世界先進制造技術(shù)

近年來，由于各種新材料,、新工藝,、新技術(shù)的快速發(fā)展，特別是國防,、航空航天,、特殊材料應用領域的要求，對于特種加工技術(shù)提出了不同的課題,。也由于相關領域技術(shù)的快速發(fā)展,，特別是以移動互聯(lián)網(wǎng)智能控制技術(shù)為標志的現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展進步，對于特種加工技術(shù),、特別是電火花加工技術(shù)以巨大的推動,。

譬如航天航空領域大推比航空發(fā)動機對于帶冠整體渦輪葉盤制造的需要、對于燃燒室高溫合金火焰筒隔熱屏群孔密集孔加工的需要,，靜葉片軸向超深小孔加工的需要,、渦輪葉片仿生材料表面加工的需要、深海石油設備制造對于超深小孔加工的需要,，核工業(yè)對于高熔點金屬材料深小孔加工的需要,，推動了業(yè)界對于電加工尤其是電火花相關應用技術(shù)的研究與發(fā)展。

另一方面,，由于電火花加工技術(shù)在國內(nèi)的應用和發(fā)展,，也推動了傳統(tǒng)加工技術(shù)的改進和工藝調(diào)整，如電火花高速往復走絲及單向慢走絲電火花線切割加工技術(shù)的普及應用,，使一般模具加工,、尤其是沖壓磨具早已摒棄傳統(tǒng)機械加工,、鉗工手工加工的傳統(tǒng)加工工藝，走向以特種加工為住的新工藝路線,。

還有電火花高速小孔加工機床的大量應用普及,，為機械行業(yè)深小孔加工提供了一種不可代替的選擇。首先,，這種機床使用銅管電極,，無切削力加工，不產(chǎn)生附加應力,，沒有折斷鉆頭之虞;大厚度金屬材料快速加工,，已經(jīng)超過任何其他加工手段。在大深徑比超深小孔加工方面,，目前還沒有其他代替方法,，如易通生產(chǎn)的ET-DX703S系列電火花超深小孔機，能加工直徑1~3毫米超深小孔,，絕對深度已經(jīng)達到2000毫米,。

1、引 言

當前,，模具制造技術(shù)的快速發(fā)展,，賦予了電火花加工更高的要求。表面粗糙度是電火花加工的一項重要技術(shù)指標,。

目前通過對機床的改進和開發(fā)新的工藝方法,，已能實現(xiàn)鏡面電火花加工。所謂鏡面電火花加工一般是指加工表面粗糙度Ra<0.2μm的電火花加工,，同時加工表面具有鏡面反光效果,。該技術(shù)主要應用于精密模具的復雜型面的加工，電火花加工獲得的高光潔度表面無需再進行手工拋光,，避免了手工拋光導致的形狀與尺寸精度缺陷問題,，具有實際意義。

2,、鏡面電火花加工關鍵應用技術(shù)

以下根據(jù)實踐加工經(jīng)驗對鏡面電火花加工應用的關鍵技術(shù)進行探討,。

2.1 與工件材料的關系

由于工件材料的化學成分和組織結(jié)構(gòu)的不同，在相同的加工條件下,，會產(chǎn)生不同的加工效果,。有一些材料能獲得良好的鏡面效果，而一些材料卻得不到鏡面效果,，甚至表面有條紋等異常情況,。

表1列出了多種常見工件材料的電火花鏡面加工性能。需要注意的是,，并不是電火花加工鏡面效果不好的材料就說明其不屬于鏡面材料,，如S136 ESR鋼材本身具有出色的拋光性能,，但使用電火花加工的鏡面效果卻不理想，這是因為電火花加工與拋光是兩種加工原理完全不同的工藝方法,。臥式加工中心

電火花加工的表面是由許多互相重疊的盤狀凹坑組成,，這些微小凹坑在光的反射下形成了閃光的鏡面，不同材料電火花加工后所產(chǎn)生的微觀凹坑形貌不相同,，因此表面的光亮性也不相同,。

表1 常見工件材料的電火花鏡面加工性能

可以認為下列情況是工件材料影響鏡面加工效果的一些原因：

（1）含有大粒徑的粗生碳化物或粗大晶體顆粒添加物對加工鏡面不利，產(chǎn)生顯微裂紋,；

（2）含硅成分有利于獲得較好的鏡面效果,；

（3）含有快削成分的硫S對加工鏡面不利,，易產(chǎn)生表面條紋,；

（4）材料軋制方向等胚料制造工藝因素對加工鏡面不利，產(chǎn)生表面條紋,；

（5）金屬夾雜物,、氣泡、氧化物等因素形成針眼和孔洞,。

通常來講,，大多數(shù)塑膠模具鋼能滿足鏡面電火花加工的要求，而大多數(shù)冷作模具鋼則不能滿足,。

當材料的性能滿足鏡面電火花加工性能時,，其硬度越高，電火花加工鏡面的效果要好,，如表2所示,。一般要求鏡面電火花加工的鋼料應熱處理淬硬至HRC>50。

表2 材料硬度對鏡面效果的影響對比

2.2 與加工面積及型腔類型的關系

電火花加工的鏡面效果與加工面積,、形狀,、深度有直接的關系。

由于電火花加工的表面粗糙度主要取決于單個脈沖能量,，通過降低單個脈沖的火花放電能量可產(chǎn)生表面粗糙度值低的反光表面,，但這時的鏡面加工僅限于小面積加工。隨著加工面積的增大,，電極和工件之間的寄生電容相應增大,，當單個小能量放電脈沖作用于兩極之間時，并不能引起兩極間的火花放電,，此時的間隙電壓升高很慢,，脈沖能量被儲存于寄生電容中，只有當多個放電脈沖到來,，寄生電容中儲存了足夠多的能量后,，間隙電壓逐漸升高到擊穿電壓,，才引起火花放電，但此時的放電能量相當于多個放電脈沖能量的疊加,，產(chǎn)生的放電蝕坑深度將大大增加,，表面粗糙度值變大，加工表面便失去鏡面效果,。

為了實現(xiàn)大面積的鏡面電火花加工,，通過在工作液中添加一定數(shù)量的粉末，會顯著地改善電火花加工后的表面粗糙度,，達到類似鏡面的效果,，并能獲得更快的加工速度（使精加工時間縮短20%-30%）。

在不使用混粉加工工藝的情況下,，加工面積越大越難以獲得好的鏡面效果,。事實上，由于平動工藝的應用,，電極并不是整個面積都接觸,，這種局部放電減少了電容效應，另外由于電極與工件之間在放電過程中本身也會產(chǎn)生一層均勻的炭黑層,，其作用類似于混粉加工的意義,，因此更大一些的加工面積（如1600mm2）通過優(yōu)化工藝參數(shù)也能實現(xiàn)均勻一致的鏡面效果。對于使用混粉加工工藝的情況,，則可以輕松實現(xiàn)大面積（如10000mm2）的鏡面效果,。臥式加工中心

從加工形狀來看，簡易形狀比復雜形狀要容易獲得鏡面,。最容易獲得鏡面效果的形狀是圓形,，其次是方形、輪廓復雜的形狀,，難度最大的是多個型腔整體放電的類型,。復雜形狀的拐角、弧面處的鏡面效果較容易出現(xiàn)不均勻,、波紋等異常,。

判斷型腔鏡面加工的難易程度還可以參考放電產(chǎn)生的炭黑層能否均勻覆蓋于電極與工件表面的情況。例如底面比側(cè)面更容易獲得好的鏡面效果,，這是因為在整個放電過程中,，底面始終處于被修整的狀態(tài)，炭黑層能均勻分布在加工表面,，但側(cè)面是依靠平動加工來完成,，炭黑層相對底面不能有效地覆蓋。另外，深度越大的型腔,，由于加工部位不能均勻地覆蓋炭黑層,，因此鏡面效果的均勻性會受到影響。

2.3 鏡面加工工藝數(shù)據(jù)庫

電火花加工工藝數(shù)據(jù)庫的配置內(nèi)容主要包括電規(guī)準和預留量,。一套鏡面電火花加工數(shù)據(jù)庫由多達十幾個電規(guī)準組成,。從粗加工電規(guī)準到精加工電規(guī)準，需要合理過渡電規(guī)準來逐步降低表面粗糙度,。

每一檔電規(guī)準都應能夠穩(wěn)定放電,，不產(chǎn)生拉弧、積碳等不良表面情況,。同時每兩檔電規(guī)準之間需要預留合理的余量,，后一電規(guī)準要能將前一電規(guī)準產(chǎn)生的放電凹坑修光。只有完美地將電規(guī)準和預留量搭配好構(gòu)建一套加工數(shù)據(jù)庫,，才能在實際生產(chǎn)中實現(xiàn)鏡面加工,。

電規(guī)準包括電流、脈沖寬度,、脈沖間隙,、極性,、電壓及抬刀控制等參數(shù),。粗加工階段的電規(guī)準使用較大的峰值電流與脈沖寬度，較小的脈沖間隙,，使用正極性（電極為正）來實現(xiàn)高效率,、低損耗加工，抬刀速度要快,，有助排屑,。

中加工階段電規(guī)準的電流依次減少，為了降低表面粗糙度值并實現(xiàn)穩(wěn)定的放電加工,，脈沖寬度大幅度減少,，由于粗加工階段已經(jīng)將大部分加工量去除，中加工階段的相對損耗并不大,。精加工階段通常在VDI18級（Ra0.8um）規(guī)準以下使用負極性加工（電極為負極）,，使用更小的脈沖寬度，通過電容儲能來放電,，這樣實現(xiàn)了在精加工階段也能保持較高的效率與放電穩(wěn)定性,。為了避免表面黑斑等缺陷，精加工階段的電規(guī)準使用大脈間,，以實現(xiàn)均勻一致的亞光精加工表面,。

在精加工表面達到VDI12級（Ra0.4μm）左右時，就可以切換進入鏡面加工。鏡面加工的效果取決于最后這一檔電規(guī)準的配置,。從理論上來講,，鏡面電火花加工電規(guī)準配置應選用小的峰值電流、小的脈沖寬度,、較大的脈沖間隙,；峰值電流選的越小，脈沖寬度越小,，脈沖間隙越大,，加工表面粗糙度值就越小。臥式加工中心

事實上,，采用這種參數(shù)搭配方法,，加工效率極低，太小的脈沖能量由于不能穩(wěn)定放電導致不能獲得均勻一致的鏡面效果,。實際的鏡面加工,，宜選用較大的峰值電流和較小的脈沖寬度，較大的峰值電流使得小脈寬條件下的放電擊穿變得容易,。鏡面電火花加工采用負極性加工（電極為負）,，不能搭配電容。另外,，抬刀控制參數(shù)的選擇同樣非常重要,，與常規(guī)加工的選擇也存在一些差別，如放電時間要設長些,，抬刀高度不要太高,，抬刀速度不能太快，這樣設置的目的是為了使電極與工件之間能形成一層均勻的炭黑層,，以維持穩(wěn)定的電蝕過程,，過勤的抬刀動作會干擾炭黑層的形成。

電規(guī)準之間的預留量會影響加工速度與表面粗糙度,。較小的預留量加工效率高,，但會導致表面修不光。最理想的加工狀況是第一個條件加工完后,，其后的加工只是修光第一個加工條件形成的表面不平度,，而不打掉新的材料。

先進的數(shù)控電火花加工機床的電規(guī)準的配置方法是智能化的,，可以通過專家系統(tǒng)來自動生成加工工藝數(shù)據(jù),。編程時選擇材料對、應用類型,、表面粗糙度值,，輸入加工面積,、加工深度、電極尺寸縮放量等,，機床就能配置出加工電規(guī)準,。

表3 某先進機床鏡面加工工藝數(shù)據(jù)表（部分）

2.4 平動工藝

數(shù)控電火花加工機床的平動功能，電極沿著目標加工形狀不斷在搖動中加工,，消除了電極的停滯,，可實現(xiàn)型腔底面與側(cè)面均勻一致的表面效果,。在不使用平動工藝的加工中,，即使是直徑10mm的小面積也難以實現(xiàn)均勻一致的高光潔度鏡面效果,。平動工藝的應用避免了電極整個面積的集中接觸放電,，通過周期性的局部放電可實現(xiàn)較大面積的鏡面加工。

2.5 與電極的關系

鏡面電火花加工采用多電極更換的工藝方法,。需要根據(jù)加工部位加工量的大小來確定使用幾個電極進行加工,。通常使用粗,、精加工兩個電極,，粗加工電極尺寸縮放量取單邊0.25mm,，精加工電極尺寸縮放量取單邊0.15mm，加工面積小或者仿形精度要求高時可取小一些,。粗加工電極采用較大放電能量的電規(guī)準快速蝕除大量金屬,，表面達到VDI28（Ra2.5μm）即可，通常預留0.07mm左右的余量,；精加工電極逐步修細,，最終進行鏡面加工。如果型腔已進行過預銑加工,，加工量不大的情況,，使用一個電極即可完成從粗到精的鏡面電火花加工。

粗,、精加工要求電極的一致性要好、制造精度要高,，更換電極的重復裝夾,、定位精度要高�,？梢圆捎酶咚巽娭圃祀姌O,、使用基準球測量的定位方法、使用3R快速裝夾定位系統(tǒng)進行重復定位等工藝來滿足高要求,。臥式加工中心

鏡面電火花加工要求使用純度較高的紫銅作為電極材料（如日本三寶紅銅）,，其加工性能良好，不易發(fā)生電弧放電,，能獲得均勻一致的加工表面,。如果使用的紫銅電極材料的純度不夠會導致加工的鏡面不均勻、局部缺陷等不良現(xiàn)象。

2.6 與工作液的關系

電火花工作液在加工過程中起著消電離,、冷卻,、排除電蝕產(chǎn)物的作用。工作液應根據(jù)電火花加工的要求來進行選擇,，主要參考粘度指標,，抗氧化性能和熱穩(wěn)定性也很關鍵，決定油品的使用壽命,。低粘度有利于加工間隙中工作液的流動,，將蝕除產(chǎn)物及加工產(chǎn)生的熱量帶走，使加工間隙及時恢復正常狀態(tài),。鏡面電火花加工使用的工作液粘性推薦為2～3 mm2/s,，建議配用電火花油TOTAL EDM 22（運動粘度（40℃）2.4mm2/s；閃點102℃）,。

混粉電火花加工在工作液中加入了一定數(shù)量的粉末顆粒,，據(jù)國內(nèi)外眾多混粉加工的技術(shù)報道基本有硅粉、鋁粉,、鎂粉,、石墨粉幾種。FORM20機床使用的粉末為GF加工方案公司研究的專用混粉溶液,，其成分主要為石墨顆粒,，大致長度小于8um，粉末添加的濃度要求為2g/L,。每一次更換混粉液前需要過濾,、清潔火花油，將加工過程中的殘屑與失效的粉末過濾掉再加入混粉溶液,，保證加工效果的使用時間在 350 ～400 小時,。混粉液的濃度不夠時,，在較短的時間內(nèi)不能達到表面有光澤的效果,，當混粉濃度過大時，型腔的銳邊棱角會被破壞,，電極與工件之間較多粉末的存在會導致流動短路,，嚴重時會在工件表面產(chǎn)生傷痕。

2.7 鏡面加工過程處理

數(shù)控電火花加工一般在浸油加工的基礎上加適當壓力的側(cè)沖液,，以幫助有效排屑來提高加工效率,。而鏡面電火花加工過程中不能使用側(cè)沖液，將工作液設置為輕微循環(huán)狀態(tài)即可,。側(cè)沖液的沖刷作用力會破壞電極與工件之間的炭黑層,，影響鏡面加工效果的均勻性,。

鏡面電火花加工過程中，往往能保持高穩(wěn)定的放電狀態(tài),，一般不會產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，因此在加工過程中應盡量不停機,，尤其是不要將工件加工表面的粉末層清理掉,，否則會嚴重影響鏡面加工過程的持續(xù)進行,。

加工完成后發(fā)現(xiàn)鏡面效果不理想時,，不要將工件拆下,，使用鏡面電規(guī)準再進行精修,。精修時會發(fā)現(xiàn)放電狀態(tài)非常不穩(wěn)定，電極遲遲不能進入整體放電狀態(tài),。在這種情況下,，先使用氣槍將電極與工件表面上的炭黑層完全吹干凈，然后啟動放電,，并將電壓值增大至200V～250V,，電壓加大后放電擊穿變得容易，在短短的幾分鐘內(nèi)可以觀察到放電狀態(tài)由局部放電轉(zhuǎn)入到整體放電,，這時再將電壓值恢復至正常值,。這個過程中電極與工件之間會重新產(chǎn)生炭黑層，需要待整個加工部位都出現(xiàn)均勻的炭黑層才能結(jié)束加工,。臥式加工中心

總結(jié)：

在國內(nèi)電加工技術(shù)的發(fā)展中,，還有這樣一個動向，為機械行業(yè)的發(fā)展提供輔助便攜電加工工具設備,，在此做一個具體的說明：

機械加工行業(yè)中,，常常有折斷工具的情況發(fā)生,，譬如常見的折斷絲錐、折斷螺栓,、折斷內(nèi)孔刀具等情況發(fā)生;在石油鉆井行業(yè)還有鉆具鉆頭上的發(fā)生的硬質(zhì)合金工具頭折斷現(xiàn)象,，導致價值很高的鉆具鉆頭報廢。為此,，適應各種條件下應用的系列手提電火花取折斷工具機應運而生,，在不損傷原有工具的基礎上，利用電火花放電原理,，蝕除了折斷工具殘屑,，以解決問題。

傳統(tǒng)的電火花成形機床,，可以解決模具型腔的成形加工問題,，但是在一般機械加工行業(yè)，有一些特殊材料譬如硬質(zhì)合金鈦合金的加工問題,，如人工缺陷等,，既加工量不大，又不方便委外加工,，有的是在大工件上加工小型腔,，如果投資傳統(tǒng)的大型電火花成形機床，需要配備專職操作人員,，性價比不合算,。對于此類問題，一款便攜手提電火花成形機就可以方便地解決這一難題,。這種設備對于加工硬質(zhì)合金,、鈦合金、高溫合金,、鎢鉬等高熔點合金使用效果都非常好,。

最近投入市場的一種手提電火花金屬表面處理機，也非常契合機械行業(yè)的一些特殊需要,，這種小型便攜設備可以解決不同金屬表面的強化,、合金強化問題，通過電火花放電高溫轉(zhuǎn)移硬質(zhì)合金等電極材料到金屬表面上牢固結(jié)合,，使金屬表面硬化耐磨,、耐腐蝕，如傳統(tǒng)不銹鋼耐腐蝕,，但硬度不高,，采用放電超聲復合加工強化，使其表面硬度達到了70HRC以上,，大大提高了其耐磨性;這種設備還可以進行金屬表面砂化,，或者成為毛化,、亞光面的處理方法，使金屬表面增加摩擦力或裝飾性,，如裝飾金屬磨具表面的電火花放電砂化甚至橘皮紋的效果了;超聲電火花金屬表面復合拋光功能,，也為模具及金屬加工領域的金屬拋光問題帶來了福音。

目前,，類似的產(chǎn)品還有一種便攜手提電火花小孔加工機即將投入市場,，這是一款以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電火花高速小孔機為目標的便攜手提電火花機新產(chǎn)品。這種設備主要對象是為模具行業(yè)服務,，像便攜手提電動工具一樣,，靈活方便，可以在大型零件,、大型模具上進行深度100mm左右的,、直徑1mm左右的深小孔加工，快速便捷,，解決了這些場合的加工難題,。