采用紫銅管繞制的線框電極電火花套型加工模具的研究*

徐盛林 陶 軍 梁兆澍 楊俊杰 黃 葉

(①華中科技大學(xué)武昌分校自動化系,湖北武漢 430064;②彩晶光電科技(昆山)有限公司,江蘇昆山 215301;③法雷奧照明湖北技術(shù)中心有限公司,湖北武漢 430056;④江漢大學(xué)機(jī)建學(xué)院,湖北武漢 430056;④華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院,湖北武漢 430074)

在電火花套型工藝中,電極絲始終處在一個窄小且狹長的縫槽中放電加工,工作液難以噴射到加工部位,導(dǎo)致加工過程中排屑不順暢,甚至出現(xiàn)電極卡住、機(jī)床停機(jī)等現(xiàn)象,極大地阻礙了加工的順利進(jìn)行,且不能達(dá)到預(yù)期的效果。為改善這一狀況,本研究設(shè)計(jì)了以小直徑的紫銅管繞制為線框電極,在電極上鉆出若干微小孔,電極管內(nèi)通以一定壓力的工作液,可直接噴向加工部位,以此加速排屑,達(dá)到提高加工速度、減小表面粗糙度值的目的。

在以往的研究中,已就中空管電極套型加工作了初步探討,但電極損耗量很大,實(shí)驗(yàn)幾乎無法進(jìn)行到底。在總結(jié)過去工作的基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)提出了沿著與電極進(jìn)給方向的相反方向噴工作液(反向噴液)和使用壁厚更大、噴液孔孔徑更小的紫銅管繞制成線框電極的解決措施,通過加工不同形狀的模具型腔,逐一探討該工藝的可行性。

1 電極的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)條件

1.1 電極的尺寸和結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)中所選用的線框電極是由 φ4 mm×0.5 mm,φ4 mm×1 mm兩種規(guī)格紫銅管繞制而成,且保證電極的加工部位圓弧曲率與前期研究中的實(shí)心電極是一致的。在電極繞制成相應(yīng)形狀后需在其表面鉆削一定數(shù)量小孔來實(shí)現(xiàn)沖液。考慮到小孔功能的特殊性,在設(shè)計(jì)制造過程中,應(yīng)該考慮以下幾個方面的問題:

(1)中空管的壁厚較小,考慮到加工過程中電極可能會因受熱而產(chǎn)生形變及加工過程中的腐蝕效應(yīng)。因此在側(cè)壁上開的小孔間距不能太小。

(2)為防止工件表面產(chǎn)生凸起或毛刺,電極側(cè)壁上的孔徑也不宜太大。較大孔產(chǎn)生較大毛刺將會對孔產(chǎn)生二次放電腐蝕,使孔內(nèi)徑擴(kuò)大,電極損耗量增大,加工精度下降。

(3)考慮到中空管電極在噴液過程中產(chǎn)生的力作用到工件加工表面時(shí),其反作用力將會使電極與原位置和方向產(chǎn)生一定偏移,從而降低加工精度,因此,對孔的位置應(yīng)該仔細(xì)斟酌。

①如果孔開在弧形線框電極的徑向平面內(nèi)(圖1)。因?yàn)榫€框電極管的外表面為主要放電加工面,該方向開孔沖液更能實(shí)現(xiàn)對排屑、加工速度和表面粗糙度的影響。

②如果孔開在弧形線框電極所在平面的法線方向(即側(cè)面,如圖2)。可直接向電極的進(jìn)給方向沖液,也許會加快排屑。

③孔口保持無錐度,孔數(shù)不宜太多,否則沿電極的噴液壓力損失較大,后部的孔起不到明顯沖液排屑的作用,而且多孔將使電極剛度降低,加工過程有可能會變形或腐蝕最后折斷。

小徑紫銅管有兩種,其中一種的壁厚為1 mm,所鉆孔徑為0.5 mm(厚壁小孔),其尺寸如圖3所示。

1.2 加工設(shè)備及參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)采用北京阿奇夏米爾有限公司生產(chǎn)的ACT SPARK SE1型精密電火花成形機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)是:工作臺行程320 mm×260 mm×250 mm;最大工件重量600 kg;最大電極重量60 kg;主軸端到臺面的最大距離600 mm;加工電流50(100)A。

1.3 電規(guī)準(zhǔn)的選擇

在前期研究中,通過反復(fù)實(shí)驗(yàn),運(yùn)用正交法以及MATLAB等軟件對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,初定了本工藝的優(yōu)化加工參數(shù)主要集中在上述電加工機(jī)床的加工條件號為C106至C114這一范圍內(nèi),且這些條件號對應(yīng)的加工參數(shù)配置基本與正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果相一致。因此,在參考了關(guān)于加工條件對加工效果的影響的研究結(jié)論[1]之后,選定C111為粗加工條件號,C110、C109為精加工條件號。

2 試驗(yàn)方法

在前期使用管電極加工中,電極自身損耗很快,幾乎是工件加工僅僅進(jìn)行到一半時(shí)電極就不能再用了。為此,本試驗(yàn)先從加工路徑較短的簡單形狀開始,摸索出規(guī)律后再加工復(fù)雜形狀的模具。

2.1 加工形狀簡單的工件

首先嘗試以中空管電極沿著與電極進(jìn)給方向的相反方向噴射工作液(反向沖液)的方式進(jìn)行套型加工模具,圖4為電極的進(jìn)給路徑和加工結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)中首先使用C111加工發(fā)現(xiàn)電極損耗嚴(yán)重,后改為C109則電極損耗大為減少。小孔的孔徑越大腐蝕越嚴(yán)重。試驗(yàn)證明孔徑控制在0.5 mm以下是可行的。加工速度和表面粗糙度與常規(guī)加工情況是相同的。選用大參數(shù)則速度快,粗糙度值自然就大。

2.2 加工形狀復(fù)雜的工件

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用管電極加工了形狀復(fù)雜的型芯和型腔如圖5所示。采用1.1節(jié)所述的薄壁(0.5 mm)大孔(φ1 mm)電極,電極損耗很快,不能完成整個工件的加工。而采用圖3所示的厚壁小孔電極則能較順利地完成圖5所示形狀的加工,而且電極的損耗并不嚴(yán)重,仍可繼續(xù)使用,其加工速度隨加工參數(shù)的增大而加快,表面粗糙度基本滿足使用要求。

2.3 小孔沖液方向?qū)庸さ挠绊?/h3>

加工過程中,電極始終沿加工路徑向前進(jìn)給,管內(nèi)液體的沖液方向可以與電極的進(jìn)給方向相同,也可相反,筆者分別稱之為正向沖液和反向沖液。

表1所示是中空管電極分別采用正向沖液和反向沖液套型加工復(fù)雜型腔實(shí)驗(yàn)中得到的幾項(xiàng)加工結(jié)果的對比。

(1)加工速度

正向沖液加工速度比反向沖液加工速度稍高一點(diǎn)。主要是由于正向沖液時(shí),工作液直接噴向工件的放電部位,被放電爆炸力拋出的碎屑以及加工產(chǎn)生的炭黑立即被沖走,附著效應(yīng)大大減小,從而提高了加工速度。而反向沖液時(shí)工作液并未直接沖向放電部位,而是借助型腔的內(nèi)壁反沖到放電部位帶走碎屑,其加工速度自然相對較低。

表1 不同方向沖液的加工效果對比

(2)電極損耗

由于采用正向沖液加工的電極附著效應(yīng)較小,加工行程較大,所以相對于反向沖液加工的電極,其電極損耗率要大。由于尖端放電效應(yīng),使得電極正向噴液時(shí)小孔區(qū)域的損耗率大于反向沖液時(shí)的情況。

(3)放電間隙

計(jì)算得到X向和Z向放電間隙數(shù)值后,可以發(fā)現(xiàn)沿X和Z方向上,正向沖液加工的放電間隙明顯小于反向沖液加工的放電間隙。使用中空管電極正向沖液時(shí),較之反向沖液加工單位時(shí)間的廢屑的排出量更大,會進(jìn)一步降低放電通道內(nèi)廢屑的濃度。當(dāng)濃度降低使得放電通道內(nèi)工作液的介電強(qiáng)度升高,為了維持放電,間隙必須減少。

3 加工模具的試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 試驗(yàn)條件和加工出的工件

在使用厚壁中空管電極套型加工復(fù)雜形狀模具的試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上,本次試驗(yàn)則利用形狀相似、尺寸不同的中空管電極套型加工幾套模具,加工方法與前述的方法基本一致。工件材料仍為Cr12,小電極的規(guī)格與前面使用的厚壁小孔管電極相同,尺寸如圖3所示。大電極的尺寸則是將小電極的圓弧尺寸由R20 mm改為R22.5 mm。厚壁小孔中空管電極在反向噴液加工復(fù)雜型腔之后,小孔損耗量很小,電極形狀也基本完整,所以在本次實(shí)驗(yàn)中,將嘗試使用大電極正向噴液套型加工模具。如圖6所示為使用大、小兩個電極套型加工出的兩副模具。

3.2 加工速度

處理實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)后得到電極沿Y方向的進(jìn)給速度,兩電極的進(jìn)給速度走勢對比如圖7所示。計(jì)算得到兩電極的平均加工速度為:小電極V=26.419028 mm3/min,大電極V=28.896293 mm3/min。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,大電極的平均加工速度稍大于小電極。但大電極的損耗量大于小電極,尤其是小孔區(qū)域的損耗量。這樣會產(chǎn)生更大的凸痕,影響加工精度。

3.3 電極的損耗

本次加工中使用的條件號均為C111,但沖液方向卻有區(qū)別:小電極反向沖液進(jìn)給,大電極正向沖液進(jìn)給。加工后的電極損耗情況如圖8所示,從圖中可看到大電極上小孔區(qū)域的損耗明顯大于小電極。測量結(jié)果顯示:小電極的損耗量約為大電極的2/3。

(1)大電極的進(jìn)給行程大于小電極。大電極的進(jìn)給軌跡是由小電極的進(jìn)給軌跡向型腔內(nèi)部偏移得到的,所以大電極的進(jìn)給行程和加工深度都大于小電極。這樣就導(dǎo)致了大電極的損耗量較大。

(2)沖液方向不同。在本次實(shí)驗(yàn)中,小電極是反向沖液進(jìn)給,而大電極是正向沖液進(jìn)給。上述分析可知大電極上小孔區(qū)域由于受到尖端放電效應(yīng)的影響,導(dǎo)致該區(qū)域的損耗量大于小電極。

3.4 表面粗糙度

加工完成后,由于型腔不好測量,只測量了型芯的粗糙度。其結(jié)果顯示大電極加工的平均粗糙度值稍大于小電極的,兩電極的加工表面粗糙度值在Ra9.5～10.6 μm 之間,加工精度為0.1～0.3。

4 實(shí)心線框電極與中空管線框電極的加工結(jié)果比較

在成功完成上述中空管電極沖液加工實(shí)驗(yàn)后,對實(shí)心電極和中空管電極加工的工藝性作了如下的比較。

4.1 加工速度對比

當(dāng)加工條件號同為C111、工件材料同為45鋼的情況下,選取加工截面積相同的點(diǎn)對應(yīng)的電極進(jìn)給速度對比,如圖9所示。從圖中可看到,在同等條件下,采用中空管電極沖液加工模具的加工速度要明顯高于實(shí)心電極。經(jīng)計(jì)算,加工速度同比提高了約66.8%。

4.2 加工精度對比

這里,選取了本研究中加工的部分工件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對實(shí)心電極和中空管電極的加工精度進(jìn)行了比較。對比的數(shù)據(jù)為選用條件號C111加工出的工件在X方向、Z方向上的加工精度,如表2所示。

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)算得:實(shí)心電極加工的平均精度為0.38 mm,中空管電極加工的平均精度為0.46 mm。從結(jié)果可以看出實(shí)心電極的加工精度要略高于中空管電極。分析其原因?yàn)?中空管沖液加工模具時(shí),由于小孔孔口產(chǎn)生尖端放電效應(yīng)和沖液的沖洗作用降低了管電極的附著效應(yīng),使得中空管電極的小孔周邊部位的損耗量相較其他部位偏大,而實(shí)心電極的損耗部位相對分布均勻,所以導(dǎo)致實(shí)心電極的加工精度要略高于中空管電極。

表2 加工精度對比

表3 電極損耗率對比

4.3 電極損耗對比

電極損耗的質(zhì)量可通過加工前后直接稱量得到,而實(shí)驗(yàn)中加工的工件質(zhì)量較大,無法找到量程大且精度高的測量設(shè)備稱量。所以,對于工件被蝕除部分的質(zhì)量,只能利用軟件仿真測算得到。在本次研究中,選取條件號均為C111的四組實(shí)驗(yàn),對其工件蝕除部分體積用Pro/E建模計(jì)算,得到的電極損耗率如表3所示。從表中可以看到,中空管電極的平均損耗率大于實(shí)心電極。其原因與加工精度分析的相同,此處不再贅述。考慮到表3中部分?jǐn)?shù)據(jù)是由軟件仿真計(jì)算獲得,計(jì)算值與實(shí)際值之間可能存在一定誤差。

4.4 放電間隙對比

實(shí)心電極加工45鋼的單邊放電間隙值為0.4 mm。中空管電極加工復(fù)雜型芯實(shí)驗(yàn)中,平均值放電間隙為0.266 mm。因此使用實(shí)心電極加工模具時(shí)的放電間隙大于中空管電極。分析其原因,認(rèn)為當(dāng)加工深度相同時(shí)(以電極中心線圓弧頂為基準(zhǔn)),實(shí)心電極的加工截面積小于中空管電極,在條件號相同時(shí),電極單位面積上的電流密度更大,電能更多,導(dǎo)致放電間隙更大。所以放電間隙與電流密度成反比。

5 結(jié)語

(1)利用小徑紫銅管繞制的線框電極沖液套型加工出了模具的型腔和型芯,證明了小徑管框架電極沖液套型加工工藝的可行性,拓寬了傳統(tǒng)電火花套型加工工藝的使用范圍,是對該工藝的改進(jìn)。在相同條件下,小徑管框架電極比實(shí)心電極的加工速度提高66.8%,加工工件的粗糙度值也明顯減小。

(2)尖端放電效應(yīng)是導(dǎo)致中空管電極損耗的主要原因。減小沖液孔孔徑可減小尖端放電效應(yīng)的影響,有效降低中空管電極的損耗,減緩工件表面凸痕的生成。改變電極上沖液小孔的位置,可有效減少凸痕,提高加工精度。

(3)使用中空管電極正向沖液加工模具時(shí),適當(dāng)調(diào)整沖液流量,在保證排屑的同時(shí),可使工作液的介電強(qiáng)度達(dá)到最佳加工范圍,使放電間隙最大化,從而提高加工效率。

[1]徐盛林,等.電火花套型加工中工藝步驟對加工效果的影響的探討[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(6).

[2]陶軍.基于小徑紫銅管繞制的線框電極電火花套型加工模具的實(shí)驗(yàn)研究[D]:[學(xué)士學(xué)位論文].武漢:江漢大學(xué),2009.

[3]梁兆澍.均勻厚度橡膠制品模具的電火花套型加工的實(shí)驗(yàn)研究[D]:[學(xué)士學(xué)位論文].武漢:江漢大學(xué),2009.

[4]徐盛林,等.不同壁厚橡膠制品的模具的電火花套型加工的試驗(yàn)研究[C]:第十三屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009.