采用紫铜管绕制的线框电极电火花套型加工模具的研究*

徐盛林 陶 军 梁兆澍 杨俊杰 黄 叶

(①华中科技大学武昌分校自动化系,湖北武汉 430064;②彩晶光电科技(昆山)有限公司,江苏昆山 215301;③法雷奥照明湖北技术中心有限公司,湖北武汉 430056;④江汉大学机建学院,湖北武汉 430056;④华中科技大学机械学院,湖北武汉 430074)

在电火花套型工艺中,电极丝始终处在一个窄小且狭长的缝槽中放电加工,工作液难以喷射到加工部位,导致加工过程中排屑不顺畅,甚至出现电极卡住、机床停机等现象,极大地阻碍了加工的顺利进行,且不能达到预期的效果。为改善这一状况,本研究设计了以小直径的紫铜管绕制为线框电极,在电极上钻出若干微小孔,电极管内通以一定压力的工作液,可直接喷向加工部位,以此加速排屑,达到提高加工速度、减小表面粗糙度值的目的。

在以往的研究中,已就中空管电极套型加工作了初步探讨,但电极损耗量很大,实验几乎无法进行到底。在总结过去工作的基础上,本实验提出了沿着与电极进给方向的相反方向喷工作液(反向喷液)和使用壁厚更大、喷液孔孔径更小的紫铜管绕制成线框电极的解决措施,通过加工不同形状的模具型腔,逐一探讨该工艺的可行性。

1 电极的结构及实验条件

1.1 电极的尺寸和结构

本实验中所选用的线框电极是由 φ4 mm×0.5 mm,φ4 mm×1 mm两种规格紫铜管绕制而成,且保证电极的加工部位圆弧曲率与前期研究中的实心电极是一致的。在电极绕制成相应形状后需在其表面钻削一定数量小孔来实现冲液。考虑到小孔功能的特殊性,在设计制造过程中,应该考虑以下几个方面的问题:

(1)中空管的壁厚较小,考虑到加工过程中电极可能会因受热而产生形变及加工过程中的腐蚀效应。因此在侧壁上开的小孔间距不能太小。

(2)为防止工件表面产生凸起或毛刺,电极侧壁上的孔径也不宜太大。较大孔产生较大毛刺将会对孔产生二次放电腐蚀,使孔内径扩大,电极损耗量增大,加工精度下降。

(3)考虑到中空管电极在喷液过程中产生的力作用到工件加工表面时,其反作用力将会使电极与原位置和方向产生一定偏移,从而降低加工精度,因此,对孔的位置应该仔细斟酌。

①如果孔开在弧形线框电极的径向平面内(图1)。因为线框电极管的外表面为主要放电加工面,该方向开孔冲液更能实现对排屑、加工速度和表面粗糙度的影响。

②如果孔开在弧形线框电极所在平面的法线方向(即侧面,如图2)。可直接向电极的进给方向冲液,也许会加快排屑。

③孔口保持无锥度,孔数不宜太多,否则沿电极的喷液压力损失较大,后部的孔起不到明显冲液排屑的作用,而且多孔将使电极刚度降低,加工过程有可能会变形或腐蚀最后折断。

小径紫铜管有两种,其中一种的壁厚为1 mm,所钻孔径为0.5 mm(厚壁小孔),其尺寸如图3所示。

1.2 加工设备及参数

本次实验采用北京阿奇夏米尔有限公司生产的ACT SPARK SE1型精密电火花成形机。其主要技术参数是:工作台行程320 mm×260 mm×250 mm;最大工件重量600 kg;最大电极重量60 kg;主轴端到台面的最大距离600 mm;加工电流50(100)A。

1.3 电规准的选择

在前期研究中,通过反复实验,运用正交法以及MATLAB等软件对大量数据进行处理,分析对比实验结果后,初定了本工艺的优化加工参数主要集中在上述电加工机床的加工条件号为C106至C114这一范围内,且这些条件号对应的加工参数配置基本与正交实验分析结果相一致。因此,在参考了关于加工条件对加工效果的影响的研究结论[1]之后,选定C111为粗加工条件号,C110、C109为精加工条件号。

2 试验方法

在前期使用管电极加工中,电极自身损耗很快,几乎是工件加工仅仅进行到一半时电极就不能再用了。为此,本试验先从加工路径较短的简单形状开始,摸索出规律后再加工复杂形状的模具。

2.1 加工形状简单的工件

首先尝试以中空管电极沿着与电极进给方向的相反方向喷射工作液(反向冲液)的方式进行套型加工模具,图4为电极的进给路径和加工结果。

本实验中首先使用C111加工发现电极损耗严重,后改为C109则电极损耗大为减少。小孔的孔径越大腐蚀越严重。试验证明孔径控制在0.5 mm以下是可行的。加工速度和表面粗糙度与常规加工情况是相同的。选用大参数则速度快,粗糙度值自然就大。

2.2 加工形状复杂的工件

在上述实验基础上,采用管电极加工了形状复杂的型芯和型腔如图5所示。采用1.1节所述的薄壁(0.5 mm)大孔(φ1 mm)电极,电极损耗很快,不能完成整个工件的加工。而采用图3所示的厚壁小孔电极则能较顺利地完成图5所示形状的加工,而且电极的损耗并不严重,仍可继续使用,其加工速度随加工参数的增大而加快,表面粗糙度基本满足使用要求。

2.3 小孔冲液方向对加工的影响

加工过程中,电极始终沿加工路径向前进给,管内液体的冲液方向可以与电极的进给方向相同,也可相反,笔者分别称之为正向冲液和反向冲液。

表1所示是中空管电极分别采用正向冲液和反向冲液套型加工复杂型腔实验中得到的几项加工结果的对比。

(1)加工速度

正向冲液加工速度比反向冲液加工速度稍高一点。主要是由于正向冲液时,工作液直接喷向工件的放电部位,被放电爆炸力抛出的碎屑以及加工产生的炭黑立即被冲走,附着效应大大减小,从而提高了加工速度。而反向冲液时工作液并未直接冲向放电部位,而是借助型腔的内壁反冲到放电部位带走碎屑,其加工速度自然相对较低。

表1 不同方向冲液的加工效果对比

(2)电极损耗

由于采用正向冲液加工的电极附着效应较小,加工行程较大,所以相对于反向冲液加工的电极,其电极损耗率要大。由于尖端放电效应,使得电极正向喷液时小孔区域的损耗率大于反向冲液时的情况。

(3)放电间隙

计算得到X向和Z向放电间隙数值后,可以发现沿X和Z方向上,正向冲液加工的放电间隙明显小于反向冲液加工的放电间隙。使用中空管电极正向冲液时,较之反向冲液加工单位时间的废屑的排出量更大,会进一步降低放电通道内废屑的浓度。当浓度降低使得放电通道内工作液的介电强度升高,为了维持放电,间隙必须减少。

3 加工模具的试验结果及讨论

3.1 试验条件和加工出的工件

在使用厚壁中空管电极套型加工复杂形状模具的试验取得成功的基础上,本次试验则利用形状相似、尺寸不同的中空管电极套型加工几套模具,加工方法与前述的方法基本一致。工件材料仍为Cr12,小电极的规格与前面使用的厚壁小孔管电极相同,尺寸如图3所示。大电极的尺寸则是将小电极的圆弧尺寸由R20 mm改为R22.5 mm。厚壁小孔中空管电极在反向喷液加工复杂型腔之后,小孔损耗量很小,电极形状也基本完整,所以在本次实验中,将尝试使用大电极正向喷液套型加工模具。如图6所示为使用大、小两个电极套型加工出的两副模具。

3.2 加工速度

处理实验记录数据后得到电极沿Y方向的进给速度,两电极的进给速度走势对比如图7所示。计算得到两电极的平均加工速度为:小电极V=26.419028 mm3/min,大电极V=28.896293 mm3/min。

从以上计算结果可以看出,大电极的平均加工速度稍大于小电极。但大电极的损耗量大于小电极,尤其是小孔区域的损耗量。这样会产生更大的凸痕,影响加工精度。

3.3 电极的损耗

本次加工中使用的条件号均为C111,但冲液方向却有区别:小电极反向冲液进给,大电极正向冲液进给。加工后的电极损耗情况如图8所示,从图中可看到大电极上小孔区域的损耗明显大于小电极。测量结果显示:小电极的损耗量约为大电极的2/3。

(1)大电极的进给行程大于小电极。大电极的进给轨迹是由小电极的进给轨迹向型腔内部偏移得到的,所以大电极的进给行程和加工深度都大于小电极。这样就导致了大电极的损耗量较大。

(2)冲液方向不同。在本次实验中,小电极是反向冲液进给,而大电极是正向冲液进给。上述分析可知大电极上小孔区域由于受到尖端放电效应的影响,导致该区域的损耗量大于小电极。

3.4 表面粗糙度

加工完成后,由于型腔不好测量,只测量了型芯的粗糙度。其结果显示大电极加工的平均粗糙度值稍大于小电极的,两电极的加工表面粗糙度值在Ra9.5～10.6 μm 之间,加工精度为0.1～0.3。

4 实心线框电极与中空管线框电极的加工结果比较

在成功完成上述中空管电极冲液加工实验后,对实心电极和中空管电极加工的工艺性作了如下的比较。

4.1 加工速度对比

当加工条件号同为C111、工件材料同为45钢的情况下,选取加工截面积相同的点对应的电极进给速度对比,如图9所示。从图中可看到,在同等条件下,采用中空管电极冲液加工模具的加工速度要明显高于实心电极。经计算,加工速度同比提高了约66.8%。

4.2 加工精度对比

这里,选取了本研究中加工的部分工件的实验数据,对实心电极和中空管电极的加工精度进行了比较。对比的数据为选用条件号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。

根据表2中数据算得:实心电极加工的平均精度为0.38 mm,中空管电极加工的平均精度为0.46 mm。从结果可以看出实心电极的加工精度要略高于中空管电极。分析其原因为:中空管冲液加工模具时,由于小孔孔口产生尖端放电效应和冲液的冲洗作用降低了管电极的附着效应,使得中空管电极的小孔周边部位的损耗量相较其他部位偏大,而实心电极的损耗部位相对分布均匀,所以导致实心电极的加工精度要略高于中空管电极。

表2 加工精度对比

表3 电极损耗率对比

4.3 电极损耗对比

电极损耗的质量可通过加工前后直接称量得到,而实验中加工的工件质量较大,无法找到量程大且精度高的测量设备称量。所以,对于工件被蚀除部分的质量,只能利用软件仿真测算得到。在本次研究中,选取条件号均为C111的四组实验,对其工件蚀除部分体积用Pro/E建模计算,得到的电极损耗率如表3所示。从表中可以看到,中空管电极的平均损耗率大于实心电极。其原因与加工精度分析的相同,此处不再赘述。考虑到表3中部分数据是由软件仿真计算获得,计算值与实际值之间可能存在一定误差。

4.4 放电间隙对比

实心电极加工45钢的单边放电间隙值为0.4 mm。中空管电极加工复杂型芯实验中,平均值放电间隙为0.266 mm。因此使用实心电极加工模具时的放电间隙大于中空管电极。分析其原因,认为当加工深度相同时(以电极中心线圆弧顶为基准),实心电极的加工截面积小于中空管电极,在条件号相同时,电极单位面积上的电流密度更大,电能更多,导致放电间隙更大。所以放电间隙与电流密度成反比。

5 结语

(1)利用小径紫铜管绕制的线框电极冲液套型加工出了模具的型腔和型芯,证明了小径管框架电极冲液套型加工工艺的可行性,拓宽了传统电火花套型加工工艺的使用范围,是对该工艺的改进。在相同条件下,小径管框架电极比实心电极的加工速度提高66.8%,加工工件的粗糙度值也明显减小。

(2)尖端放电效应是导致中空管电极损耗的主要原因。减小冲液孔孔径可减小尖端放电效应的影响,有效降低中空管电极的损耗,减缓工件表面凸痕的生成。改变电极上冲液小孔的位置,可有效减少凸痕,提高加工精度。

(3)使用中空管电极正向冲液加工模具时,适当调整冲液流量,在保证排屑的同时,可使工作液的介电强度达到最佳加工范围,使放电间隙最大化,从而提高加工效率。

[1]徐盛林,等.电火花套型加工中工艺步骤对加工效果的影响的探讨[J].机械设计与制造,2009(6).

[2]陶军.基于小径紫铜管绕制的线框电极电火花套型加工模具的实验研究[D]:[学士学位论文].武汉:江汉大学,2009.

[3]梁兆澍.均匀厚度橡胶制品模具的电火花套型加工的实验研究[D]:[学士学位论文].武汉:江汉大学,2009.

[4]徐盛林,等.不同壁厚橡胶制品的模具的电火花套型加工的试验研究[C]:第十三届全国特种加工学术会议论文集.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009.