最多的电极材料是紫铜，其次是石墨，精密电火花加工根据需要可选用铜钨合金．虽然紫铜电极的熔点低、密度大、难以成形磨削，但其电火花加工性能好，加工稳定，电极相对损耗小，能保证较高的加工精度，使用范围广，容易制造出各种精密复杂的电极，经锻造后还可以做成加工其它型腔用的电极，材料利用率高，但在加工中不宜采用大电流．在长脉冲负极加工中，加工型腔经常选用石墨作为电极，磨削容易，密度小，并且它能吸附炭来补偿电极的损耗，尤其在脉冲大的情况下具有更小的电极损耗，可实现“高效率低损耗加工”．但由于它的机械强度差，制造精度难以保证，精加工时容易引起稳定电弧使工件烧伤，所以精加工时不宜选用石墨作为电极．铜钨合金与银钨合金价格昂贵，尤其是银钨合金，它们的加工性能稳定，电极损耗极小，特别适用于加工深槽、深腔及一些精度要求高的地方.

五、结束语

电火花加工技术在模具制造中有着重要的作用，能够完成机械加工不能完成或难以完成的加工任务。电火花加工中，影响加工精度的因素较多，在生产过程中，如果根据零件的要求、电极与工件的材料、加工工艺等因素合理的选择电参数，就一定能够充分发挥该技术的优点，制造出高效率、高质量的模具。

参考文献：

[1]赵万生   电火花加工技术[M]  哈尔滨  哈尔滨工业大学出版社。

[2]伍端阳  数控电火花实用加工技术    机械工业出版社