如何加工非圆形塑料模型芯？

图3-38所示为非圆形塑料模型芯,材料选用MnCrWV钢,热处理后硬度达到45～50HRC,零件数量为20件,表面粗糙度Ra值为0.1μm,表面经过镀铬处理,抛光后表面粗糙度Ra值达到0.015μm。合理选用机床设备,编写其加工工艺路线,保证各尺寸、几何公差等符合图样的要求。

图3-38 非圆形塑料模型芯

1.工艺分析

从非圆形塑料模型芯的形状上分析,其长度与直径的比超过5∶1,属于细长杆零件,但实际长度并不长,截面主要是圆形,在车削和磨削时应解决加工装夹问题,在粗加工车削时,应对多个零件采用一件坯料,这样既方便装夹,又节省材料。在精加工磨削外圆时,该零件的装夹方式有三种,如图3-39所示。图3-39a所示的反顶尖结构,适用于外圆直径较小、长度较大的细长凸模、型芯类零件,当d<1.5mm时,两端做成60°的锥形顶尖,零件加工完毕后,再切除反顶尖部分。图3-39b所示为加辅助顶尖孔结构,其两端的顶尖孔应按GB/T 145—2001的要求加工,适用于外圆直径较大的情况,当d≥5mm时,其工作端的顶尖孔,应根据零件的使用情况决定是否加长,当零件不允许保留顶尖孔时,在加工完毕后,应切除附加长度和顶尖孔。图3-39c所示为在大端加长段的做法,适用于长径比不太大的情况。

图3-39 装夹方式

a)反顶尖结构 b)加辅助顶尖结构 c)在大端加长段

非圆形塑料模型芯是细长轴,其材料为MnCrWV钢,热处理硬度为45～50HRC,零件要求进行淬火处理。从零件形状和尺寸精度来看,加工方式主要是车削和外圆磨削,加工精度要求在外圆磨削的经济加工范围内。零件要求有脱模斜度时也在外圆磨削时一并加工成形。另外,外圆上的几处磨扁处,可在工具磨床上完成。

非圆形塑料模型芯在热处理时,不得有过大的弯曲变形,弯曲翘曲应控制在0.1mm内,该零件的表面要求耐磨、耐腐蚀,表面粗糙度能长期保持不变,长期在250℃工作时表面不氧化,且要保证塑料件的表面质量和便于脱模。因此,该零件的成形表面应在磨削时保持表面粗糙度Ra值为0.4μm的基础上,进行抛光加工,在模具试压后进行镀铬抛光处理。

零件采用圆棒形坯料,下料后直接进行加工。一模需要该零件20件,在加工上有一定的难度,为保证满足磨削精度和装配的要求,保证模具的生产进度,在开始生产时就应制作一部分备件,这也是模具生产的一个特色。在模具生产组织和工艺上都应充分考虑,总加工数量为24件,备件为4件。

2.知识讲解

(1)电火花加工 电火花加工是直接利用电能、热能对工件实施成形加工的,尤其是对于实现那些具有特殊性能(硬度高、强度高、脆性大、韧性好、熔点高)的金属材料和结构复杂、工艺特殊的工件的成形加工特别有效。在模具的制造过程中,一些形状复杂的型腔、型孔和型槽往往都采用电火花加工。电火花加工发展到今天,其技术在模具制造领域的应用已经非常成熟,成了主要的加工方法之一。电火花加工主要有电火花成形加工和电火花线切割加工,工厂习惯把电火花成形加工简称为电火花加工,本任务所指的电火花加工即是电火花成形加工。

电火花加工是通过工件和工具电极相互靠近时极间形成脉冲性火花放电,在电火花通道中产生瞬时高温,使金属局部熔化,甚至汽化,从而将金属腐蚀下来,达到按要求改变材料的形状和尺寸的目的的加工工艺,又称为放电加工或电蚀加工,英文简称为EDM。

进行电火花加工时,工具电极和工件分别接脉冲电源的两极,并浸入工作液中,或将工作液充入放电间隙,通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给,当两电极间的间隙达到一定值时,两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿,产生火花放电。

1)电火花加工是靠局部热效应实现加工的,它和一般切削加工相比有如下特点:

①由于电火花加工是一种腐蚀作用,对工具电极与工件材料的相对硬度没有要求,工具电极材料的硬度可以比工件材料的硬度低。所以,电火花加工适用于难于切削加工甚至无法加工的特殊材料,如淬火钢、硬质合金、耐热合金以及各种超硬材料。

②由于电火花加工没有机械力作用,工件加工完成后不会产生变形,所以,它适合加工小孔、深孔、窄槽等,不会因为工具和工件的刚性太差而无法加工。各种型腔、型孔、立体型面和形状复杂的工件,均可采用成形电极一次成形。

③连续进行粗加工、半精加工和精加工,脉冲参数可以任意调节。加工中不需要更换工具电极,就可以在同一台机床上通过改变电规准(指脉冲宽度、电流和电压)连续进行粗加工、半精加工和精加工。精加工的尺寸精度可达0.01mm,表面粗糙度Ra值可达0.8μm,微精加工的尺寸精度可达0.002～0.004mm,表面粗糙度Ra值为0.05～0.1μm。

④易于实现控制和加工自动化。

⑤电火花加工是根据电极形状复制工件的工艺过程,工件的加工质量很大程度上取决于电极制造,因此,精确地制造电极是加工过程的第一步。型腔或型孔越复杂,电极形状也就越复杂,加工制造也就越困难。

⑥电火花加工的蚀除率不高,一般情况下,能采用切削机床加工的简单型面就尽量不采用电火花加工。

⑦电火花加工只适用于导电材料的工件。

2)电火花加工由于具有其他加工方法无法替代的加工能力和独特的仿形效果,因此,在模具制造行业得到了广泛应用。

①加工各种形状复杂的型腔和型孔。如冲模的型孔、锻模的型槽和注射模、吹塑模、压铸模等的型腔。

②电火花加工常作为模具工作件淬火后的精加工工序。这不仅是因为其可以“以柔克刚”,还因为其可以消除由热处理引起的工件变形。

③对于图3-40所示的模具型孔或型腔,可以整体成形,而不必按图3-40所示的分成1、2、3三块的方式进行镶拼。这样不但提高了模具的强度,同时还降低了设计和制造的难度。

图3-40 镶拼凹模

④可以用作模具工作零件的表面强化手段。经过电火花表面强化的模具,其寿命可提高2～3倍。

⑤可以进行电火花磨削。对淬硬钢件、硬质合金工件进行平面磨削、内外圆磨削,坐标孔磨削以及成形磨削等。

⑥电火花加工可以用于刻字和刻制图案。

3)电火花加工的加工规准又称为电规准、电加工规准,它是指根据不同的加工要求选择的一组电参数,其内容有:脉冲宽度T_on、脉冲峰值电流I_p和脉冲频率f。

电火花加工规准根据加工所能得到的型面质量及放电间隙的大小分为粗规准、中规准和精规准三种。其中粗规准主要用于粗加工,去除大部分加工余量；中规准是由粗规准转为精规准的过渡规准；精规准是达到电火花加工指标的主要规准。

正确选择电加工规准是保证电火花加工质量、提高加工速度的重要环节。不同的加工情况,对规准的选择也不同。在电规准的选择过程中,经验非常重要。表3-5给出了一般情况下加工规准的选择。

表3-5 加工规准的选择

4)型孔的电火花加工。用电火花加工通孔的方法称为型孔的电火花加工。型孔电火花加工的特点是:能加工型孔复杂的整体式凹模；可直接利用其斜度加工凹模的斜度；加工的冲裁模间隙均匀,刃口平直耐磨,寿命长。其不足之处在于小的棱边及尖角处的加工比较困难。

①常用的电火花穿孔加工方法有直接配合法、间接配合法、二次电极法和阶梯工具电极加工法等。

图3-41 电火花穿孔直接配合法

直接配合法:这种方法直接利用适当加长的凸模非刃口端作为电极对凹模进行加工,加工后将损耗的加长部分切除。加工时将凹模刃口端朝下,电火花加工完毕后会形成向上的喇叭口,如图3-41所示。实际使用时,作为电极的凸模应反过来安装使刃口向下,同时凹模也反过来安装使刃口向上,电火花加工时形成的喇叭口正好有利于冲模落料。由于凸、凹模电火花加工时的安装方向与它们工作时的方向都相反,因此,这种加工方法也称为反打正用法。

用此法可以获得均匀的凸、凹模配合间隙,且能节省制造电极的费用和时间。但其加工速度低,易形成不稳定的二次放电。如果将凸模的加长部分改为粘结或焊上电加工性能好的电极材料,一端用成形磨削法磨出后作为电极,则可以克服上述缺点。

用直接配合法加工出的凸、凹模,其配合间隙的大小可通过改变电规准参数来调节。

间接配合法:将凸模和工具电极分别制造,但凸模留有一定的修配余量,用制造好的工具电极加工出凹模后,再按凹模的实测尺寸钳工修配凸模,以达到所要求的配合间隙。

间接配合法的优点是:可直接使用电极材料进行加工获得比较好的加工性能；加工间隙不受配合间隙的限制,配合间隙可由修配凸模来保证。其缺点是:需要两次加工,增加了加工工作量；分别制作工具电极与凸模难以保证形状完全相同；用凹模尺寸修配凸模时难以保证间隙的均匀一致性,因而这种方法只能加工形状较简单的冲模。

二次电极法:这种方法是用一次电极制造二次电极,由此加工出凹模和凸模,并保证凸、凹模配合间隙的一种工艺方法。

当凸模加工较困难时,用凹形的一次电极加工出两个凸形件,其中一个为凸模,另一个作为二次电极,再用二次电极反拷贝加工出凹模。

二次电极法比较复杂,在普通冲裁模的型孔加工中使用较少,通常用于精密冲裁模具的加工。

阶梯工具电极加工法:这种方法在电火花穿孔加工中应用比较普遍。通常将工具电极分成两段,即截面尺寸较小的、采用较大电规准参数的粗加工段和截面尺寸较大的、用于保证加工精度的精加工段。其中粗加工段主要用于在极短的时间内去除大部分加工余量,因而所要求的是加工速度,采用的是大的电规准参数。有时根据模具的结构和尺寸特点,还会采用多阶梯的电极工具。

加工阶梯电极时,首先用直接成形法对整个电极进行加工,然后在电极端部一定长度范围内用化学腐蚀法均匀腐蚀掉一定的厚度。较常用的腐蚀方法是酸洗法,如草酸、硫酸、硝酸等,具体配方及适用材料可参见有关手册。

②电火花穿孔加工的工艺过程包括选择加工方法、选择电极材料、设计并制造电极、准备穿孔零件毛坯、在机床上装夹校正电极、装夹校正被加工毛坯、调整机床主轴上下位置、加工准备、开机加工、规准转换与中间检查、零件检查。

选择加工方法:上面介绍了电火花穿孔加工的四种方法,可根据加工条件和加工要求酌情选用。

选择电极材料:根据待加工模具的硬度、金相组织、型腔的结构、待加工零件的精度要求等确定电极材料,如钢、铸铁、铜、石墨等。

设计并制造电极:根据模具的间隙、形状、刃口的有效长度、斜度、电极损耗和放电间隙等确定电极的截面形状、尺寸、精度、长度和表面硬度等,并采用一般切削加工、成形磨削、仿形刨、线切割等方法把它制造出来。

准备穿孔零件毛坯:完成电火花加工前的全部机械加工；穿孔部位留有适当且均匀的电加工余量；热处理达到其硬度要求；磨出上、下平面,去磁去锈；在刃口反面划出孔轮廓线。

在机床上装夹校正电极:简单结构的电极,可直接装夹于机床主轴头上；对于组合电极或镶拼式电极,应先将多个电极或多个电极拼块按工艺要求用通用或专用工具装夹成一体,然后安装在机床主轴头上。要校正工具电极与工作台面的垂直度,要求其在全长内不大于0.01mm。

装夹校正被加工毛坯:将被加工工件刃口面向下放在工作台面上,找准凹模90°基面与机床导轨的平行度,全长内不大于0.01mm,调准后把工件压紧固定。

调整机床主轴上下位置:使电极下端面与工件加工面保持合适的距离。

加工准备:选择加工极性,调整伺服机构,使工作液槽上升,令工件全部浸入工作液并低于液面60～80mm。调整充(抽)油压力,调整加工深度指示器,选好合适的电规准。先用最弱的电规准进行加工,观察接触面四周是否能产生电火花放电；若不放电,应继续调整,直到四周全产生电火花放电为止。调整合适后,紧固各调整螺钉,并用选定的电规准进行加工。

开机加工:根据加工深度及稳定性,调整进给速度,保持适当的加工电流。加工中随时检查加工深度、电极损耗、加工面情况等,发现问题随时调整。

规准转换与中间检查:加工至一定深度后,根据要求的间隙、刃口高度、斜度及电极损耗等情况,转换电规准,并随时检查及调整加工深度。

零件检查:在零件加工完成后,应主要检查放电间隙、刃口长度、斜度及表面粗糙度等指标是否符合图样要求。

5)电火花用于加工型腔要比用于加工通孔困难得多。型腔是不通孔,其加工余量大(电蚀量大),排气、排屑、工作液循环等条件差,工具电极损耗后无法靠加长电极及进给补偿。型腔的加工面积大,加工过程中要求电规准的调节范围也大。型腔形状复杂,使电极损耗不均匀。但利用电火花加工型腔,提高了模具的加工精度,减少了一些不必要的镶块,简化了模具结构,延长了寿命,缩短了模具制造周期,减少了手工操作,降低了劳动强度,降低了模具成本。利用电火花加工出的型腔,其表面粗糙度Ra值可达0.8～3.6μm。

因此,对型腔加工的主要要求是电蚀量大、电极损耗低,保证其加工精度和表面粗糙度要求。

①加工方法包括单电极加工法、单电极平动法、单极—修正—平动法、多电极加工法四种。

单电极加工法:单电极加工法是指用一个电极加工出所需型腔。它可以直接加工形状简单、精度要求不高的型腔。但当型腔要求较高时,通常采用先预加工再电加工的方法完成型腔加工。为了提高电火花加工效率,在电火花加工前先采取机械切削的加工方法对型腔进行预加工,留出电火花加工余量,待型腔淬火后用一个电极进行精加工。留出的余量要均匀、适当。一般情况下,侧面单边余量留0.1～0.5mm,底面余量留0.2～0.7mm。多台阶复杂型腔的电加工余量还应适当减小。

图3-42 单电极平动加工示意图

单电极平动法:单电极平动法在模具型腔加工中的应用非常广泛,它采用一个电极完成型腔的粗加工、半精加工和精加工,如图3-42所示。先采用粗规准加工,然后利用平动头的平面小圆运动,按照粗、半精、精的顺序逐渐改变电规准,并依次加大平动量,修光型腔侧面,完成整个型腔的加工。平动加工的特点是只需要一个电极、一次安装便可完成加工,并且排屑方便。但是,难以获得高精度的型腔,尤其是清棱、清角差。单电极平动法属于常用加工方法,加工100mm深的型腔时,精度可达0.1mm。

单极—修正—平动法:这种方法和单电极平动法基本相同,只是先用一个电极进行粗加工和半精加工,然后卸下修整,再装夹后进行精加工。这种方法主要适用于表面粗糙度要求较高的型腔零件的加工。粗加工和半精加工时,需要的电极精度较低,而精加工时,经修整的电极其精度应与要求的精度相适应。在加工过程中,由于要进行一次修整拆装,因此为了保证精度,需要加装一套重复定位装置。

多电极加工法:这种方法是指用两个或两个以上电极加工同一副型腔的方法,如图3-43所示。所使用的电极尺寸,有相同的,也有不同的。在加工过程中,根据电极的损耗情况,随时进行更换。设计和制造多个电极时,要保证各电极之间的相对精度,按不同规准的放电间隙制造不同尺寸的电极。对于这类电极,如果机械加工的方法较麻烦,可采用电铸、振动加压等方法。由于存在电极更换问题,电极安装时需要有定位基准,以保证电极之间的重复定位精度。

多电极加工法的特点是仿形精度高,加工后型腔尖角、棱角较清晰,表面粗糙度较低。主要用于型腔加工精度要求较高、无平动头等侧面修整装置的情况。

图3-43 多电极加工示意图

1—粗加工电极 2—中加工电极 3—精加工电极 4—模块

②一般加工工艺过程包括分析加工对象、选择加工方法、选择加工设备、选择电规准、选择电极材料、设计电极、制造电极、电加工前的准备、热处理安排、装夹与定位、开机加工、加工结束等。

分析加工对象:根据型腔的形状、尺寸,有无直壁侧面等情况可分成五种型腔。锻模、汽车覆盖件模具等的大型型腔；电视机外壳、较大型家电等的塑料模具的中大型型腔；弧齿锥齿轮模具、电风扇及一般玩具模具等的中小型型腔；加工宽度在2mm以下而深宽比又较大的窄槽型腔；工艺美术饰品模具、商标文字图案等精细浅型腔。

选择加工方法:前面介绍了型腔加工的几种方法,应根据加工对象、精度及粗糙度等要求选择加工方法。

选择加工设备:根据加工对象和加工方法选择加工设备,如设备的大小、定位精度、自动化程度、电源形式和功率、是否配有平动头或侧向加工装置等。

选择电规准:根据加工表面的表面粗糙度及精度要求确定电规准方案、各挡规准加工量、如何控制电极损耗等。

选择电极材料:根据加工对象选择电极材料。大中型型腔多采用石墨材料电极,中小型型腔,如窄槽、花纹等多采用纯铜电极等。

设计电极:按图样要求,并根据加工方法和电规准等设计电极横纵截面尺寸及公差。电极分低损耗加工的电极和有损耗加工的电极。

制造电极:根据电极的材料、电极的制造精度、尺寸大小、加工批量、生产周期等选择电极制造方法,如机械切削加工、压力振动加工、电铸加工、液压放电成形加工、成形烧结加工等。

电加工前的准备:对工件进行电火花加工前的金属切削加工和钻孔、攻螺纹、磨平面、去磁、去锈等。当需要对工件型腔进行预加工时,最好能为电火花加工留有均匀而又不致太小的加工余量,并且损耗特别大的地方要多去掉一些,才能保证电加工后不会留有明显的损耗痕迹。

热处理安排:对于需要淬火处理的型腔,应根据精度要求安排热处理工序。如型腔精度要求不高或淬火变形影响较小,可将热处理安排在电加工之后；如型腔精度要求高、变形小,可将热处理安排在电火花粗加工之后和电火花精加工之前,但工件需要三次定位。也有将热处理安排在电加工之前的,但会使工件的其他加工困难,型腔表面硬度较低。

装夹与定位:根据工件的尺寸和外形选择或制造工件的定位基准,准备电极装夹夹具,对电极进行装夹和校正,调整电极的角度和轴线,然后,对工件进行定位和夹紧。

开机加工:选择加工极性,调整机床,保持适当的液面高度,调节电规准,保持适当的电流,调节进给速度、充油压力等,随时检查工作的稳定情况。

加工结束:进行清理并检查零件是否符合加工要求。

(2)线切割加工 电火花线切割加工与电火花成形加工都是直接利用电能对金属材料进行加工的,同属于蚀除加工,其加工原理相似。线切割加工是利用不断运动的电极丝与工件之间产生的火花放电,将金属蚀除下来,实现轮廓切割的,如图3-44所示。

图3-44 线切割加工原理图

1—工作液箱 2—储丝筒 3—电极丝 4—供液管 5—进电块 6—工件 7—夹具 8—纵横拖板 9—脉冲电源

1)线切割加工与电火花加工相比较,具有四个主要特点。

①线切割加工不需要单独制造电极。电火花加工必须精确地制造出电极,而线切割加工用的电极是金属丝成品(如钨丝、钼丝、黄铜丝,其中钼丝最常用),不需要重新制造。这对模具制造来说,节约了生产成本,缩短了制造周期。

②不需要考虑电极损耗。电火花加工中电极损耗是不可避免的,并且还会因电极损耗影响加工精度。而在线切割加工中,电极丝始终按一定的速度移动,不但和循环流动的工作液一道带走电蚀产物,而且自身的损耗很小,其损耗量在实际工作中可以忽略不计,因此,不会因为电极损耗对工件精度造成影响。

③能加工精密细小、形状复杂的通孔零件或零件外形。线切割用的电极丝极细(一般为ϕ0.04～ϕ0.2mm),很适合加工微细模具、电极、窄缝和锐角以及用于贵重金属的下料等。

④不能加工不通孔。根据加工原理,线切割加工时,电极丝的运行状态是循环走丝,而加工不通孔无法形成电极丝的循环。因此,线切割只能对零件的通孔或外形进行加工。

2)按走丝速度的不同,可将线切割机床分为两种类型。(www.xing528.com)

①快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动,一般走丝速度为8～10m/s,是我国独创的线切割加工模式。快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够双向往返运行,重复使用,直至断丝为止。电极材料常用直径为0.10～0.30mm的钼丝(有时也用钨丝或钨钼丝)。对小圆角或窄缝进行切割时,也可采用直径为0.06mm的钼丝。工作液通常采用乳化液。快速走丝线切割机床结构简单、价格便宜、生产率高,但由于运行速度快,工作时机床振动较大。钼丝和导轮的损耗快,加工精度和表面粗糙度不如慢速走丝线切割机床,其加工精度一般为0.01～0.02mm,表面粗糙度Ra值为1.25～2.5μm。

②慢速走丝线切割机床的走丝速度低于0.2m/s。常用黄铜丝,有时也采用纯铜、钨、钼和各种合金的涂覆线作为电极丝,铜丝直径通常为0.10～0.35mm。电极丝仅从一个方向通过加工间隙,不重复使用,避免了因电极丝的损耗而降低加工精度。同时由于走丝速度慢,机床及电极丝的振动小,因此加工过程平稳,加工精度高,可达0.005mm,表面粗糙度Ra≤0.32μm。慢速走丝线切割机床的工作液一般采用去离子水、煤油等,生产率较高。

3)线切割的加工规准是指一组直接影响工艺指标的电参数,如矩形波脉冲电源的主要参数有:脉冲峰值电流、脉冲宽度、脉冲频率和电源电压。

线切割加工的工艺指标主要包括切割速度、表面粗糙度和加工精度。此外,放电间隙、电极丝损耗和加工表面层的变化也是反映加工效果的重要内容。其中加工精度是指加工后工件的尺寸精度、形状精度和位置精度。

影响工艺指标的因素很多,如机床精度、脉冲电源的性能、工作液的清洁度、电极丝与工件的材料及线切割工艺路线等。其中,脉冲电源的波形及参数(即加工规准)的影响是最直接的也是最大的。它们决定着放电痕(表面粗糙度)、蚀除率、切缝宽度的大小和电极丝的损耗。

选择加工规准是一个实践性很强的工作,很难说在哪一种加工条件下就一定应该选择某一组电参数,因为影响线切割加工工艺指标的因素太多,而且这些因素间既互相关联又互相矛盾。这里介绍的参数选择,只是针对不同的加工条件给出的一个定性方案。

①当要求切割速度高时,对表面粗糙度的要求一般就不高,此时,可以选择高的电源电压、大的峰值电流和大的脉冲宽度。但是,由于切割速度与表面粗糙度间具有相互矛盾的关系,因此,在选择电规准时要掌握一个原则:在满足表面粗糙度要求的前提下再追求高的切削速度。

②单个脉冲能量的大小对加工表面的表面粗糙度影响较大,因此,当要求表面粗糙度值小时,应该选择小的脉冲宽度、小的峰值电流和低的电源电压,同时脉冲频率要适当。

③如前所述,脉冲宽度增大,电极丝损耗就减小。因此,当要求电极丝损耗小时,应该选择大的脉冲宽度。

④切割厚工件时,有两个明显的特点,一是切割量大,二是排屑困难。考虑这两方面的因素,当切割厚度加大时,应该选择高电压、大电流、大的脉冲宽度和大的脉冲间隔。脉冲间隔选得大一些,有利于排除电蚀产物,保证加工的稳定性。

4)线切割加工模具或其他工件的过程,一般可分为分析和审核图样、编程、线切割加工准备、线切割加工和检验五个步骤。

①分析和审核图样。分析零件的尺寸精度要求、位置精度要求及表面粗糙度要求,是选择合适的电加工参数及加工路线的依据。

②编程。无论采用何种形式的编程格式,都要根据加工要求确定间隙补偿量,确定切入程序和切出程序以及加工路线,原则是保证加工质量,减少加工变形。

③线切割加工准备。包括电极丝材料及直径的选择、工作液成分及配比的确定、脉冲参数的选择、坯料的粗加工、基准的加工、穿丝孔位置及孔径大小的确定、穿丝孔的加工、工件在线切割机床上的装夹及找正、电极丝坐标位置的确定等。

④线切割加工。按照程序要求进行线切割加工。

⑤检验。包括模具尺寸精度和配合间隙的检验、几何公差的检验、表面粗糙度的检验、表面力学性质的检验。

5)对零件图进行工艺分析,是编制正确的线切割程序、选择电加工参数的依据。通常分析图样要从以下几方面着手。

①对凹角或尖角处的尺寸进行分析。在线切割加工编程时,由于数控系统实际上是控制工作台相对于电极丝中心的运动轨迹的,因此,在按照加工工件的零件图进行编程时,由于存在电极丝的直径及电极丝与工件之间的放电间隙,因此不可避免地要考虑间隙补偿问题。对于3B格式编程,人工将间隙补偿量代入到每个坐标点进行计算；对于4B格式、G代码编程,按照工件轮廓编程,数控系统按照曲线的形状(D或DD)自动进行间隙补偿(左补偿、右补偿)。

正是由于间隙补偿的存在,在工件的凹角处不能得到清角,而是半径等于R的圆弧。对于形状复杂的精密冲模,在凸、凹模设计图样上应注明拐角处的过渡圆弧半径R。

加工凹角时:R₁≥d/2+δ

加工尖角时:R₂=R₁-Δ

式中 R₁——凹角圆弧半径；

R₂——尖角圆弧半径；

Δ——凸、凹模配合间隙；

d——电极丝直径。

②对表面粗糙度和加工精度进行分析。线切割加工表面是由无数的小坑和凸起组成的,粗细较均匀,特别有利于保存润滑油,而机械加工表面则存在切削或磨削刀痕并具有方向性。在表面粗糙度相同的情况下,其耐磨性比机械加工的表面好。因此,采用线切割加工时,工件表面粗糙度的要求可以较机械加工方法降低半级到一级。此外,如果线切割加工的表面粗糙度等级提高一级,则切割速度将大幅度地下降。所以,图样中要合理地给定表面粗糙度。线切割加工所能达到的最低表面粗糙度值是有限的。若无特殊需要,对表面粗糙度的要求不能太高。同样,加工精度的给定也要合理,目前,绝大多数数控线切割机床的脉冲当量一般为每步0.001mm,由于工作台传动精度的限制,加上走丝系统和其他方面的影响,线切割的加工精度一般为IT6级左右,很高的加工精度要求是难于实现的。这也是根据图样精度要求判断能否用线切割加工实现的依据。

6)数控线切割加工的工艺准备包括电极丝的选择、工作液的选择及压力和流量控制、脉冲参数的选择、坯料的准备、切割路线的确定、工件的装夹、确定电极丝的坐标位置、电极丝的上丝及紧丝、速度参数的选择九个步骤。

①电极丝的选择包括电极丝材料的选择和直径的选择。电极丝的材料主要有纯铜、黄铜和钼等,表3-6给出了这些电极丝材料的特点及应用范围。

表3-6 常用电极丝材料的特点及应用范围

电极丝的直径d应根据工件的切缝宽度、工件厚度及拐角尺寸等来选择。由图3-45可知,电极丝直径d与拐角半径R的关系为d≤2(R-δ)。所以,在拐角小的微细线切割加工中,需要选用线径细的电极,但线径太细,能够加工的工件厚度也将会受到限制。线径与拐角极限半径和工件厚度的关系见表3-7。

表3-7 线径与拐角极限半径和工件厚度的关系

图3-45 电极丝直径与拐角半径的关系

②目前应用较普遍的工作液是乳化液和去离子水。乳化液用于高速走丝线切割,去离子水主要用于低速走丝线切割。工作液通过泵、流量控制阀、压力控制阀、喷嘴供给系统,一定要控制好其流量和压力的大小。工作液的流量或压力大,冷却排屑的条件好,有利于提高切割速度和加工表面的垂直度。但是在精加工时,要减小工作液的流量或压力,以减少电极丝的振动。

③选择线切割加工的脉冲参数主要是指选择脉冲电压、峰值电流和脉冲宽度。脉冲参数的大小对加工工件的表面粗糙度及切割速度都有较大影响。

脉冲电压一般取60～100V,电压升高可提高切割速度,但表面粗糙度值变大,电压太低,又影响切割速度,且使加工不稳定。峰值电流一般取15～30A,它对表面粗糙度及切割速度的影响与脉冲电压相同。

脉冲宽度的大小对表面粗糙度与切割速度影响较大。在其他脉冲参数不变的情况下,增大脉冲宽度会增大脉冲能量和加工电流,切割速度会随之提高,但表面粗糙度值明显变大。在脉冲电压和峰值电流匹配比较合理的情况下,脉冲宽度的大小,决定着表面粗糙度值的大小。

表3-8中所列是以航天502乳化液为介质,对100mm以下厚度的工件进行切割时,脉冲参数的最佳参考值。

表3-8 脉冲参数的最佳参考值

④坯料的准备包括工件的预加工、加工基准的确定、穿丝孔的确定、切割路线的确定、工件的装夹等内容。

工件的预加工:可采用机械加工或直接用线切割进行粗加工(又称为二次切割法)。使用机械加工方法,速度快,成本低,周期短,但只能在工件淬火前进行。通常以线切割加工为主要工艺的工艺路线为下料→锻造→退火→机械粗加工→淬火与高温回火→磨削加工(退磁)→线切割加工→钳工修整。

用机械加工进行预加工只适合于精度要求较低、形状不复杂的工件。采用二次切割法可以准确地逼近工件形状,其精加工余量可留得小且均匀,而且预加工和精加工可在同一机床上一次装夹校正后完成。采用二次或多次切割法可以最大限度地减小工件材料线切割时产生的残余变形,因而这种方法常用于精密零件的线切割加工。二次切割法的主要缺点是加工周期长。

加工基准的确定:为了将工件和电极丝调整到要求的相对位置,形成既定的切割坐标系,工件必须可靠地装夹在机床上,即在机床上可靠地定位,因此工件在线切割加工前必须形成加工基准。

对于以底平面作为主要定位基准的工件(如凹模),当其侧面与底面垂直,并有两相邻侧面互相垂直时,应选这两个侧面作为工艺基准；当工件的侧面不是平面(如圆柱面)时,在工件技术要求允许的条件下,可加工出适当的侧平面作为工艺基准。如果侧面上不允许加工工艺平面,则只能在工件上划线作为工艺基准,但这种情况只适用于加工精度要求不高的工件。

在某些情况下,除选用侧平面作为工艺基准外,还可以同时选用工件上已加工好的内孔(包括位置及尺寸准确的穿丝孔)作为工艺基准,以保证工件的定位要求。无论内孔的设计要求如何,均可作为基准,孔的尺寸及位置精度都应保证工艺要求。

穿丝孔的确定:一般来说,线切割加工时,必须在工件上预先加工出穿丝孔,穿丝孔的位置和大小都会影响加工质量。在加工凸模和凹模时穿丝孔的位置是有所不同的。

加工凸模类零件时通常由外向内顺序切割。但坯件材料的割断,会在很大程度上破坏材料内部应力的平衡状态,使材料变形。因此最好不要使电极丝由坯件的外部切进去,而是将切割的起始点取在坯件预制的穿丝孔中,如图3-46c所示。

切割孔类工件时,穿丝孔的位置选在工件待切割型孔的中心,操作加工较方便。选在靠近待切割型孔的边角处时,切割无用轨迹最短。选在已知坐标尺寸的交点处时,有利于尺寸的推算。因此,要根据实际情况合理选取穿丝孔的位置。

穿丝孔的大小要适宜,一般不宜太小。如果穿丝孔很小,不但增加钻孔的难度,而且不便穿丝。太大也会增加工艺上的困难。一般选用直径为3～10mm的穿丝孔。如果预制孔采用车削等方法加工,在允许的范围内可适当加大直径。

⑤线切割加工工艺中,切割起始点和切割路线的安排合理与否,将影响工件变形的大小,从而影响加工精度。起割点应取在图形的拐角处,或取在容易将凸尖修去的部位。切割路线的安排主要以防止或减少模具变形为原则,一般以最后切割靠近装夹这一边的图形为宜。

图3-46a所示的切割路线是错误的,因为当切割完第一边,继续加工时,由于原来的主要连接部位被割离,余下的材料与夹持部分的连接较少,工件的刚度大为降低,容易产生变形而影响加工精度。如按图3-46b所示的切割路线加工,可减少由于材料割离后残余应力重新分布而引起的变形。所以,一般情况下,最好将工件与其夹持部分分割的线段安排在切割路线的末端。对于精度要求较高的零件,最好采用图3-46c所示的方案,电极丝不是由坯件外部切入的,而是将切割起始点取在坯件上预制的穿丝孔中,这种方案可使工件的变形最小。

图3-46 切割起点与切割路线的安排

⑥线切割加工时,一般在通用夹具上使用压板固定工件,也可以采用专用夹具。装夹工件时,必须保证工件的切割部位位于机床工作台纵横进给的允许范围之内。

悬臂支撑装夹如图3-47所示。这种方式装夹方便,通用性强。但工件一端呈悬梁状,使加工精度受到影响。

两端支撑装夹如图3-48所示。工件两端固定在夹具上,其装夹方便,支撑稳定,平面定位精度高,但不利于较小零件的装夹。

图3-47 悬臂支撑装夹

图3-48 两端支撑装夹

桥式支撑装夹如图3-49所示,桥式支撑是在双端的夹具体下垫上两个支撑垫铁。其特点是通用性强,装夹方便,大、中、小工件的装夹都比较方便。

图3-49 桥式支撑装夹

板式支撑装夹如图3-50所示,板式支撑夹具可以根据经常加工工件的尺寸而定,可呈矩形或圆形孔,并可增加X和Y两个方向的定位基准,装夹精度较高,适用于常规生产和批量生产。

复式支撑装夹如图3-51所示,复式支撑夹具是在桥式支撑夹具上,再装上专用夹具组合而成的,它装夹方便,特别适用于成批零件的加工,既可节省工件找正和调整电极丝相对位置等的辅助工时,又保证了工件加工质量的一致性。

图3-50 板式支撑装夹

图3-51 复式支撑装夹

⑦在数控线切割中,需要确定电极丝相对于工件基准面、基准线或基准孔的坐标位置。

目测法:对于加工要求较低的工件,确定电极丝与工件基准的相互位置时,可直接利用目视或借助于2～8倍放大镜来观察。如图3-52所示,利用穿丝孔划出的十字基准线分别沿划线方向观察电极丝与基准线的相对位置,根据两者的偏离情况移动工作台上的拖板,当电极丝与纵、横方向的基准线重合时,由工作台纵、横方向的读数就可确定电极丝中心的位置。

加工图形具有镜像、旋转等功能,所以分度夹具用得较少。

火花法:如图3-53所示,移动拖板使工件的基准面逐渐靠近电极丝,在出现火花的瞬时,记下拖板的相应坐标值,再根据放电间隙推算电极丝中心的坐标。使用火花法会使工件的基准面受到损伤,而采用电阻法可以克服这一缺点。

图3-52 目测法确定电极丝的位置

图3-53 火花法调整电极丝的位置

1—工件 2—电极丝 3—火花

电阻法:使用万用电表的表笔分别接触工件与电极丝,在工件和电极丝接触的瞬间,其电阻挡的指针摆动,记下此时的拖板坐标,由此推算出电极丝中心的坐标位置。

自动找中心法:移动横向床鞍,使电极丝与孔壁相接触,记下坐标值X₁,反向移动床鞍至另一导通点,记下相应的坐标X₂,将拖板移至X₁与X₂绝对值之和的一半处。同理,移动纵向床鞍,记录下坐标值Y₁、Y₂,将拖板移至Y₁与Y₂绝对值之和的一半处,即可找到电极丝与基准孔中心相重合的坐标,如图3-54所示。

⑧电极丝的上丝及紧丝是线切割操作的一个重要环节,它的好坏会直接影响工件的质量和切割速度。如图3-55所示,当电极丝张力适中时,切割速度最大。在上丝、紧丝的过程中,如果上丝过紧,超过电极丝弹性变形的限度,则由于频繁地往复弯曲、摩擦,加上放电时急热、急冷变换的影响,可能发生疲劳而造成断丝。高速走丝时,因上丝过紧而断丝往往发生在换向的瞬间,严重时即使空走也会断丝。

图3-54 自动找中心法

图3-55 线切割电极丝张力与切割速度的关系

但若上丝过松,由于电极丝具有延伸性,在切割较厚的工件时,由于电极丝的跨距较大,除了它的振动幅度大以外,还会在加工过程中在放电压力的作用而弯曲变形,结果使电极丝的切割轨迹落后并偏离工件轮廓,即出现加工滞后现象,如图3-56所示,产生跟随误差和轮廓误差,最终导致形状与尺寸误差。例如,切割较厚的圆柱体时会出现腰鼓形状,严重时电极丝快速运转,容易跳出导轮槽或限位槽,而被卡断或拉断。所以,电极丝张力的大小,对运行时电极丝的振幅和加工稳定性有很大的影响,故在上电极丝时应采取适当的措施张紧电极丝。如在上丝过程中外加辅助张紧力,通常可逆转电动机,或上丝后再张紧一次(例如采用张紧手持滑轮)。

⑨这里的速度参数包括工作台的纵横向进给速度及电极丝的走丝速度。

工作台进给速度太快,容易产生短路和断丝；工作台进给速度太慢,加工表面的腰鼓形变形量就会加大,但表面粗糙度值较小。正式加工时,一般将试切的进给速度下降10%～20%,以防止短路和断丝。

图3-56 电极丝因上丝过松而弯曲滞后

走丝速度应尽量快一些。对快速走丝来说,这有利于减少电极丝损耗对加工精度的影响。尤其是对于厚工件的加工,由于电极丝的损耗,会使加工面产生锥度。一般走丝速度是根据工件厚度和切割速度来确定的。

3.工艺实施

非圆形塑料模型芯的加工工艺路线见表3-9。

表3-9 非圆形塑料模型芯的加工工艺路线