集束電極電火花加工模具型腔的技術研究*

孫趙寧　李小海　高瑞林　邢　蕾

(佳木斯大學機械工程學院,黑龍江 佳木斯 154007)

?

集束電極電火花加工模具型腔的技術研究*

孫趙寧李小海高瑞林邢蕾

(佳木斯大學機械工程學院,黑龍江 佳木斯 154007)

在電火花型腔成型加工中，采用分步法，先采用集束電極快速仿形成型進行粗加工，再采用成型電極進行電火花成型精加工，避免了電火花型腔粗加工中復雜結構成型電極的制作，提高加工效率。基于花瓣式錐形電極夾頭，研發了新型快速夾持集束電極裝置，進行集束電極電火花成型加工工藝試驗，摸索了不同電火花加工參數對電火花加工性能的影響，并實現了復雜型腔的加工。

電火花加工；成型電極；集束電極；電極夾具；電規準

電火花加工被廣泛應用于難加工材料以及復雜型腔的制作[1-4]。雖然電火花加工存在著很多優勢，但復雜型腔成型電極的制作一直以來都是人們想要努力攻破的難題。傳統實體電極制作工藝復雜，用于加工時，某個電極棱角處放電不均勻可能導致整個實體電極的報廢。

本文基于上海交通大學趙萬生[5-6]提出的集束電極的加工理念，首先在不同加工參數下，使用集束電極進行工藝試驗研究，得出一組適用于集束電極加工的最優參數，然后調用該組參數通過集束電極進行型腔的粗加工，再用相應的實體電極進行精加工從而完成復雜型腔的加工。

1　集束電極的加工機理分析

集束電極主要運用化整為零的離散思想，它是一種制作三維自由型面電極的新方法。這種方法將一定數量的細的棒狀或管狀電極單元捆成一束，再通過調整每根電極單元的長度使其擬合成近似實體電極的型面[6]。集束電極的最大優點是免去了實體電極設計、制作的麻煩，同時單元電極便于制作又可以被重復使用，提高了材料的利用率，降低了電火花型腔加工的成本，符合綠色加工的理念。集束電極主要用于三維型腔加工時的初始粗加工，工作液從管狀電極中心孔流出，改善型腔加工工作液流場，有利于電蝕產物的排出。其制備原理圖如圖1 所示。單元電極的尺寸和內外徑比大小的選擇要適中，單元電極尺寸選擇過大，則不能很好地擬合出復雜的三維型腔面，同時也會延長二次精加工的時間。電極尺寸選擇過小，則不易于裝夾。單元電極的內徑如果選擇過大，則容易在工件表面留下毛刺料芯，阻礙工作液的流通與電蝕產物的排除，從而造成短路，影響加工效率和加工精度。另外，單元電極的內外徑尺寸能夠直接影響加工間隙內的工作液流場，使工具電極的相對損耗有所不同。本實驗中選用的單元電極尺寸為外徑1.2 mm內徑0.5 mm。

2　集束電極的夾持裝置的設計與使用

2.1集束電極的夾持裝置設計

針對集束電極的加工原理提出了集束電極的夾持裝置。該裝置同時兼顧實現了加工過程中可靠的強迫內沖液。圖2所示為集束電極夾持裝置。該裝置由電極套筒、電極夾頭、收緊螺母和工作液流道組成。電極夾具的接口與機床的夾具接口相連，電極夾具的沖油口與機床配置的沖油管相連，在加工過程中，通過控制機床沖油管的閥門來控制沖液流量的大小。

電極套筒是連接電極夾頭及收緊螺母的零件。電極套筒與沖油管管道相連形成沖液加工用的型腔，上端的夾具接口與電極套筒形成螺紋連接，整體形成密封腔。電極夾頭是用于完成對單元電極組合體可靠集束的零件。夾頭的夾緊端外側面具有錐面幾何特征，沿其兩端周向開有均勻分布的軸向收緊槽，呈花瓣式結構。其內側面輪廓為所選單元電極的組合體的穩定集束幾何輪廓。在受到電極套筒及收緊螺母提供的收緊力時，可以實現徑向均勻收縮，從而完成對內側單元電極組合體的可靠夾緊。

收緊螺母為電極夾頭提供可靠的收緊力，螺母內螺紋與電極套筒外螺紋連接，通過旋進收緊螺母，收縮電極夾頭，實現對集束電極的快速可靠夾緊。

2.2集束電極夾持裝置的使用

圖3所示為集束電極橫截面、夾持裝置與機床主軸的連接以及工作液供液系統連接的實施例，根據機床供液方式設計電極夾具接口為側面進液。

3　集束電極電火花加工試驗

3.1電火花加工試驗裝置

本課題的所有試驗都是在北京凝華科技有限公司研發的NH250三軸聯動電火花成型機床進行。集束電極底部端面外輪廓為正六邊形。工具和工件材料分別為紫銅和45#鋼。工作液為電火花加工專用煤油。

3.2電火花加工工藝試驗

本實驗研究的電火花加工電參數主要是指：脈沖放電時間(ON)、放電休止時間(OFF)、峰值電流(IP)、加工極性(PL)。在實驗加工中，通過對比研究，選用了3組電規準進行了一定時間的加工放電(表1)。

表1加工參數表

參數電規準ONOFFIPPLC39001801823.0+C3500110115.0+C3200080082.0+

在表1中ON、OFF的單位為μs，PL+表示工具電極為正極，工件為負極(即負極性加工)。在電火花加工過程中，ON、OFF、IP三者對加工速度、工具電極的相對損耗以及表面粗糙粗均有影響。

采用C390組的電規準進行加工時，加工的峰值電流IP較大，大約為69 A，ON、OFF的值也比較大，因此單個脈沖的放電能量高，一次放電過程中蝕除的電蝕產物比較多，在加工過程中工作液迅速變黑，放電時產生大量的氣泡并伴隨著濃烈的黑煙。為了保證放電的順利進行，采用了較大的沖液流量，工具電極的損耗也同時增大。在使用該組電規準進行加工時，由于蝕除速度過快，電蝕產物進入油箱后來不及被充分過濾，工作液中電蝕產物濃度過高，工作液的絕緣性不好，容易產生短路現象，同時長時間的使用過大電參數進行加工對機床內部的電源也有一定的損害，因此不建議使用。

當采用C350組電規準進行加工時，放電過程中能觀察到較微弱的火花放電，加工過程中，工作液比較清澈 ，加工性能比較穩定，很少出現短路現象，加工后的工件表面粗糙度值較小。加工后的表面如圖4所示。

當采用C320組電規準進行加工時，電火花微弱，幾乎不可見，加工過程中無明顯現象。原因是加工電流為6 A，ON、OFF的數值也非常小，加工效率非常低，速度大概在0.2 mm/h，加工后的表面精度與C350相差不大。通過選用上述多組規準進行工藝試驗，得到了集束電極電火花加工時的加工速度(υw)和電極消耗比(θ)隨峰值電流(IP)變化關系如表2。已知電極相對消耗比計算公式如下：

θ=(υE/υW)×100%

(1)

式中：υE為工具損耗速度；υW為加工速度。

表2在不同電規準下對加工速度(υw)和電極消耗比θ影響

電規準參數C390(IP=69A)C350(IP=33A)C320(IP=6A)加工速度υW/(g/min)1.80.140.02電極消耗比θ/(%)322

由表2可知，在IP增大的情況下，加工速度也隨之增大，且增加顯著，電極消耗重量比也隨之增大，但相應的表面粗糙度值也會隨之增大。綜合上述實驗參數，選定C350為集束電極型腔粗加工的使用參數。

3.3電火花型腔的加工

復雜型腔電火花加工分兩步進行：首先用集束電極模擬出近似于實體電極形狀的曲面如圖5所示，再使用C350組電規準進行大部分材料去除的粗加工；第二步用表面經過打磨處理后的實體成型電極如圖6所示對型腔進行精加工，實體電極配合電火花機床搖動功能，去除集束電極產生的管形加工痕跡，圖7為實體成型電極加工后的型腔。

4　結語

集束電極是將實體電極的離散化，它免去了制作實體成型電極用于粗中加工的步驟，降低了加工成本，提高了加工效率。通過工藝試驗得出了用紫銅集束電極加工45#鋼的最優參數，并用該組參數成功地進行了型腔粗加工，之后又通過實體電極進行了精加工，得到了粗糙度值小的型腔表面。

[1]劉晉春，趙家齊，趙萬生. 特種加工[M]．北京：機械工業出版社，2004:7-22.

[2]Schumacher B M. About the role of debris in the gap during electrical discharge machining[J].Annals of the CIRP, 1990, 39(1):197-199.

[3]Cogun C, Akaslan S. The effect of machining parameters on tool electrode wear and machining performance in electric discharge machining[J]. KSME Int J, 2002, 16(1):46-59.

[4]Lee S H, Li X P. Study of the effect of machining parameters on the machining characteristics in electrical discharge machining of tungsten carbide[J]. Journal of Material Processing Technology,2001, 115:344-358.

[5]Zhao W S,Gu L,Li L,et al. Bunched-electrode for electrical discharge machining[C]. ISEM XV. Pittsburgh: ISEM Press, 2007:41-44.

[6]李磊，顧林，趙萬生.集束電極電火花加工工藝研究[C].2007年中國機械工程學會年會,2007.

(編輯譚弘穎)

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Mould cavity fabricate by EDM based on cluster electrode

SUN Zhaoning, LI Xiaohai, GAO Ruilin, XING Lei

(School of Mechanical Engineering, Jiamusi University,Jiamusi 154007,CHN)

In the process of fabricating complex mould cavity by the electric discharge machining (EDM), the first step is to shape rapidly the sculptured electrode by using cluster electrode for rough EDM, and then the sculptured electrode is used to complete the fine machining, which is helpful to improve work efficiency. The new petal-shaped conical fixture of electrode is developed to conduct process experiments, and the influences of different electric parameters are found. At the last, the complex mould cavity is fabricated by this way.

EDM; sculptured electrode; cluster electrode; clamping device; electric gauge

TG661

B

孫趙寧，女，1989年生，碩士研究生，研究領域為電火花加工新技術。

2015-10-20)

160305

*佳木斯大學研究生創新重點項目(LZZ2014-008)；黑龍江省自然科學基金資助項目(E9815)