數控電火花成型加工的質量問題分析及對策研究

吳軍

（華東交通大學機電學院，江西南昌 330013）

數控電火花成型加工的質量問題分析及對策研究

吳軍

（華東交通大學機電學院，江西南昌 330013）

數控電火花成型加工技術不斷發展，但是在實際應用中仍然存在一些問題，在這其中，表面質量以及加工精度是常見的難點問題，本文對這些常見問題進行了深入研究，在大量實驗數據基礎上，從電極設置、放電參數選擇、成型工藝和工作循環方式等方面對影響數控電火花成型加工質量的問題進行詳細研究，并提出了有效的解決措施.

數控電火花；成型加工；加工質量

電火花成型加工技術已經逐漸被普及，并在不斷發展.特別是數控電火花成型加工，已經成為模具型腔加工中的主要技術之一.這門技術能夠針對復雜的高精型腔、型孔、窄縫、超薄工件等進行加工.其中電極設計是保證零件加工質量的核心要素.在加工中分為粗、中、精三種情況，在不同模式下的放電間隙有所不同，這就要求制作不同的電極滿足不同的加工精度.型腔加工是模具加工中經常遇到的，在型腔面積較大時，必須采用分割電極法，逐一對型腔每個部分進行加工.本文對影響電火花成型加工精度和質量的因素進行分析，提出了一些有效的措施.

1 電火花成型加工技術概述

早在20世紀40年代，電火花成型加工技術就已經被開發出來，并且成為數控加工制造領域中極其重要的一部分.在新技術不斷開發涌現的當今時代，電火花成型加工技術也面向高層次、高水準不斷開拓發展.即便很多傳統加工技術都在結合新的加工需求不斷發展，或者與新技術進行融合，并且在某些加工領域具有較高優勢，但是這些技術也無法完全取代電火花成型加工技術在加工難度大材料、復雜型面以及模具制造等方面的優勢.

2 電火花成型加工技術現狀與發展趨勢

2.1 發展現狀.對于電火花成型的基本理論研究方面，放電過程本身是一個復雜的，隨機性較強的過程，時至今日，在研究手段的局限下，仍未曾取得突破性的進展，但是在關于電火花成型和加工工藝以及控制理論的研究方面，很多研究成果已經應用到生產實踐中，例如高效加工技術、高精密加工技術、低損耗加工技術、微細加工技術、非導電材料加工技術、電火花表面處理技術、智能控制技術等.電火花同樣能夠應用在工藝設備生產方面，新型電火花成型加工機床技術有著更高的加工功能，獲得了更高的加工精度和自動化程度，其可靠性也得到了全面提升.

2.2 發展趨勢.從電火花成型加工的研究對象考慮，其中精密加工、精細加工、深腔加工和窄槽加工將成為核心發展方向.與此同時，應注重與其他相關技術的融合和借鑒，取得彼此增值的成效，如與傳統切削加工技術的復合作用方面.在電火花成型加工技術自身成果優勢的基礎上，還應不斷更新加工工藝，讓該項技術能夠更好的為數控加工產業服務.

3 表面加工質量問題分析及采取的措施

經過對電火花成型加工技術在數控加工中的應用實踐分析，我們發現其中存在的常見加工質量問題主要有以下幾個方面：1.加工的表面不光滑甚至很粗糙；2加工的孔壁有瑕疵，如裂紋、燒傷等；3.加工存在偏差和劣質殘留，最常見的是分割電機加工型腔內流線的電極拼縫痕跡.通過對問題產生根源的合理分析，做好有效的預防準備工作，通過科學可行的控制措施，數控電火花加工質量是能夠得到保證的.

3.1 加工表面粗糙問題解決方案

通過對電火花成型加工過程中的加工表面粗糙問題進行總結分析，發現產生這個問題的原因可以分為幾個方面：其一，受到電極表面粗糙的影響，造成微觀放電間隙不夠勻稱；其二，在廢屑無法暢通排除的情況下，導致積碳；其三，沒有選擇合適的放電參數.加工間隙的大小對加工質量有著直接的影響，精加工過程需要使用小間隙，如果在加大加工間隙下進行精加工，同樣能夠改善表面的粗糙度，但是會出現型腔清晰度和平面度惡化的結果.若要在綜合考量下保證加工的穩定性，選擇在小間隙下進行加工，并不需要很高的加速度和速度，需要較小的伺服系統，平穩的低速以及嚴格的間隙檢測.在小間隙限制下，加工往往會出現短路、空載、間隙污染等問題.這些問題可以通過對放電參數的及時調整來解決，例如降低脈沖電流以及脈沖頻率，如果通過對放電參數的調節仍然不能解決問題，就需要重新拋光電極，提高電極表面的粗糙度，獲得最佳的工作液沖刷狀態.在CNC640火花機上，采用紫銅電極(+)，間隙電壓是50V，高壓是200V，加工材料是S45C鋼（-），加工直徑是16mm，加工深度是10mm，工作液選用EDM110火花機油時的實驗數據如表1所示.

表1 CNC640火花機實驗數據表

3.2 消除復雜零件型腔內的拼接痕

應用數控電火花加工復雜零件型腔時，出于降低加工工藝難度，控制加工成本的目的，可改變復雜形狀電極為簡單、易于加工的電極，最后重新進行拼接，實現放電加工，還可以進行單個電極的放電加工，拼合與分割電極.

但是電極拼合或者電極逐個放電加工之后，型腔表面往往會留下拼接加工痕跡.產生拼接痕跡是非常容易出現的問題，歸根結底，是由于電極損耗造成的.加工放電過程中，在電極端部前沿尖角位置，電流密度過大，放電集中度較高，導致尖端燒損.如果電極損耗非常嚴重，可能會造成電極拼縫位置形狀的改變，從而導致放電間隙增加，對應位置的金屬得不到加工，于是拼縫位置加工表面會殘生不規則的凸起瘢痕，為了避免這種情況，設計以及加工電極時，要將電極重合部分重合1-2mm進行拼接.

圖1 拼合與分割電極

圖2 拼接加工痕跡

圖3 電極拼縫棱角損耗

圖4 重合拼接電極

3.3 型腔內壁燒傷和裂紋

數控電火花加工是在加工面上通過放電產生瞬間高溫，融化、蒸發、氣化、溶蝕金屬，并使用工作液沖刷，是金屬從融化狀態到極冷凝固的循環，在這個循環過程中，無論是直流電壓調節過高，還是有雜質混入放電間隙，或者廢屑不能及時消除導致的二次放電，都會引起工件溫度過高，從而導致工件燒傷.除此之外，工件溫度過高會導致工件晶粒粗大，降低工件韌性，同時還會產生較高的熱應力，增加了加工表面的裂紋傾向.為了防止工件過熱燒傷以及產生裂紋，可對問題成因綜合考慮，進行適當調整：1.可適當降低直流電壓，改善工作液沖刷，及時清理放電間隙中的雜質和廢屑；2.更換工作液；3.如果電極較大，可改變電極制作工藝孔，改善沖刷條件，保證廢渣能夠及時得到清理.

4 加工精度問題分析及采取的措施

想要實現對數控電火花成型加工精度的有效提高，需要從機床、電極、夾具、放電參數和環境等方面入手，這些方面可能出現如下影響加工精度的問題：加工另加型腔尺寸偏差較大、清角半徑增加、平面度偏差較大、型腔孔壁產生臺階等，控制加工精度需要對影響加工精度的各種因素進行全面控制.

4.1 型腔的尺寸偏差

型腔尺寸與電極之間息息相關，電極的精度直接影響著型腔的尺寸精度，其中電極的精度分為本身的尺寸精度和針對型腔而言的位置精度，并且在設計加工時需要對這兩種精度要求同時考慮.因此，設計加工電極時，還要考慮電極放電時的位置尺寸，以及確定電極在X、Y、Z三個軸向的校正基準.如圖5所示.

圖5 校正電極位置

4.2 型腔清角圓角半徑太大

清角圓角半徑過大也是在型腔加工中極為常見的現象.究其產生的原因大致分為以下幾個方面：1.電極棱角嚴重損耗；2.放電參數設置不合理；3.精加工時間不夠.對應措施如下：1.進一步縮小清角處放電間隙；2.分多次放電加工.進行第二次加工處理時，可適當增加電極外形尺寸，降低電流，控制電極棱角損耗，維持電極交角狀或者直角狀.同時放電參數需要按照加工要求合理確定，通過降低電流電壓規格，清角時使用工作液直沖循環等措施，提高清角位置形狀滿足精度要求.

4.3 形狀誤差

造成數控電火花加工中出現形狀誤差的主要原因是：沒有準確定位工件和電極裝卡環節，或者在加工時受到技術水平和環境因素影響產生移動、偏離.下面給出相對簡單有效的解決辦法：1.確保準確的裝卡定位；2.在不影響電極精度的條件下，在電極相對并不重要的位置鉆孔，或安置吸流排渣功能，提高流動性能和廢渣清除性能.小間隙加工過程中會存在一定的真空，所以要注意防止真空產生的沖擊作用對電極和工件造成影響，防止電極在工件加工中產生移動和偏斜，防止出現極小錐體，控制加工表面可能出現的形狀精度誤差.

4.4 型腔孔壁出現臺階狀

在對型腔孔進行數控電火花加工的過程中，可能會發生型腔孔壁出現臺階狀的意外狀況.依據實踐經驗總結得知，主要原因為：1.電極表面不符合平直的要求；2.機床主軸在垂直進擊過程中不夠平穩；3.電極發生二次改變位置；4.電機的上下部位磨損程度不相符.

針對上述原因可以運用如下解決辦法：1.結合實際情況，在對電火花機床設備進行選擇時，注意機床剛度和主軸強度要符合自身生產標準；2.加強電極精度；3.利用不同的加工強度多次反復的進行放電加工，以防止型腔孔壁出現臺階狀問題.

結束語：

綜上所述，雖然數控電火花加工技術經歷了較長時期的研究與應用，并且工藝已經比較成熟，在相關行業占據極其重要的地位.但是，基于電火花加工技術的特殊性，加工過程中的質量控制依舊存在一些難以避免的問題.文中對數控電火花成型技術進行了充分的理論分析并指出了經常發生的問題，然后從多個要點相應切入進行剖析解決，希望能夠為處理放電加工技術的相關問題供參考.

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TG661

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1673-260X（2015）04-0042-03