世界先進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)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(guān)領(lǐng)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(biāo)志的現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)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(lǐng)域大推比航空發(fā)動機(jī)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(shè)備制造對于超深小孔加工的需要，核工業(yè)對于高熔點(diǎn)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(guān)應(yīng)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(yīng)用和發(fā)展，也推動了傳統(tǒng)加工技術(shù)的改進(jìn)和工藝調(diào)整，如電火花高速往復(fù)走絲及單向慢走絲電火花線切割加工技術(shù)的普及應(yīng)用，使一般模具加工、尤其是沖壓磨具早已摒棄傳統(tǒng)機(jī)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(jī)床的大量應(yīng)用普及，為機(jī)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(jī)床使用銅管電極，無切削力加工，不產(chǎn)生附加應(yīng)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(jī)，能加工直徑1~3毫米超深小孔，絕對深度已經(jīng)達(dá)到2000毫米。

1、引 言

當(dāng)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(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。

目前通過對機(jī)床的改進(jìn)和開發(fā)新的工藝方法，已能實(shí)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(shí)加工表面具有鏡面反光效果。該技術(shù)主要應(yīng)用于精密模具的復(fù)雜型面的加工，電火花加工獲得的高光潔度表面無需再進(jìn)行手工拋光，避免了手工拋光導(dǎo)致的形狀與尺寸精度缺陷問題，具有實(shí)際意義。

2、鏡面電火花加工關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)

以下根據(jù)實(shí)踐加工經(jīng)驗(yàn)對鏡面電火花加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 與工件材料的關(guān)系

由于工件材料的化學(xué)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?yàn)殡娀鸹�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(rèn)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(dāng)材料的性能滿足鏡面電火花加工性能時(shí)，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(yīng)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(guān)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(guān)系。

由于電火花加工的表面粗糙度主要取決于單個(gè)脈沖能量，通過降低單個(gè)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(shí)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(yīng)增大，當(dāng)單個(gè)小能量放電脈沖作用于兩極之間時(shí)，并不能引起兩極間的火花放電，此時(shí)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(dāng)多個(gè)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(shí)的放電能量相當(dāng)于多個(gè)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(shí)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(dá)到類似鏡面的效果，并能獲得更快的加工速度（使精加工時(shí)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(shí)上，由于平動工藝的應(yīng)用，電極并不是整個(gè)面積都接觸，這種局部放電減少了電容效應(yīng)，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(shí)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(shí)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(fù)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(fù)雜的形狀，難度最大的是多個(gè)型腔整體放電的類型。復(fù)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?yàn)樵谡麄�(gè)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(zhǔn)和預(yù)留量。一套鏡面電火花加工數(shù)據(jù)庫由多達(dá)十幾個(gè)電規(guī)準(zhǔn)組成。從粗加工電規(guī)準(zhǔn)到精加工電規(guī)準(zhǔn)，需要合理過渡電規(guī)準(zhǔn)來逐步降低表面粗糙度。

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

電規(guī)準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)的電流依次減少，為了降低表面粗糙度值并實(shí)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(zhǔn)以下使用負(fù)極性加工（電極為負(fù)極），使用更小的脈沖寬度，通過電容儲能來放電，這樣實(shí)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(zhǔn)使用大脈間，以實(shí)現(xiàn)均勻一致的亞光精加工表面。

在精加工表面達(dá)到VDI12級（Ra0.4μm）左右時(shí)，就可以切換進(jìn)入鏡面加工。鏡面加工的效果取決于最后這一檔電規(guī)準(zhǔn)的配置。從理論上來講，鏡面電火花加工電規(guī)準(zhǔn)配置應(yīng)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(shí)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(dǎo)致不能獲得均勻一致的鏡面效果。實(shí)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(fù)極性加工（電極為負(fù)），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(shí)間要設(shè)長些，抬刀高度不要太高，抬刀速度不能太快，這樣設(shè)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(zhǔn)之間的預(yù)留量會影響加工速度與表面粗糙度。較小的預(yù)留量加工效率高，但會導(dǎo)致表面修不光。最理想的加工狀況是第一個(gè)條件加工完后，其后的加工只是修光第一個(gè)加工條件形成的表面不平度，而不打掉新的材料。

先進(jìn)的數(shù)控電火花加工機(jī)床的電規(guī)準(zhǔn)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(shí)選擇材料對、應(yīng)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(jī)床就能配置出加工電規(guī)準(zhǔn)。

表3 某先進(jìn)機(jī)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(jī)床的平動功能，電極沿著目標(biāo)加工形狀不斷在搖動中加工，消除了電極的停滯，可實(shí)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(shí)現(xiàn)均勻一致的高光潔度鏡面效果。平動工藝的應(yīng)用避免了電極整個(gè)面積的集中接觸放電，通過周期性的局部放電可實(shí)現(xiàn)較大面積的鏡面加工。

2.5 與電極的關(guān)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(gè)電極進(jìn)行加工。通常使用粗、精加工兩個(gè)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(shí)可取小一些。粗加工電極采用較大放電能量的電規(guī)準(zhǔn)快速蝕除大量金屬，表面達(dá)到VDI28（Ra2.5μm）即可，通常預(yù)留0.07mm左右的余量；精加工電極逐步修細(xì)，最終進(jìn)行鏡面加工。如果型腔已進(jìn)行過預(yù)銑加工，加工量不大的情況，使用一個(gè)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(fù)裝夾、定位精度要高�？梢圆捎酶咚巽娭圃祀姌O、使用基準(zhǔn)球測量的定位方法、使用3R快速裝夾定位系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)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(dǎo)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(guān)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(yīng)根據(jù)電火花加工的要求來進(jìn)行選擇，主要參考粘度指標(biāo)，抗氧化性能和熱穩(wěn)定性也很關(guān)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(shí)恢復(fù)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(yùn)動粘度（40℃）2.4mm2/s；閃點(diǎn)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(bào)道基本有硅粉、鋁粉、鎂粉、石墨粉幾種。FORM20機(jī)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(shí)間在 350 ～400 小時(shí)�；旆垡旱臐舛炔粔驎r(shí)，在較短的時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到表面有光澤的效果，當(dāng)混粉濃度過大時(shí)，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(dǎo)致流動短路，嚴(yán)重時(shí)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(chǔ)上加適當(dāng)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(shè)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(yīng)盡量不停機(jī)，尤其是不要將工件加工表面的粉末層清理掉，否則會嚴(yán)重影響鏡面加工過程的持續(xù)進(jìn)行。

加工完成后發(fā)現(xiàn)鏡面效果不理想時(shí)，不要將工件拆下，使用鏡面電規(guī)準(zhǔn)再進(jìn)行精修。精修時(shí)會發(fā)現(xiàn)放電狀態(tài)非常不穩(wěn)定，電極遲遲不能進(jìn)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(shí)再將電壓值恢復(fù)至正常值。這個(gè)過程中電極與工件之間會重新產(chǎn)生炭黑層，需要待整個(gè)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(gè)動向，為機(jī)械行業(yè)的發(fā)展提供輔助便攜電加工工具設(shè)備，在此做一個(gè)具體的說明：

機(jī)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(dǎo)致價(jià)值很高的鉆具鉆頭報(bào)廢。為此，適應(yīng)各種條件下應(yīng)用的系列手提電火花取折斷工具機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在不損傷原有工具的基礎(chǔ)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(jī)床，可以解決模具型腔的成形加工問題，但是在一般機(jī)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(jī)床，需要配備專職操作人員，性價(jià)比不合算。對于此類問題，一款便攜手提電火花成形機(jī)就可以方便地解決這一難題。這種設(shè)備對于加工硬質(zhì)合金、鈦合金、高溫合金、鎢鉬等高熔點(diǎn)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(jī)，也非常契合機(jī)械行業(yè)的一些特殊需要，這種小型便攜設(shè)備可以解決不同金屬表面的強(qiáng)化、合金強(qiáng)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(fù)合加工強(qiáng)化，使其表面硬度達(dá)到了70HRC以上，大大提高了其耐磨性;這種設(shè)備還可以進(jìn)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(fù)合拋光功能，也為模具及金屬加工領(lǐng)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(jī)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(jī)為目標(biāo)的便攜手提電火花機(jī)新產(chǎn)品。這種設(shè)備主要對象是為模具行業(yè)服務(wù)，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(jìn)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。