模具零件電火花加工中電極定位方式的探析

鮮小紅

（四川職業技術學院 智能制造學院，四川 遂寧 629000）

沖壓模具的精度直接決定制件的精度，模具零件的精度是決定沖壓模具精度的先決條件。沖壓模具工作零件的加工精度還直接影響模具的壽命，如在沖裁模中由于凹模與凸模之間形成的間隙不均勻，常會出現啃模現象從而影響沖壓模具壽命。同時，沖壓模具工作零件的表面粗糙度也是影響模具壽命的重要因素；所以提高模具零件的制造精度是模具制造工程技術人員最主要的奮斗目標之一。在現有的生產條件下，模具零件的加工方法一般可分為兩個大類：即傳統的切削加工方法和電加工方法。

1 模具零件的傳統加工方法

傳統的傳統的機械加工方法主要包括車、銑、刨、磨、鉆、鏜等金屬切削類加工方法。車削加工主要用于加工軸類或者便于車床裝夾的回轉體零件的回轉體表面；銑削加工主要用于加工平面或者斜面；刨削加工主要用于加工平面或者曲面；磨削加工主要用于材料硬度高、尺寸精度和表面質量要求高的表面的加工；鉆削加工主要用于實體材料上孔的粗加工；鏜削加工主要用于不規則形狀零件上較大尺寸孔的加工。除磨削而外，這些加工方法在工藝上都有一個共同的特點即：預先熱處理→切削加工→最終熱處理。最終熱處理難免引起工件的變形，使其尺寸精度、形狀精度、位置精度難以達到預想的加工效果。磨削加工雖然可以磨削淬火后的金屬，但其工藝的局限性使其不能成為沖壓模具型孔的最佳加工方法[1]。

2 模具零件的電火花加工方法

隨著生產力的發展和科學技術的進步，20世紀40年代，前蘇聯科學家拉扎連柯夫婦發現：開關觸點遭受火花放電腐蝕損壞，通過進一步研究發現可以利用電火花的瞬時高溫熔化局部金屬，開創和發明了電火花加工。電火花加工基于電火花腐蝕原理，是在工件電極與工具電極相互靠近時，兩電極極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產生瞬時高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將金屬蝕除下來；兩極金屬的腐蝕量是不相等的；電極金屬的腐蝕量與電極的正負極性有關。通過大量的實驗發現，電火花腐蝕金屬的過程大致可分為：

第一步，極間介質的電離、擊穿，形成放電通道。工具電極與工件電極通常浸沒于煤油中，工件與電極之間有少許間隙，在這間隙中自然充滿煤油，在煤油介質中不可避免地存在自由電子和其他雜質，它們在強大的電場作用下，形成了大量的帶負電的粒子和帶正電的粒子，且電場強度越大，帶電粒子就越多，根據異性相吸的原理，必然帶電粒子定向移動就形成了電流。這個過程實質上就是煤油介質在電場作用下電離、擊穿，形成放電通道。

第二步，電極材料被腐蝕。液體介質大量電荷定向移動，由于電荷的電性不同，粒子在移動過程中發生相互撞擊，產生大量的熱能，使通道瞬間達到很高的溫度。通道高溫汽化并氣化工作液，然后高溫向四周擴散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化并沸騰氣化。

第三步，電極材料的拋出。由于電極間產生的電火花現象，使放電通道產生瞬時高溫高壓。通道中心的高壓工作液和金屬氣化后不斷向外膨脹，使得熔融金屬液體和蒸汽被排擠出放電通道，而進入到工作液中。

第四步，極間的電離狀態消失。循環流動的工作液不斷的擠過工件與電極的間隙，帶走了剩余的熱量和電蝕產物，并恢復絕緣狀態。

上述步驟一至四在一秒內約數千次甚至數萬次地往復式進行。與傳統機械加工方法相比，電火花加工

有其自身的優點：第一主要靠電能熱能去除金屬材料的余量，而不是依靠機械能。第二由于放電間隙的存在，加工過程中工具和工件之間根本沒有直接接觸，所以工件與電極之間不需要任何切削力，故加工的難易與工件硬度無關。這就突破了傳統機械加工的必須將淬火工藝放于零件切削加工之后的技術瓶頸。

電火花加工（Electrical Discharge Machining,簡稱EDM）行業內也稱為放電加工、電飾加工或電脈沖加工，在生產上其工作步驟通常如圖1所示[2]。

圖1 電火花加工零件的工作步驟

從圖1可以看出：要實現電極的加工功能，除了必須經過電極材料的選擇、電極的設計與制造、電極的裝夾等工作步驟外，還必須經歷電極的正確定位才能加工出合符要求的零件。所謂電極定位是指采用恰當的定位方法來確定電極和工件的相對位置，以達到一定位置精度的要求。電極定位精度的高低，關系型孔在模板中的位置精度的高低，直接影響模具的工作性能和沖壓件的質量。關于電極的定位方法常用的有：劃線法、量塊角尺法和自動定位法等三種方法。本文以如圖2所示的沖壓模具凹模板為例，來探析電極的定位方式。

圖2 凹模板

3 電加工的工藝準備

零件材料：零件是沖壓模具凹模板，需要足夠的硬度和耐磨性，通常采用冷作模具鋼CrWMn。

熱處理要求：為了保證零件的硬度、耐磨性和尺寸的穩定性，通常采用淬火+低溫回火作為最終熱處理，熱處理后，零件的硬度可達60～64HRC。

加工工藝：作為是沖模工作零件，對型孔的尺寸精度、形狀精度和位置精度都有很高的要求，為了避免熱處理帶來的形變誤差，型孔的加工應置于最終熱處理之后。因此，凹模板的工藝安排可以設計為：退火+切削加工+淬火+低溫回火+型孔加工。因為冷作模具鋼CrWMn在淬火+低溫回火后，材料的硬度已達60～64HRC，型孔已不宜采用切削加工，所以采用電火花加工較為恰當。

基準選擇：如圖2所示，型孔的中心距AB的距離為40mm,距BC的距離為18mm,AB端面和BC端面均為平面且相互垂直，根據基準重合原則，以AB端面和BC端面作為電極的定位基準是較好的選擇。

電極尺寸：孔的直徑為20mm，型孔的面積A=3.14×12=3.14cm2,根據表1，根據銅打鋼標準型型參數表，選用加工條件號C131，則理想的電極橫截面尺寸為加工孔的尺寸減去安全間隙，即20-0.61=19.39mm.

4 定位方法及過程

4.1 劃線法

在工件切削加工并淬火、低溫回火至工件件要求的硬度后，磨削工件至工件要求的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度；再以AB和BC端面為劃線基準，用鉗工的方法在工件表面找出待加工孔的圓心，并以此劃出Φ19.39的輪廓線；然后將工件和電極分別安裝、校正；操作者憑借自身的經驗移動機床工作臺，逐步改變電極和工件在X、Y、Z三個方向的相對位置，使電極端部輪廓線與工件表面上Φ19.39的輪廓線相重合，即完成了電極的定位。

4.2 量塊角尺法

如圖3所示，以AB端面和BC端面為基準，用一個加厚精密直角尺與AB端面和BC端面緊密貼合，再在直角尺和工具電極之間放置所需尺寸的量塊[3]，然后移動機床工作臺使電極同時、緊密接觸兩個方向的量塊，電極的定位即便完成。

圖3 量塊角尺法

4.3 自動定位法

應用G代碼進行編程[4]，依靠數控程序控制電極和工件之間的相對運動，進而確定電極與工件的相對位置，從而實現電極的定位。其過程為：首先將電極移動到AB端面的左側并與AB端面在X方向保持適當的距離，Y方向位置在A、B之間，然后執行如下指令，就實現了電極的自動定位，如圖4所示。

圖4 電極自動定位坐標圖

5 定位方式的探析

無論是劃線法、量塊角尺法還是自動定位法，其定位基準均為AB端面和BC端面，其精度高低是保證電極定位精度的先決條件。若要提高電極的定位精度，可從以下幾個方面改善基準的定位條件：

第一，AB端面和BC端面與工件底面的垂直度。

第二，AB端面和BC端面平面度和表面粗糙度。

第三，AB端面和BC端面之間的垂直度。

由于實現電極定位的方法和過程不同，除保證可靠的定位基準外，還必須考慮影響定位精度的自身因素。

劃線法：定位精度與電極自身的形狀精度、表面粗糙度幾乎沒有關系，除電極的端部而外。定位是否準確取決于操作者的經驗和水平，因此主要適用于定位要求不高的工件。

量塊角尺法：操作簡便、省時、精度高。但定位時，量塊與電極的側壁貼合，電極側面的形位精度和表面粗糙度直接影響定位精度；電極與量塊接觸的松緊程度也是影響定位精度的原因之一。

自動定位法：自動化程度高、操作簡便、省時，由于采用了接觸感知指令G80，電極與基準端面AB和BC貼合的松緊適度，因此定位精度高[5]。但是在定位過程中電極側面與基準端面AB和BC直接貼合建立工件坐標系是定位的基本依據，因此電極側面的形位精度和表面粗糙度是影響定位精度的重要因素。