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集束電極電火花加工模具型腔的技術(shù)研究術(shù)

2017-1-23 來源：佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院作者：-

摘要：在電火花型腔成型力n-r-中．采用分步法。先采用集束電極快速仿形成型進(jìn)行粗加工。再采用成型電極進(jìn)行電火花成型精加工，避免了電火花型腔粗加工中復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型電極的制作。提高加工效率。基于花瓣式錐形電極夾頭，研發(fā)了新型快速夾持集束電極裝置，進(jìn)行集束電極電火花成型加工工藝試驗(yàn)。摸索了不同電火花加工參數(shù)對(duì)電火花加工性能的影響，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜型腔的加工。

關(guān)鍵詞：電火花加工；成型電極；集束電極；電極夾具；電規(guī)準(zhǔn)

電火花加工被廣泛應(yīng)用于難加工材料以及復(fù)雜型腔的制作[1。4]。雖然電火花加工存在著很多優(yōu)勢(shì)，但復(fù)雜型腔成型電極的制作一直以來都是人們想要努力攻破的難題。傳統(tǒng)實(shí)體電極制作工藝復(fù)雜，用于加工時(shí)，某個(gè)電極棱角處放電不均勻可能導(dǎo)致整個(gè)實(shí)體電極的報(bào)廢。

本文基于上海交通大學(xué)趙萬生"‘6o提出的集束電極的加工理念，首先在不同加工參數(shù)下，使用集束電極進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究，得出一組適用于集束電極加工的最優(yōu)參數(shù)，然后調(diào)用該組參數(shù)通過集束電極進(jìn)行型腔的粗加工，再用相應(yīng)的實(shí)體電極進(jìn)行精加工從而完成復(fù)雜型腔的加工。

1.集束電極的加工機(jī)理分析

集束電極主要運(yùn)用化整為零的離散思想，它是一種制作三維自由型面電極的新方法。這種方法將一定數(shù)量的細(xì)的棒狀或管狀電極單元捆成一束，再通過調(diào)整每根電極單元的長度使其擬合成近似實(shí)體電極的型面∞J。集束電極的最大優(yōu)點(diǎn)是免去了實(shí)體電極設(shè)計(jì)、制作的麻煩，同時(shí)單元電極便于制作又可以被重復(fù)使用，提高了材料的利用率，降低了電火花型腔加工的成本，符合綠色加工的理念。集束電極主要用于三維型腔加工時(shí)的初始粗加工，工作液從管狀電極中心孔流出，改善型腔加工工作液流場，有利于電蝕產(chǎn)物的排出。其制備原理圖如圖I所示。單元電極的尺寸和內(nèi)外徑比大小的選擇要適中，單元電極尺寸選擇過大，則不能很好地?cái)M合出復(fù)雜的三維型腔面，同時(shí)也會(huì)延長二次精加工的時(shí)間。電極尺寸選擇過小，則不易于裝夾。單元電極的內(nèi)徑如果選擇過大，則容易在工件表面留下毛刺料芯，阻礙工作液的流通與電蝕產(chǎn)物的排除，從而造成短路，影響加工效率和加工精度。另外，單元電極的內(nèi)外徑尺寸能夠直接影響加工間隙內(nèi)的工作液流場，使工具電極的相對(duì)損耗有所不同。本實(shí)驗(yàn)中選用的單元電極尺寸為外徑1．2 mm內(nèi)徑0．5 mm。

圖1成型電極與集束電極示意圖

2.集束電極的夾持裝置的設(shè)計(jì)與使用

2．1 集束電極的夾持裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)集束電極的加工原理提出了集束電極的夾持裝置。該裝置同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)了加工過程中可靠的強(qiáng)迫內(nèi)沖液。圖2所示為集束電極夾持裝置。該裝置由電極套筒、電極夾頭、收緊螺母和工作液流道組成。電極夾具的接口與機(jī)床的夾具接口相連，電極夾具的沖油口與機(jī)床配置的沖油管相連，在加工過程中，通過控制機(jī)床沖油管的閥門來控制沖液流量的大小。

圖2集柬電極夾持裝置

電極套筒是連接電極夾頭及收緊螺母的零件。電極套筒與沖油管管道相連形成沖液加工用的型腔，上端的夾具接口與電極套筒形成螺紋連接，整體形成密封腔。電極夾頭是用于完成對(duì)單元電極組合體可靠集束的零件。夾頭的夾緊端外側(cè)面具有錐面幾何特征，沿其兩端周向開有均勻分布的軸向收緊槽，呈花瓣式結(jié)構(gòu)。其內(nèi)側(cè)面輪廓為所選單元電極的組合體的穩(wěn)定集束幾何輪廓。在受到電極套筒及收緊螺母提供的收緊力時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)徑向均勻收縮，從而完成對(duì)內(nèi)側(cè)單元電極組合體的可靠夾緊。

收緊螺母為電極夾頭提供可靠的收緊力，螺母內(nèi)螺紋與電極套筒外螺紋連接，通過旋進(jìn)收緊螺母，收縮電極夾頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)集束電極的快速可靠夾緊。

2．2集束電極夾持裝置的使用

圖3所示為集束電極橫截面、夾持裝置與機(jī)床主軸的連接以及工作液供液系統(tǒng)連接的實(shí)施例，根據(jù)機(jī)床供液方式設(shè)計(jì)電極夾具接口為側(cè)面進(jìn)液。

圖3集柬電板夾持裝置使用示倒

3.集束電極電火花加工試驗(yàn)

3．1 電火花加工試驗(yàn)裝置

本課題的所有試驗(yàn)都是在北京凝華科技有限公司研發(fā)的NI-1250三軸聯(lián)動(dòng)電火花成型機(jī)床進(jìn)行。集束電極底部端面外輪廓為正六邊形。工具和工件材料分別為紫銅和454鋼。工作液為電火花加工專用煤油。

3．2電火花加工工藝試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)研究的電火花加工電參數(shù)主要是指：脈沖放電時(shí)間(ON)、放電休止時(shí)間(OFF)、峰值電流(IP)、加工極性(PL)。在實(shí)驗(yàn)加工中，通過對(duì)比研究，選用了3組電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行了一定時(shí)間的加工放電(表1)。

表1加工參數(shù)表

在表1中ON、OFF的單位為¨s，PL+表示工具電極為正極，工件為負(fù)極(即負(fù)極性加工)。在電火花加工過程中，ON、OFF、IP三者對(duì)加工速度、工具電極的相對(duì)損耗以及表面粗糙粗均有影響。采用C390組的電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行加工時(shí)，加工的峰值電流IP較大，大約為69 A，ON、OFF的值也比較大，因此單個(gè)脈沖的放電能量高，一次放電過程中蝕除的電蝕產(chǎn)物比較多，在加工過程中工作液迅速變黑，放電時(shí)產(chǎn)生大量的氣泡并伴隨著濃烈的黑煙。為了保證放電的順利進(jìn)行，采用了較大的沖液流量，工具電極的損耗也同時(shí)增大。在使用該組電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行加工時(shí)，由于蝕除速度過快，電蝕產(chǎn)物進(jìn)入油箱后來不及被充分過濾，工作液中電蝕產(chǎn)物濃度過高，工作液的絕緣性不好，容易產(chǎn)生短路現(xiàn)象，同時(shí)長時(shí)間的使用過大電參數(shù)進(jìn)行加工對(duì)機(jī)床內(nèi)部的電源也有一定的損害，因此不建議使用。

當(dāng)采用C350組電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行加工時(shí)，放電過程中能觀察到較微弱的火花放電，加工過程中，工作液比較清澈，加工性能比較穩(wěn)定，很少出現(xiàn)短路現(xiàn)象，加工后的工件表面粗糙度值較小。加丁后的表面如圖4所示。

當(dāng)采用C320組電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行加工時(shí)，電火花微弱，幾乎不可見，加工過程中無明顯現(xiàn)象。原因是加工電流為6 A，ON、OFF的數(shù)值也非常小，加工效率非常低，速度大概在0．2mm／h，加工后的表面精度與C350相差不大。通過選用上述多組規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，得到了集束電極電火花加工時(shí)的加工速度(u。)和電極消耗比(p)隨峰值電流(，，)變化關(guān)系如表2。已知電極相對(duì)消耗比計(jì)算公式如下：

表2在不同電規(guī)準(zhǔn)下對(duì)加工速度(‰)和電極消耗比0影響

表2

由表2可知，在J『，增大的情況下，加工速度也隨之增大，且增加顯著，電極消耗重量比也隨之增大，但相應(yīng)的表面粗糙度值也會(huì)隨之增大。綜合上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選定C350為集束電極型腔粗加工的使用參數(shù)。

3．3電火花型腔的加工

復(fù)雜型腔電火花加工分兩步進(jìn)行：首先用集束電極模擬出近似于實(shí)體電極形狀的曲面如圖5所示，再使用C350組電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行大部分材料去除的粗加工；第二步用表面經(jīng)過打磨處理后的實(shí)體成型電極如圖6所示對(duì)型腔進(jìn)行精加工，實(shí)體電極配合電火花機(jī)床搖動(dòng)功能，去除集束電極產(chǎn)生的管形加工痕跡，圖7為實(shí)體成型電極加工后的型腔。

4.結(jié)語

集束電極是將實(shí)體電極的離散化，它免去了制作實(shí)體成型電極用于粗中加工的步驟，降低了加工成本，提高了加工效率。通過工藝試驗(yàn)得出了用紫銅集束電極加工45。鋼的最優(yōu)參數(shù)，并用該組參數(shù)成功地進(jìn)行了型腔粗加工，之后又通過實(shí)體電極進(jìn)行了精加工，得到了粗糙度值小的型腔表面。

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