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1、数控精密电火花加工技术在现代模具加工中的应用李立（上海沙迪克软件有限公司 系统开发部，上海徐汇区 200233）摘要：分析了数控精密电火花加工技术在模具加工中的应用场合，探讨了数控精密电火花加工技术在模具加工应用中的特殊方法。关键词：数控精密电火花加工；现代模具加工；特殊方法1.引引 言言 模具作为一种高附加值的技术密集产品，它的技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要评价指标之一，而要提高模具技术水平最先离不开先进的制造设备。作为特种加工家庭的一员，数控精密电火花加工是对传统机械加工方法的有力补充和延伸，现已成为模具行业中不可缺少的重要加工方法，并正向着精密化、智能化方向发展，同时也成为
2、设计制造中实现特殊要求所不可缺少的工艺方法。2.数控精密电火花加工概述数控精密电火花加工概述 电火花加工(Electrical Discharge Machining,简称EDM)又称电加工，属于特种加工的技术范畴，是先进制造技术的一个重要组成部分。因为现代电火花加工都采用数控装置进行精密或超精密加工，因此称为数控精密电火花加工。电火花加工主要包括电火花成型加工和电火花线切割加工以及电火花高速小孔加工。电火花成型加工简称为电火花加工，电火花线切割加工简称为线切割加工，电火花高速小孔加工简称为小孔加工或穿孔加工。表1.1列出了常见电火花加工的分类情况及各类加工方法的主要特点与用途.表1.1常见电
3、火花加工的分类情况及各类加工方法的主要特点与用途特点 用途说明电火花成形加工 工具和工件间主要只有一个相对的伺服进给运动工具为成形电极，与被加工表面有相同的截面和相反的形状 穿孔加工：加工各种冲模、挤压模、粉末冶金模、各种异形孔及微孔等型腔加工：加工各类型腔模及各种复杂的型腔零件 约占在电火花机床总数的30%，典型机床有北京阿奇SE系列及日本SodickAM系列等电火花成形机床 电火花线切割加工 工具电极为顺电极丝轴线方向转动着的线状电极工具与工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动 切割各种冲模和具有直纹面的零件下料、截割和窄缝加工 约占电火花机床总数的60，典型机床有DK7725及日本So
4、dick AQ数控电火花线切割机床 电火花高速小孔加工 采用细管电极，管内冲人高压水基工作液细管电极旋转穿孔速度较高线切割穿丝预孔深径比很大的小孔，如喷嘴小孔等 约占电火花机床的2.5%,典型机床有北京阿奇SD1 电火花小孔加工机床 电火花成型加工和电火花线切割加工及电火花高速穿孔加工放电加工原理相同，只是其各自的实现手法不同。电火花加工时，工件与加工所用的工具为极性不同的电极对，加工时，电极对之间多充满工作液，主要起恢复电极间的绝缘状态及带走放电时产生的热量的作用，以维持电火花加工的持续放电。为便于理解和对比，将电火花加工时所用工具称为工具电极(简称电极)，而工件则仍称作工件。在正常电火花加
5、工过程中，电极与工件并不接触，而是保持一定的距离(称作间隙)，在工件与电极间施加一定的电压，当电极向工件进给至某一距离时，两极间的工作液介质被击穿，局部产生火花放电，放电产生的瞬时高温将电极对的表面材料熔化甚至汽化，逐步蚀除工件，通过控制连续不断地脉冲式的火花放电，就可将工件材料按人们预想的要求予以蚀除，达到加工的目的，故称作电火花加工。日、美、英等国通常称作放电加工或电蚀加工。图1-1 电火花成形加工机 电火花成型加工是利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的同时也作相反方向的回退运动，以排屑维持放电通道，在工件上“压印”出具有工具电极相同的截面或相反的形状。加工时工具电极作单方向的进给，
6、同时又作快速的回退，在摇动加工中还拌有其它两轴的摇动动作。通过多次放电及重复动作，最终在工件的表面加工出凹坑或穿透工件的孔。图1-2电火花线切割加工机 电火花线切割加工在特种加工中它又属于电火花加工一类，是直接利用电能和热能进行加工的工艺方法。加工时电极丝与工件在X、Y及U、V两个水平方向同时有相对伺服进给运动及垂直方向的直线相对运动。因为这种方法是用一根移动着的金属线(电极丝)作为工具电极与工件之间产生火花放电对工件进行切割，故称为线切割加工。图1-3 电火花高速小孔加工 电火花高速小孔加工是采用细管电极，管内冲人高压水基工作液或油性工作液，细管电极旋转的同时作Z方向快速进给，宏观上不间断地
7、向下加工，类似于铣床钻孔，但穿孔速度比钻削速度高得多。3.数控精密电火花加工在现代数控精密电火花加工在现代模具加工中的应用场合模具加工中的应用场合3.1数控精密电火花加工在冲模加工中的应用数控精密电火花加工在冲模加工中的应用图1-4 扇形齿与椭圆齿轮冷冲模具图1-5 水果刀冷冲模具 冲模一般包括冲裁模/压弯模/引伸模/挤压模等。目前冲裁模的冲孔模/落料模/切边模/切断模/剖切模/切口模/整修模等采用电火花线切割加工的比较多，特别是跳步模（或称级进模）和落料冲孔复合模，在模具上有重复位置精度要求的，均采用电火花线切割加工。电火花成型加工的使用情况：（1）适合于“钢打钢”/“反打正用”的冲模。即用
8、上冲头从凹模的背面加工，产生合理的加工斜度及合适的模具配合间隙。（2）周边较长，配合间隙要求特别精密/均匀的冲模。为了使模具间隙配合均匀，往往反冲头组装成一整体作为电极，加工出形状复杂/槽孔数又多的凹模。（3）特殊情况还得电火花穿孔成形加工。如凹模有空刀要求的/凸模有凸缘要求的，还需要电火花穿孔/成型加工。至于其它模具因结构的特殊性，往往均不是透孔，为形状各异的立方体形状，所以仍广泛采用电火花穿孔成型加工。3.2数控精密电火花加工在型腔模加数控精密电火花加工在型腔模加工中的应用工中的应用图1-6 型腔模中的前模 型腔模又分为锻模/塑料模/压铸模等，其中以塑料模加工最为常见。在塑料模具中，动模和
9、定模是塑料模具的主要组成部分。动模也称型芯或凸模，是成型塑件内表面的模具零件，多装在注塑机的动模板上。定模也称型腔或凹模，是成型塑件外表面的模具零件，多装在注塑机的定模板上。动模和定模通常都要经过淬火处理，硬度极高，一般加工方法难以加工，特别是小孔与异型孔。数控电火花线切割在动模加工中的应用常有镶件孔、顶针孔、司筒孔、斜顶孔等的加工。在定模加工中的应用常有镶件孔、镶针孔等的加工。电火花成型加工在塑料模加工中常有动模和定模的表面加工或深孔加工，对高速铣削加工后进行最终尺寸的精打或作角落加工的补充。4.数控精密电火花加工数控精密电火花加工 在现代模具加工中的特殊应用方法在现代模具加工中的特殊应用方
10、法 4.1数控精密电火花线切割的数控精密电火花线切割的 特殊应用方法特殊应用方法 4.1.1 上下异形件的线切割加工方法上下异形件的线切割加工方法图1-8 上下异形上下异形是指工件的上端与下端形状不一样，如上端为一个圆，下端为一正方形。上下异形的程式例如下：G54G21G90G92 X0.Y-31.25 U0.V0.T84C101 H001G142G01 Y-25.:G01 Y-18.75X25.:G03 X13.2582 Y-13.2583 J18.75Y25.:X13.2583 Y13.2583 I-13.2582 J13.2583X-25.:X-13.2582 I-13.2583 J-1
11、3.2583Y-25.:Y-13.2583 I13.2582 J-13.2583X0.:X0.Y-18.75 I13.2582 J13.2583Y-31.25:G01 Y-31.25G140M02 在上面的程式中，以两点隔开，前面的程式是下面的形状为正方形，后面的程式是上面的形状为圆形。它为一个复合程式，是将上下两个程式并在一起走，下面数据走X、Y轴，上面的数据走U、V轴，最终加工出上下面形状各异的立体直纹面。4.1.2 斜齿轮斜齿轮的线切割加工方法的线切割加工方法图1-9 斜齿轮凸模图斜齿轮凹模 斜齿轮是机械传动中比较特殊的一种传动部件，如果尺寸较小或模数特殊，传统的加工方法很难加工，而线切
12、割在这方面有着许多的优势。其加工的方法还是利用上下异形，用3D软件分析出下面齿轮和上面齿轮相差的角度。在机床软件或专业软件中画好两个齿轮，再将某一齿轮旋转相差的角度，然后按图编写上下异形程式，生成斜齿轮专用切割程式。斜齿轮的程式例下：(GEAR)G21G90G54G00 X0.Y0.U0.V0.T91T84C101 H001M98 P0001T85C102 H002M98 P0002C103 H003M98 P0001T90M02 O0001G90G142G01 X-.3216 Y13.5962:G01 X-.3216 Y13.5962G02 X.0599 Y13.5999 I.3216 J-
13、13.5962:G02 X-.1775 Y13.5988 I.3216 J-13.5962X.1184 Y13.4849 I-5.5543 J-2.8998:X-.117 Y13.4849 I-5.5029 J-2.9962X.173 Y13.3719 I-5.3129 J-2.636:X-.0604 Y13.3729 I-5.266 J-2.7283X.2258 Y13.2562 I-5.2109 J-2.4494:X-.0056 Y13.2581 I-5.1674 J-2.54X.2744 Y13.1431 I-4.9346 J-2.1878:X.045 Y13.1459 I-4.8956
14、 J-2.2735X.3212 Y13.0268 I-4.8102 J-2.0027:X.0938 Y13.0304 I-4.7746 J-2.0863X.3634 Y12.9139 I-4.4899 J-1.7437:X.138 Y12.9182 I-4.4588 J-1.8218X.4038 Y12.7967 I-4.3373 J-1.5607:X.1804 Y12.8018 I-4.3094 J-1.6361X.4391 Y12.6844 I-3.9575 J-1.305:X.2177 Y12.6901 I-3.9341 J-1.3739。X-.5889 Y13.4725 I5.4522
15、 J-2.3341:X-.824 Y13.4602 I5.4922 J-2.2386X-.5345 Y13.5895 I5.7066 J-2.5872:X-.7715 Y13.5781 I5.7509 J-2.4872X-.3216 Y13.5962 I.5345 J-13.5895:X-.3216 Y13.5962 I.7715 J-13.5781G01 X0.Y0.:G01 X0.Y0.G140G90M99 O0002G90G141G01 X-.3216 Y13.5962:X-.3216 Y13.5962G03 X-.5345 Y13.5895 I.3216 J-13.5962:G03 X
16、-.7715 Y13.5781 I.3216 J-13.5962X-.5889 Y13.4725 I5.6521 J-2.7042:X-.824 Y13.4602 I5.6984 J-2.6051X-.6395 Y13.3577 I5.4016 J-2.4489:X-.8726 Y13.3445 I5.4436 J-2.3543X-.6883 Y13.2403 I5.2932 J-2.266:X-.9193 Y13.2262 I5.332 J-2.1733X-.7329 Y13.1255 I5.0079 J-2.0142:X-.9619 Y13.1107 I5.0423 J-1.9265X-.
17、7756 Y13.0076 I4.8772 J-1.8336:X-1.0025 Y12.9921 I4.9085 J-1.7481X-.8139 Y12.8933 I4.548 J-1.586:X-1.0388 Y12.8771 I4.575 J-1.5064。X.3634 Y12.9139 I-4.3777 J-1.4436:X.138 Y12.9182 I-4.3518 J-1.5197X.3212 Y13.0268 I-4.5321 J-1.6308:X.0938 Y13.0304 I-4.503 J-1.7096X.2744 Y13.1431 I-4.857 J-1.8863:X.04
18、5 Y13.1459 I-4.8234 J-1.9708X.2258 Y13.2562 I-4.9832 J-2.0747:X-.0056 Y13.2581 I-4.9462 J-2.1613X.173 Y13.3719 I-5.2637 J-2.3337:X-.0604 Y13.3729 I-5.2222 J-2.4252X.1184 Y13.4849 I-5.3675 J-2.5229:X-.117 Y13.4849 I-5.3226 J-2.6163X.0599 Y13.5999 I-5.6129 J-2.7848:X-.1775 Y13.5988 I-5.5634 J-2.8823X-
19、.3216 Y13.5962 I-.0599 J-13.5999:X-.3216 Y13.5962 I.1775 J-13.5988G01 X0.Y0.:G01 X0.Y0.G140G90M994.1.3 空间曲面零件的空间曲面零件的线切割加工方法线切割加工方法图线切割加工空间曲面体零件 在线切割机床上X/Y和U/V四轴联运能切割上下异形面，但仍然无法加工出螺旋表面/双曲线表面和正弦曲面等复杂空间曲面。但只要增加一个数控回转工作台附件，将工件装在采用步进电机驱动的回转工作台上，采取数控移动和数控转动相结合的方式编程，用工作台的单步转动来代替轴向的单步移动，即可完成上述这些复杂空间曲面的加工方法
20、。4.2数控精密电火花成型的数控精密电火花成型的特殊应用方法特殊应用方法4.2.1 数控精密电火花成型的数控精密电火花成型的镜面电火花加工方法镜面电火花加工方法图混粉电火花镜面加工的大平面及三维曲面 镜面电火花加工技术的研究起步于20世纪80年代。所谓镜面电火花加工一般是指加工表面粗糙度值在Ra0.2m以下的电火花加工，此时的加工表面具有镜面反光效果。研究表明，具有镜面加工效果的电火花加工表面，其表面变质层厚度均匀/极少有微裂纹，并且有较高的耐磨性和耐腐蚀性，无需抛光即可用作零件的最终表面。如瑞士CHARMILLES公司开发出纳秒级脉冲电源SPS，最佳加工表面粗糙度可达Ra0.05m。但这时的
21、镜面加工仅限于小面积加工，对于面积较大的加工达不到镜面加工效果。直到日本学者在研究中发现：在工作液中添加一定数量的硅/铝等微细粉末，会显著地改善电火花加工后的表面粗糙度，达到类似镜面的效果。这就是我们通常所说的混粉电火花镜面加工技术。该方法只需改进加工工作液，对机床/电极等并无特殊要求，因此混粉电火花镜面加工技术具有良好的实用性。4.2.2 数控精密电火花成型的数控精密电火花成型的铣削加工方法铣削加工方法图电火花铣削加工的几种形式（）外轮廓加工（）型腔加工（）沟槽加工（）曲面加工（）线框电极加工（）板状电极加工 电火花铣削加工是20世纪90年代发展起来的电火花成形加工技术。它利用简单电极在数控
22、系统控制下，按照一定轨迹作成形运动，借鉴数控铣削加工方式，通过简单电极与工件之间在不同相对位置的放电加工出所需工件形状。电火花铣削加工技术已经成为三维型腔电火花加工的有力手段之一。同时，电火花铣削的出现给传统电火花成型加工带来了巨大的影响，改变了电火花加工工艺的流程。电火花铣削在加工过程中电极自身不停地进行旋转，同时其它三轴作单一或连动可加工出较为复杂的任一形状。4.2.3 数控精密电火花成型的数控精密电火花成型的螺纹加工方法螺纹加工方法图 电火花加工内螺纹的示意图 数控精密电火花成型加工螺纹的方法有两种。一种是利用锁定摇动功能进行螺纹加工，一种是利用电极与工件作同向同步旋转，工件作径向进给来
23、实现螺纹加工的。前者的加工方法较为简单，在工件上加工出预孔，做一支小于预孔的螺纹电极，作锁定摇动。即径向深度保持不变，电极自身作圆周或方形等运动。在预孔内壁上加工出等螺距的内螺纹。该方法加工的内螺纹不是非常完整，但经实际验证，可以拧入，拧紧，只是承受力不能太大。第二种方法完全是等同于攻牙的过程，其加工出的螺纹完全正确，符合正常螺纹标准。其困难是要有同心夹具，在电极旋转的过程中始终保持轴向一条线。具该加工方法时间过长。对机床的要求过高。4.3 数控精密电火花小孔机的数控精密电火花小孔机的自动化智能化技术自动化智能化技术 数控精密电火花小孔机技术已发展到了8轴数控，同时直线电机的高响应性实现了小孔
24、机连续的高精度微细孔加工。实现了加工性能的优化和操作的简易化。AEC（自动电极交换装置）的搭载可进行D0。080。25电极的自动交换，并进行电极自动修正，确保了长时间的连续加工和多孔加工。还可加工微通孔，能使用0.08mm铜管电极的高厚径比微通孔加工。具有W轴功能，可进行回转加工，可加工出军工企业中独特的工件。图使用 0.02mm钨棒电极穿孔5.总结总结特种加工中的数控精密电火花加工是现代模具加工的有力补充和延伸，是各类模具制作中都不可缺少的重要加工方法，并正向着精密化、智能化方向发展。在特殊加工场合，只要编制正确的程式，采用合理的加工方法，就可以实现设计制造中的特殊要求，生产出特殊的模具产品
25、。参考文献杨永平 主编.模具技术基础M.北京.化学工业出版社 2006赵万生 著.先进电火花加工技术M.北京.国防工业出版社2004.马名峻 蒋亨顺 郭洁民 主编.电火花加工技术在模具制造中的应用M.北京.化学工业出版社 2006李必文 唐永辉 何彬 著.数控线切割自动编程与操作M.北京.国防工业出版社 2007Sodick公司 Sodick操作说明书.Sodick公司网站.作者简介李立，男，1979年生。湖北黄石市人，数控电加工应用技师，十余年模具电加工应用经验。对电加工机床特别是日本SODICK机床有深入的了解，探讨过多种电加工应用上的技术难题。联系方式李立上海沙迪克软件有限公司 系统开发部，上海徐汇区 200233Mobile：13564678481E-mail：谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH