电极的设计与制造技巧

电火花成型加工的模具尺寸精度主要靠工具电极来保证，电极的设计与制造分穿孔加工电极和型腔加工电极，如图8-9所示。

1.穿孔加工电极设计

电火花穿孔加工用于冲模的凹模加工，是很典型的电火花成型加工方法。凹模采用电火花穿孔加工具有以下优点：尤其对于型孔形状复杂的凹模，可不用镶拼结构，而采用整体结构，简化了模具结构，热处理变形少，这样既可节约模具设计和制造工时，又能提高凹模强度；容易获得均匀的配合间隙和所需的落料斜度，刃口平直耐磨，可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。缺点：电极的损耗影响加工精度，难以达到小的表面粗糙度，要获得小的棱边和尖角也比较困难。

由如图8-4所示得出以下关系式。

L₂=L₁+2δ

式中 L₂——凹模孔口的尺寸（mm）；

L₁——工具电极相应的尺寸（mm）；

δ——单面电火花放电间隙值（mm），主要取决于机床精度和电参数。

当选择电规准恰当、加工稳定时，δ的误差就很小。这样就可以加

工出比较精确的凹模尺寸。

图8-9 电火花成型加工

a）型腔加工 b）穿孔加工 1—电极 2—工件

（1）穿孔加工的工艺方法

常用的穿孔加工的工艺方法有：直接加工法、间接加工法、混合加工法。

1）直接加工法。如图8-10所示，用适当加长的钢凸模直接作电极对凹模进行加工，加工后将凸模上作为电极的损耗部分切除，凸、凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙直接保证。优点：不需另外加工电极，可以获得均匀的配合间隙，模具质量高，钳工工作量少。缺点：电加工性能差，电极加工速度低，在直流分量的作用下易磁化，使电蚀产物被吸附在电极放电间隙的磁场中，导致形成不稳定的二次放电。适用于加工形状复杂的凹模或多型腔凹模。

2）间接加工法。如图8-11所示，把凸模和工具电极分别用机械加工方法制出，凸模留一定的修配余量，在电极“打”出凹模后，以凹模为基准件修配凸模，以保证凸、凹模的间隙。优点：可以自由选择电极材料。缺点：放电间隙范围受限制，间隙均匀性差。适于间隙值z<0.01mm或z>0.1mm的加工。

图8-10 直接加工法

图8-11 间接加工法

图8-12 混合加工法

1—电极 2—凸模 3—粘接面

3）混合加工法。如图8-12所示，把不同材料的电极和凸模通过锡焊或黏接起来，然后一起加工成型，最后将电极与凸模分开的方法。优点：可自由选择电极材料，间隙均匀，能达到直接配合法的工艺效果，提高了生产率。缺点：电极粘接困难。适用于凸模不易直接作电极的情况。

（2）电极材料和结构形式

电火花成型加工中，电极材料要求具有良好的导电性和机械加工性，电极耗损要小，加工稳定性要好，加工速度要高，以及价格要适宜，来源要广等特点。常用电极材料的种类和性能见表8-3。

表8-3 常用电极材料的种类和性能

电极的结构形式应根据型孔的大小与复杂程度、电极的结构工艺性等因素综合考虑确定。常用的电极结构形式有：整体式电极、组合式电极、镶拼式电极3种。

1）整体式电极。如图8-13a所示，整体式电极是最常用的结构形式，用一块整块材料加工而成。对于体积小、易变形的电极，可在有效长度上部放大截面尺寸以提高刚度；对于体积大的电极，可在其上开一些孔以减轻重量，但孔不能开通，孔口应朝上。电极与主轴连接后，其重心应位于主轴中心线上，以减小机床的变形，否则会产生附加偏心力矩，使电极轴线偏斜，影响模具的加工精度。适合于结构简单的电极。

2）组合式电极。如图8-13b所示，组合式电极是把多个电极组合在一起用于多型孔的凹模，一次穿孔可完成各型孔的加工。采用组合式电极加工，生产率高，各型孔的位置精度也较为准确，各型孔间的位置精度取决于各电极的位置精度。但对电极的定位有较高要求。

3）镶拼式电极。如图8-13c所示，镶拼式电极一般在整体加工有困难时采用，电极不论采用何种结构都应有足够的刚度，以利于提高加工过程的稳定性。

图8-13 电极的结构形式

a）整体式电极 b）组合式电极 c）镶拼式电极

（3）电极设计

设计电极前应首先了解电火花加工机床的特性（包括主轴头的承载能力、工作台的尺寸及负荷）与电规准的加工工艺指标（包括加工速度、电极损耗、加工间隙）。然后再根据工件型孔要求，确定电极材料、结构形式、尺寸及技术要求等。

电极设计的技术要求如下。

1）尺寸精度应不低于IT7级，公差一般小于型孔公差的1/2，并按人体原则标注。

2）各表面平行度在100mm长度上小于0.01mm。

3）表面粗糙度R_a＜1.25μm，一般取等于型孔表面粗糙度值。

电极尺寸主要包括截面和长度尺寸。

截面尺寸为垂直于电极进给方向的电极横截面尺寸，比所加工的型孔均匀地小一个放电间隙。凸、凹模的尺寸公差往往只标注一个，另一个与之配作，以保证配合间隙。因此，电极截面尺寸的设计可分以下两种情况。

图8-14 按凹模尺寸和公差设计电极截面尺寸

1—型孔轮廓 2—电极横截面

1）按凹模尺寸和公差设计电极截面尺寸。如图8-14所示，因为穿孔加工所获得的凹模型孔和电极截面轮廓相差一个放电间隙，此时的放电间隙通常是指末档精规准加工凹模下口的单面放电间隙δ。为了保证刃口表面粗糙度（一般R_a=0.8μm），最后须用精规准修正出，此时的单面放电间隙为0.01～0.03mm。根据凹模尺寸和放电间隙便可算出电极截面上相应的尺寸。

对应的关系式为a=A-2δ

b=B+2δ

c=C

r₁=R₁+δ

r₂=R₂-δ

式中 A、B、C、R₁、R₂——型孔基本尺寸（mm）；

a、b、c、r₁、r2——电极横截面基本尺寸（mm）。

2）按凸模尺寸和公差确定电极截面尺寸。根据凸、凹模配合间隙的不同有3种情况：一是凸、凹模的双面配合间隙等于双面放电间隙（z=δ）时，电极与凸模截面尺寸完全相同；二是z＞2δ时，电极截面轮廓为凸模截面轮廓每边外偏1/2（z-2δ）；三是z＜2δ时，电极截面轮廓为凸模截面轮廓每边内偏1/2（z-2δ）。

电极长度取决于凹模结构形式、加工深度、型孔复杂程度、电极材料、电极使用次数、装夹形式及制造工艺等一系列因素。如图8-15所示是电极长度计算的示意图，其计算公式为

L=KH+H₁+H₂+（0.4～0.8）（n-1）KH

式中 L——电极长度；

H——凹模有效深度（需要电火花加工的深度）；

H₁——凹模板底部挖空时电极需加长的部分；(www.xing528.com)

H₂——夹持部分长度，一般取10～20mm；

n——电极使用的次数；

K——与电极材料、加工方式、型孔复杂程度等有关的系数。K值选用的经

验数据为：纯铜2～2.5；黄铜3～3.5；石墨1.7～2；铸铁2.5～3；

钢3～3.5。电极材料损耗小、型孔简单、轮廓无尖角时，K取小

值，反之取大值。

加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极还应适当加长，但其总长度一般不超过120mm。电极太长，会带来成形加工及投影检验的困难，难以达到所要求的精度。

如图8-16所示为经过改进的在生产中广泛应用的阶梯电极。它是将原有的电极适当增长，增长部分的截面适当缩小，呈阶梯形。L₁为原长度，L₂为增加长度，L₂取决于凹模的加工厚（深）度和电极长度损耗，一般取L₂=（15～2）H。阶梯部分单边内缩量一般取a=0.08～0.15mm。这种阶梯电极利用增长部分进行粗加工，精加工余量留很小，主要是能够充分发挥粗加工生产率高、加工稳定性好、电极损耗小的特点。此外，还有减少电规准转换次数、简化操作、容易保证模具质量等优点。

图8-15 电极长度的计算

图8-16 阶梯电极

2.型腔加工电极设计

模具型腔用电火花成型加工与机械加工相比，具有加工质量好、粗糙度小、生产周期短等特点。已成为模具型腔半精加工、精加工的一种重要手段。与穿孔加工相比较，型腔有以下特点：属于盲孔加工；型腔复杂，加工面积大，金属蚀除量大；工作液循环困难，电蚀产物排除条件差；电极损耗不能用增加电极长度和进给来补偿；加工过程中要求电规准的调节范围也较大；电极损耗不均匀，影响加工精度。

（1）型腔加工的方法

常用的型腔加工方法有单电极加工法、单电极平动法、多电极加工法、分解电极法等。

1）单电极加工法。为了提高电火花加工效率，型腔在电火花成型加工之前采用切削加工方法进行预加工，在能保证加工成形的条件下留适当的电火花加工余量，一般型腔侧面余量单边留0.1～0.5mm，底面余量0.2～0.7mm。如果是多台阶复杂型腔则余量应适当减小。电加工余量应均匀，否则将使电极损耗不均匀，影响成型精度。在型腔淬火后用一个电极进行精加工。用于加工形状简单、精度要求不高的型腔。

2）单电极平动法。是采用机床的平动头，用一个电极完成型腔的粗、中、精加工。加工时先采用低损耗、高生产效率的电规准对型腔进行粗加工，然后起动平动头作平面圆周运动。按照粗、中、精的顺序逐级转换电规准，并相应加大电极的平动量，直至将型腔加工完毕。

3）多电极加工法。是用多个电极，依次更换加工同一个型腔。每个电极都要对型腔的整个被加工表面进行加工，但电规准各不相同。设计电极时必须根据各电极所用电规准的放电间隙来确定电极尺寸。每更换一个电极进行加工，都必须把被加工表面上由前一个电极加工所产生电蚀痕迹完全去除。尤其适用于加工尖角、窄缝多的型腔。其缺点是需要制造多个电极，并且对电极的制造精度要求很高，更换电极需要保证高的定位精度，一般只用于精密型腔的加工。

4）分解电极法。是单电极平动法和多电极加工法的综合应用。它是根据型腔的几何形状把电极分成主副电极分别制造。先用主电极加工型腔的主体，后用副电极加工型腔的尖角、窄缝等。有利于提高电加工速度，保证加工质量，但主、副电极的安装精度要求高。

（2）电极材料和结构形式

石墨重量轻，密度小，加工容易，但力学强度较差，不同质量石墨材料的电火花加工性能也有很大差异，在采用宽脉冲大电流加工时容易起弧烧伤。一般选用颗粒小而均匀、气孔率低、抗弯强度高和电阻率低的石墨材料。纯铜组织致密、韧性强，用来加工形状复杂、轮廓清晰、精度高和表面粗糙度小的型腔，如塑料成型模、压铸模等，但纯铜的切削加工性能差，价格较高，不适宜大中型电极。铜钨合金和银钨合金是较理想的型腔加工电极材料，但价格昂贵，只在特殊情况下采用。铸铁、黄铜、钢等，因其损耗大，加工速度低，均不适宜型腔的加工。

型腔电火花加工所用电极的结构形式，同型孔电极一样，可分为整体式、组合式和镶拼式。

（3）电极设计

型腔电极尺寸与所加工型腔的大小与加工方式、放电间隙、电极损耗及是否平动等因素有关。当采用单电极平动加工方法时，其电极尺寸的计算方法如下。

1）电极的水平尺寸。是指与机床主轴轴线相垂直的断面尺寸，如图8-17所示。考虑到平动头的偏心量可以调整，其计算公式如下。

a=A±kb

b=e+δ_j-γ_j

图8-17 型腔电极水平尺寸缩放图

1—型腔电极 2—型腔

式中 a——电极水平方向尺寸；

A——型腔的基本尺寸；

k——与型腔尺寸标注有关的系数；

b——电极单边缩放量；

e——平动量，一般取0.5～0.6mm；

δ_j——精加工最后一档规准的单边放电间隙。通常指粗糙度R_a＜0.8μm时的值，一般为0.02～0.03mm；

γ_j——平动精加工时电极侧面单边损耗，一般不超过0.1mm，通常忽略不计。

式中“±”号的选取原则：电极凹入部分的尺寸应放大，取“+”号；电极凸出部分的尺寸（对应型腔凹入部分）应缩入，取“-”号。

式中k的确定原则：当型腔尺寸以两加工表面为尺寸界线标注时，若蚀除方向相反，取k=2，如图8-17中A₁；若蚀除方向相同，取k=0，如图8-17中C。当型腔尺寸以中心线或非加工面为基准标注时，k=1，如图8-17中R₁、R₂；凡与型腔中心线之间的位置尺寸以及角度尺寸相对应的电极尺寸不缩不放时，取k=0。

2）电极的垂直尺寸是指电极与机床主轴轴线相平行的尺寸，如图8-18所示。型腔电极在垂直方向的有效工作尺寸H₁用下式确定。

H₁=H₃+C₁H₃+C₂S-δ_j式中H₃——型腔的垂直尺寸；

C₁——粗规准加工时电极端面的相对损耗率，其值一般小于1%，C₁H₃只适用于未进行预加工的型腔；

C₂——中、精规准加工时电极端面的相对损耗率，其值一般为20%～25%；

S——中、精规准加工时端面总的进给量，一般为0.4～0.5mm；

δ_j——最后一档精规准加工时端面的放电间隙，可忽略不计。

用上式计算型腔的电极垂直尺寸后，还应考虑电极重复使用造成的垂直尺寸损耗，以及加工结束时电极固定板与模具之间应有一定的距离。所以，型腔电极的垂直尺寸还应增加一个高度H₂。

型腔电极在垂直方向的总高度为

H=H₁+H₂

3）排气孔和冲油孔。由于型腔加工中一般都是盲孔加工，排气、排屑条件差，影响加工状态的稳定和表面粗糙度。因此，可在电极上设置适当的排气孔和冲油孔来改善加工条件。一般排气孔设置在蚀除面积较大的位置和电极端部有凹入的位置，如图8-19所示。冲油孔要设置在难于排屑的位置，如拐角、窄缝等处，如图8-20所示。排气孔和冲油孔的直径为平动头偏心量的1/2（一般为1～2mm），过大会造成电蚀表面形成柱状凸台而不易清除。为了便于排气和排屑，可将排气孔和冲油孔上端孔径加大到5～8mm。各孔间的距离一般为20～40mm左右，对面积较大的多排孔要相互错开。根据具体情况，对排气孔和冲油孔的设置也可采用部分排气、部分冲油的方法。如果型腔有通孔或型腔下面有工艺孔，也可改为从下面抽油。对排气孔、冲油孔的设置以不产生气体和电蚀物的积存为原则。

图8-18 型腔电极的垂直尺寸

1—电极固定板 2—型腔电极 3—工件

图8-19 电极排气孔的设置

图8-20 电极冲油孔的设置

3.电极制造

电极制造应根据电极类型、尺寸大小、电极材料和电极结构的复杂程度等进行考虑。穿孔加工用电极的垂直尺寸一般无严格要求，而水平尺寸要求较高，可用切削加工方法粗加工和精加工。对于纯铜、黄铜一类材料制作的电极，其最后加工可用刨削或由钳工精修来完成。也可采用电火花线切割加工来制作电极。