硬質(zhì)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(zhì)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(jī)床，配套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足硬件要求；電極采用鎢銅材料、多電極及預(yù)處理方式，選擇高頻窄脈寬電參數(shù)，去離子循環(huán)水作為工作液可達(dá)到精度h6及粗糙度Ra0.3um以下的高精度鏡面要求。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；電火花成型；高精密鏡面

0. 引言

由于擁有優(yōu)異的耐磨性、高溫強(qiáng)度及熱位移小等諸多優(yōu)點(diǎn)，硬質(zhì)合金材料被廣泛應(yīng)用在工具及模具行業(yè)。而正是由于它的高硬度及脆性，傳統(tǒng)的切削工藝難于應(yīng)用在硬質(zhì)合金加工領(lǐng)域中。電火花加工是在加工過(guò)程中，使電極和工件間不斷產(chǎn)生脈沖性火花放電，火花放電時(shí)，放電通道中瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱，達(dá)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(dá)10000-12000℃，遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金的熔點(diǎn)，且電火花加工過(guò)程對(duì)工件沒(méi)有沖擊力，不會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金材料產(chǎn)生沖擊破壞，因而，電火花加工廣泛應(yīng)用在硬質(zhì)合金加工行業(yè)。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，硬質(zhì)合金工具和模具的要求也越來(lái)越高，電火花高精密鏡面加工是滿足這個(gè)要求的一個(gè)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(jìn)行試驗(yàn)說(shuō)明。

1. 硬質(zhì)合金電火花鏡面加工要求

作為電火花加工材料，硬質(zhì)合金熔點(diǎn)達(dá)3000℃以上，遠(yuǎn)高過(guò)鋼材熔點(diǎn)，電加工效率必然低于鋼材，因而，在實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程中，考慮到經(jīng)濟(jì)性，硬質(zhì)合金電加工在滿足精度及粗糙度要求的同時(shí)，要兼顧到加工效率。

2. 設(shè)備的選擇

根據(jù)設(shè)備聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的不同，電火花成型機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域，硬質(zhì)合金的電火花成型加工還采取在線監(jiān)測(cè)功能。本文采用的機(jī)床為日本牧野EDGE2高精密電火花機(jī)。

3. 電火花成型加工在線監(jiān)測(cè)

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(gè)工位增加一個(gè)在線測(cè)頭對(duì)加工件尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以達(dá)到對(duì)加工件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的；測(cè)頭每次檢測(cè)前利用固定在機(jī)臺(tái)上的校測(cè)基準(zhǔn)進(jìn)行校對(duì)；電極及測(cè)頭的轉(zhuǎn)移通過(guò)數(shù)控機(jī)械手來(lái)完成，電極及測(cè)頭均使用3R夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)快速精確裝夾。本文試驗(yàn)機(jī)床配置進(jìn)口雷尼紹測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能。

4. 電極的選擇

電極是電火花成型加工過(guò)程中一個(gè)至關(guān)重要的因素，它不僅僅影響加工質(zhì)量，同時(shí)對(duì)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(duì)YG11C牌號(hào)的硬質(zhì)合金進(jìn)行放電加工，試驗(yàn)結(jié)果如下：

從表一可看出，在相同條件下，對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)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(yōu)；究其機(jī)理，相對(duì)于銅基電極材料，石墨脆性大，容易脫落、掉渣，在加工過(guò)程中電極本身的粗糙度快速變差，導(dǎo)致加工件精度及粗糙度很難達(dá)到高精密要求。三種電極材料對(duì)粗加工速度影響不大，主要是因?yàn)橛操|(zhì)合金熔點(diǎn)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(jù)以上數(shù)據(jù)及分析，硬質(zhì)合金高精密電火花加工，電極材料選擇鎢銅材料最優(yōu)，以下硬質(zhì)合金電火花加工試驗(yàn)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(tǒng)工藝一般采取電極平動(dòng)法來(lái)對(duì)電極加工過(guò)程中的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，但這個(gè)過(guò)程中，電極及工件交互損耗，影響復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)高精密性。因而，在實(shí)踐加工中，均使用多電極進(jìn)行加工。試驗(yàn)采取鎢銅作為電極材料對(duì)電極數(shù)與粗糙度的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖三。

從圖三可看出，隨著電極數(shù)量的增加，硬質(zhì)合金工件表面粗糙度越來(lái)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(zhì)合金的高精密電火花加工電極數(shù)量一般采用6-8個(gè)。

4.3 電極的預(yù)處理

電火花加工后的硬質(zhì)合金工件的粗糙度電極原始粗糙度有很大關(guān)系，以鎢銅材料為電極，在相同電參數(shù)條件下，放電加工時(shí)間10min ，不同粗糙度的電極對(duì)工件粗糙度的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表二。

表二的數(shù)據(jù)說(shuō)明，電極原始粗糙度越低，加工后硬質(zhì)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(shù)量增加不能無(wú)限制改善粗糙度的一個(gè)重要原因。根據(jù)這一影響趨勢(shì)，在硬質(zhì)合金高精密電火花加工過(guò)程中，對(duì)電極進(jìn)行拋光預(yù)處理，是改善工件粗糙度的一個(gè)有效選擇。

5. 電參數(shù)的選擇

在電火花加工中，電參數(shù)是工藝控制的核心，可調(diào)控的電火花電參數(shù)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(dá)到一定臨界值，加工速度便基本沒(méi)有上升。同時(shí)，峰值電流增大，工件粗糙度越差，對(duì)硬質(zhì)合金來(lái)說(shuō)，為確保達(dá)到Ra0.2um的鏡面效果，精加工時(shí)應(yīng)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(gè)脈沖放電的持續(xù)時(shí)間，脈沖寬度對(duì)加工速度及粗糙度的影響見(jiàn)圖六及圖七。

對(duì)硬質(zhì)合金工件來(lái)說(shuō)，要取得高精度的同時(shí)兼顧到加工效率，應(yīng)選擇合適的脈沖寬度，根據(jù)硬質(zhì)合金工件被加工區(qū)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(gè)放電脈沖之間的停放電時(shí)間，利用硬質(zhì)合金作為加工件做加工試驗(yàn)，脈沖間隙與加工速度及工件粗糙度的關(guān)系如下：

脈沖間隙對(duì)硬質(zhì)合金工件粗糙度沒(méi)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(guò)小，放電間隙等不及上一次放電的電離效應(yīng)，會(huì)引起放電不穩(wěn)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(guò)程中存在覆蓋效應(yīng)[2]，電蝕產(chǎn)生的微粒附在工件表面，形成一定強(qiáng)度的覆蓋層，從而影響工件表面粗糙度，而這些微粒，主要來(lái)自于電極、工件及工作液，油類工作液在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生游離碳會(huì)成為附作物，而去離子水電解產(chǎn)生的是氣體，不會(huì)成為附作物，因而，硬質(zhì)合金高精密鏡面加工一般采用去離子循環(huán)水。

7. 結(jié)語(yǔ)

硬質(zhì)合金高精密成型加工由于加工要求高，采用的的設(shè)備及工藝均為較昂貴的方式。設(shè)備基本采用四軸及以上的聯(lián)動(dòng)成型機(jī)，同時(shí)配套合理精密的在線監(jiān)控系統(tǒng)。電極選擇導(dǎo)電性能及耐電蝕性良好的鎢銅材料，同時(shí)采用多電極及電極預(yù)處理加工方式；放電選擇高頻窄脈寬電參數(shù)既有利于保證精度及粗糙度，同時(shí)也能確保較為經(jīng)濟(jì)的加工效率；加工工作液采用去離子循環(huán)水。

參考文獻(xiàn)：

[1] 伍端陽(yáng). 數(shù)控電火花加工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù). [M].2009.2

[2] 王敏杰. 模具工程大典. [M].2007.9.381.

作者簡(jiǎn)介：

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