摘要：全文就汽車零部件粉末冶金模具制造中的重要工藝電火花加工的效率問題，提供了實(shí)現(xiàn)高效率加工的解決方案。具體從電火花加工工藝、電火花加工機(jī)床的調(diào)整、電火花加工操作三個(gè)方面作了充分闡述，對該類企業(yè)有重要指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：粉末冶金模具；電火花加工；效率；工藝
汽車的核心零部件中，附加值較高的主要有發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣門、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、變速箱齒輪中的同步器錐環(huán)、油泵主從動(dòng)齒輪等，在這些零部件的生產(chǎn)中，主流的核心技術(shù)便是粉末冶金技術(shù)及模具制造。而在粉末冶金模具的制造中，數(shù)控電火花加工是一種舉足輕重的工藝方法，模具的沖頭、型腔等基本上都需要進(jìn)行放電加工。圖 1 所示為某汽車零部件粉末冶金模具制造公司的電火花加工車間一角（裝備的產(chǎn)品為阿奇夏米爾藍(lán)線電火花加工機(jī)床），生產(chǎn)這類模具往往需要大批量的數(shù)控電火花加工機(jī)床才能滿足模具制造周期的要求。
筆者曾到訪過寧波、南通等地的一些生產(chǎn)汽車零部件的粉末冶金公司，他們的模具經(jīng)理都非常關(guān)注電火花加工的效率問題。這是因?yàn)殡娀鸹庸け旧砭褪且环N加工速度較慢的工藝方法，在電火花加工機(jī)床設(shè)備有限的情況下，往往會(huì)導(dǎo)致粉末冶金模具制造周期延長，也就不能如期完成汽車零部件的生產(chǎn)與供應(yīng)。
如何通過有效、可行的工藝措施，使電火花加工機(jī)床在保證加工質(zhì)量的前提下提高加工速度，依靠高效率的電火花加工生產(chǎn)來縮短模具制造周期？下文就這個(gè)問題，從實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了與電火花加工效率直接相關(guān)的三大方面：電火花加工工藝、電火花加工機(jī)床的調(diào)整、電火花加工操作，提出了高效率電火花加工解決方案，希望可以幫助一些企業(yè)解決實(shí)際的問題。
圖 1汽車零部件粉末冶金模具制造公司的電加工車間
1電火花加工工藝相關(guān)的要點(diǎn)
1.1 要用機(jī)械加工去除大部分材料
電火花加工部位在進(jìn)行加工之前，要采用機(jī)械加工方法進(jìn)行粗加工，僅將刀具精銑困難或無法精銑的部位留給電火花加工，這樣使電火花加工的材料量大為減少，可以大幅度提高電火花加工效率。
1.2 根據(jù)加工情況決定加工工藝方法
電火花加工有單電極直接成形工藝、多電極更換成形工藝等。選擇工藝時(shí)不僅要考慮加工速度，還應(yīng)詳細(xì)考慮加工精度和表面粗糙度要求。單電極直接成形工藝只用一只電極來加工出所需的型腔部位，這種工藝方法用于加工形狀簡單、精度要求不高的型腔，不需要進(jìn)行重復(fù)的裝夾操作，可提高電火花加工的效率。對于加工要求較高的場合，通常采用多電極加工的工藝方法。首先用粗加工電極蝕除大量材料，然后用精加工電極進(jìn)行精加工，精加工還可考慮換用多個(gè)電極來補(bǔ)償電極的損耗。
1.3 合理選用電極材料
電火花加工通常使用紫銅電極和石墨電極。很多模具企業(yè)在選擇電極材料時(shí)，很少進(jìn)行考慮，大小電極一律習(xí)慣選用同種電極材料，這種做法會(huì)影響電火花加工的效率。
大多企業(yè)使用紫銅作為電極材料。而根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，使用石墨電極加工大部分汽車零部件粉末冶金模具，其加工速度可比使用紫銅電極節(jié)省約 1/3 的時(shí)間；也有些企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到石墨的優(yōu)越性，于是習(xí)慣選用石墨電極，導(dǎo)致模具在表面粗糙度要求低于 Ra0.8um 的加工場合，始終難以穩(wěn)定地達(dá)到加工要求，而反復(fù)進(jìn)行的返修加工，極大地降低了加工效率，如果選用紫銅電極，問題將會(huì)迎刃而解。可見選擇電極材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工要求作出合理的選擇。
1.3 確定適當(dāng)?shù)碾姌O縮放量
模具的電火花加工中，通常會(huì)因?yàn)殡姌O縮放量取得太小不能選用較大的放電條件而導(dǎo)致加工效率低下。如在加工允許的情況下，粗加工電極的縮放量取單側(cè) 0.3mm 選用的電參數(shù)比取單側(cè)0.15mm的電參數(shù)要提高速度在2～3倍以上。平動(dòng)加工時(shí)精加工電極可根據(jù)加工情況，適當(dāng)增大電極縮放量有利于提高加工速度。必須注意，增大電極縮放量后必須對應(yīng)提高放電參數(shù)的能量，并且不可盲目增大電極縮放量，否則反而降低加工效率。如粗加工將電極縮放量取單側(cè) 0.8mm，而實(shí)際加工雖然選擇了較大的加工條件，但實(shí)際的放電間隙可能只有單側(cè)0.3mm 左右，那么將會(huì)為后續(xù)加工留下了較多的材料余量，必將降低加工效率。數(shù)控電火花加工機(jī)床如果按照傳統(tǒng)機(jī)床的電極的縮放方法，不利用平動(dòng)加工的功能，必將降低加工效率，尤其是在精加工中。比如電極縮放量取單側(cè) 0.03mm，那么只能選用一個(gè)較小的放電參數(shù)進(jìn)行加工，如果粗加工中的材料余量稍多的話，甚至可能造成加工不動(dòng)的情況；如果將電極縮放量增加到單側(cè) 0.08mm，那么加工的放電參數(shù)可以增大，可以很快地將材料余量去除，利用平動(dòng)功能來逐步修光側(cè)面。對于加工電極是圓形、方形的更應(yīng)如此。普通加工中適當(dāng)增大電極縮放量并不會(huì)對形狀造成多大影響，精密加工時(shí)才應(yīng)特殊對待。
1.4 電極設(shè)計(jì)考慮“面積效應(yīng)”
“面積效應(yīng)”是電火花加工中因加工面積變化引起加工速度等工藝指標(biāo)的變化的效應(yīng)。
當(dāng)電火花加工的面積小到某一臨界面積時(shí)，加工速度會(huì)顯著降低。因?yàn)榧庸っ娣e小，在單位面積上脈沖放電過分集中，致使放電間隙的電蝕產(chǎn)物排除不暢，同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣體排除液體的現(xiàn)象，造成放電加工在氣體介質(zhì)中進(jìn)行，而大大降低加工速度。因此設(shè)計(jì)電極時(shí)要考慮不要拆分加工面積太小的電極，多使用整體式電極。但也要注意，當(dāng)整體式電極面積比較大，且加工深度較深、排屑困難的情況下，應(yīng)考慮將整體電極分拆成幾個(gè)電極進(jìn)行分次加工，可以根據(jù)型腔的幾何形狀把電極分解成主型腔電極和副型腔電極。否則在加工中會(huì)出現(xiàn)放電不穩(wěn)定的情況，導(dǎo)致加工效率低下、精度難以保證等不良情況。
2 電火花加工機(jī)床調(diào)整的要點(diǎn)
2.1 電參數(shù)的調(diào)節(jié)
電參數(shù)選擇的好壞，直接影響加工的各項(xiàng)工藝指標(biāo)。電參數(shù)調(diào)節(jié)最終目的是為了達(dá)到預(yù)定的加工尺寸、表面粗糙度要求，達(dá)到較高的加工效率。電參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，基本上要考慮：電極數(shù)目、電極損耗、加工表面粗糙度要求、電極縮放量、加工面積、加工深度等因素。
目前數(shù)控電火花機(jī)床的智能性能已經(jīng)有了很大的提高，圖 2 所示為阿奇夏米爾藍(lán)線產(chǎn)品SA 系列精密電火花機(jī)床，機(jī)床儲(chǔ)存有針對各種材料組合加工的大量成套電參數(shù)，只需要在編程過程中按照編程要求輸入工藝條件，即可自動(dòng)選擇、配置電參數(shù)。加工中機(jī)床依靠智能化控制技術(shù)，由計(jì)算機(jī)監(jiān)測、判斷電火花加工間隙的狀態(tài)，自動(dòng)微調(diào)電參數(shù)，保持穩(wěn)定的放電加工，達(dá)到較高的加工效率。智能電參數(shù)一般能滿足加工要求，并且極大地降低了機(jī)床對操作機(jī)床人員的技能要求。而傳統(tǒng)電火花機(jī)床要求操作者具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，能夠根據(jù)加工要求靈活配置電參數(shù)。
機(jī)床的智能控制技術(shù)并不是萬能的，還是不能忽視人工調(diào)整電參數(shù)的作用。尤其像在深孔加工、大錐度加工、大面積加工等一些比較特殊的加工場合，人工調(diào)整電參數(shù)就顯得很有必要。調(diào)整電參數(shù)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮調(diào)整電參數(shù)主規(guī)準(zhǔn)以外的參數(shù)，如抬刀高度、放電時(shí)間、抬刀速度等；其次可以按次序考慮調(diào)整脈沖間隙、脈沖寬度、加工電流等，特殊材料加工可以試用負(fù)極性加工（電極為負(fù)極）。在加工狀態(tài)穩(wěn)定的前提下，減少抬刀動(dòng)作及幅度、降低脈沖間隙、增大加工電流有利于提高加工效率。但是在加工不穩(wěn)定的情況下，一定要保持勤抬刀，適當(dāng)選用較大的脈沖間隙，否則反而會(huì)降低加工效率，甚至引起電弧放電，使加工過程不能正常進(jìn)行。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)保守地進(jìn)行電參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以維持加工的正常進(jìn)行，并且可獲得較高的加工效率。
2.2 加工留量的控制
數(shù)控電火花加工是用多個(gè)條件段來進(jìn)行加工的，條件段之間要有一定的加工留量。比如加工要求的深度為 5mm，電極縮放量為單面 0.15mm。設(shè)使用的電規(guī)準(zhǔn)從大到小分三段來進(jìn)行加工，則根據(jù)各檔電規(guī)準(zhǔn)放電間隙的大小來設(shè)置進(jìn)給深度和平動(dòng)半徑：第一個(gè)規(guī)準(zhǔn)進(jìn)給深度為 4.85 mm，平動(dòng)半徑為 0.02 mm，第二個(gè)規(guī)準(zhǔn)進(jìn)給深度為 4.92 mm，平動(dòng)半徑為 0.13 mm，第三個(gè)規(guī)準(zhǔn)進(jìn)給深度為 4.97 mm，平動(dòng)半徑為 0.17 mm。條件段之間加工留量大小的控制與加工效率有很大的關(guān)系。適當(dāng)減少加工留量能提高電火花加工的效率，尤其是在大面積的精加工場合作用顯著。如果將上例中第一個(gè)規(guī)準(zhǔn)進(jìn)給深度改為 4.9mm，平動(dòng)半徑為 0.1 mm，第二個(gè)規(guī)準(zhǔn)進(jìn)給深度為 4.95 mm，平動(dòng)半徑為 0.15mm，第三個(gè)規(guī)準(zhǔn)不變，則可以在一定程度上提高加工效率。
數(shù)控電火花加工機(jī)床自動(dòng)編程時(shí)給出的加工留量，是以保證表面粗糙度為前提的，相對來說比較保守，為了進(jìn)一步提高加工效率，可根據(jù)加工要求來人為修改自動(dòng)編程生成程序的加工留量。但必須注意，減少加工留量必須要保證下一個(gè)加工規(guī)準(zhǔn)能修光上一個(gè)加工規(guī)準(zhǔn)。
另外，減少加工留量對提高小面積的加工效率意義并不大。
2.3 平動(dòng)加工的選擇
平動(dòng)加工是數(shù)控電火花加工的一種重要工藝方法。不同的數(shù)控電火花加工機(jī)床其平動(dòng)加工的方式有所區(qū)別，應(yīng)根據(jù)所使用機(jī)床靈活、合理應(yīng)用平動(dòng)加工。某數(shù)控電火花機(jī)床的平動(dòng)加工方式有兩種：自由平動(dòng)和伺服平動(dòng)。自由平動(dòng)是指主軸伺服加工時(shí)，另外兩軸同時(shí)按一定軌跡作擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)，一直加工到指定深度。伺服平動(dòng)是指主軸加工到指定深度后另外兩軸按一定的軌跡作擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)。自由平動(dòng)一般用于淺表加工，加工時(shí)邊打邊平動(dòng)可以改善排屑性能，可提高加工速度，減少積碳；但對于深度較深的場合，卻會(huì)降低加工速度，增大電極的邊角損耗。伺服平動(dòng)一般用于加工深度較深的加工場合，先加工完底面再修側(cè)面，深度較淺時(shí)其加工效果不如自動(dòng)平動(dòng)，也常用在加工型腔側(cè)壁的溝槽、環(huán)，還可用在其它兩軸平動(dòng)的場合等等。
2.4 定時(shí)加工
數(shù)控電火花加工機(jī)床一般都具有定時(shí)加工功能，可用于控制面積較大電極精加工的最后幾段電參數(shù)的加工時(shí)間。精加工中電規(guī)準(zhǔn)的電蝕能力非常弱，由于間隙內(nèi)加工屑及其它因素的影響，需要花費(fèi)很長的加工時(shí)間，甚至出現(xiàn)一段條件遲遲加工不完成的情況。由于最后幾個(gè)條件的尺寸變化已經(jīng)很小，實(shí)際上我們只要加工到要求的表面粗糙度后就可結(jié)束加工，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用定時(shí)加工方法，可大幅度地提高精加工效率。
3 電火花加工操作的要點(diǎn)
3.1 提高重復(fù)定位精度
模具電火花加工往往需要使用很多個(gè)電極進(jìn)行加工，需要進(jìn)行重復(fù)定位。實(shí)際加工中，重復(fù)定位精度也是影響電火花加工效率的一個(gè)重要因素，這些情況主要發(fā)生在精加工中。比如：第一個(gè)電極在對深度時(shí)沒有對準(zhǔn)，導(dǎo)致第一次加工的深度淺了，那么第二次加工要保證加工深度的情況下，要加工的材料量就過多，精加工中也不能選用大的電規(guī)準(zhǔn)，必然導(dǎo)致加工效率低下。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，如果像接近 30cm2 的大面積加工，在精加工規(guī)準(zhǔn)下，多加工0.02mm 的深度，也將會(huì)花費(fèi) 1 個(gè)小時(shí)以上的加工時(shí)間；還有如第一個(gè)電極加工完成后，第二個(gè)電極加工的位置與第一個(gè)電極的加工位置存在較大差別，另一個(gè)側(cè)面的加工量增多，這種情況也會(huì)降低加工效率。
利用電極與工件進(jìn)行接觸感知的定位方法在模具企業(yè)被廣泛采用。這種定位方法相對簡單，是操作人員非常熟悉的。但這種定位方法的誤差較大，難以保證穩(wěn)定的定位精度，因定位超差導(dǎo)致的加工異常問題時(shí)有發(fā)生，降低了加工效率。為了提高重復(fù)定位精度，可以采用間接定位方法。如利用基準(zhǔn)球進(jìn)行間接定位，這種定位方法由于采用的是點(diǎn)接觸，可在最大范圍內(nèi)消除誤差。還有一個(gè)提高重復(fù)定位精度最好的辦法是采用快速裝夾的定位系統(tǒng)，如3R 和 EROWA 等裝置，電極和工件都可以快速換裝，并且可以達(dá)到理想的定位效果，極大地提升了加工效率。
3.2 沖液的方式與大小
電火花加工過程中，為了將加工過程中產(chǎn)生的氣體、金屬屑末等及時(shí)排除，必須高效率地排出加工屑，為此，應(yīng)使用合理的沖液方式，控制好沖液壓力時(shí)，使加工穩(wěn)定進(jìn)行，提高加工效率。一般都要沖油或抽油。適當(dāng)?shù)脑黾記_油壓力會(huì)使加工速度提高，但沖油壓力超過某一數(shù)值后，還繼續(xù)增加，加工速度則略有降低。
4 其它
4.1 機(jī)床的加工性能
好的放電機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高效率放電加工的前提條件。脈沖電源對提升加工速度起著極其重要的作用，脈沖電源性能的好壞決定著放電加工微觀過程的優(yōu)劣，決定著精加工中小放電間隙條件下能否穩(wěn)定、高效地完成加工。自適應(yīng)電源在加工中的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為達(dá)到較高的加工效率起到了重要作用。專家系統(tǒng)等智能技術(shù)使機(jī)床操作更容易，縮短了編程、操作的時(shí)間。
配備 ATC 裝置的全自動(dòng)機(jī)床操作過程不需人工干預(yù)，可以連續(xù)地自動(dòng)運(yùn)行加工，大為提高了加工效率。機(jī)床的抬刀技術(shù)上對加工速度也有一定的影響，如主軸采用很高加速度進(jìn)給加工對提高加工深窄小縫的效率具有明顯的作用。
4.2 工作液的影響
選用不同的工作液，加工速度也不相同。目前電火花加工使用合成型電火花工作液。不同的電火花加工工作液各自的特點(diǎn)有所差異，應(yīng)綜合考慮進(jìn)行選擇。鏡面加工的時(shí)間一般都比較長，使用混粉工作液可以大幅度提高加工效率，它是在工作液中加入一定比例的導(dǎo)電的粉末(如硅粉、鉻粉、鎂粉等)。
4.3 工件材料的影響
在同樣的加工條件下，選用不同的工件材料，加工速度也不同。這主要取決于工件材料的物理性能（熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熱導(dǎo)率、比熱容、熔化熱、氣化熱等）。如電火花加工鋁的效率非常高，但加工硬質(zhì)合金的效率相當(dāng)?shù)拖隆?br/>
5 汽車零部件粉末冶金模具電火花加工參考實(shí)例
下面提供 GF 阿奇夏米爾藍(lán)線產(chǎn)品 SA 機(jī)床加工粉末冶模具的一些實(shí)例及數(shù)據(jù)，供參考。
6結(jié)束語
在汽車零部件粉末冶金模具制造的電火花加工中，影響電火花加工效率的因素眾多。應(yīng)根據(jù)加工對象的具體要求，進(jìn)行綜合考慮，把握好工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能使電火花加工機(jī)床達(dá)到高的加工效率。
