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型腔模镜面电火花加工的探讨
摘要：镜面电火花加工是近几年发展起来的一种新技术，在精密型腔模制造中发挥着越来越重要的作用，针对目前精密型腔模电火花加工的镜面需求，就镜面电火花加工应用技术进行了探讨，对模具电火花加工具有一定的参考价值。
关键词：型腔模;镜面电火花加工;混粉技术;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，表面粗糙度是电火花加工的一项重要技术指标。目前电火花加工技术在表面粗糙度方面取得了很大的进步，通过对机床的改进和开发新的工艺方法，已能实现镜面加工效果。
所谓镜面电火花加工一般是指加工表面粗糙度值在Ra<0.2 um的电火花加工，加工表面具有镜面反光效果。表面的变质层厚度均匀，极少有微裂纹，并具有较高的耐磨性和耐蚀性，表面无需抛光。
镜面电火花加工主要应用于复杂模具型腔、尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工，可以省去手工抛光工序，提高零件的使用性能(如寿命、耐磨性、脱模性等)，对降低工人的劳动强度，缩短模具制造周期，具有实际意义。
2 型腔模镜面电火花加工的探讨
根据实际加工经验，对精密型腔模镜面电火花加工的关键技术进行探讨。
2.1 电火花机床应具有镜面精加工电路
要成功地实现镜面加工，最关键的因素是电火花机床应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，解决加工速度慢、电极损耗大与窄脉宽的工艺矛盾。像目前要求高的数控电火花机床都开发了超精加工电路，能较容易地加工出表面粗糙度Ra<0.1 μm的镜面效果(限于大面积的镜面加工)。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，不能保证可靠的预定加工效果，因此一般不能用于镜面加工。可见，选择高性能的放电机床是实现镜面加工的前提条件。
2.2 运用混粉技术来改善镜面加工效果
混粉电火花加工是一种改善电火花加工表面粗糙度的先进工艺方法，所谓混粉电火花加工是指在工作液中添加了微粉，如硅粉、铝粉、铬粉以及有关添加剂，以期使加工表面获得镜面效果。使用混粉加工技术，能够在同样的电参数条件下，比不使用混粉加工技术获得更快的加工速度(使精加工时间缩短20%-30%)和更优的表面粗糙度。对于较大面积的电火花加工来说，具有显著的改善作用。目前混粉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，深受模具业的青睐。
混粉电火花加工的原理是：由于工作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形成闪光的镜面。
混粉电火花加工要求选择合适的粉末添加剂和混粉工作液循环装置，进行粉末添加剂的浓度管理，利用扩散装置来消除浓度的误差。
2.3 多电极更换成形工艺及材料余量的控制
电火花加工的工艺过程就是一个从粗加工到精加工的加工过程。镜面电火花加工采用多电极更换的工艺方法。根据加工部位在粗、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。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;然后再换半精加工电极，使用较小的放电能量完成粗加工到精加工的过渡加工，达到高的加工精度和表面质量;最后用精加工电极、采用非常小的放电能量进行镜面加工。多电极更换中，应注意控制好电极的损耗情况，要求在经过粗加工和半精加工后，保证型腔基本达到加工尺寸、形状要求，只用一个电极来进行最终的镜面加工。
镜面加工之前的每一个工序，均要为后面的加工考虑材料余量。选择合理的工序间材料余量是保证加工质量与加工效率的关键。较大的材料余量会降低加工速度。较小的材料余量会影响加工的表面粗糙度。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，也就是把每个条件的材料余量按零对待。但实际加工时，考虑到放电状况受到的制约因素千变万化，因此为了安全要考虑材料余量，余量的大小可根据实际的放电状况而定，对于那些放电比较稳定，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。
2.4 合理配置镜面加工的电规准
镜面电火花加工电规准配置的一般原则：主参数选用小的峰值电流、小的脉冲宽度、较大的脉冲间隙。峰值电流选的越小，脉冲宽度越小，脉冲间隙越大，加工表面粗糙度值就越小。选用很小的峰值电流，往往在很大程度上影响了加工效率，因此混粉加工中，在满足一定表面粗糙度要求的前提下为提高效率 ，应选用较大的峰值电流和较小的脉冲宽度。与常规加工不同的是在小脉宽条件下，混粉电火花加工可以产生较高的加工效率，因为混粉工作液使击穿放电变得容易，在小脉宽条件下也会发生击穿放电，减小脉冲宽度，会使单位时间内的放电次数增加，使加工效率保持较高的水平。镜面电火花加工应采用负极性加工，有助于获得更好的表面粗糙度值。另外，在镜面电火花加工中，一些非主要电参数的选择同样非常重要，与常规加工的选择也存在一些差别，如放电时间要设长些，抬刀高度短些，抬刀速度不能太快，这样设置的目的是为了维持一个稳定的小能量电蚀过程，因为在镜面加工中，本身就不会产生很多的电蚀产物，过勤的抬刀动作反而会干扰放电的持续稳定进行。
目前先进的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，智能设置各段的材料余量。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，避免了加工过程中人为的干预。注意的是检索加工条件时输入的项目要准确，如果与实际情况存在差别，将会影响检索电参数的加工效果，如输入的加工面积比实际面积偏大的话，加工后的表面粗糙值会比要求值大些。
2.5 运用摇动加工方法保证镜面加工的顺利进行
在镜面电火花加工的过程中，由于放电能量很小，排屑效果不理想，较容易触发局部集中放电的情况，使加工不能稳定进行。为了提高加工的稳定性，可采用摇动加工。在稳定的放电状态下，可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，更容易控制加工尺寸。特别是在进行复杂形状的加工中，采用摇动加工方法能显著地提高加工的稳定性，因此在加工中被广泛采用。一些数控电火花机床新开发的摇动功能，能使电极沿着目标加工形状不断在摇动中加工，消除了电极的停滞，可实现无波形和麻坑的均一加工表面。
2.6 对工具电极和工件的要求
对电极的要求主要包括表面粗糙度、材料、缩放尺寸、精度等方面。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，以达到高光洁的表面。但并不要求电极的表面要达到镜面要求，一般表面粗糙度只要达到Ra0.3μm左右就可以，可以根据加工经验来说明这个问题：抛光后的电极在镜面加工后，电极呈暗红色、略粗的表面，而工件呈镜面效果。用于镜面加工的电极材料必须导电性优良、质地均匀、具有放电稳定等特点。纯铜、铜钨电极加工性能很好，不易发生电弧放电或过渡电弧放电，能满足镜面加工要求。石墨电极在精加工中易剥落，易产生放电不稳定现象，一般不用来作为镜面加工的电极材料。工具电极的缩放尺寸决定了摇动量的大小，也决定加工选用电规准能量的大小，直接影响加工速度、仿形精度等工艺指标。一般镜面加工电极的尺寸缩放量取单侧0.2～0.05 mm，在加工面积比较小时可取小一些，仿形精度要求高时可取小一些，混粉加工时适当取大一些。由于镜面加工采用多电极更换成形工艺，这就要求多个电极的一致性要好、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镜面加工中电极的要求。
镜面加工的效果根据工件材料的不同而不同，对于有镜面要求的型腔模，应选择容易加工镜面的材料作为工件材料，常用的镜面加工材料有：SKD61、NAK80、STAVAX等进口钢材，这些材料的电蚀性能非常优越。
2.7 镜面加工中的一些操作技巧
镜面加工电规准的电蚀能力非常弱，加工过程需要花费很长的时间。由于镜面加工时的尺寸变化已经较小，只起修光作用，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(G86指令)，根据经验来决定加工多长时间。
如果镜面加工的型腔为规则的旋转形状，若机床配置有C轴，那么采用工具电极与C轴同心的夹具(如EROWA、3R夹具)，加工时使C轴作旋转运动，则可达到非常稳定的加工，可改善表面粗糙度。但镜面加工中C轴转速不能太快，否则会导致加工过程稳定性趋坏，起弧现象加剧，反而使表面粗糙度值增大。
镜面加工时工作液的处理方式也很重要，一般在浸油加工的基础上可加适当压力的侧冲液，使加工部位的工作液处于轻微的循环状态。绝对不要使用强烈的冲液，强烈的冲刷作用会干扰微放电过程的正常形成。
根据加工经验发现，只要加工各环节处理得当，在镜面加工中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墨层清理掉，因为粉墨层能使工具电极和工件加工面积之间的寄生、潜布电容减少，使放电能量均匀分布。
3 结束语
随着市场对模具制造提出的更高要求，镜面电火花加工将成为精密型腔模制造的一种必不可少的技术。型腔模镜面电火花加工的探讨，对于推广这一技术的应用提供参考作用。