数控电火花加工技术在模具工业中的应用
Numerical control electric spark machining technology in mold industry application
摘要：在模具工业技术快速发展的新形势下，数控电火花加工技术已取得了突破性的进展。本文从数控电火花加工技术发展的基本现状、数控电火花加工的操作过程、数控电火花加工新工艺的应用以及数控电火花加工技术的发展趋势四方面入手加以论述。
Summary：In under the mold industrial technology fast development new situation, the numerical control electric spark machining technology has made the unprecedented progress. This article from the numerical control electric spark machining technological development basic present situation, the numerical control electric spark machining operating process, the numerical control electric spark machining new craft application as well as the numerical control electric spark machining technology trend of development four aspects obtains elaborates.
关键字：电火花加工的基本原理；数控电火花；加工技术；模具工业技术
Key words: Electric spark machining basic principle; Numerical control electric spark; Processing technology; Mold industrial technology
电火花加工的基本原理
电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。
1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。
50年代初，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。
60年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。
到70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。
进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。
在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。 工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。
按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：
1•利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；
2•利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动， 以切割导电材料的电火花线切割加工；
3•利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；
4•用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；
5•小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。
电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；加工时无切削力；不产
生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。
电火花加工的主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。
电火花加工〔火花侵蚀〕是利用在绝缘介质中阳极〔石墨或铜〕与阴极〔加工件〕之间形成漏电流，而产生火花将工作件侵蚀，控制此漏电流，即决定侵蚀的快慢。当电极〔阳极〕靠近工作件时，绝缘流体〔俗称冷却液〕被离子化，带正电的离子撞击阴极工件表面，而使温度升高到数千到数万℃。
目前，模具工业的迅速发展，推动了模具制造技术的进步。电火花加工作为模具制造技术的一个重要分支，被赋予越来越高的加工要求。同时在数控加工技术发展新形势的影响下，促使电火花加工技术朝着更深层次、更高水平的数控化方向快速发展。虽然模具高速加工技术的迅猛发展使电加工面临着严峻的挑战，目前放电加工技术部分工序已被高速加工中心代替，但电火花加工仍旧有广阔的前景。如在模具的复杂、精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角、冒孔、深度切削等加工领域仍被广泛应用。同时这项技术一直被改进和提升，使放电加工技术在模具工业中经久不衰。先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对数控电火花加工技术提出了更高要求，同时也为其提供了新的发展动力。
一、数控电火花加工技术发展的基本现状
数控电火花加工技术正不断向精密化、自动化、智能化、高效化等方向发展。如今新型数控电火花机床层出不穷，如瑞士阿奇、日本三菱等机床在这方面技术都有了全面的提高。
1、精密化
电火花加工的精密核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。时下数控电火花机床加工的精度已有全面提高，通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、IC塑封、手机、CD盒等高精密模具部位的电火花加工。从总体来看，现代模具企业在先进数控电火花机床的应用上，还没能很好地挖掘出机床的精密加工性能。因此有必要全面推动已有数控加工技术的进一步发展，不断提高模具加工精度。
2、智能化
智能控制技术的出现把数控电火花加工推向了新的发展高度。新型数控电火花机床采用了智能控制技术。专家系统是数控电火花机床智能化的重要体现，它的智能性体现在精确的检测技术和模糊控制技术两方面。专家系统采用人机对话方式，根据加工的条件、要求，合理输入设定值后便能自动创建加工程序，选用最佳加工条件组合来进行加工。在线自动监测、调整加工过程，实现加工过程的最优化控制。专家系统在检测加工条件时，只要输入加工形状、电极与工件材质、加工位置、目标粗糙度值、电极缩放量、摇动方式、锥度值等指标，就可自动推算并配置最佳加工条件。智能技术的应用使机床操作更容易，对操作人员的技术水平要求更低。目前智能化技术不断地升级，使得智能控制技术的应用范围更加的广泛。随着市场对电加工要求的提升，智能化技术将获得更为广阔的发展空间。
3、自动化
目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下，只要在加工前将电极装入刀库，编制好加工程序，整个电火花加工过程便能日以赴继地自动运转，几乎无需人工操作。机床的自动化运转降低了操作人员的劳动强度、提高生产效率。但自动装置配件的价格比较昂贵，大多模具企业的数控电火花机床的配置并不齐全。数控电火花机床具备的自动测量找正、自动定位、多工件的连续加工等功能已较好地发挥了它的自动化性能。自动操作过程不需人工干预，可以提高加工精度、效率。普及机床的自动化程度是当前数控电火花机床行业的发展趋势之一。
4、高效化
现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式，即要求在保证加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手机外壳、家电制品、电器用品、电子仪表等领域，都要求在加工时大幅缩短放电时间，同时又要降低粗糙度，使放电后不必再进行手工抛光处理。这不但缩短了加工时间且省却后处理的麻烦，同时提升了模具品质，使用粉末加工设备可达到要求。高效化的加工模式是企业扩大市场空间、提升市场竞争力的资本，其开发而成的新产品、新技术亦愈受欢迎。
二、数控电火花加工的操作过程
数控电火花加工技术的发展，使得加工过程的操作更为快捷。使用ATC（自动电极交换装置）的数控电火花机床的操作过程为：机床在开机后，先回到机械原点；然后装夹工件，将基准球固定在工作台X、Y行程范围内任意位置；把要加工的电极装入ATC电极库，将基准电极插入主轴夹头；通过手动控制完成基准电极中心对工件零点的定位；接着完成基准电极对基准球的中心定位，将基准电极的中心偏移量记忆。使用自动编程软件制作程序，首先输入使用的电极号、加工深度，执行检索加工条件；再制作测量加工电极中心偏移量的程序与加工程序组合，保存制作好的程序；最后调出程序执行即可开始加工。加工过程中自动装入电极、自动测量加工电极中心偏移量、自动定位、开油加工、监测加工。整个加工过程的重要操作步骤是在编程环节，编程时加工思路一定要清晰，输入的数值一定要准确，才能保证自动加工过程的正确执行。不具备ATC电极库的数控电火花加工操作过程与上述是一样的，只是加工中换电极、测量中心偏移量的步骤需由手动操作完成。可见ATC是数控电火花加工自动化的重要工具，它的应用打破了传统加工繁琐的操作模式。
三、数控电火花加工新工艺的应用
电火花加工工艺是实现加工目的直接手段。目前已经开发出了多种电火花加工工艺，并在生产中取得了一定的经济效益。下面介绍几种在数控电火花加工中新应用的工艺及其优势。
1、标准化夹具实现快速精密定位
数控电火花加工为保证极高的重复定位精度且不降低加工效率，采用快速装夹的标准化夹具。这类装置的原理是电极在制造时，是集电极与夹具为一体的组件在装有同数控电火花机床上配备的工艺定位基准附件相同的加工设备上完成的。工艺定位基准附件都统一同心、同位，并且各数控机床都有坐标原点。因此电极在制造完成后，直接取下电极和夹具的组件，装入数控电火花机床的基准附件上，无需再进行纠正调节。加工过程中如需插入一“急件”加工，同样可以将正在加工的半成品卸下，待急件加工完后再继续快速装夹加工。标准化夹具，是一种快速精密定位的工艺方法，它的使用大大减少了数控电火花加工过程中的装夹定位时间，有效地提升了企业的竞争力。
2、混粉加工方法实现镜面加工效果
在放电加工液内混入粉末添加剂，以高速获得光泽面的加工方法称之为混粉加工。该方法主要应用于复杂模具型腔，尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工。可降低零件表面粗糙度值，省去手工抛光工序，提高零件的使用性能（如寿命、耐磨性、耐腐蚀性、脱模性等）。混粉方法加工镜面主要技术要求有：电火花机床具有镜面精加工电路（具有极小的单个脉冲能量）；选择合适的粉末添加剂；进行粉末添加剂的浓度管理；利用扩散装置来消除浓度的误差；采用无冲液处理方式。混粉加工技术的发展，使精密型腔模具镜面加工成为现实。
3、摇动加工方法实现高精度加工
电火花加工复杂型腔时，在不同方向上的加工难度和加工面积相差很大，会产生加工不稳定、放电间隙不均匀等情况。为了保证高效率下放电间隙的一致性、维持高的稳定加工性，可以在加工过程中采用电极不断摇动的方法。加工中采用摇动的方法可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，更容易控制加工尺寸。摇动加工选用是根据被加工部位的摇动图形、摇动量的形状及精度的要求而定。如果在加工中不采用摇动的方法，则很难实现小间隙放电条件下的稳定加工。在精加工中很容易发现因这个原因造成的不稳定加工现象，不稳定放电使尺寸不能准确地得到控制且粗糙度不均匀。采用摇动的加工方法能很好解决这些问题且能保证高精度、高质量的加工。
4、多轴联动加工方法实现复杂加工
近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加工技术的进步。采用多轴回转系统与多种直线运动协调，组合成多种复合运动方式，以适应不同种类工件的加工要求，扩大了数控电火花加工的加工范围，提高了其在精密加工方面的比较优势和技术效益。数控电火花加工机床可利用多轴联动很方便地实现了传统电火花机床难以加工的复杂型腔模具或微小零件的加工，如三维螺旋面、微细齿轮、微细齿条等。
四、数控电火花加工技术的发展趋势
未来数控电火花加工技术的发展空间是十分广阔的。由于电火花加工过程本身的复杂性，迄今对电火花加工的机理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系统的工艺实验基础上完成的，所以对电火花加工机理的深入研究，并以此直接指导和应用于实践加工是数控电火花加工技术发展的根本。在现有技术水平的基础上，不断开发新工艺将是数控电火花加工技术发展方向。如数控电火花铣削加工是一种还不成熟的技术，值得继续研究的新工艺。数控电火花机床在结构设计、脉冲电源的开发方面将朝更合理、更具优势化的方向全面发展，数控电火花加工在控制技术上将朝自动化、智能化方面的更高层次发展，数控电火花加工的网络管理技术在高档机床上已有初步应用，将逐步被推广及应用，获取更好的系统管理效果。总之，数控电火花加工技术以提高加工质量、提高加工效率、扩大加工范围、降低加工成本等为目标在模具工业中不断发展。
在模具工业技术快速发展的新形势下，数控电火花加工技术已取得了突破性的进展，其不仅在过去及和现在的模具制造中被广泛应用，相信在今后的模具加工中其也必将发挥重要作用。
