目前鏡面電火花加工技術(shù)在精密型腔模具制造中逐步得以推廣。本文就企業(yè)中鏡面電火花加工應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合實(shí)踐分析了影響鏡面加工性能的因素。通過控制各個(gè)工藝環(huán)節(jié)，可有效實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的鏡面電火花加工。對(duì)模具制造企業(yè)吸收與消化當(dāng)前先進(jìn)的電火花加工工藝具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
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(duì)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。
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(duì)鏡面電火花加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。
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(huì)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)殡娀鸹庸づc拋光是兩種加工原理完全不同的工藝方法。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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)鏡面效果的影響對(duì)比
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(chǔ)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(chǔ)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(huì)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(dòng)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(huì)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(duì)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。
從加工形狀來看，簡(jiǎn)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(dòng)加工來完成，炭黑層相對(duì)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(huì)受到影響。
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?jī)蓹n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(duì)損耗并不大。精加工階段通常在VDI18級(jí)（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(chǔ)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(jí)（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。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(zhǎng)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(dòng)作會(huì)干擾炭黑層的形成。
電規(guī)準(zhǔn)之間的預(yù)留量會(huì)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(huì)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。但實(shí)際加工時(shí)，考慮到放電狀況受到的制約因素千變?nèi)f化，因此要考慮安全的預(yù)留量。VDI18以上的電規(guī)準(zhǔn)的加工效率主要取決于各檔規(guī)準(zhǔn)之間的預(yù)留量，VDI18及以下的電規(guī)準(zhǔn)，由于電蝕能力較弱，基本只起修光作用，如果嚴(yán)格地按照指定的尺寸執(zhí)行加工，加工需要花費(fèi)的時(shí)間就有可能很長(zhǎng)。而實(shí)際上只要加工到要求的表面粗糙度后就可結(jié)束加工，因此數(shù)控電火花加工機(jī)床針對(duì)精加工規(guī)準(zhǔn)通過定時(shí)加工功能來有效控制加工效率，也就是為每一檔電規(guī)準(zhǔn)設(shè)定修光時(shí)間。
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(dòng)生成加工工藝數(shù)據(jù)。編程時(shí)選擇材料對(duì)、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）
數(shù)控電火花加工機(jī)床的平動(dòng)功能，電極沿著目標(biāo)加工形狀不斷在搖動(dòng)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(dòng)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(dòng)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。
鏡面電火花加工需要選擇合適的平動(dòng)方式。大部分型腔的鏡面電火花加工，加工過程中每一規(guī)準(zhǔn)的平動(dòng)量能隨深度同時(shí)變化，也就是深度逐步加大，平動(dòng)量也隨之加大，底面與側(cè)面處于同步加工的三軸聯(lián)動(dòng)方式。這種平動(dòng)方式在小能量的精加工中，顯著地提高了加工的穩(wěn)定性，由于底面與側(cè)面是同時(shí)進(jìn)行加工，可有效啟用定時(shí)加工功能，在指定的加工時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)側(cè)面與底面的表面均勻一致的效果。
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。可以采用高速銑制造電極、使用基準(zhǔn)球測(cè)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。
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(huì)導(dǎo)致加工的鏡面不均勻、局部缺陷等不良現(xiàn)象。
鏡面加工用的電極必須進(jìn)行精修拋光（至少要經(jīng)過1000#砂紙的精拋），以達(dá)到表面粗糙度低值的表面。如果電極表面存在波紋、缺陷，并不影響加工表面目視的光亮效果，但測(cè)量其表面粗糙值會(huì)偏大于Ra0.2μm。鏡面電火花平動(dòng)加工中電極相對(duì)XY平面內(nèi)作微小周期性運(yùn)動(dòng)能使電極表面的微觀缺陷得到有效均化，有利于降低加工表面粗糙度值。根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，電極的表面粗糙度為Ra0.25μm的情況下同樣能實(shí)現(xiàn)Ra0.1μm的鏡面加工效果。
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(dòng)，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(dòng)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(guó)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(zhǎng)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)。混粉液的濃度不夠時(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(huì)被破壞，電極與工件之間較多粉末的存在會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在工件表面產(chǎn)生傷痕。
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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(dòng)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(huì)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。
綜上所述，通過選擇合適的工件材料、高純度的紫銅電極材料、低粘度的工作液，使用合適的平動(dòng)工藝，同時(shí)合理配置工藝數(shù)據(jù)庫，正確地處理加工過程，把握好這些關(guān)鍵的應(yīng)用環(huán)節(jié)，就可以有效實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的鏡面電火花加工，對(duì)提升模具制造企業(yè)的工藝水平具有重要指導(dǎo)意義。
來源：青華模具
