数控电火花成型加工的质量问题分析及对策研究

吴 军（华东交通大学 机电学院，江西 南昌 330013）摘 要：数控电火花成型加工技术不断发展，但是在实际应用中仍然存在一些问题，在这其中，表面质量以及加工精度是常见的难点问题，本文对这些常见问题进行了深入研究，在大量实验数据基础上，从电极设置、放电参数选择、成型工艺和工作循环方式等方面对影响数控电火花成型加工质量的问题进行详细研究，并提出了有效的解决措施.网 http://www.lw2005.com
关键词 ：数控电火花；成型加工；加工质量中图分类号：TG661文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）04-0042-03电火花成型加工技术已经逐渐被普及，并在不断发展.特别是数控电火花成型加工，已经成为模具型腔加工中的主要技术之一.这门技术能够针对复杂的高精型腔、型孔、窄缝、超薄工件等进行加工.其中电极设计是保证零件加工质量的核心要素.在加工中分为粗、中、精三种情况，在不同模式下的放电间隙有所不同，这就要求制作不同的电极满足不同的加工精度.型腔加工是模具加工中经常遇到的，在型腔面积较大时，必须采用分割电极法，逐一对型腔每个部分进行加工.本文对影响电火花成型加工精度和质量的因素进行分析，提出了一些有效的措施.1 电火花成型加工技术概述早在20世纪40年代，电火花成型加工技术就已经被开发出来，并且成为数控加工制造领域中极其重要的一部分.在新技术不断开发涌现的当今时代，电火花成型加工技术也面向高层次、高水准不断开拓发展.即便很多传统加工技术都在结合新的加工需求不断发展，或者与新技术进行融合，并且在某些加工领域具有较高优势，但是这些技术也无法完全取代电火花成型加工技术在加工难度大材料、复杂型面以及模具制造等方面的优势.2 电火花成型加工技术现状与发展趋势2.1 发展现状.对于电火花成型的基本理论研究方面，放电过程本身是一个复杂的，随机性较强的过程，时至今日，在研究手段的局限下，仍未曾取得突破性的进展，但是在关于电火花成型和加工工艺以及控制理论的研究方面，很多研究成果已经应用到生产实践中，例如高效加工技术、高精密加工技术、低损耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术等.电火花同样能够应用在工艺设备生产方面，新型电火花成型加工机床技术有着更高的加工功能，获得了更高的加工精度和自动化程度，其可靠性也得到了全面提升.2.2 发展趋势.从电火花成型加工的研究对象考虑，其中精密加工、精细加工、深腔加工和窄槽加工将成为核心发展方向.与此同时，应注重与其他相关技术的融合和借鉴，取得彼此增值的成效，如与传统切削加工技术的复合作用方面.在电火花成型加工技术自身成果优势的基础上，还应不断更新加工工艺，让该项技术能够更好的为数控加工产业服务.3 表面加工质量问题分析及采取的措施经过对电火花成型加工技术在数控加工中的应用实践分析，我们发现其中存在的常见加工质量问题主要有以下几个方面：1.加工的表面不光滑甚至很粗糙；2加工的孔壁有瑕疵，如裂纹、烧伤等；3.加工存在偏差和劣质残留，最常见的是分割电机加工型腔内流线的电极拼缝痕迹.通过对问题产生根源的合理分析，做好有效的预防准备工作，通过科学可行的控制措施，数控电火花加工质量是能够得到保证的.3.1 加工表面粗糙问题解决方案通过对电火花成型加工过程中的加工表面粗糙问题进行总结分析，发现产生这个问题的原因可以分为几个方面：其一，受到电极表面粗糙的影响，造成微观放电间隙不够匀称；其二，在废屑无法畅通排除的情况下，导致积碳；其三，没有选择合适的放电参数.加工间隙的大小对加工质量有着直接的影响，精加工过程需要使用小间隙，如果在加大加工间隙下进行精加工，同样能够改善表面的粗糙度，但是会出现型腔清晰度和平面度恶化的结果.若要在综合考量下保证加工的稳定性，选择在小间隙下进行加工，并不需要很高的加速度和速度，需要较小的伺服系统，平稳的低速以及严格的间隙检测.在小间隙限制下，加工往往会出现短路、空载、间隙污染等问题.这些问题可以通过对放电参数的及时调整来解决，例如降低脉冲电流以及脉冲频率，如果通过对放电参数的调节仍然不能解决问题，就需要重新抛光电极，提高电极表面的粗糙度，获得最佳的工作液冲刷状态.在CNC640火花机上，采用紫铜电极（+），间隙电压是50V，高压是200V，加工材料是S45C钢（-），加工直径是16mm，加工深度是10mm，工作液选用EDM110火花机油时的实验数据如表1所示.3.2 消除复杂零件型腔内的拼接痕应用数控电火花加工复杂零件型腔时，出于降低加工工艺难度，控制加工成本的目的，可改变复杂形状电极为简单、易于加工的电极，最后重新进行拼接，实现放电加工，还可以进行单个电极的放电加工，拼合与分割电极.但是电极拼合或者电极逐个放电加工之后，型腔表面往往会留下拼接加工痕迹.产生拼接痕迹是非常容易出现的问题，归根结底，是由于电极损耗造成的.加工放电过程中，在电极端部前沿尖角位置，电流密度过大，放电集中度较高，导致尖端烧损.如果电极损耗非常严重，可能会造成电极拼缝位置形状的改变，从而导致放电间隙增加，对应位置的金属得不到加工，于是拼缝位置加工表面会残生不规则的凸起瘢痕，为了避免这种情况，设计以及加工电极时，要将电极重合部分重合1-2mm进行拼接.3.3 型腔内壁烧伤和裂纹数控电火花加工是在加工面上通过放电产生瞬间高温，融化、蒸发、气化、溶蚀金属，并使用工作液冲刷，是金属从融化状态到极冷凝固的循环，在这个循环过程中，无论是直流电压调节过高，还是有杂质混入放电间隙，或者废屑不能及时消除导致的二次放电，都会引起工件温度过高，从而导致工件烧伤.除此之外，工件温度过高会导致工件晶粒粗大，降低工件韧性，同时还会产生较高的热应力，增加了加工表面的裂纹倾向.为了防止工件过热烧伤以及产生裂纹，可对问题成因综合考虑，进行适当调整：1.可适当降低直流电压，改善工作液冲刷，及时清理放电间隙中的杂质和废屑；2.更换工作液；3.如果电极较大，可改变电极制作工艺孔，改善冲刷条件，保证废渣能够及时得到清理.4 加工精度问题分析及采取的措施想要实现对数控电火花成型加工精度的有效提高，需要从机床、电极、夹具、放电参数和环境等方面入手，这些方面可能出现如下影响加工精度的问题：加工另加型腔尺寸偏差较大、清角半径增加、平面度偏差较大、型腔孔壁产生台阶等，控制加工精度需要对影响加工精度的各种因素进行全面控制.4.1 型腔的尺寸偏差型腔尺寸与电极之间息息相关，电极的精度直接影响着型腔的尺寸精度，其中电极的精度分为本身的尺寸精度和针对型腔而言的位置精度，并且在设计加工时需要对这两种精度要求同时考虑.因此，设计加工电极时，还要考虑电极放电时的位置尺寸，以及确定电极在X、Y、Z三个轴向的校正基准.如图5所示.4.2 型腔清角圆角半径太大清角圆角半径过大也是在型腔加工中极为常见的现象.究其产生的原因大致分为以下几个方面：1.电极棱角严重损耗；2.放电参数设置不合理；3.精加工时间不够.对应措施如下：1.进一步缩小清角处放电间隙；2.分多次放电加工.进行第二次加工处理时，可适当增加电极外形尺寸，降低电流，控制电极棱角损耗，维持电极交角状或者直角状.同时放电参数需要按照加工要求合理确定，通过降低电流电压规格，清角时使用工作液直冲循环等措施，提高清角位置形状满足精度要求.4.3 形状误差造成数控电火花加工中出现形状误差的主要原因是：没有准确定位工件和电极装卡环节，或者在加工时受到技术水平和环境因素影响产生移动、偏离.下面给出相对简单有效的解决办法：1.确保准确的装卡定位；2.在不影响电极精度的条件下，在电极相对并不重要的位置钻孔，或安置吸流排渣功能，提高流动性能和废渣清除性能.小间隙加工过程中会存在一定的真空，所以要注意防止真空产生的冲击作用对电极和工件造成影响，防止电极在工件加工中产生移动和偏斜，防止出现极小锥体，控制加工表面可能出现的形状精度误差.4.4 型腔孔壁出现台阶状在对型腔孔进行数控电火花加工的过程中，可能会发生型腔孔壁出现台阶状的意外状况.依据实践经验总结得知，主要原因为：1.电极表面不符合平直的要求；2.机床主轴在垂直进击过程中不够平稳；3.电极发生二次改变位置；4.电机的上下部位磨损程度不相符.针对上述原因可以运用如下解决办法：1.结合实际情况，在对电火花机床设备进行选择时，注意机床刚度和主轴强度要符合自身生产标准；2.加强电极精度；3.利用不同的加工强度多次反复的进行放电加工，以防止型腔孔壁出现台阶状问题.结束语：综上所述，虽然数控电火花加工技术经历了较长时期的研究与应用，并且工艺已经比较成熟，在相关行业占据极其重要的地位.但是，基于电火花加工技术的特殊性，加工过程中的质量控制依旧存在一些难以避免的问题.文中对数控电火花成型技术进行了充分的理论分析并指出了经常发生的问题，然后从多个要点相应切入进行剖析解决，希望能够为处理放电加工技术的相关问题供参考.网 http://www.lw2005.com
参考文献：（1）秦勇，王霖.数控技术在电火花成形加工中的应用现状和发展趋势[J].机械工程师，2011（3）：41-43.（2）卢存伟.电火花加工工艺学[M].北京：国防工业出版社，2012（5）.（3）王先逵.精密加工技术实用手册[M].北京：机械工业出版社，2011（9）.（4）沈洪.电火花成型技术新发展[J].模具工业，2012（4）：4-6.（5）许发根.模具制造工艺与装配[M].北京：机械工业出版社，2013（5）.（6）沈洪.电火花成型技术新发展[J].模具工业，2012（4）：56-58.（7）李冬林，朱荻，曲宁松.电火花成型加工工具电极损耗的研究[J].电气技术与自动化，2011（4）：108~111.