模具制造电火花加工应用技术综述

　　摘要：简述了电火花加工在模具制造领域中的地位，介绍了模具制造电火花加工的整个工艺流程，探讨了其重要应用技术的要点。对全面了解电火花加工在模具制造中的应用具有参考意义。

　　电火花加工(EDM)是当前模具制造的重要方法，尤其是在注塑模具制造中，电火花加工可以说是一种不可替代的工艺方法，发挥着重要的作用。在高速铣加工迅速发展的今天，电火花加工发展空间受到了一定的挤压。对于大型注塑模具的加工，目前大多采用铣削加工可以直接完成。中型模具一般采用铣削加工模具外表及粗铣型腔，仅将刀具精铣困难或无法精铣的部位留给电火花加工。而在小型注塑模具制造中，尤其是成型产品复杂的模具，其模仁、滑块、镶件、斜销等零件的沟槽拐角特别多，用电火花加工比用铣削加工更具有优越性。因此电火花加工精密注塑模具始终占加工中的主导地位。下文对模具制造电火花加工的应用技术进行综合介绍。

　　1 模具制造电火花加工的工艺流程

　　模具制造电火花加工包括多个工艺环节，各环节直接影响模具加工的质量。这里按照电火花加工的操作顺序介绍其工艺流程，分析主要的工艺要点。

　　1.1 模具电火花加工的工艺确定

　　模具零件在制造前，根据本身特点、加工要求来确定合理的加工工艺。一般来说，为了使模具零件在尽量短的时间内加工出来，减少加工成本，提高加工效率，所以在可能的情况下尽量选用铣削加工、线切割加工等工艺来加工零件。当在铣削加工，线切割加工等加工不到或工件有特殊要求的情况下才进行电火花加工，像在对于当刀具难于够到的复杂表面，在需要深度切削的地方，在长径比特别高的地方，精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角，不便于切削加工装夹，材料硬度很高，规定了要提供火花纹表面等的加工场合，就要选用电火花加工。

　　1.2 工具电极的设计与制造

　　电火花加工首先要进行电极的设计、制造。当前计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术已广泛应用于模具制造行业。那些高端的CAD/CAM软件，像UG、Pro/E、CimatronE、MasterCAM等都提供了强大的电极设计、编程功能，减少了手工拆电极的繁琐工作，与传统的电极设计、制造相比，提高效率十几倍甚至几十倍。

　　根据企业的工艺水平，考虑电极加工精度要求、加工成本等工艺要点来安排电极的制造工艺。目前模具企业已广泛使用加工中心来制造各种型面复杂的电极。加工中心比传统铣削加工速度快，全自动，重复生产的精度很高，可得到较复杂的形状。最近推出的高速加工中心，能胜任形状更复杂、精度要求更高类电极的制造，为制造电极提供了完美的技术解决方案。线切割加工也是很常用的一种电极加工方法，非常适合2D电极的制造，可用来单独完成整个电极的制造，或者用于铣削制造电极的清角加工。另外对于薄片类电极用机械切削加工很难进行，而使用线切割加工可以获得很高的加工效率和加工精度。使用慢走丝切割机床，可以加工有斜度、上下异形的复杂电极，获得很高的加工精度、表面质量。

　　采用快速装夹定位系统来制造电极是电火花加工的一种先进工艺方法，它是将电极胚料装夹在加工机床的装夹系统上来制造，制造完成后，可直接将电极装于电火花机床的快速装夹系统上进行放电加工。给加工操作带来了很大的方便，提高了电极的制造效率、也保证了电极的装夹、定位精度。

　　1.3 工件、工具电极的装夹与校正

　　电火花加工将工件安装于工作台，并对工件进行校正。由于电火花加工中工具电极与工件并不接触，宏观作用力很小，所以工件装夹一般都比较简单。通常用永磁吸盘来装夹工件，为了适应各种不同工件加工的需求，还可使用其它工具来进行装夹，如平口钳、导磁块、正弦磁台、角度导磁块等。工件装夹后要对其进行校正。以保证工件的坐标系方向与机床的坐标系方向一致。使用校表来校正工件是在实际加工中应用最广泛的校正方法。先进的数控电火花机床可使用托盘进行工件的自动换装。

　　电极安装在机床主轴上，应使电极轴线与主轴轴线方向一致，保证电极与工件在垂直的情况下进行加工。电极的装夹方式有自动装夹和手动装夹两种。自动装夹电极是先进数控电火花机床的一项自动功能。它是通过机床的电极自动交换装置(ATC)和配套使用电极专用夹具(EROWA、3R)来完成电极换装的，使用电极专用夹具可实现电极的自然校正，无需对电极进行校正或调整，能够保证电极与机床的正确位置关系，大大减少了电火花加工过程中装夹、重复调整的时间。手动装夹电极是指使用通用的电极夹具，通过可调节电极角度的夹头来校正电极，由人工完成电极装夹、校正操作。

　　1.4加工的定位

　　当工件和电极装夹、校正完成后，就需要将电极对准工件的加工位置，才能在工件上加工出准确的型腔。模具制造电火花加工最常用的定位方式是利用电极基准中心与工件基准中心之间的距离来确定加工位置，称之为“四面分中”。利用电极基准中心与工件单边之间的距离确定加工位置的定位方式也比较常用，称之为“单边分中”。另外还有一些其它的定位方式。

　　各种定位方式都是通过一定的方法来实现的。模具制造电火花加工操作中，通常运用电火花机床的接触感知功能来获得正确的加工位置。可以直接利用电极的基准面与工件的基准面进行接触感知实现定位。精密模具电火花加工采用基准球进行接触感知定位，点接触减少了误差，可实现较高精度的定位。另外还有千分表比较、放电定位等定位方法。使用快速装夹定位系统，可省却重复的定位操作，当配备ATC装置时，则完全可以实现长时间无人操作的自动化加工，可有效地提升企业的竞争力。

　　目前的数控电火花机床都具有自动找内中心、找外中心、找角、找单边等功能，这些功能只要输入相关的测量数值，即可方便地实现加工的定位，比手动定位要方便得多。

　　1.5电参数的配置

　　在完成校正、定位等基本操作以后，就要根据加工要求选择合理的电参数。电参数选择的好坏，直接影响加工的各项工艺指标。选用电参数最终目的是为了达到预定的加工尺寸和表面粗糙度要求。一般是根据电极缩放量确定电参数，在控制放电间隙和摇动量中进行加工的。选用电参数时，基本上要考虑：电极数目、电极损耗、加工液处理、加工表面粗糙度要求、电极缩放量、加工面积、加工深度等因素。粗加工选择的主要依据是电极缩放尺寸的大小。粗加工电极的缩放尺寸一般都比较大，可以选用其安全间隙接近电极缩放尺寸的电参数。精加工选择的主要依据是最终的表面粗糙度要求，选用多组电参数，依次按放电能量从大到小进行摇动加工，达到表面粗糙度和加工尺寸的要求。#p#分页标题#e#

　　数控电火花机床有许多配置好的最佳成套电参数，在机床自动选择电参数时只要对所需要输入的条件准确输入，即可自动配置好电参数。机床配置的电参数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。而传统电火花机床要求操作者具有丰富的工作经验，能够根据加工要求灵活配置电参数。

　　1.6加工过程的监控

　　电火花加工一切准备就绪时，就可以启动机床开始进行加工。在加工的过程中，要随时监控加工状态。对加工中不正常的放电状态及时采取相应的处理方法，保证加工的顺利进行。主要是防止发生拉弧现象，一般可通过修改抬刀参数、清理电极和工件、调整电规准参数等措施来改善放电状况。

　　目前数控电火花机床的加工性能已经有了很大的提高，一些先进数控电火花机床的智能化控制技术几乎可以代替人工监控。加工中由计算机监测、判断电火花加工间隙的状态，在保持稳定电弧的范围内自动选择使加工效率达到最高的加工条件。但机床的智能控制技术不是万能的，还是不能忽视人工监控的作用。尤其像在深孔加工、大锥度加工、大面积加工等一些比较特殊的加工场合，人工监控就有它的意义了。

　　2 模具制造电火花加工重要应用技术的探讨

　　模具制造电火花加工包括一些重要的应用技术，有如：镜面电火花加工、精密电火花加工、多轴联动数控电火花加工、深孔电火花加工等，下面对这些技术的要点进行探讨。

　　2.1 镜面电火花加工

　　镜面电火花加工一般是指加工表面粗糙度值在Ra0.2um以下的电火花加工，加工表面具有镜面反光效果。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，对缩短模具制造周期，具有十分重要的实际意义。

　　镜面电火花加工主要有以下一些技术：

　　(1)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。

　　(2)运用先进的混粉方法来改善电火花加工表面粗糙度，获得更快的加工速度。对于较大面积的电火花加工来说，改善作用显著。

　　(3)采用多电极更换的工艺方法。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等先进工艺来满足要求。

　　(4)选择合理的序间材料余量是保证加工质量与加工效率的关键。

　　(5)电规准配置的一般原则是：主参数选用小的峰值电流、小的脉冲宽度、较大的脉冲间隙、采用负极性加工。一些非主要电参数的选择与常规加工存在一些差别，如：放电时间要设长些，抬刀高度短些，抬刀速度不能太快。

　　(6)运用摇动加工方法保证镜面加工的顺利进行。

　　(7)电极必须进行精修抛光。电极材料的放电性能要优良。合理选择电极缩放尺寸。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。

　　(8)镜面加工中的一些操作技巧：采用数控电火花机床的定时加工功能;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，加工时使C轴作合理转速的旋转运动;工作液的处理方式一般在浸油加工的基础上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;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。

　　2.2 精密电火花加工

　　精密模具如微型接插件、IC塑封模、手机、CD盒等，已成为市场上非常热门的模具品种。尽管高速铣削进行模具微细加工的技术在不断进步，但用电火花加工精密模具零件的细微部位，始终占加工中的主要地位。

　　精密模具电火花加工过程中每一个加工环节都与加工精度有着密切的关系。精密模具电火花加工技术的要点：

　　(1)选择好的放电机床是精密电火花加工的前提条件。

　　(2)采用多电极加工的工艺方法。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。

　　(3)为保证极高的重复定位精度，也不降低加工效率，采用快速装夹的定位系统。如瑞典的3R和瑞士的EROWA装置。

　　(4)采用精密的加工方法来保证电极的质量，对制造电极的工艺水平提出高的要求。电极在用于电火花加工前应对尺寸、形状进行全面检测。选择电极材料时，应考虑选用价格较贵的铜钨合金材料。

　　(5)精密加工使用的高档机床电规准的控制方法一般是智能化控制的，人为尽量不要去修改电规准主要参数，以免影响机床自选条件的火花间隙。

　　(6)精加工中通常采用无冲液、浸油加工的液处理方式，依靠高速抬刀的动作来排屑。工作液的质量很重要。

　　(7)精密加工临终前一般都要反复进行测量、加工以保证最终的尺寸精度，称之为补刀加工。

　　(8)要求整个加工流程规范化，拥有成熟的工艺技术水平。零件的各加工环节都应有明确的工艺安排和要求。每道工序严格按照工艺方法、要求进行加工，才能保证高精度零件制造的成功率。

　　(9)注意加工环境及使用工具的加工精度的影响。

　　(10)加工技术人员的工作态度、加工技术水平对能否完成精密加工任务很重要。

　　2.3 多轴联动数控电火花加工

　　数控电火花机床的数控系统具有多轴数字化控制，电极和工件之间的相对运动就可以复杂多样。可以实现以简单电极加工出复杂零件。如可以采用UG等软件的数据文件自动生成加工指令控制工作台及主轴多坐标数控伺服运动，配以高效放电加工电源，仿铣加工平面轮廓曲线和三维空间复杂曲面。

　　在实际生产中，模具企业拥有的数控电火花机床大多具有多轴数控功能，但目前这类机床多采用成形电极的Z向伺服加工。如果能够灵活使用多轴联动数控电火花加工，在一些加工场合中则可以收到很好的加工效益。如一些注塑模具的斜向潜伏式点浇口通常采用电火花加工来完成。一般是将工件用正弦磁台来摆正相应的角度，利用电极作垂直的Z轴伺服加工来完成的，也可以通过设计装夹电极的斜度夹具，进行斜向联动加工来简化加工操作。利用电火花加工来清除切削加工剩下的刀具R角是比较常见的加工类型，进行这类加工时往往因为加工面积小，很容易发生放电不稳定的现象，甚至可能出现难以完成加工的情况。采用电极斜向联动加工是解决这种问题的好方法。采用斜向联动加工方法，应对加工部位进行认真分析、确认可行，如考虑加工部位是否存在与进给方向相抵触的倒扣、反斜度等，在这些情况下就不能使用斜向加工方法，否则会使加工形状发生改变。在确认能使用斜向加工方法时，就可根据需要选择二轴联动或三轴联动。这要根据加工部位的形状、朝各方向的开放程度来决定，一般在加工可行的情况下尽可能使用三轴联动的方法，因为其具有更好的排屑效果，能够更稳定、更快速地完成整个加工过程。#p#分页标题#e#

　　2.4 深孔电火花加工

　　对于深孔的电火花加工，由于加工深度值较大，因此加工过程中的排屑比较困难，很容易发生放电不稳定的现象，甚至发生积碳等异常情况，另外，频繁的二次放电会使加工尺寸难以控制。种种放电不良的现象会导致加工速度缓慢、加工质量异常，因此有必要采用一系列措施来改善这些不良现象。

　　(1)高速抬刀技术。目前先进的数控电火花机床大多具有高速抬刀功能，将这一功能应用在深窄部位的加工非常有效，高速跳跃的抬刀动作能将加工部位产生的加工屑有效排出，并且减少了空抬刀时间。

　　(2)C轴作旋转运动。机床配备有C轴时，可使用快速装夹定位夹具装夹电极，使电极与C轴同心，那么在加工中使C轴带动电极作连续不断的旋转运动，可以使加工达到非常稳定的加工状态，大大提高加工速度。

　　3)摇动加工。可以通过摇动加工方法来改善排屑条件，避免集中放电等不良现象。具体通过对电极选取一个较大的缩放尺寸值，通过摇动加工来补偿尺寸差。

　　4)调整参数。考虑增大脉冲间隙，减少放电时间，增大抬刀高度等来保证加工的消电离，改善排屑状况。不要认为这样设置参数会降低加工效率，实际上在加工深孔时，只有保证加工的顺利进行才能提高加工效率。

　　5)下冲油。采用下冲油的方式，并适当加大冲油压力进行排屑。

　　6)及时清理。应随时进行加工监控，建议在放电不稳定的情况下，停机清理工件、电极加工部位的残留屑。

　　3 结束语

　　电火花加工作为模具制造的重要方法，随着模具工业的迅速发展，被赋予越来越高的加工要求，促使电火花加工技术朝精密化、自动化、智能化、高效化等方向的更深层次不断发展。

　　参考文献：

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　　[3] 马名峻,蒋亨顺,郭洁民.电火花加工技术在模具制造中的应用[M]. 北京：化学工业出版社.2004.