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集束電極電火花加工模具型腔的技術研究術

2017-12-5 來源：佳木斯大學機械工程學院作者：孫趙寧李小海高瑞林邢蕾

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行粗加工。再采用成型電極進行電火花成型精加工，避免了電火花型腔粗加工中復雜結構成型電極的制作。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，進行集束電極電火花成型加工工藝試驗。摸索了不同電火花加工參數(shù)對電火花加工性能的影響，并實現(xiàn)了復雜型腔的加工。

關鍵詞：電火花加工；成型電極；集束電極；電極夾具；電規(guī)準

電火花加工被廣泛應用于難加工材料以及復雜型腔的制作[1。4]。雖然電火花加工存在著很多優(yōu)勢，但復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)實體電極制作工藝復雜，用于加工時，某個電極棱角處放電不均勻可能導致整個實體電極的報廢。

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

1 、集束電極的加工機理分析

集束電極主要運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)量的細的棒狀或管狀電極單元捆成一束，再通過調整每根電極單元的長度使其擬合成近似實體電極的型面∞J。集束電極的最大優(yōu)點是免去了實體電極設計、制作的麻煩，同時單元電極便于制作又可以被重復使用，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，有利于電蝕產物的排出。其制備原理圖如圖I所示。單元電極的尺寸和內外徑比大小的選擇要適中，單元電極尺寸選擇過大，則不能很好地擬合出復雜的三維型腔面，同時也會延長二次精加工的時間。電極尺寸選擇過小，則不易于裝夾。單元電極的內徑如果選擇過大，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，單元電極的內外徑尺寸能夠直接影響加工間隙內的工作液流場，使工具電極的相對損耗有所不同。本實驗中選用的單元電極尺寸為外徑1．2 mm內徑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計與使用

2．1 集束電極的夾持裝置設計

針對集束電極的加工原理提出了集束電極的夾持裝置。該裝置同時兼顧實現(xiàn)了加工過程中可靠的強迫內沖液。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床的夾具接口相連，電極夾具的沖油口與機床配置的沖油管相連，在加工過程中，通過控制機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單元電極組合體可靠集束的零件。夾頭的夾緊端外側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，呈花瓣式結構。其內側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，可以實現(xiàn)徑向均勻收縮，從而完成對內側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，螺母內螺紋與電極套筒外螺紋連接，通過旋進收緊螺母，收縮電極夾頭，實現(xiàn)對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、夾持裝置與機床主軸的連接以及工作液供液系統(tǒng)連接的實施例，根據(jù)機床供液方式設計電極夾具接口為側面進液。

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

3．1 電火花加工試驗裝置

本課題的所有試驗都是在北京凝華科技有限公司研發(fā)的NI-1250三軸聯(lián)動電火花成型機床進行。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

本實驗研究的電火花加工電參數(shù)主要是指：脈沖放電時間(ON)、放電休止時間(OFF)、峰值電流(IP)、加工極性(PL)。在實驗加工中，通過對比研究，選用了3組電規(guī)準進行了一定時間的加工放電(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，工件為負極(即負極性加工)。在電火花加工過程中，ON、OFF、IP三者對加工速度、工具電極的相對損耗以及表面粗糙粗均有影響。

采用C390組的電規(guī)準進行加工時，加工的峰值電流IP較大，大約為69 A，ON、OFF的值也比較大，因此單個脈沖的放電能量高，一次放電過程中蝕除的電蝕產物比較多，在加工過程中工作液迅速變黑，放電時產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行，采用了較大的沖液流量，工具電極的損耗也同時增大。在使用該組電規(guī)準進行加工時，由于蝕除速度過快，電蝕產物進入油箱后來不及被充分過濾，工作液中電蝕產物濃度過高，工作液的絕緣性不好，容易產生短路現(xiàn)象，同時長時間的使用過大電參數(shù)進行加工對機床內部的電源也有一定的損害，因此不建議使用。

當采用C350組電規(guī)準進行加工時，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。

圖4 c350組電規(guī)準加工后的表面

當采用C320組電規(guī)準進行加工時，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02mm／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)準進行工藝試驗，得到了集束電極電火花加工時的加工速度(u。)和電極消耗比(p)隨峰值電流(，，)變化關系如表2。已知電極相對消耗比計算公式如下：

表2 在不同電規(guī)準下對加工速度(‰)和電極消耗比0影響

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，但相應的表面粗糙度值也會隨之增大。綜合上述實驗參數(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

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