电火花加工的关键工艺指标及优化方法

1.加工速度

对电火花成形机来说,加工速度是指在单位时间内,工件被蚀除的体积或重量。一般用体积表示。若在时间t(min)内,工件被蚀除的体积为V(mm3),则加工速度vw为

vw＝V/t

对线切割机来说,加工速度是指在单位时间内,工件被切面积,并用mm2/min来表示。在规定的表面粗糙度(如Ra＝2.5μm)、规定的相对电极损耗(如1%)时的最大加工速度,是衡量电加工机床工艺特有的重要指标。一般情况下,生产厂给出的是最大的加工电流,是指在最佳加工状态下所能达到的最大加工速度。因此,在实际加工时,由于被加工速度也往往远远低于机床的最大加工速度指标。

影响加工速度的主要因素介绍如下。

(1)加工电流对加工速度的影响

一般说来,在加工面积一定的条件下,峰值电流越大,加工速度越高,就是说电流密度越大,加工速度就越高,如图6-8所示。但有个极限,超过这个极限,加工稳定性会被破坏,电极和工件会发生拉弧烧伤,加工速度反而降低。

选择电参数时,一般应依据加工面积来确定加工电流,其经验值是2～4 A/cm2。

如果只要求加工速度时,其电流密度可选6～7 A/cm2,不宜过大。

对线切割而言,电流越大,切割速度越高,但必须考虑电极丝的承受能力。对钼丝而言,较适宜的加工电流为2 A以下。

(2)脉冲宽度对加工速度的影响

在电流一定时,脉冲能量与脉冲宽度成正比,脉冲宽度越大,脉冲能量也越大,也就是说,脉冲宽度增加时,加工速度最高。但如果继续增加脉宽,加工速度反而下降。这是因为,当脉冲增加到一定数值时,单个脉冲能量虽然增大,但转换的热能有较大部分散失在电极与工件之中,不能起蚀除作用。同时,由于蚀除产物增多,排屑排气条件恶化,消电离时间不足,引起拉弧,加工稳定性会受到破坏,如图6-9所示。

图6-9　脉宽与加工速度的关系曲线

线切割加工中,电极丝接电源负极,脉宽应选在30μm以内,否则随着脉宽增加,加工速度虽有提高,但电极丝的损耗亦增大,电极丝的使用寿命缩短。

(3)脉冲间歇对加工速度的影响

在脉冲宽度一定的条件下,脉冲间歇小,脉冲频率高,加工速度高。反之,加大脉肿间歇,加工速度会降低,这是由于加大脉冲间歇后,单位时间内工作脉冲的数量减小,脉冲利用率降低。但是,过分不合理地减少脉冲间歇,会使放电间隙来不及消电离,破坏加工的稳定性,也会使加工速度降低。所以,脉间与脉宽的匹配,是保证加工稳定、提高加工速度的重要因素,如图6-10所示。

图6-10　脉宽为120μs时,脉冲间歇与加工速度的关系

在快走丝加工中,排屑条件与工件厚度有很大关系,因而在工件较厚时,脉冲间歇应比切割薄工件时有所增加,以减少二次放电,提高加工速度。

(4)“抬刀”对加工速度的影响

“抬刀”有自适应抬刀和定时抬刀两种。一般电火花成型机床都应具备这些功能,在加工条件不好的情况下,这两种形式的抬刀有利于排屑,以防止电极和工件接弧烧伤,实现稳定加工,提高生产率。在使用定时抬刀时,一般与冲、抽油配合使用。

加工时如不需用定时抬刀,则原则上不用。因为过分地使用定时抬刀(如加大抬刀高度和加快抬刀频率),都会使加工速度降低。

(5)非电参数对加工速度的影响

1)冲、抽油与加工速度。冲、抽油过小,排屑不利,产生二次放电机会多。冲、抽油过大,产生干扰,破坏加工稳定性,都会使加工速度下降。另外,在外冲油时,冲油方式、冲油大小,都对加工速度产生一定的影响。

冲、抽油方式与大小,应根据加工情况来定,一般加工深度深或加工面积大,冲、抽油压力相应增大。对小孔加工,提高加工速度的方法是高压排屑。

2)工作液与加工速度。在电加工过程中,工作液能保证间隙中有适当的绝缘强度,使脉冲放电后能尽快消电离,而且工作液的流动,能带走蚀除物和蚀除产生的热量。因此,油液的种类、黏度、清洁度都对加工速度有影响。一般地,在电火花成形加工中应用最多的工作液是煤油。如在煤油中加入一定量的机油,可使加工速度有所提高。

不同的介质,加工速度不相同,大致顺序为：高压水＞(煤油＋机油)＞煤油＞酒精水溶液。

3)电极材料与加工速度。在电参数选定的情况下,采用不同的电极材料与加工极性,加工速度也是不同的。一般情况,在中脉宽段,正极性加工,石墨电极的加工速度优于铜的。在宽脉冲和窄脉冲段,铜电极加工速度优于石墨的。

4)工件材料与加工速度。在同样加工条件下,不同的工件材料,加工速度也不同。一般说来,工件材料的熔点、沸点越高,比热容、深化潜热和气化潜热越大,加工速度越低,越难于加工。如硬质合金比钢的加工速度要低40%～60%,未淬火钢比淬火钢加工速度下降6%～10%。

5)加工稳定性和加工速度。加工稳定性是影响加工速度的重要因素,要保证加工稳定性,应注意下面几个问题：

①机床刚性要好,主轴导向精度要高。

②主轴伺服系统应灵敏,能自动调节和控制最佳放电间隙。

③电极和工件材料质量要保证,防止夹渣,避免用有砂眼、气孔等缺陷的材料做电极或工件。

④加工较深的型腔,除应加大冲油,为防止拉弧还应增开排气孔,防止放炮。

⑤经过平磨后的工件,工件有剩磁,应进行强力退磁。

⑥加工钢件时,电极材料加工稳定性好坏次序为：(银钨、铜钨)＞纯铜＞黄铜＞石墨＞铸铁。

⑦工具电极和工件应装夹牢固,防止加工中松动位移。

⑧在刚开始加工时,由于加工表面接触不均匀,应先取小的电参数(小的电流、小的脉宽等)。等加工面全部均匀放电,再选取相适应的电参数(加大脉宽、加大电流等)。

⑨如在加工中出现拉弧短路现象,应立即停机,调整电参数后一定要将烧结碳墨清除干净后,再进行加工。

2.工具电极损耗

在电火花成形加工中,工具电极损耗直接影响仿形精度,特别是对型腔的加工,电极损耗这一工艺指标比加工速度更为重要。

电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。

绝对损耗最常用的是体积损耗Ve和长度损耗Veh两种方式,它们分别表示在单位时间内工具电极被蚀除的体积和长度。即

Ve＝V/t

Veh＝H/t

相对损耗是指工具电极绝对损耗与工件加工速度的百分比。采用长度相对损耗比较直观,测量也比较方便。在线切割加工中,电极丝的损耗对工件质量的影响不大,故一般不予讨论。但快走丝机床使用钼作为电极丝,使重复放电,所以丝的损耗影响到电极丝的使用寿命,在实际加工中应予适当考虑。

在电火花成形加工中,工具电极的不同部位,其损耗速度也不相同。一般尖角的损耗比钝角的快,角的损耗比棱的快,棱的损耗比面的快,而端面的损耗比侧面的快,端面的侧缘损耗比端面的中心部位快。如图6-11所示。

下面讨论的损耗,均指相对损耗：

(1)电极极性对损耗的影响

一般纯铜—钢,石墨—钢,粗中加工采用正极性加工,即工件接负极,工具电极接正极,电极损耗较小。

纯铜、石墨电极的精加工或微精加工,采用负极性加工,即工件接正极,电极接负极,电极损耗较小。如图6-12所示。

图6-11　电极损耗示意图

图6-12　加工极性与损耗

(2)脉宽对损耗的影响

基本特点是在峰值电流不变的情况下脉宽越小,电极损耗越大,精加工时电极损耗比粗加工时电极损耗大。所以,在宽脉冲时,容易实现电极的低损耗。

随着脉宽的增加,电极相对损耗低的原因分析如下：

①脉宽加大,单位时间内脉冲放电次数减少,使放电击穿引起电极损耗的影响减少,同时工件(负极)承受正离子轰击的机会增多,正离子加速的时间也长,极性效应比较明显。

②脉宽加大后,电极易于生成“覆盖效应”黑膜,保护电极表面,使电极损耗降低,如图6-13所示。

(3)电流对损耗的影响

对于一定的脉冲宽度,加工时的电流峰值不同,电极损耗也不同,用纯铜电极加工钢时,随着电流峰值的增加,电极损耗也增加。而对于不同的脉宽,要得到某一数值的损耗,亦应选择与之适应的峰值电流,如图6-14所示。

图6-13　脉宽与损耗

图6-14　电流与损耗

在加工面积不变的情况下,电流变化与下列参数选取有关：

脉宽的大小；选取管数的多少；脉间的大小；放电间隙电压的大小。

峰值电流大小与电极损耗关系很大。对于铜—钢的中、精加工,要想得到低损耗,在脉冲宽度一定的情况下,应减少功率管数,降低峰值电流。但对于石墨—钢,当脉宽一定时,随着电流的增加,电极损耗反而减小,应引起注意。这与铜—钢的规律有所不同,在石墨—钢中、精加时窄脉宽小电流并不一定能收到低损耗的效果。

(4)电流密度对损耗的影响

电流的大小,直接影响加工速度和电极损耗,为兼顾二者,电流密度的选择应该有一个定量概念。一般经验认为

上述经验数据,只应用在粗加工。精加工时的数据应比上述小得多。

如果电流密度高于该值,虽然生产率可提高一些,但电极损耗会增大。(www.xing528.com)

(5)冲、抽油对损耗的影响

电火花加工中产生的气体、金属颗粒、炭黑等蚀除物必须及时排除,否则影响加工的稳定性。但强迫冲、抽油压力过大,虽然有利于排气排屑,但由于它的冷却作用,降低了“覆盖效应”,加剧了电极的损耗。所以在铜—钢加工时,冲、抽油压力应小于5×103 Pa,否则电极损耗严重。但在石墨—钢加工时冲、抽油压力的大小对石墨电极损耗影响甚微,这是一个特例。

另外,冲、抽油方式和部位的不同,也影响电极损耗的均匀性。

冲、抽油压力大小,应根据具体情况具体对待,在实际中,一般尽量采用弱冲油。从原则上来说,只要能保证加工稳定性,压力还是弱些好。

(6)脉冲间歇对损耗的影响

在脉宽不变情况下,随着脉间增加,电极损耗也会加大,这是因为加大脉间后,电极表面温度降低,“覆盖效应”减小,使电极表面得不到补偿,在小脉宽电流加工时较为明显,如图6-15所示。

图6-15　脉间与损耗

反之,如果将脉间减小到超过限度,放电加工来不及消电离,会造成拉弧烧伤,破坏加工稳定性,反而影响正常加工。在粗加工大电流情况下,更应引起注意。

(7)电极材料对损耗的影响

由于电极材料的不同,其熔点、沸点、导电、抗电腐蚀、抗热疲劳等指标差别很大,因此不同电极材料的损耗也不同。损耗的大致顺序排列为：银钨合金＜铜钨合金＜石墨(粗规准)＜纯铜＜钢＜铸铁＜黄铜＜铝。

铜加工钢时“覆盖效应”较明显。因为铜加工时虽不产生碳化物,但铜对碳素层的生成起着类似催化的作用,介质全部热解的碳粒子都有可能参与碳素层的形成。

铜加工硬质合金时,则不容易生成覆盖层。一般地说,凡熔点高、导电性好而腐蚀性强、易形成碳化物覆盖的材料损耗低。

(8)工件材料对损耗的影响

不同的工件材质,对电极损耗是不同的,它的一般规律是：高熔点合金的电极损耗大,低熔点材料的电极损耗小。如加工耐热钢、硬质合金等,比加工普通碳钢、合金钢的电极损耗要大得多。

(9)放电间隙对损耗的影响

在精加工时,一般应选取较小的电规准,当放电间隙太小,通道太窄时,蚀除物在爆炸力与工作液作用下,对电极表面不断撞击,加速了电极损耗,因此,如能适当增大放电间隙,改善通道状况,即可降低电极损耗。

(10)电极形状对损耗的影响

在工艺条件完全相同的情况下,不同的电极形状和尺寸,其损耗也很悬殊。在电极的尖角、窄槽、棱边等部位的损耗最严重,这是由于这些部位放电比较集中,在加工一个型腔时如需加工出尖角、窄槽、棱边等部位,一般需要分次加工,先加工主型腔,然后再用小电流对如尖角、窄槽、棱边等部位进行加工。

(11)工作液对损耗的影响

石油产物的油类工作液在放电产生的高压作用下,生成大量的碳粒子,有助于碳素层的生成。用水做工作液,则不会产生碳素层。但是,用水或乳化液工作液时,会产生另一覆盖现象——镀覆现象,即在工具电极的表面形成致密的电镀层,同样可以减少和补偿电极的损耗。

这种镀层的形成的重要条件是,必须在具有一定离子导电的水溶液中进行,工具电极必须接负极,即采用负极性加工。快走丝使用的钼丝在小电流、窄脉宽加工时,即可产生这种镀层,从而延长丝的使用寿命。

3.表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面上的微观几何形状误差。对电加工表面来讲,即加工表面放电痕—坑穴的聚集。由于坑穴表面会形成一个加工硬化层,而且能存润滑油,其耐磨性比同样粗糙度的机加工表面要好,所以加工表面允许比要求的粗糙度大些,而且在相同粗糙度的情况下,电加工表面要比机加工表面亮度低。

国家标准规定：加工表面粗糙度用Ra(轮廓的平均算术偏差)和Rz(不平度平均高度)之一来评定。

工件的电火花加工表面粗糙度直接影响其使用性能,如耐磨性、配合性质、接触刚度、疲劳强度和抗腐蚀性等。尤其对于高速、高洁、高压条件下工作的模具和零件,其表面粗糙度往往是决定其使用性能和使用寿命的关键。

粗糙度与加速度是一对基本矛盾,要获得高的加工速度,则粗糙度差；而要求较佳的粗糙度,则加工速度很低。

影响表面粗糙度的主要因素如下：

(1)脉冲宽度的影响

在电流一定时,脉冲宽度越大,单个脉冲的能量也越大,放电腐蚀的坑穴大而深,表面越粗糙。

(2)电流峰值的影响

当脉宽一定时,峰值电流增加,单个脉冲能量也增加,表面粗糙度增大。

加工电流反映的是平均加工电流,它综合了脉宽和峰值电流两个因素,因此可以说,电流越大,粗糙度越差。

(3)电极表面质量的影响

要求电极本身和粗糙度优于工件所要求的粗糙度1～2档。这是因为电火花加工是不接触仿形加工,电极表面微小缺陷都会复印到工件上。

另外,减小加工余量,减少电极损耗,保持电极表面光滑平整,也是降低粗糙度的一条途径。

(4)工件材料的影响

用同样的电规准和电极材料,加工不同材质的工件,粗糙度差异也很大,一般说来,熔点高的材料,蚀出的凹坑小且浅。如加工耐热钢、硬质合金优于钢,钢优于铝合金。

(5)电极材料的影响

电极材料本身组织结构越好,加工工件就容易获得好的表面粗糙度,例如,纯铜的组织结构比石墨的组织结构好,所以,用纯铜加工出的工件表面粗糙度比用石墨加工的工件的表面粗糙度要好。

(6)加工面积的影响

加工面积越大,选取的电参数越大(脉宽大,加工电流大),加工表面粗糙度差。如采用较小的电参数(脉宽小,加工电流小),则加工速度低,修光加工表面冲能量很小,但积蓄在电极和工件表面上的电荷所形成的电容放电,也会使放电电流波形出现尖峰,从而使加工表面粗糙度变差。

综上所述,影响表面粗糙度的最主要因素是电流和脉宽。

4.放电间隙

放电间隙指加工中脉冲放电两极间距,实际效果反映在加工后工件尺寸的单边扩大量。

对电火花成形加工放电间隙的定量认识是确定加工方案的基础,其中包括工具电极形状、尺寸设计、加工工艺步骤设计、加工规准的切换以及相应工艺措施的设计。

放电间隙分三种,即α、β、γ,如图6-16和图6-17所示。

图6-16　穿孔加工的放电间隙

图6-17　型腔加工的放电间隙

α为穿孔加工时的出口间隙、型腔加工时的底面间隙与底面周边间隙。产生原因是加工中工件与电极间的直接放电,使两极蒸发和熔化部分飞散造成的。

β为电火花加工的入口间隙。产生原因是在产生α间隙的基础上,增加了加工时排屑进行二次放电而产生的。

γ为型腔中间最大侧间隙。产生原因是在产生α间隙的基础上,加上排屑时工作液紊流中的离子反复碰撞冲击而引起重复二次放电而产生的。

在通常情况下,α＜β＜γ。影响放电间隙的因素有：

(1)电参数

①脉冲空载电压越高,放电间隙越大。

②脉宽越大,放电间隙越大。

③峰值电流越大,放电间隙越大。

(2)非电参数

①电火花成形加工的侧壁实际尺寸与正常放电间隙和工具电极侧壁不直度的和。为保证加工尺寸精度,应尽量减小工具电极的侧壁的不直度,即要确保工具电极的制造精度。

②加工中的二次放电,将造成侧壁尺寸的扩大。加工中应采取措施,尽可能减少二次放电的机会,如使用合适的冲、抽油方式等。

③在加工过程中,由于工具电极的应力变形或机床系统刚性差而引起振动,将加大放电间隙,进而影响工件的尺寸精度和仿形精度。

④工件的物理性能不同将产生不同的放电间隙,如加工硬质合金,其放电间隙就比加工一般钢件要小得多。

(3)加工斜度

在电火花型腔加工中,侧壁的斜度是不可避免的。对于一些需要一定斜度的模具,电火花加工过程中自然形成的斜度是有益的；但对加工高精度直壁模具时,加工斜度应予以控制。

①加工过程中由于二次放电造成侧壁加工间隙的不均匀,入口放电间隙总是大于出口放电间隙,形成加工斜度。

②工具电极在加工中的损耗锥度反映到工件加工型面上,形成加工斜度。

③工作介质纯净时,加工斜度小,反之就大。

④采取冲油方式时,加工斜度较大；而采用抽油方式时,加工斜度较小。

⑤机床系统精度高,电极制作精度以及电极装夹校正精度好,加工斜度小,反之就大。

⑥加工稳定性差,工具电极提升频繁,必然引起二次放电机会增多,从而加大了加工斜度。

(4)棱角倒圆

在电火花成形加工中,工具电极的棱角的损耗速度一般比较快,因此加工过程中很难加工出清棱清角,从而影响了电火花形成加工的分形精度。