汽車零部件粉末冶金模具製造的高效率電火花加工解決方案-阿奇夏

摘要：全文就汽車零部件粉末冶金模具製造中的重要工藝電火花加工的效率問題，提供了實現高效率加工的解決方案。具體從電火花加工工藝、電火花加工機床的調整、電火花加工操作三個方面作了充分闡述，對該類企業有重要指導作用。
關鍵詞：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動機的進排氣門、發動機連桿、變速箱齒輪中的同步器錐環、油泵主從動齒輪等，在這些零部件的生產中，主流的核心技術便是粉末冶金技術及模具製造。而在粉末冶金模具的製造中，數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行放電加工。圖1所示為某汽車零部件粉末冶金模具製造公司的電火花加工車間一角（裝備的產品為阿奇夏米爾藍線電火花加工機床），生產這類模具往往需要大批量的數控電火花加工機床才能滿足模具製造周期的要求。
筆者曾到訪過寧波、南通等地的一些生產汽車零部件的粉末冶金公司，他們的模具經理都非常關注電火花加工的效率問題。這是因為電火花加工本身就是一種加工速度較慢的工藝方法，在電火花加工機床設備有限的情況下，往往會導致粉末冶金模具製造周期延長，也就不能如期完成汽車零部件的生產與供應。
如何通過有效、可行的工藝措施，使電火花加工機床在保證加工質量的前提下提高加工速度，依靠高效率的電火花加工生產來縮短模具製造周期？下文就這個問題，從實際加工經驗出發，總結了與電火花加工效率直接相關的三大方面：電火花加工工藝、電火花加工機床的調整、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解決實際的問題。

圖1汽車零部件粉末冶金模具製造公司的電加工車間1電火花加工工藝相關的要點
1.1要用機械加工去除大部分材料
電火花加工部位在進行加工之前，要採用機械加工方法進行粗加工，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。選擇工藝時不僅要考慮加工速度，還應詳細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隻電極來加工出所需的型腔部位，這種工藝方法用於加工形狀簡單、精度要求不高的型腔，不需要進行重複的裝夾操作，可提高電火花加工的效率。對於加工要求較高的場合，通常採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，然後用精加工電極進行精加工，精加工還可考慮換用多個電極來補償電極的損耗。
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。很多模具企業在選擇電極材料時，很少進行考慮，大小電極一律習慣選用同種電極材料，這種做法會影響電火花加工的效率。
大多企業使用紫銅作為電極材料。而根據加工經驗，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省約1/3的時間；也有些企業已經認識到石墨的優越性，於是習慣選用石墨電極，導致模具在表面粗糙度要求低於Ra0.8um的加工場合，始終難以穩定地達到加工要求，而反覆進行的返修加工，極大地降低了加工效率，如果選用紫銅電極，問題將會迎刃而解。可見選擇電極材料時，應根據加工要求作出合理的選擇。
1.3確定適當的電極縮放量
模具的電火花加工中，通常會因為電極縮放量取得太小不能選用較大的放電條件而導致加工效率低下。如在加工允許的情況下，粗加工電極的縮放量取單側0.3mm選用的電參數比取單側0.15mm的電參數要提高速度在2～3倍以上。平動加工時精加工電極可根據加工情況，適當增大電極縮放量有利於提高加工速度。必須注意，增大電極縮放量后必須對應提高放電參數的能量，並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0.8mm，而實際加工雖然選擇了較大的加工條件，但實際的放電間隙可能只有單側0.3mm左右，那麼將會為後續加工留下了較多的材料余量，必將降低加工效率。數控電火花加工機床如果按照傳統機床的電極的縮放方法，不利用平動加工的功能，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0.03mm，那麼只能選用一個較小的放電參數進行加工，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的情況；如果將電極縮放量增加到單側0.08mm，那麼加工的放電參數可以增大，可以很快地將材料余量去除，利用平動功能來逐步修光側面。對於加工電極是圓形、方形的更應如此。普通加工中適當增大電極縮放量並不會對形狀造成多大影響，精密加工時才應特殊對待。
1.4電極設計考慮「面積效應」
「面積效應」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的變化的效應。
當電火花加工的面積小到某一臨界面積時，加工速度會顯著降低。因為加工面積小，在單位面積上脈衝放電過分集中，致使放電間隙的電蝕產物排除不暢，同時，會產生氣體排除液體的現象，造成放電加工在氣體介質中進行，而大大降低加工速度。因此設計電極時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，應考慮將整體電極分拆成幾個電極進行分次加工，可以根據型腔的幾何形狀把電極分解成主型腔電極和副型腔電極。否則在加工中會出現放電不穩定的情況，導致加工效率低下、精度難以保證等不良情況。
2電火花加工機床調整的要點
2.1電參數的調節
電參數選擇的好壞，直接影響加工的各項工藝指標。電參數調節最終目的是為了達到預定的加工尺寸、表面粗糙度要求，達到較高的加工效率。電參數調節時，基本上要考慮：電極數目、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。
目前數控電火花機床的智能性能已經有了很大的提高，圖2所示為阿奇夏米爾藍線產品SA系列精密電火花機床，機床儲存有針對各種材料組合加工的大量成套電參數，只需要在編程過程中按照編程要求輸入工藝條件，即可自動選擇、配置電參數。加工中機床依靠智能化控制技術，由計算機監測、判斷電火花加工間隙的狀態，自動微調電參數，保持穩定的放電加工，達到較高的加工效率。智能電參數一般能滿足加工要求，並且極大地降低了機床對操作機床人員的技能要求。而傳統電火花機床要求操作者具有豐富的工作經驗，能夠根據加工要求靈活配置電參數。
機床的智能控制技術並不是萬能的，還是不能忽視人工調整電參數的作用。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，人工調整電參數就顯得很有必要。調整電參數時，應該優先考慮調整電參數主規准以外的參數，如抬刀高度、放電時間、抬刀速度等；其次可以按次序考慮調整脈衝間隙、脈衝寬度、加工電流等，特殊材料加工可以試用負極性加工（電極為負極）。在加工狀態穩定的前提下，減少抬刀動作及幅度、降低脈衝間隙、增大加工電流有利於提高加工效率。但是在加工不穩定的情況下，一定要保持勤抬刀，適當選用較大的脈衝間隙，否則反而會降低加工效率，甚至引起電弧放電，使加工過程不能正常進行。根據加工經驗，適當保守地進行電參數的調節，可以維持加工的正常進行，並且可獲得較高的加工效率。
2.2加工留量的控制
數控電火花加工是用多個條件段來進行加工的，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。設使用的電規准從大到小分三段來進行加工，則根據各檔電規准放電間隙的大小來設置進給深度和平動半徑：第一個規准進給深度為4.85mm，平動半徑為0.02mm，第二個規准進給深度為4.92mm，平動半徑為0.13mm，第三個規准進給深度為4.97mm，平動半徑為0.17mm。條件段之間加工留量大小的控制與加工效率有很大的關係。適當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規准進給深度改為4.9mm，平動半徑為0.1mm，第二個規准進給深度為4.95mm，平動半徑為0.15mm，第三個規准不變，則可以在一定程度上提高加工效率。
數控電火花加工機床自動編程時給出的加工留量，是以保證表面粗糙度為前提的，相對來說比較保守，為了進一步提高加工效率，可根據加工要求來人為修改自動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加工規准能修光上一個加工規准。
另外，減少加工留量對提高小面積的加工效率意義並不大。
2.3平動加工的選擇
平動加工是數控電火花加工的一種重要工藝方法。不同的數控電火花加工機床其平動加工的方式有所區別，應根據所使用機床靈活、合理應用平動加工。某數控電火花機床的平動加工方式有兩種：自由平動和伺服平動。自由平動是指主軸伺服加工時，另外兩軸同時按一定軌跡作擴大運動，一直加工到指定深度。伺服平動是指主軸加工到指定深度后另外兩軸按一定的軌跡作擴大運動。自由平動一般用於淺表加工，加工時邊打邊平動可以改善排屑性能，可提高加工速度，減少積碳；但對於深度較深的場合，卻會降低加工速度，增大電極的邊角損耗。伺服平動一般用於加工深度較深的加工場合，先加工完底面再修側面，深度較淺時其加工效果不如自動平動，也常用在加工型腔側壁的溝槽、環，還可用在其它兩軸平動的場合等等。
2.4定時加工
數控電火花加工機床一般都具有定時加工功能，可用於控制面積較大電極精加工的最後幾段電參數的加工時間。精加工中電規準的電蝕能力非常弱，由於間隙內加工屑及其它因素的影響，需要花費很長的加工時間，甚至出現一段條件遲遲加工不完成的情況。由於最後幾個條件的尺寸變化已經很小，實際上我們只要加工到要求的表面粗糙度后就可結束加工，可根據經驗採用定時加工方法，可大幅度地提高精加工效率。
3電火花加工操作的要點
3.1提高重複定位精度
模具電火花加工往往需要使用很多個電極進行加工，需要進行重複定位。實際加工中，重複定位精度也是影響電火花加工效率的一個重要因素，這些情況主要發生在精加工中。比如：第一個電極在對深度時沒有對準，導致第一次加工的深度淺了，那麼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准，必然導致加工效率低下。根據加工經驗，如果像接近30cm2的大面積加工，在精加工規准下，多加工0.02mm的深度，也將會花費1個小時以上的加工時間；還有如第一個電極加工完成後，第二個電極加工的位置與第一個電極的加工位置存在較大差別，另一個側面的加工量增多，這種情況也會降低加工效率。
利用電極與工件進行接觸感知的定位方法在模具企業被廣泛採用。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，難以保證穩定的定位精度，因定位超差導致的加工異常問題時有發生，降低了加工效率。為了提高重複定位精度，可以採用間接定位方法。如利用基準球進行間接定位，這種定位方法由於採用的是點接觸，可在最大範圍內消除誤差。還有一個提高重複定位精度最好的辦法是採用快速裝夾的定位系統，如3R和EROWA等裝置，電極和工件都可以快速換裝，並且可以達到理想的定位效果，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生的氣體、金屬屑末等及時排除，必須高效率地排出加工屑，為此，應使用合理的沖液方式，控制好沖液壓力時，使加工穩定進行，提高加工效率。一般都要衝油或抽油。適當的增加沖油壓力會使加工速度提高，但沖油壓力超過某一數值后，還繼續增加，加工速度則略有降低。
4其它
4.1機床的加工性能
好的放電機床是實現高效率放電加工的前提條件。脈衝電源對提升加工速度起著極其重要的作用，脈衝電源性能的好壞決定著放電加工微觀過程的優劣，決定著精加工中小放電間隙條件下能否穩定、高效地完成加工。自適應電源在加工中的自適應調節，為達到較高的加工效率起到了重要作用。專家系統等智能技術使機床操作更容易，縮短了編程、操作的時間。
配備ATC裝置的全自動機床操作過程不需人工干預，可以連續地自動運行加工，大為提高了加工效率。機床的抬刀技術上對加工速度也有一定的影響，如主軸採用很高加速度進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有所差異，應綜合考慮進行選擇。鏡面加工的時間一般都比較長，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。這主要取決於工件材料的物理性能（熔點、沸點、熱導率、比熱容、熔化熱、氣化熱等）。如電火花加工鋁的效率非常高，但加工硬質合金的效率相當低下。
5汽車零部件粉末冶金模具電火花加工參考實例
下面提供GF阿奇夏米爾藍線產品SA機床加工粉末冶模具的一些實例及數據，供參考。6結束語
在汽車零部件粉末冶金模具製造的電火花加工中，影響電火花加工效率的因素眾多。應根據加工對象的具體要求，進行綜合考慮，把握好工藝的各個環節，才能使電火花加工機床達到高的加工效率。