《模具电火花加工工艺与编程操作》配套教案：项目4-数控电火花成形加工工艺与编程操作

项目4数控电火花成形加工工艺与编程操作教学目标1、了解电火花成形加工部分模具零件的加工工艺。2、熟悉并掌握电火花成形机手工与自动编程的方法。3、掌握操作电火花成形加工机床对典型模具进行加工的技术。二、课时分配本项目共五个任务，安排10课时。教学重点通过本项目的学习，让学生们了解到电火花成形加工所需辅助工作，掌握操作电火花成形机加工冲模漏料孔的方法，掌握电火花整体式电极的制作方法。熟悉操作电火花加工成型机加工塑料膜的方法，掌握电火花分解电极的拆分方法。教学难点1、了解到电火花成形加工所需辅助工作。2、熟悉并掌握电火花成形机手工与自动编程的方法。3、掌握操作电火花成形加工机床对典型模具进行加工的技术。五、教学内容任务一电火花成形机加工冲模漏料孔任务描述通过电火花单电极加工模具方法的学习，最终完成下图所示角度样板冲裁凹模漏料孔的加工。知识储备1、电火花加工的主要工艺指标（1）加工速度加工速度是指在单位时间内工件被蚀除的体积或质量，也称为加工生产率，一般用体积表示。若工件在时间t内被蚀除的体积为V，则加工速度vw为在规定的表面粗糙度、规定的相对电极损耗下的最大加工速度，是衡量电加工机床工艺性能的重要指标。vw=v/t（2）电极损耗在电火花加工中，工具电极损耗直接影响加工精度，特别对于型腔加工而言，电极损耗这一工艺指标要比加工速度更为重要。（3）表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上的微观几何形状误差。（4）表层变化①表面质量电火花加工过程中，在火花放电局部的瞬时高温高压下，煤油中分解出的炭颗粒渗入工件表层，又在工作液的快速冷却下，材料的表面层发生了很大变化，粗略地把它分为熔化凝固层和热影响层。②显微裂纹电火花加工表面由于受到瞬时高温作用并迅速冷却而产生拉应力，往往在表面出现显微裂纹。（5）加工精度电火花加工精度主要包括尺寸精度和形状精度。①尺寸精度又包括形状尺寸精度和位置尺寸精度：②形状精度是指电火花加工完成部位的形状与加工要求形状的符合情况。2、工艺准备加工有斜度的型腔，电极在做垂直进给时，对倾斜的型腔表面有一定的修整、修光作用，通过多次加工规准的转换，不用摇动加工方法就可以用一只电极修光侧壁，达到加工目的，如下图所示。3.电极准备在电火花加工中，必然涉及电极的设计、加工，电火花加工中电极设计就显得尤为重要。电极设计得好坏直接影响模具加工速度和质量。（1）电极的结构形式从电极的构成来看，电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼电极三种。由于工艺需要，本任务采用整体式电极。从电极的形状来看，电极结构可分为2D电极和3D电极，如下图所示。（2）电极材料选择的综合考虑电极材料的选取直接关系到放电的效果，在很大程度上，材料选取得是否恰当决定了放电速度、加工精度以及表面粗糙度的最终情况。在电火花加工过程中，电极用来传输电脉冲、蚀除工件材料。下表中为各种电极材料的特点。合理选择电极材料，可以从下列方面进行考虑：①电极是否容易加工成形。②电极的放电加工性能如何。③加工精度、表面质量如何。④电极材料的成本是否合理。⑤电极的质量如何。（3）电极的制作4.电火花工作液的选用电火花工作液有最早期的水基、油基（如煤油）系列，较早期的矿油型系列及目前的高速合成型系列三大种类。水基及一般矿物油型工作液是第一代产品，水基工作液仅局限于在电火花高速穿孔加工等极少数类型中使用，绝缘性、电极消耗、防锈性等都很差，成形加工基本不用。而以煤油为代表的矿物油也逐渐被专用的矿物型火花油所代替，这类工作液具有良好的排屑性和排除积炭的作用，油的黏度都较低，在1.3～2.2mm2/s（40℃），闪点偏低。通常矿物型电火花油中加有酚类抗氧剂，色度变深，由于加工深度不太高，常含有一定量的芳烃，导致油品的安全性差，有臭味，对皮肤也有刺激；任务实施1.装夹2.操作加工任务二电火花成形机加工手机模任务描述手机几乎可以说是现代人离不开的通信工具。手机的外壳塑件是用模具来成形的。知识储备1.工艺准备如下图所示，先用粗加工电极蚀除大量金属，然后再换半精加工电极完成粗加工到精加工的过渡加工，最后用精加工电极进行终精加工。每个电极加工时，必须把上一规准的放电痕迹去掉。一般用两个电极进行粗、精加工就可以满足要求；当型腔模的精度和表面质量要求很高时，才采用粗、半精、精电极进行加工；必要时还要采用多个精加工电极来修正精加工的电极损耗。2.选用工作液混粉电火花加工时，微粉在电场的感应下将产生感应电荷。这样，由于放电间隙中充满着很多悬浮的粉末颗粒（下图），原先的电极与工件直接放电的单一放电通道将分散为两三个甚至更多的火花通道，即由电极与微粉颗粒、微粉颗粒间、微粉颗粒与工件间同时形成火花放电通道，在同一时间内形成串联的多个小放电通道，放电通道递增，使得微精加工时的单个脉冲放电能量在空间上被分割，进一步细化为1/6～1/2或更小的脉冲能量，在工件表面可加工出更小的放电凹坑。混粉方法加工镜面主要技术要求有：电火花加工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。混粉电火花加工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，还可提高零件的使用性能（如寿命、耐磨性、耐腐蚀性、脱模性等）。3.电极准备（1）电极材料选用纯铜，但铜电极有多种，故应根据下表中材料的特点及性能选用。在电火花加工过程中，“电极缩放量”是指工件与电极之间存在放电间隙。为了得到符合要求的加工尺寸，电极尺寸要比欲加工型腔的尺寸小，即对电极缩放一定的尺寸，缩小的尺寸称为电极缩放量。如下图所示，电极双边缩放量为b-a，电极单侧缩放量为b-a2。电极制造选用高速数控铣削，如下图所示，从Pro/ENGINEER中以IGS格式将签名设计的3D图形调进，根据模具型腔的特点确定模具型腔、分模面，生成模具型腔实体图、工程图、加工工艺图。根据CAM系统的功能，从CAPP数据库获取加工过程的工艺信息进行零部件加工工艺路线的控制，然后输进加工参数，接着在CAM中编制刀具路径进行三维加工动态仿真，生成加工程序并输送到数控机床，完成自动化加工。任务实施1.装夹（1）工件的装夹、校正（2）电极的校正可使用千分表校正电极，前面介绍了使用千分表校正工件的方法，同样，校正电极的方法也是一样的。使用千分表校正电极的操作过程（下图）：先将主轴移动到便于校正电极的合适位置；将可调节角度夹头的螺钉调节旋转至中心处（使中心刻度线对齐），通过目测观察调节螺钉，使电极基准底面处于大概水平，这样可以减少校表时的调节量；选择校正基准面，将千分表测头压在电极的基准面上，通过移动坐标轴，观察千分表上读数的变化估计测差值，不断调整夹头装置的螺钉，直到校准为止。2.操作加工3.手机模具电火花加工操作与要点（1）电极的装夹与校正使用EROWA夹具装夹电极，使得电极的装夹变得方便、简单。（2）工件的装夹与校正将工件放置于永磁吸盘台面，校正基准面与机床的轴向平行度。（3）电极与工件的定位用基准球四面分中测量的定位方法。（4）使用混粉加工设备和技术。（5）此工件电火花加工的面积较大，电极应牢固安装于电极夹具上，注意加工中的抬刀速度不能太快，否则容易发生电极轻微松动，影响加工精度。（6）电极必须经过抛光处理。（7）镜面加工中，使油箱中的工作液轻微循环，不加冲液处理。任务三电火花成形机分解电极成形加工任务描述前面学习了部分电极的制作方法，但其主要适用于比较规则或容易加工的模具型腔，而有一些模具型腔形状比较复杂，无法一次加工成形，如下图所示。通过电火花分解电极的拆分方法的学习，最终完成下图所示零件的加工。知识储备1.工艺分解电极成形工艺是根据型腔的几何形状，把电极分解成主型腔电极和副型腔电极分别制造、分别使用。主型腔电极完成去除量大、形状简单的主型腔加工，如（a）所示；副型腔电极完成去除量小、形状复杂（如尖角、窄槽、花纹等）的副型腔加工，如（b）所示。2.电极材料（1）石墨电极材料电火花加工的优势（2）石墨电极材料电火花加工的不足（3）影响石墨电极材料使用性能的指标（4）石墨电极材料的适用范围3.电极设计分解电极成形工艺是单电极直接成形工艺和多电极更换成形工艺的综合应用。它的工艺灵活性强，仿形精度高，适用于尖角、窄缝、沉孔、深槽多的复杂型腔模具加工。下图所示是分解电极图形。4.机床操作（1）机床的操作过程（2）掉电后的恢复（3）手动加工（4）使用自动生成程序系统编程（5）用半自动生成程序系统进行编程（6）脉冲宽度、脉冲间隙、管数设定值与实际值对应下表（7）加工面积与最佳粗糙度的关系机床在加工较大面积的精细表面时，不能完全达到加工条件表中有些条件所给出的加工面粗糙度Ra值。随面积增大，表面粗糙度变差。这里给出了SE系列机床加工不同面积得到的最佳粗糙度Ra值曲线，如下图所示。任务四电火花成形机摇动加工模具零件任务描述如下图所示，在成形镶件的型腔壁上需要加工两条环形槽。加工前，首先要进行工艺分析，确定加工方法。知识储备1.数控摇动加工的概念根据零件加工要求选用数控摇动成形工艺加工，所谓“摇动加工”就是指数控电火花机床具有X、Y、Z等多轴数控系统，工具电极和工件之间的运动就可多种多样。利用工作台或滑板按一定轨迹在加工过程中做微量运动，通常将这种加工称作摇动加工。下图所示为数控电火花机床正方形摇动加工的过程。2.数控摇动加工的作用（1）可逐步修光侧面和底面。由于在所有方向上发生均匀的放电，可以得到均匀微细的加工表面。（2）可以精确控制尺寸精度。通过改变摇动量，可以简单地得到指定的尺寸，提高了加工精度。（3）可加工出清棱、清角的侧壁和底边。（4）变全面加工为局部加工，改善加工条件，有利于排屑和稳定加工，可以提高加工速度。（5）由于尖角部位的损耗小，电极根数可以减少。3.有代表性的摇动类型（下图）加工时，根据电极形状和目的选择摇动类型，其中经常使用的是圆摇动和正方形摇动。下面仅说明圆摇动、正方形摇动和加工形状的关系。（1）圆摇动由于圆摇动向电极所有的方向均匀地扩大尺寸，所以可以对应所有的形状。但在电极的内角部位，半径有相当于摇动量大小的减少；而外角部位，半径有相当于摇动量大小的增加，因此在电极制作时要注意，如下图所示。（2）正方形摇动由于正方形摇动沿电极的X轴和Y轴进行平行摇动，所以在四角尖角处容易得到锐边，但在圆弧部位扩大量增加，需要加以注意，如下图所示。（3）复杂形状摇动在复杂形状的摇动加工中，同一电极上有方形和圆时，在用圆摇动进行加工中，边角部分的形状容易被破坏，如（a）所示。另外，在用正方形摇动加工中，半圆部分的形状容易被破坏，如图（b）所示。正方形和半圆部分都要求进行高精度加工时，需要采取措施，对正方形和半圆部分分别制作电极，用符合各自形状的电极进行摇动加工。数控电火花机床不仅能够实现简单形状的摇动加工，而且能够实现多方向的复杂摇动加工。下图所示为电火花三轴数控摇动加工（指加工轴在数控系统控制下向外逐步扩弧运动）型腔。（a）为摇动加工修光六角型孔侧壁和底面；图（b）为摇动加工修光半圆柱侧壁和底面；图（c）为摇动加工修光半圆球柱的侧壁和球头底面；图（d）为用圆柱形工具电极摇动展成加工出任意角度的内圆锥面。任务实施任务五电火花成形机多轴联动加工压铸模型芯任务描述下图所示为一塑料模型芯，由加工图纸得知采用了前面所介绍的电火花成形方式。其工艺较为复杂，并且需要较多的电极材料，加工周期较长，成本较高，由于硬度较高无法采用加工中心铣削。知识储备1.工艺准备数控电火花多轴联动加工有电火花铣削加工、电火花创成加工、电火花展成加工等多种称法。数控电火花机床的数控系统对机床坐标轴的移动和转动进行数字控制，使之成为数字控制进给或数控伺服进给。单轴加工对电极的尺寸和形状要求很高，因为它的精度直接影响加工结果。而多轴联动是指X、Y、Z、B、C中的几个轴（至少有两个轴）能同时联动，类似于多轴控制的数控铣削，可以实现以简单电极加工出复杂零件。电火花多轴联动加工（图1~图4）是一种新型的电火花成形加工工艺。这种工艺采用简单形状的工具电极（通常采用中空圆柱棒电极，加工中做高速旋转），采用UG等软件的数据文件自动生成加工指令，控制工作台及主轴多坐标数控伺服运动，配以高效放电加工电源，仿铣加工平面轮廓曲线和三维空间复杂曲面。下图所示是用圆电极棒来加工冲模零件，2D图中的粗线为需要加工的部位。零件外形已用铣削加工方法进行了预加工，余量为0.50mm。零件的程序原点设在R15mm的孔中心上方，其加工轨迹如下图所示。2.电极准备电极材料选用铜电极，由于采用多轴联动的电火花加工方式，因此电极结构（圆柱形）和加工制造难度较小，可采用车削后抛光的方式得到。其装夹方法如下图所示，可采用标准套筒与钻夹头装夹。任务实施1.程序编写由于编程方法在前面已经进行了介绍，因而对于其代码和功能不再做介绍，根据零件图形进行程序编写。由于需要分粗精进行加工，故可采用子程序调用的方式来编写，程序的长度也因此得到了很好的简化。主程序：G54：子程序N1000：子程序段名T84：H001=0.095G90：C1070BT000：G00Z1.0M98P1001：G00x0.0Y55.0：H001=0.06：G00Z-12.0；C1060BT000：M98P1000：M98P1001：T85M02：H001=0.055：C1050BT000：M98P1001；H001=0.025：C1040BT000：M98P1001：M99：N1001：子程序段名G31：H002=5.0+H001；5.0为电