“EDM”模具加工之提率方法簡析

“EDM”電火花加工工藝的發(fā)展與其在精度、自動(dòng)化及微型模具加工技術(shù)方面的進(jìn)步為國內(nèi)的模具加工行業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)。

提高驅(qū)動(dòng)速度是提高模具EDM加工速度的一種解決方案。使用這種方法，提升運(yùn)動(dòng)的非生產(chǎn)時(shí)間減少了；盡管如此，速度上的優(yōu)勢(shì)卻受到小電極和深型腔的限制。另外，當(dāng)高于某一速度時(shí)電極磨損是可觀的，而且很高的軸向速度會(huì)引起機(jī)械裝置的極大損傷，這使得機(jī)床更貴并且縮短其使用壽命。因此，相信僅通過快速提升運(yùn)動(dòng)來獲得加工速度的全面提高是錯(cuò)誤的。軸向快速運(yùn)動(dòng)對(duì)于加工過程的貢獻(xiàn)僅僅是對(duì)包括發(fā)生器、過程控制、放電間隙寬度調(diào)節(jié)和機(jī)械裝置等環(huán)節(jié)共同作用的一個(gè)補(bǔ)充。模具EDM加工要求沖刷智能化。

潛力在于沖洗

你可以想象到EDM工藝要在放電間隙里的被EDM加工的材料和排出的材料之間進(jìn)行平衡。如果這種平衡不存在，結(jié)果要么你在不必要地沖洗加工區(qū)域（包括浪費(fèi)時(shí)間和工藝額外的不穩(wěn)定性），要么你對(duì)相同的顆粒進(jìn)行數(shù)次EDM，使其不能有效地從間隙中去除（見圖一）。

圖1：潛力在于沖洗

在材料從放電間隙中排出之前，你必須把它從工件上分離。你如何才能獲得更高的去除率？在所有優(yōu)化問題的情況里，zui大的潛力在于效率zui低的地方。工件作為陰極的單極放電的效率理論上約為25%。另外，有些因素會(huì)使得效率更低（例如：過程控制問題，不理想的沖刷工況，放電間隙寬度過?。?，所以實(shí)際上你必須考慮到效率會(huì)低于10%。

去除率和表面質(zhì)量決定了所需時(shí)間

在EDM應(yīng)用里，目標(biāo)總是一方面要優(yōu)化加工的去除率指標(biāo)，而另一方面要獲得被加工工件的表面質(zhì)量。當(dāng)加工時(shí)，工件容易表現(xiàn)出確定的zui終表面粗糙度和確定的形位精度。另外，要求兩個(gè)條件：（1）工件表面的熱影響區(qū)域盡可能小，（2）電極磨損盡可能小。這些邊界條件決定了工件生產(chǎn)的加工時(shí)間和成本。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)閺拇旨庸ら_始到精加工結(jié)束，所以使用連續(xù)的工藝參數(shù)，脈沖能量逐漸減少直到獲得所需的工藝效果。再次應(yīng)用的自然規(guī)律：你能迅速得到中等的質(zhì)量，但只有更慢才能獲得高質(zhì)量（見圖2）。

圖2：去除率和表面質(zhì)量取決于所需時(shí)間

物理處理是一種解決方案

接近理想狀態(tài)意味著特性曲線向箭頭方向移動(dòng)。那意味著EDM更快，而放電間隙寬度、表面粗糙度和磨損量保持不變。直到現(xiàn)在，如果EDM脈沖的放電能量增加，你也為表面粗糙度變差和放電間隙寬度變大并導(dǎo)致粗加工的速度提高卻因精加工時(shí)間更長而喪失優(yōu)勢(shì)感到遺憾。如果你回歸到EDM理論的基本點(diǎn)，你將找到解決方案——物理處理導(dǎo)致火花和金屬去除的形成。

在放電過程中，你能辨認(rèn)出三個(gè)連續(xù)的主要物理階段：（1）建立階段（2）放電階段（3）衰退階段。放電通道在*階段建立。電流穿過工作介質(zhì)后幾乎全部作用于放電通道的表面區(qū)域，并且陽極受到電子轟擊而部分蒸發(fā)。電極磨損主要發(fā)生在這里。不管是否對(duì)材料去除作出很大貢獻(xiàn)，每個(gè)脈沖都引起微觀磨損。在放電階段，供應(yīng)的電能主要引起工件上的材料熔化或蒸發(fā)。當(dāng)電源供應(yīng)關(guān)閉后開始進(jìn)入衰退階段。等離子體通道衰退并部分蒸發(fā)，部分液體材料被噴出。

何時(shí)中斷脈沖

在放電過程中，工件上形成凹坑。有關(guān)放電的基礎(chǔ)研究已經(jīng)表明：從某一時(shí)間開始，工件上凹坑的生長停滯。這是因?yàn)楣?yīng)的能量和耗散的能量之間形成了平衡，耗散的能量也就是用于維持等離子體的能量和散發(fā)到工件和電介質(zhì)上的熱量。凹坑生長的這種漸近線可通過火花電壓和電流得到實(shí)時(shí)記錄。
可是，為什么凹坑生長的漸近線如此重要？因?yàn)檫@是中斷脈沖的正確時(shí)刻。如果凹坑的目標(biāo)半徑和所需的表面粗糙度已經(jīng)獲得，讓脈沖持續(xù)更長時(shí)間是不必要的。你可立刻開始下一個(gè)脈沖。脈沖到達(dá)這個(gè)狀態(tài)所需的時(shí)間也不是常數(shù)，因?yàn)榉烹娺_(dá)到某一火花基礎(chǔ)直徑的速度取決于放電間隙里的微觀形勢(shì)和火花放電區(qū)域里的局部形狀。有了這種單獨(dú)測(cè)量的*手?jǐn)?shù)據(jù)，你將能優(yōu)化單位時(shí)間的放電次數(shù)并提高去除率。

何時(shí)加大電流

如果你現(xiàn)在觀察電荷的衰退階段，你將看到電蝕產(chǎn)物是由等離子體通道衰退引起的。由關(guān)閉電源觸發(fā)的壓力突然下降導(dǎo)致了超熱材料的蒸發(fā)和噴出。等離子體通道具有非常高的溫度和壓力。其衰退的梯度影響材料的去除。能量消失得越突然，凹坑材料將噴出得越好。為了提高這種效果，使用一種特別的竅門：在脈沖中斷之前，短暫地加大電流。其實(shí)加大脈沖電流的想法并不新鮮，創(chuàng)新之處在于要及時(shí)定義當(dāng)這種電流加大要發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。加大脈沖電流對(duì)表面粗糙度、磨損或放電間隙寬度不存在因果關(guān)系，但是確實(shí)提高去除率（見圖3）。另外，隨著每個(gè)脈沖的去除率加大，對(duì)于加工你需要更少的脈沖，而且磨損也因此減少。

圖3：尋找加大電流的正確時(shí)刻

零件上的去除率加倍

這種新的加工策略（漸近線檢測(cè)、電流加大和脈沖中斷）是一種用于其新型EDM模具加工系統(tǒng)的應(yīng)用的主題。結(jié)果與理論值相一致，特別是當(dāng)良好的沖洗有保證時(shí)（例如，預(yù)加工的工件）。對(duì)于這些加工任務(wù)，去除率已經(jīng)加倍。在圖4、5和6的應(yīng)用場合，去除率的提高從25%上升到40%。

圖4：不采用新的EDM技術(shù)，帶有一個(gè)燕尾槽的薄片電極（15 x 1 mm）加工深度為20 mm需要EDM加工時(shí)間
70分鐘。采用新的EDM技術(shù)需要50分鐘，意味著在表面粗糙度、放電間隙寬度
和電極磨損（磨損量0.2 mm，僅移動(dòng)式清洗）恒定條件下速度提高40%

圖5：對(duì)于一個(gè)直徑20 mm的球形電極，EDM加工的深度20 mm和zui終表面粗糙度Ra = 1.6 μm。
由于采用新的EDM技術(shù)，加工速度的提高約為25%

圖6：薄片電極，加工深度40mm。挑戰(zhàn)在于要獲得*一致的表面粗糙度。
對(duì)于這種薄片電極（20 x 1 x 40 mm，錐度1°，尺寸下偏差0.5 mm ，EDM3
石墨，僅移動(dòng)式清洗），加工深度40mm、 表面粗糙度，如不采用新的EDM技
術(shù)需要230分鐘才能完成；但是，采用這種新的EDM技術(shù)后加工時(shí)間為170分鐘，
速度提高36%，電極磨損量0.3 mm。表面質(zhì)量*。

發(fā)生器帶來性能的顯著提高

改進(jìn)的發(fā)生器對(duì)生產(chǎn)率提高的貢獻(xiàn)約為30%；可是，對(duì)于如今日益增加的通過高速加工協(xié)同完成的預(yù)銑模具可高達(dá)100%。這里認(rèn)為所有的粗加工和精加工都使用銅電極和石墨電極。具有良好的沖洗條件和預(yù)銑的工件時(shí)優(yōu)勢(shì)特別大。這些有說服力的結(jié)果解釋了要提高模具EDM加工的速度和生產(chǎn)率是可行的，而且改進(jìn)這種技術(shù)的潛力仍然是可觀的。