電火花成形加工工具電極的設(shè)計(jì)與制造

1、電火花成形加工工具電極的設(shè)計(jì)與制造電火花加工模具的特點(diǎn)是把工具電極的形狀精確地復(fù)制在工件（模具）上。因此，電極是電火花加工中不可缺少的工具之一。電極的合理設(shè)計(jì)及制造，與模具型孔或型腔的加工精度有著密切的關(guān)系。為了保證模具的加工精度，在設(shè)計(jì)電極時(shí)，必須選擇適當(dāng)?shù)碾姌O材料，合理的電極結(jié)構(gòu)和正確的幾何尺寸，同時(shí)還應(yīng)考慮電極加工工藝性等問題。1.對(duì)電極的技術(shù)要求1）電極的幾何形狀要和模具型孔或型腔的幾何形狀完全相同，其尺寸大小根據(jù)模具型孔或型腔的尺寸及公差、放電間隙的大小、凸模與凹模配合間隙來(lái)決定。2）電極的尺寸精度不低于it7級(jí)精度。3）電極的表面粗糙度應(yīng)在ra0.631.25m以上，如果采用鑄鐵或

2、鑄銅時(shí)，表面不能有砂眼。4）各表面的平行度，100 mm長(zhǎng)度內(nèi)不能大于0.010.02mm。5）電極加工成形后變形小，具有一定強(qiáng)度。2.電極材料從電火花加工原理來(lái)說(shuō)，加工時(shí)工具電極與工件不接觸，是通過(guò)電蝕作用對(duì)工件進(jìn)行加工，似乎任何導(dǎo)電材料都可以作為電極。但是，由于不同材料的電極對(duì)于電火花加工的穩(wěn)定性，生產(chǎn)率及模具被加工質(zhì)量等都有很大的影響。因此，在實(shí)際使用中不能任意選擇電極材料，而應(yīng)選擇相對(duì)損耗小、加工過(guò)程穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、易于制造加工及成本低廉的材料作為電極材料，以滿足模具成型零件的電加工要求。目前，常用的電極材料有：鑄鐵、鋼、純銅、黃銅、銅鎢合金、銀鎢合金、石墨等。這些材料的性能見表4.2

3、.2所示。表4.2.2 電火花成形加工常用電極及其性能常 用材 料電加工工藝性能機(jī)械加工性能價(jià)格材料來(lái)源應(yīng)用情況穩(wěn)定性電極損耗鑄鐵較差適中好低(常用材料)   主要用于型孔加工，制造精度高鋼較差適中好低(常用材料)    常采用加長(zhǎng)凸模，加長(zhǎng)部分為加工型孔的電極；可降低制造費(fèi)用石墨較好較小(取決于石墨性能)好（有粉塵、易崩角、掉渣）較低(常用材料)    適用于加工大、中型尺寸的型孔與型腔純銅好較大較差(磨削困難)較高(小型電極常用材料)    主要用于加工較小尺寸型腔，精密型腔，表面

4、加工粗糙度可很低黃銅好大較好(可磨削)較高(小型電極常用材料)銅鎢合金好小(為純銅電極損耗的15%25%)較好(可磨削)高(高于銅價(jià)40倍以上)     主要用于加工精密深孔、直壁孔和硬質(zhì)合金材料的型孔與型腔銀鎢合金好很小較好(可磨削)高(比銅鎢合金高)（1）鑄鐵電極的電極損耗和加工穩(wěn)定性均較一般，容易起弧，生產(chǎn)率不及銅電極。但是，它的來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、并且機(jī)械加工性能好，因此電極的尺寸精度，幾何形狀精度及表面粗糙度等都容易保證。因此，鑄鐵是一種較常用的電極材料，多用于穿孔加工。（2）鋼電極的加工穩(wěn)定性較差、電極損耗較大、生產(chǎn)率也較低、但是來(lái)源豐富、價(jià)

5、格便宜、具有良好的機(jī)械加工性能。鋼電極還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即把電極和凸模做成一體，實(shí)質(zhì)上就是將凸模加長(zhǎng)，加長(zhǎng)的部分就用作電極。電火花加工后，把損耗部分切除掉，余下部分可做凸模使用。這種方法使電極的制造工時(shí)減少到了最低程度。所以鋼為常用的電極材料之一，多用于一般的穿孔加工。（3）純銅電極在加工過(guò)程中穩(wěn)定性好、生產(chǎn)率高、但損耗較大、來(lái)源少、價(jià)格較貴。由于其韌性大，機(jī)械加工性能差、磨削加工困難，其加工精度較低。由于磨削困難，使得難以將電極與凸模連接在一起加工，電極與凸模分別制造使凸模與凹模配合間隙不易均勻。 對(duì)于電火花型腔加工來(lái)說(shuō)，純銅電極適用對(duì)小型腔及高精度型腔的加工。純銅電極與其他材料電極相比，在

6、電火花加工中能使模具達(dá)到最細(xì)表面粗糙度。（4）黃銅電極在加工過(guò)程中穩(wěn)定性好、生產(chǎn)率高、與純銅電極相比價(jià)格較低、機(jī)械加工性能尚好，但其磨削性能不如鋼和鑄鐵。而黃銅電極的損耗最大。因此，黃銅電極一般用在對(duì)加工表面粗糙度較低，尺寸、形狀精度要求較高及形狀復(fù)雜的小孔穿孔加工。（5）石墨電極的電極損耗小、加工穩(wěn)定性尚好、易于加工、生產(chǎn)率最高、其價(jià)格與銅大體相同，但機(jī)械強(qiáng)度較差，尖角處易崩裂。石墨是電火花型腔加工的常用電極材料，適用于大、中、小型腔。由于石墨的熱脹系數(shù)小，所以，最適于大電極的穿孔加工。（6）銅鎢合金和銀鎢合金的加工穩(wěn)定性均很好，電極損耗也均很小，它們的電加工性能優(yōu)越，而機(jī)械加工性能尚好，其

7、磨削性比銅好。但其價(jià)格較高，比銅的價(jià)格高40倍。因此，主要用于模具中高精度的深孔、直壁孔等的穿孔加工和加工面積小且高精度的型腔加工，以及硬質(zhì)合金模具的加工。而銀鎢合金的價(jià)格更高，約為銅的100倍，所以它的使用受到限制，一般只用于硬質(zhì)合金模具的加工。當(dāng)用同一種電極材料加工不同材料的模具時(shí)，加工情況也會(huì)有一定的差異，即使同是鋼件也會(huì)因其成分不同而對(duì)加工有所影響，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體情況選用電極材料。3電極的結(jié)構(gòu)形式電極的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)模具型孔或型腔的尺寸大小，復(fù)雜程度及電極的加工工藝性等來(lái)確定,常用的電極結(jié)構(gòu)有下列幾種形式：（1）整體電極整體電極就是用一整塊電極材料加工出的完整電極，這是型孔或型

8、腔加工中最常用的電極結(jié)構(gòu)形式，圖4.2.4所示即為型腔加工用整體電極的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)電極面積較大時(shí),可在電極上開一些孔，或者挖空以減輕重量。對(duì)于穿孔加工，有時(shí)為了提高生產(chǎn)率和加工精度，降低表面粗糙度，可以采用階梯式整體電極。所謂階梯式整體電極就是在原有的電極上適當(dāng)增長(zhǎng)，而增長(zhǎng)部分的截面尺寸適當(dāng)均勻減小（f=0.10.3mm），呈階梯形。如圖4.2.5所示，l1為原有電極的長(zhǎng)度，l2為增長(zhǎng)部分的長(zhǎng)度（為型孔深度的1.22.4倍）。加工時(shí)利用電極增長(zhǎng)部分來(lái)粗加工，蝕除掉大部分金屬，只留下很少余量，讓原有的電極進(jìn)行精加工。階梯電極有許多優(yōu)點(diǎn)：能充分發(fā)揮粗加工的作用，大幅度提高生產(chǎn)效率，使精加工的加工余

9、量降低到最小，特別適宜小斜度型孔的加工，易保證模具的加工質(zhì)量，并且可減少電規(guī)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換次數(shù)。             a)無(wú)固定板式;       b)有固定板式圖4.2.4整體電極結(jié)構(gòu)形式                   &#

10、160;      圖4.2.5階梯式整體電極1-沖油孔;  2-石墨電極； 3-電極固定板（2）組合電極在沖模加工中常遇到需要在同一凹模上加工出幾個(gè)型孔，對(duì)于這樣的凹?？梢杂脝蝹€(gè)電極分別加工各孔，也可以采用組合電極加工，即把多個(gè)電極組合裝夾在一起。如圖4.2.6所示，一次完成凹模各型孔的電火花穿孔加工。采用組合電極加工時(shí)，生產(chǎn)率高，各型孔間的位置精度也較為準(zhǔn)確，但必須保證組合電極各電極間的定位精度，并且每個(gè)電極的軸線要垂直于安裝表面。         圖

11、4.2.6組合電極                      圖4.2.7分解式電極1）分解式電極  當(dāng)工件形狀比較復(fù)雜，則可將電極分解成簡(jiǎn)單的幾何形狀，分別制造成電極，以相應(yīng)的加工基準(zhǔn)，逐步將工件型腔加工成形。采用分解式電極成形加工，可簡(jiǎn)化電加工工藝。但是，必須統(tǒng)一加工基準(zhǔn)，否則將增加加工誤差，如圖4.2.7所示。分解式電極多用在形狀復(fù)雜的異型孔和型腔的加工。2）鑲拼式電極&

12、#160; 對(duì)形狀復(fù)雜而制造困難的電極，可分解成幾塊形狀簡(jiǎn)單的電極來(lái)加工，加工后鑲拼成整體的電極來(lái)電加工型孔，該電極即為鑲拼式電極。如圖4.2.8所示，是將e字形硅鋼片沖模所用的電極分成三塊，加工完畢后再鑲拼成整體。這樣即可保證電極的制造精度，得到了尖銳的凹角，而且簡(jiǎn)化了電極的加工，節(jié)約了材料，降低了制造成本。但在制造中應(yīng)保證各電極分塊之間的位置準(zhǔn)確，配合要緊密牢固。圖4.2.8鑲拼式電極4電極尺寸的確定（1）電極橫截面尺寸的確定電極橫截面尺寸是根據(jù)凹模（或凸模）的尺寸及公差，凸模、凹模配合間隙和放電間隙的大小確定的。電火花放電間隙的大小與電極材料、模具材料、電規(guī)準(zhǔn)的選擇、設(shè)備的精度及工作液等

13、有關(guān)。為了保證模具加工后的表面粗糙度，最后必須用精規(guī)準(zhǔn)修出，因此在確定電極尺寸時(shí)，應(yīng)先按相應(yīng)的條件得到放電間隙值。在凸模、凹模零件圖上標(biāo)注的公差時(shí)，根據(jù)模具的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不同，有不同的標(biāo)注方法。因此，電極截面尺寸的確定也要按以凹模設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，還是凸模設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)兩種情況來(lái)討論。1）按凹模尺寸和公差確定電極橫截面尺寸  如圖4.2.9所示凹模型孔不同部位的尺寸公差標(biāo)注。其相應(yīng)部位電極橫截面尺寸的計(jì)算公式如下：            式中s單面放電間隙；電極制造公差，通常取模具公差的1/22/3，并按“入

14、體原則”標(biāo)注。 2）按凸模尺寸和公差確定電極橫截面尺寸   圖4.2.10所示為凸模尺寸及公差標(biāo)注，由于凹模、凸模配合間隙的不同又存在三種情況：凸模、凹模單邊配合間隙等于放電間隙（z/2s）：電極橫截面尺寸和凸模截面尺寸完全相同，電極公差取凸模公差1/23/2。凸模、凹模單邊配合間隙小于放電間隙（z/2s）：電極應(yīng)按凸模四周每邊均勻縮小一個(gè)值（sz/2），電極橫截面尺寸計(jì)算公式如下：          圖4.2.9凹模尺寸及公差標(biāo)注     &#

15、160;        圖4.2.10凸模尺寸及公差標(biāo)注                              凸模、凹模配合間隙大于放電間隙（z/2s），電極應(yīng)按凸模四周每邊均勻放大一個(gè)值（z/2s），電極橫截面尺寸計(jì)算公式如下：   

16、60;   式中s單面放電間隙；z/2凸模、凹模單邊間隙；電極制造公差,取模具公差的1/22/3。由以上相應(yīng)公式設(shè)計(jì)計(jì)算出的電極橫截面尺寸適合一般型孔的電火花加工，對(duì)加工型腔的電極還應(yīng)考慮精加工及拋光加工余量。       圖4.2.11 穿孔加工用電極長(zhǎng)度        圖4.2.12加工型腔電極縱截面尺寸       1-電極；2-凹模（2）電極長(zhǎng)度的確定在電極長(zhǎng)度確定方面，穿孔加工

17、與型腔加工是不同的，穿孔加工只計(jì)算電極長(zhǎng)度，而型腔加工還須考慮各縱截面的形狀和尺寸。1)穿孔加工電極長(zhǎng)度的確定   圖4.2.11所示為穿孔加工用電極長(zhǎng)度。電極長(zhǎng)度按下式計(jì)算：  式中  l電極總長(zhǎng)度；l1精加工用的電極長(zhǎng)度；l2粗中加工用的電極長(zhǎng)度；t電極長(zhǎng)度損耗（用鑄鐵電極，當(dāng)加工鋼模具時(shí), t =0.9t1；當(dāng)加工硬質(zhì)合金模具時(shí), t =1.7t1。用鋼電極，當(dāng)加工鋼模具時(shí), t =1.1t1；當(dāng)加工硬質(zhì)合金模具時(shí), t =2.1t1）；t1凹模有效刃口厚度；t2凹模中有較大斜度的漏料部分厚度；t粗中加工的電極端面損耗比。當(dāng)凹模的刃口為全刃口，沒有

18、斜度較大的漏料部分時(shí)，電極長(zhǎng)度僅計(jì)算l1部分，即l=l1，但此時(shí)凹模有效刃口厚度t1應(yīng)為t。以上計(jì)算所得的電極長(zhǎng)度是電火花穿孔加工時(shí)的工作部分長(zhǎng)度，需要夾持時(shí)，還要加上夾持部分長(zhǎng)度。若采用同一只電極加工幾副模具時(shí)，其電極的長(zhǎng)度應(yīng)加長(zhǎng)，每多加工一副模具應(yīng)比原來(lái)的長(zhǎng)度約增加0.40.8倍。但電極總長(zhǎng)度一般不應(yīng)超過(guò)110120mm，否則將會(huì)給加工帶來(lái)困難。2) 型腔加工電極縱截面尺寸的確定  型腔加工電極縱截面的形狀和尺寸，應(yīng)根據(jù)型腔底部的形狀和尺寸并考慮放電間隙而確定。對(duì)型腔底部不同部位的尺寸，其電極的尺寸計(jì)算也有所不同。圖4.2.12所示為加工型腔時(shí)，電極縱截面尺寸，尺寸的計(jì)算如下：&

19、#160;                               式中：s為單面放電間隙；h、r1、r2、b為型腔要求尺寸；h、r1、r2、b為電極尺寸。以上的計(jì)算方法僅適合型腔加工中低損耗加工的電極設(shè)計(jì)，并且精加工或拋光余量應(yīng)另行考慮。對(duì)于有損耗加工的電極設(shè)計(jì)在此沒有涉及。5.電極的制造工具電極是電火

20、花加工中必不可少的工具之一，因此方便而又準(zhǔn)確地制造出電極是一個(gè)十分重要的問題。由于電極的材料、類型、幾何形狀復(fù)雜程度及精度要求的不同，則采用的加工方法也各有不同。（1）機(jī)械加工方法對(duì)幾何形狀比較簡(jiǎn)單的電極，可用一般的切削方法來(lái)進(jìn)行加工，如圓形電極可直接在車床上一次加工成形。矩形、多邊形等鑄鐵或鋼電極可在刨床、銑床或到插床上加工后，再由平面磨床進(jìn)行磨削加工，經(jīng)鉗工修整后即可使用。對(duì)形狀比較復(fù)雜的電極，往往需要經(jīng)過(guò)多道工序才能加工成形，達(dá)到圖樣要求。機(jī)械加工電極除采用一般的加工方法外，已廣泛采用成形磨削。對(duì)根據(jù)凹模尺寸設(shè)計(jì)出的電極，最后用成形磨削的方法進(jìn)行精加工，可以提高電極的尺寸精度、形狀精度和

21、降低表面粗糙度，用此電極對(duì)凹模進(jìn)行電火花加工，再由凹模按間隙要求配制凸模，這種方法適合于凸、凹模配合間隙比放電間隙大0.10mm以上，或凸、凹模配合間隙小于0.01mm的場(chǎng)合。對(duì)于純銅、黃銅一類的電極，由于不能用成形磨削加工，一般可用仿形刨床加工而成，并經(jīng)鉗工銼削進(jìn)行最后修整。（2）電極與凸模聯(lián)合成形磨削在電極制造中，為了縮短電極和凸模的制造周期，保證電極與凸模的輪廓一致，常采用電極與凸模聯(lián)合成形磨削。這種方法的電極材料大多選用鑄鐵和鋼。當(dāng)電極材料為鑄鐵時(shí)，電極與凸模常用環(huán)氧樹脂等膠合在一起，如圖4.2.13所示。但對(duì)于截面積較小的工件則不易粘牢，為防止在磨削過(guò)程中發(fā)生電極或凸模脫落，可采用錫

22、焊或機(jī)械方法使電極與凸模連接在一起。當(dāng)電極材料為鋼時(shí)，可把凸模加長(zhǎng)些，將其作電極。即把電極和凸模做成一個(gè)整體。電極與凸模聯(lián)合成形磨削，其共同截面的公稱尺寸應(yīng)直接按凸模的公稱尺寸進(jìn)行磨削，公差取凸模公差的1/21/3。當(dāng)凸、凹模的配合間隙等于放電間隙時(shí)，正好適用磨削后電極的輪廓尺寸與凸模完全相同的情況。當(dāng)凸、凹模的配合間隙小于放電間隙時(shí)，電極的輪廓尺寸應(yīng)小于凸模的輪廓尺寸則可用化學(xué)腐蝕法將電極尺寸縮小至設(shè)計(jì)尺寸。腐蝕劑可用草酸：雙氧水：蒸餾水=40：40：100的溶液，腐蝕速度為0.040.07mm/min。腐蝕的方法為：將干凈的電極垂直浸人腐蝕劑中，根據(jù)其腐蝕速度的大小，每隔一定的時(shí)間后取出，

23、測(cè)量其尺寸是否符合要求，若尺寸仍偏大時(shí)應(yīng)繼續(xù)侵入，直到適合為止。但取出的次數(shù)不要太多，否則在電極上會(huì)出現(xiàn)斜度，影響電極的加工質(zhì)量。當(dāng)凸、凹模的配合間隙大于放電間隙時(shí)，電極的輪廓尺寸應(yīng)大于凸模的輪廓尺寸，則需用電鍍法將電極擴(kuò)大到設(shè)計(jì)尺寸。如單面放大量在0.05mm以下時(shí)，可以鍍銅。單面放大量超過(guò)0.05mm時(shí)，可以鍍鋅。      4.2.13電極與凸模粘結(jié)                

24、         4.2.14機(jī)械加工與線切割加工電極l-電極；2-粘結(jié)面，3-凸模                            a）機(jī)械加工；b）線切割加工（3）電極制造常用工藝電極制造常用工藝一般可按下述工序進(jìn)行：1）刨（或銑）：按圖樣要求刨或銑所要求的形狀的電極毛坯（若是圓形可車削），按最大外形尺寸留1mm左右精加工余量。2）平磨：在平面磨床上磨兩端面及相鄰兩側(cè)面（對(duì)銅及石墨電極應(yīng)在小臺(tái)鉗上，用刮研的方法刮平或磨平）。3）劃線：按圖樣要求在劃線平臺(tái)上劃線。4）刨(或銑):按劃線輪廓，在刨床或銑床上加工成形，并留有0.20.4mm的精加工余量。形狀復(fù)雜的可適當(dāng)加大，但不超過(guò)0.8mm。5）鉗工：鉆、攻電極裝夾螺孔。6）熱處理：指采用鋼電極時(shí)，按圖樣要求淬火。7）精加工電極：對(duì)于鑄鐵或鋼電極，在有條件的情況下，可用成形磨削加工成形；而對(duì)于銅