電火花成型電極磨（mó）損規（guī）律（lǜ）與電極修（xiū）整技術的研（yán）究與（yǔ）應用-特（tè）種加工機床網-數控機床市場網

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電火花成型電極磨損規律與電極修整技術的研究（jiū）與應（yīng）用

2017-3-31 來源：河南工業職業技術學院作者：熊毅，鄧曉

摘要: 針對電（diàn）火花（huā）精加（jiā）工過程中電（diàn）極損耗而（ér）影（yǐng）響零件（jiàn）加工精度的問題，分析了電極（jí）損耗機（jī）理（lǐ），建立了基於電子流能量傳遞的損耗模型，推導了損耗量的計（jì）算公式; 建立了基於幾何特征的（de）電極損耗模型，得到了曲麵電極損耗規律及損耗後的電極形態。根據基於幾何特征的電極損耗模型，利用反成型在位修整技術，設計了電極（jí）修整工藝裝（zhuāng）備，並利（lì）用電極修整塊對電極進行（háng）修整，提高了零件的加工精度，取得了良好的經（jīng）濟效益。

關鍵詞: 電火花; 電極損耗模（mó）型（xíng）; 電子流; 幾何特征; 反（fǎn）成型技術

0 引言

電火（huǒ）花加工（gōng）窄槽時，工具電極受截麵尺寸小、容易變形、不易散熱和排屑困難（nán）等因素的影響，導致電（diàn）極損耗加劇，從而影響零件的加工精（jīng）度。20 世紀 60年代初電解加工在深孔、長鍵（jiàn）槽中開始得到應用［1］，但難以（yǐ）保證很（hěn）高的尺寸精度及形（xíng）狀精度（dù）; 而微細電火花線切割隻適合加工通槽［2］。文武等人［3］利用基於灰色理論分析（xī）了主要電參（cān）數對加工指（zhǐ）標的（de）影響關聯程度，並對參數進行優化，以減少電極損（sǔn）耗，提高加工精度。儲召（zhào）良等人4］研（yán）究發現，通過提高加工過程中的（de）抬刀速度能提高加工性能，降低電（diàn）極損耗。上述文獻在損耗方麵做了（le）大量的工（gōng）作，研究了影（yǐng）響損耗（hào）的主要因素及其與損耗量的定性、定量關係，但如何對電極損耗後的（de）快速修正或補償研究較少。本文嚐試從電極損耗機理出發，建立電極損耗模型，探索電極損耗規律，並利用反成型在位修整技術（shù），解決實（shí）際生產中電極損耗後的修正問題。

1 窄槽零件（jiàn）的工藝分析及電極拆分

圖 1 所示為（wéi）某注塑（sù）模具（jù）中的鑲塊，共 8 件，該（gāi）鑲塊上有（yǒu）多處窄槽，槽底為尖角（jiǎo），無法用傳統切削方法加工（gōng），宜采用電火花加工。該鑲塊中最窄槽的寬度僅為（wéi）1． 33mm，深度為 5． 11mm，電火花加工時電極容易磨（mó）損，從而影響鑲塊（kuài）的加工精度。設計（jì）電極時，受零件結構限製，製作整體電極困難，需要拆分為多個電極。經分析，圖 1 中 A ～ G 的部位需要電極加工，其（qí）中 C、G處形狀尺寸（cùn）基本一致，僅（jǐn）槽寬不同，可共用一個電極。拆（chāi）分完成的電（diàn）極結（jié）構如圖 2 所示，電極名稱與圖 1 中（zhōng）各（gè）部位一一對應。

圖 1 模具型腔鑲塊

圖 2 電極結構

2. 電極損耗模型

2． 1 工具電極損（sǔn）耗機理（lǐ）

電火花放電加工時，放電通道中帶電微粒受到放電時的（de）電磁（cí）力和周圍液體介質的壓縮（suō），截麵變小（xiǎo），通道中的電（diàn）流密度（dù）迅（xùn）速增大，可達 104～ 107A / cm2。由（yóu）於介質中的離（lí）子與電子的數量相當，因此，該放電通道呈中（zhōng）性且是電的良導體。在極間電場作用（yòng）下，正離子與電（diàn）子分別高速向陰極和陽極運動並發生劇烈碰撞，從而在放電通道中（zhōng）產生（shēng）大量的熱量; 與此同時，放電通道兩端的陽極和陰（yīn）極表（biǎo）麵分別受（shòu）到電子流和離子流的高速衝擊，動（dòng）能轉換為熱能，使整個放電通道形成一個瞬（shùn）時熱源，其溫度可達 10 000℃左右，足以將（jiāng）電極和工件材料表麵局部熔（róng）化和（hé）氣化蒸發。由（yóu）於（yú）這一過程一（yī）般隻有 10－ 7～ 10－ 4s，因此金屬的熔化、氣化都（dōu）具有類似爆炸的特（tè）性，爆炸力將熔化和氣化的金屬拋（pāo）入周圍的工作液。這一過程不斷（duàn）重複，從而使被加工表（biǎo）麵形成預（yù）定（dìng）的形狀。而這一過程也會使電極的形狀受到劇烈的衝擊而損耗［5-8］。

2． 2 基於電子流能量傳遞的工具電極損耗模型

由電火花放電加（jiā）工機理可知，在極間火花放電初期幾百（bǎi）納秒時間內產生（shēng）的電流主要是（shì）電子流［9］，正極主要（yào）受電子流的轟擊，由（yóu）此可認為（wéi），工（gōng）具電極損耗量與放電初（chū）期時間內傳（chuán）遞到工具的能量有關。與此同時，一部（bù）分（fèn）熔化、氣化的金屬（shǔ）和油（yóu）性液體介質裂變產物( 主要為碳黑) 塗覆在工具表（biǎo）麵形成的積碳（tàn）層，對工具電極損耗（hào）起到補償作用。單個脈衝放電引起的實際工具電極損耗量可表示為:

對於截麵簡（jiǎn）單、損耗一致的電極，根據式( 7) 和截麵麵積，可計算出電極長度（dù）方向的近似損耗。而對於截麵複雜，帶曲麵特征的電極，由於損耗的不均勻性，式( 7) 不能（néng）解決曲麵各點的損耗情（qíng）況（kuàng）。

2． 3 基於（yú）幾何特征的曲麵電極損耗模型

由電火花放（fàng）電加工理論表（biǎo）明，放（fàng）電表麵形貌的變化會造成電（diàn）場強度的非均勻分布，而引起放電位置（zhì）的非均（jun1）均分布，這就直接（jiē）導致（zhì）了電極不同位置的損耗量也隨之不同［11-12］。通過建（jiàn）立電極表麵各點（diǎn）損耗和該點曲率之間的關係，以曲率為（wéi）基礎直接推算該處電極的損耗，可實現曲麵電極的損耗預（yù）測。根據文獻（xiàn）［13］，電極表（biǎo）麵任一微小區域的電場強度 E0和該區域的平（píng）均曲率 H 呈正比例關係，即 H 越大則該（gāi）點的電場強度 E0也越大（dà），越易產生火花放電，從而使該處的電極（jí）損耗量也越大。

由於（yú）電極損耗量（liàng）的影響因素非常複雜，其大小與加（jiā）工深度 h 及該點的曲率 kp等因素有關，為了簡化計算，損耗係數可表示為:

圖 3 曲麵電極損耗（hào）模型

成反比例（lì）關係。根據式( 11) 和式( 12) 可知（zhī），曲麵上曲率越大（dà）的部位，其損耗量越大（dà）。

3. 電極（jí）損耗後的（de）修整技術及（jí）其應用（yòng）

電極修正主要有兩個方向，一是對損耗部位（wèi）進行補償，二是根據損耗（hào）規律，對電極損耗部位進行修正。目（mù）前（qián）的電極損（sǔn）耗補償（cháng）方法按是否為在線補償可大致分為兩大類［13］: 基於模型（xíng）預測的電極損耗補償方法以及基於加工狀態監測（cè）的電極損（sǔn）耗補償方法。前者主要是在加工（gōng）之前，根據電極損耗模型預測電極（jí）損耗，以預估的電極損耗結果（guǒ）為基準對（duì）電極實施補償［14-16］。顯然，這類補償（cháng）方法（fǎ）效果好壞取決於電極（jí）損耗模型是（shì）否精確，存在一定的局限性。後（hòu）者通過實施在線補償，補（bǔ）償指令（lìng）是在加工過程中實時生成的［17-19］，補償精確，但需要中斷加工，補償電極損耗，占用了加工時間，從而影響（xiǎng）加工效率。本文采用第二種方法進行電極損耗補償。

3．1 反成型修整技術及工藝（yì）

根（gēn）據文獻［9］，采用在位修整，避免電極重新找正，其原理如下: 電極需（xū）要修正時，暫停本次（cì）加工; 電極（jí）保留在（zài）主（zhǔ）軸上，用相應的方法修整（zhěng）。若采用離線修整（zhěng）的方式( 即將（jiāng）損耗後的電極從主軸上卸下) 進行修整，容易（yì）產生二次安裝誤差，影響電極重定位精度。而在位修整不需（xū）要拆卸電極，故修整（zhěng）精度更高。圖 4 所示為反成型原理，初始狀態時，電極（jí）為待修整的（de）電極，將其定位至工件的上方。此時，將待（dài）修整電極與工件的極性按正常放電時（shí）反置，電極（jí）不動，由工件向待修（xiū）整電極進（jìn）給，見圖 4a。按放電（diàn）蝕除規律，待修整電極（jí）端部損耗將大於工件損耗; 平均曲率越大( 電極中部) ，損耗越大，最終蝕除部分電極，形成修整後的電極，從而達（dá）到修整電極（jí）的目的。

利（lì）用反成型技術原理，並做適（shì）當改進，修整電極時，選擇相應的極性，用修整（zhěng）塊作為工（gōng）具電（diàn）極，待修（xiū）整電極（jí）作為工件，由（yóu）於（yú）實際機床的工作台不（bú）能向（xiàng）工件主軸進給，故仍使用待修整電（diàn）極向（xiàng）工件進給，電極修整工（gōng）藝示意圖如（rú）圖 5 所示。加工前，將待修整電極移動到基準棒的上方，測量電極 Z 向的位置; 加工型腔時，采用負極性加工（gōng），並記住加工位置的 X、Y 坐標值，保持待修整電極與主軸頭的位置關係，待修整電極（jí）損耗後，移動該電極到修整塊上方（fāng），並定位; 根據式( 13) 計算電極（jí）損耗量，依據損耗量設定放電深度; 將極性更換為正極性加工（gōng），待修整電極向修整塊進給（gěi），修整電極; 修整電極完（wán）畢後將修整後電極移動到基準棒的上方，測量電極長度變化，以補償電極修整量; 然後將修整後（hòu）電極移動到加工位置的 X、Y 坐標上，並補償電極長度（dù），再進行放電加工（gōng）。

圖 4 反成型技術原理

圖 5 電極（jí）修整工藝示（shì）意圖

3．2 電極及修整塊的結構設計

為了減少電（diàn）極數量，保證精加（jiā）工電極的重複利用，當電極損（sǔn）耗後（hòu），利（lì）用電極損（sǔn）耗模（mó）型，計算損耗量，用反成型在位修整技術（shù）進行修整。圖（tú） 1 所示（shì）的零件在電極精加工前，必須（xū）滿（mǎn）足: 粗加工後留下的底部餘量小於 0．5mm，側麵餘量小於0．1mm。故（gù）第一次精加工後電極（jí）的側麵損耗很小，可以忽略。圖 6 所示為圖 2 中電極 F 的修整示意（yì）圖。

圖 6 電極

F 的修整示意圖．電極 2．電極基準 3．電極工藝補充 4．修整塊5．徑向補充麵 6．斜麵補充麵加工（gōng）電極（jí） F 前，電極基準 2 用於找正和定位; 3 為電極（jí）工藝補充（chōng），當電（diàn）極需要多次整修時，保證軸向有足夠的餘量; 考慮到在修整電極時，修整塊有少量損耗，5 為修整塊上的徑向工（gōng）藝補充麵，保證每次用修整塊不同的區域修整，提高修整精度; 6 為斜麵工藝補充，該斜麵與電極上對（duì）應的斜麵相比，斜度（dù）一致，麵積增大，保證每（měi）次整（zhěng）修時都能修整到斜麵。其餘幾個電極采用同樣的方法進行修整（zhěng），使單個電（diàn）極通過幾次修整（zhěng），完成了圖 1 中零件的加（jiā）工，並且保證了加工質量，節約了電極數量，取得了（le）明顯的經濟效益。

4 結語

本文根據（jù）電（diàn）火花電極損耗機理，研究（jiū）了電極損耗模（mó）型（xíng），並提出了反成型在位電極修（xiū）整技術。通（tōng）過基於電（diàn）子（zǐ）流能量傳遞預測了電極的（de）損耗量; 通過電場（chǎng）強度與電極曲率成正比例的理論，針對（duì）曲麵，建立了基於幾何特征的曲麵電極損耗模型，解決了曲麵電極損耗的準確求解; 利用上述理（lǐ）論，對電極損耗采（cǎi）用反成（chéng）型在位修整技術，完成了零件（jiàn）的加工，取得了明（míng）顯的成效（xiào）。

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