硬質合金的電火花高精密鏡面成型加工

吳小剛 趙勇軍 虞凱旋

摘 要：電火花高精密鏡面成型加工是高檔次硬質合金工具或模具的一種重要加工方式，采用高檔精密電火花成型機床，配套在線監測系統滿足硬件要求；電極采用鎢銅材料、多電極及預處理方式，選擇高頻窄脈寬電參數，去離子循環水作為工作液可達到精度h6及粗糙度Ra0.3um以下的高精度鏡面要求。

關鍵詞：硬質合金；電火花成型；高精密鏡面

0. 引言

由于擁有優異的耐磨性、高溫強度及熱位移小等諸多優點，硬質合金材料被廣泛應用在工具及模具行業。而正是由于它的高硬度及脆性，傳統的切削工藝難于應用在硬質合金加工領域中。電火花加工是在加工過程中，使電極和工件間不斷產生脈沖性火花放電，火花放電時，放電通道中瞬時產生大量的熱，達到的高溫足以使金屬材料局部融化，甚至氣化而被蝕除[1]。電火花放電通道局部溫度可達10000-12000℃，遠高于硬質合金的熔點，且電火花加工過程對工件沒有沖擊力，不會對硬質合金材料產生沖擊破壞，因而，電火花加工廣泛應用在硬質合金加工行業。隨著工業技術的不斷發展，硬質合金工具和模具的要求也越來越高，電火花高精密鏡面加工是滿足這個要求的一個典型的工藝方式。電火花加工最常用的有電火花線切割、電火花穿孔、電火花成型加工兩種方式，前二者是二維加工，成型加工為三維立體加工，本文以電火花成型加工為例進行試驗說明。

1. 硬質合金電火花鏡面加工要求

作為電火花加工材料，硬質合金熔點達3000℃以上，遠高過鋼材熔點，電加工效率必然低于鋼材，因而，在實際加工生產過程中，考慮到經濟性，硬質合金電加工在滿足精度及粗糙度要求的同時，要兼顧到加工效率。

2. 設備的選擇

根據設備聯動軸數的不同，電火花成型機一般有ZNC（單軸）及CNC（三軸、四軸、五軸、六軸等）。ZNC控制精度比較低，高精密加工均采用多軸CNC加工，在更高要求應用領域，硬質合金的電火花成型加工還采取在線監測功能。本文采用的機床為日本牧野EDGE2高精密電火花機。

3. 電火花成型加工在線監測

在高精密電火花成型加工中，一般都采用多工位多電極加工方式，在其中一個工位增加一個在線測頭對加工件尺寸進行實時檢測，以達到對加工件實時監測的目的；測頭每次檢測前利用固定在機臺上的校測基準進行校對；電極及測頭的轉移通過數控機械手來完成，電極及測頭均使用3R夾具來實現快速精確裝夾。本文試驗機床配置進口雷尼紹測量系統實現在線監測功能。

4. 電極的選擇

電極是電火花成型加工過程中一個至關重要的因素，它不僅僅影響加工質量，同時對加工效率影響巨大。

4.1 電極材料的選擇

電火花成型加工中用到的電極材料主要有石墨、紫銅、鎢銅。采用這三種材料對YG11C牌號的硬質合金進行放電加工，試驗結果如下：

從表一可看出，在相同條件下，對硬質合金進行電火花加工，選擇石墨作為電極材料加工效率最差，紫銅次之，鎢銅最優；究其機理，相對于銅基電極材料，石墨脆性大，容易脫落、掉渣，在加工過程中電極本身的粗糙度快速變差，導致加工件精度及粗糙度很難達到高精密要求。三種電極材料對粗加工速度影響不大，主要是因為硬質合金熔點高，在同等放電能量下，加工速度主要受自身蝕除速度影響。根據以上數據及分析，硬質合金高精密電火花加工，電極材料選擇鎢銅材料最優，以下硬質合金電火花加工試驗均采用鎢銅電極材料。

3.2 多電極選擇

電火花單電極加工，傳統工藝一般采取電極平動法來對電極加工過程中的損耗進行補償，但這個過程中，電極及工件交互損耗，影響復雜，難于實現高精密性。因而，在實踐加工中，均使用多電極進行加工。試驗采取鎢銅作為電極材料對電極數與粗糙度的關系進行分析，結果如圖三。

從圖三可看出，隨著電極數量的增加，硬質合金工件表面粗糙度越來越好，但增加到一定程度，粗糙度的下降幅度減小，直到不再變化。硬質合金的高精密電火花加工電極數量一般采用6-8個。

4.3 電極的預處理

電火花加工后的硬質合金工件的粗糙度電極原始粗糙度有很大關系，以鎢銅材料為電極，在相同電參數條件下，放電加工時間10min ，不同粗糙度的電極對工件粗糙度的影響試驗數據如表二。

表二的數據說明，電極原始粗糙度越低，加工后硬質合金工件的粗糙度越低。電火花加工由于放電間隙極小，被加工件與電極形狀保持著一致的凹凸形貌，因而加工件粗糙度受電極原始粗糙度影響巨大，這也是即使電極數量增加不能無限制改善粗糙度的一個重要原因。根據這一影響趨勢，在硬質合金高精密電火花加工過程中，對電極進行拋光預處理，是改善工件粗糙度的一個有效選擇。

5. 電參數的選擇

在電火花加工中，電參數是工藝控制的核心，可調控的電火花電參數主要有脈沖峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隙。

5.1 脈沖峰值電流

脈沖峰值電流主要影響電火花加工速度及工件粗糙度。

峰值電流越大，脈沖能量越大，工件蝕除的越快，加工速度更高，但峰值電流達到一定臨界值，加工速度便基本沒有上升。同時，峰值電流增大，工件粗糙度越差，對硬質合金來說，為確保達到Ra0.2um的鏡面效果，精加工時應盡可能采取較小的峰值電流。

5.2 脈沖寬度

脈沖寬度是指單個脈沖放電的持續時間，脈沖寬度對加工速度及粗糙度的影響見圖六及圖七。

對硬質合金工件來說，要取得高精度的同時兼顧到加工效率，應選擇合適的脈沖寬度，根據硬質合金工件被加工區域大小及形狀，一般選擇400-800us。

5.3 脈沖間隙

脈沖間隙是指相鄰的兩個放電脈沖之間的停放電時間，利用硬質合金作為加工件做加工試驗，脈沖間隙與加工速度及工件粗糙度的關系如下：

脈沖間隙對硬質合金工件粗糙度沒有明顯影響。脈沖間隙越小，加工速度越快，但脈沖間隙一旦過小，放電間隙等不及上一次放電的電離效應，會引起放電不穩定，反而降低了加工速度。

6. 工作液的選擇

電火花成型加工工作液一般采用煤油、電火花加工專用油、去離子水等。

由于在電火花放電加工過程中存在覆蓋效應[2]，電蝕產生的微粒附在工件表面，形成一定強度的覆蓋層，從而影響工件表面粗糙度，而這些微粒，主要來自于電極、工件及工作液，油類工作液在放電時會產生游離碳會成為附作物，而去離子水電解產生的是氣體，不會成為附作物，因而，硬質合金高精密鏡面加工一般采用去離子循環水。

7. 結語

硬質合金高精密成型加工由于加工要求高，采用的的設備及工藝均為較昂貴的方式。設備基本采用四軸及以上的聯動成型機，同時配套合理精密的在線監控系統。電極選擇導電性能及耐電蝕性良好的鎢銅材料，同時采用多電極及電極預處理加工方式；放電選擇高頻窄脈寬電參數既有利于保證精度及粗糙度，同時也能確保較為經濟的加工效率；加工工作液采用去離子循環水。

參考文獻：

[1] 伍端陽. 數控電火花加工現場應用技術. [M].2009.2

[2] 王敏杰. 模具工程大典. [M].2007.9.381.

作者簡介：

吳小剛（1981.3-），男，湖北大冶人，碩士研究生，工程師，硬質合金生產及加工研究方向，南昌硬質合金有限責任公司深加工中心主任。