硬質(zhì)合金外螺紋電火花成型電極加工工藝研究

硬質(zhì)合金外螺紋電火花成型電極加工工藝研究

1電火花加工工藝研究作為一個特殊的螺釘，其常見的加工方法包括：車、壓、攻、磨、壓、電動爐等。螺紋具體加工方法可以根據(jù)設(shè)備條件、材料類別以及精度要求從經(jīng)濟性和效率方面綜合考慮。隨著淬火鋼、硬質(zhì)合金和其他具有高硬度、高耐磨性特點的材料在機械零件中得到廣泛應(yīng)用,擴大了電火花加工的需求,促進很多學(xué)者對電火花螺紋加工工藝開展研究。查閱現(xiàn)有文獻,關(guān)于電火花成型電極加工螺紋的工藝研究主要針對內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu),工藝難點主要集中在加工電極尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計、多次加工電規(guī)準(zhǔn)的選擇、電極的磨損修復(fù)以及起始點的一致性保證。但在實際加工中相同的內(nèi)螺紋電火花成型電極加工工藝不能成功應(yīng)用到外螺紋結(jié)構(gòu),因此對電火花加工外螺紋工藝進行研究意義重大。2加工技術(shù)分析2.1電極加工工藝根據(jù)電火花成型電極加工原理,外螺紋的電火花加工使用內(nèi)螺紋電極。參照內(nèi)螺紋成型電極加工原理(見圖1),可知外螺紋的加工示意圖如圖2所示。采用C、Z兩坐標(biāo)軸聯(lián)動加工螺紋,X、Y兩軸聯(lián)動進行平動修光。電火花加工螺紋電極通常考慮的因素有:加工工步的確定、加工電規(guī)準(zhǔn)的選擇以及電極裝夾起始點一致性的保證。為了保證加工精度,進行粗、半精、精三次分步加工,每步選用不同的電規(guī)準(zhǔn),可以降低放電能量對工件材料的影響。加工螺紋時,電極放電主要發(fā)生在頭部1-3圈螺紋上,其余部分放電甚微甚至不放電,所以電極磨損主要體現(xiàn)在螺紋頭部。在分步加工的過程中,為了保證多次加工電極螺紋起始點一致,可以采用單電極一次裝夾,使用后修除磨損段進行二次加工。由于硬質(zhì)合金材料的硬脆特性,硬質(zhì)合金外螺紋電火花成型加工中需要解決的難點如下。(1)放電能量的影響電火花加工是利用瞬時放電產(chǎn)生的熱量使材料熔化、氣化、升華、拋出形成加工屑。材料去除率主要取決于放電能量和放電過程爆炸力大小。在放電加工過程中,由于脈沖放電能量密度高,持續(xù)時間短,瞬間會產(chǎn)生很大的剩余熱量。此時,材料近表面處的溫度隨深度增加變化很快,溫度梯度很大,材料脹縮不均,產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。大的放電能量是高加工效率的保證。與一般材料相比,硬質(zhì)合金材料硬度高、熔點高,電火花加工過程中需要采用大的放電能量,加之硬質(zhì)合金導(dǎo)熱率較小,就可能在表面形成比一般金屬更大的溫度梯度,達到熱應(yīng)力強度極限。熱應(yīng)力的釋放形式主要有塑性變形和裂紋。電火花加工硬質(zhì)合金時,一旦熱應(yīng)力超過強度極限,工件表面便產(chǎn)生裂紋甚至崩角。為了避免微裂紋的產(chǎn)生,應(yīng)該對放電能量加以控制。放電能量主要取決于峰值電流和脈沖寬度。當(dāng)峰值電流一定時,增加脈沖寬度,脈沖放電能量隨之增大,但材料去除率反而降低。當(dāng)其他條件一定時,峰值電流增加,放電能量和放電爆炸力均增大,材料去除率加大,使加工速度提高,相應(yīng)的電極損耗加大。因此,為了提高表面加工質(zhì)量,兼顧加工效率和電極損耗,需要根據(jù)加工實際選取合適的峰值電流。(2)電極孔內(nèi)殘液電火花加工硬質(zhì)合金外螺紋時,被熔化和氣化的加工屑經(jīng)冷卻介質(zhì)形成細小的顆粒殘渣留在電極孔內(nèi),如圖2所示。經(jīng)試加工證實,當(dāng)工件加工到2-3個螺距深度時,殘留于電極孔內(nèi)的加工屑無法順利排出便堆積,會引起短路造成悶機,無法進行后續(xù)加工。而且這些殘渣還會引起二次放電,影響加工尺寸精度。因此需要改進傳統(tǒng)電極設(shè)計,建立內(nèi)外液體流動通道,使排屑順暢。(3)電極加工研究通常對于高熔點的工件材料,比如W-Fe-Ni、硬質(zhì)合金等,宜采用高熔點的電極材料,如銅鎢合金,以減少電極的損耗,提高加工精度。在條件受限的情況下,也可以采用一般鋼材加工用的紫銅電極。紫銅電極具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,但用于硬質(zhì)合金電火花加工需要克服以下問題。由于硬質(zhì)合金熔點高,導(dǎo)電性分布不均,加工過程中銅電極也大量損耗。一般粗加工損耗在50%-80%,精加工損耗在15%-40%。硬質(zhì)合金加工中調(diào)換工件和電極極性,將常用的正極性加工改為負極性加工,可以最大限度減少紫銅電極的損耗,提高工件的材料去除率。試加工螺紋時,電極放電主要發(fā)生在頭部1-3圈螺紋上,其余部分放電甚微甚至不放電。粗加工過程中電極損耗快,直接用于半精加工會導(dǎo)致工件螺紋牙型深度不夠,呈圓弧狀,不滿足精度要求。因此粗加工后利用負極性法修除電極磨損段。中半精加工后電極牙型完整,但是由于電火花的尖角效應(yīng),直接用于精加工會導(dǎo)致螺紋深度不夠。因此半精加工后需要對電極進行修整,修除電極的磨損段。2.2加工工藝設(shè)計(1)電極結(jié)構(gòu)尺寸的確定為根據(jù)加工難點分析,采用單電極旋轉(zhuǎn)平動法加工外螺紋。電極材料為紫銅。電極結(jié)構(gòu)需要滿足排屑的需要,并且保證磨損修正后多次加工所需有效長度。在電極側(cè)壁上鉆排屑孔,加工過程中使用噴液方式不僅能順利帶走加工屑,還能建立電極內(nèi)外的液體流動通道,及時帶走剩余熱量,減少加工不穩(wěn)定,改善加工表面質(zhì)量,提升加工效率。以單頭普通螺紋為例。經(jīng)過試加工驗證,排屑孔的大小D需要結(jié)合已有加工鉆頭尺寸確定,通常以大于一個螺距為宜。排屑孔的設(shè)計可能使電極螺紋牙型不完整,但由于旋轉(zhuǎn)加工的特點,不會影響加工螺紋形狀。排屑孔的間距S以每隔3個螺距為宜,便于加工屑排放。采用單電極多次加工時,需要為每步加工過程保證足夠的有效電極加工長度和電極修除量,考慮粗、中、精三個工步的設(shè)計,電極內(nèi)螺紋的有效長度L為待加工螺紋長度的3-4倍。電極壁厚H應(yīng)根據(jù)工件尺寸確定,保證剛度要求。H過大,浪費材料且修除電極時待加工量增大;H過小,不滿足剛度要求。綜上所述,電極結(jié)構(gòu)如圖3所示。其尺寸的確定方法推薦如下:其中,R為電極排屑孔直徑;P為電極螺紋間距;L為電極有效加工長度;l為工件螺紋長度;d1為工件螺紋大徑;d2為工件螺紋小徑。(2)頂徑小、深值大,容易執(zhí)法加工螺紋前,預(yù)先在工件上加工出需要的螺紋頂徑。同內(nèi)螺紋加工一樣,外螺紋工件頂徑的大小也需要根據(jù)螺紋的性能要求,考慮螺紋旋合率來決定。一般而言,多數(shù)螺紋的旋合率在70%-80%左右。對于普通螺紋,旋合率達到50%-60%就足夠使用了。在允許的范圍內(nèi),工件螺紋頂徑偏小一些可以提高電火花加工效率。通常工件螺紋頂徑以小于螺紋大徑0.1mm左右的軸,這樣可以省掉螺紋制成后打磨掉尖角的工序。一般機械切削加工難以在硬質(zhì)合金材料工件上進行,通常設(shè)計圓電極,配合較大的放電能量,用電極外圓柱面進行毛坯加工。從經(jīng)濟性和效率角度考慮,也可以采用新設(shè)計的外螺紋加工用電極直接加工出工件螺紋頂徑。此時電極損耗外圓柱面,不影響電極內(nèi)螺紋的精度。這樣可以減少電極的設(shè)計、加工和重復(fù)裝夾的次數(shù)。(3)半深加工設(shè)計為了保證工件表面質(zhì)量,采用粗、半精、精加工三次加工。粗加工以加大材料去除率為目標(biāo),保證工件不產(chǎn)生裂紋為限制條件,采用大的放電能量保證加工效率。半精加工兼顧電極磨損、加工精度、表面粗糙度和加工效率要求,選取合適的放電能量。精加工采用小的放電能量降低電極損耗,保證工件尺寸精度。對于材料去除率大的粗加工和半精加工階段,選用負極性加工可以最大限度降低紫銅電極損耗,提高工件材料去除率。精加工階段,材料去除率少,恢復(fù)常用的正極性加工,才能保證硬質(zhì)合金工件的表面質(zhì)量。對于尺寸精度要求非常高的硬質(zhì)合金工件,可以再增加加工次數(shù),進一步細化脈沖當(dāng)量,直到滿足設(shè)計要求。(4)利用電極進行半深加工加工過程中,螺紋電極旋轉(zhuǎn)進給,電極放電主要發(fā)生在端部1-3個螺距的長度內(nèi),其余部分幾乎不放電或放電微弱,所以電極的損耗從端部往內(nèi)逐漸嚴(yán)重。試加工過程發(fā)現(xiàn),粗加工過程中由于采用大能量的電規(guī)準(zhǔn),電極端部磨損嚴(yán)重。粗加工后,改變電規(guī)準(zhǔn)大小直接將粗加工使用的電極用于半精加工,會導(dǎo)致工件螺紋牙型深度不夠,呈圓弧狀,不滿足尺寸要求。因此,半精加工的加工質(zhì)量靠合適的電規(guī)準(zhǔn)和電極質(zhì)量共同保證。粗加工后需要修除電極磨損段。半精加工中采用中等范圍的電規(guī)準(zhǔn),加工完后電極牙型依然完整。但是由于電火花的尖角效應(yīng),半精加工后改變電規(guī)準(zhǔn)直接將電極用于精加工,無法達到螺紋表面精度要求。在工件結(jié)構(gòu)允許的情況下,電極進給深度最好比螺紋要求深度過量1-3個螺距。因此半精加工后需要對電極進行修整,電極的修除量為一個半精加工進給深度,保證用全新的螺紋進行精加工。外螺紋結(jié)構(gòu)通常不允許電極進給深度過量,因此在快要加工到尺寸深度時,將電極旋轉(zhuǎn)退出,在紫銅塊上進行電極修正。電極的修除采用反拷貝法,也就是負極性加工,此時被修除的加工電極為工件電極。為了避免修除電極后對加工程序進行修改,電極修除量必須為整數(shù)倍螺距,保證每次加工時螺紋的起始點一致。3例如，加工3.1工件尺寸、層間距與厚度實驗設(shè)備:四軸聯(lián)動電火花成型機床。電介質(zhì)液:電火花機床專用工作液,加工時選用噴液方式。實驗材料:電極材料紫銅。工件結(jié)構(gòu)如圖4所示,工件材料YG6(硬度75HRC),螺紋直徑小(M4),長度短(3mm),螺紋根部需要圓弧過渡,磨削方案受限,電火花加工便是優(yōu)先考慮的方案。根據(jù)工件尺寸,電極壁厚設(shè)計為2mm,關(guān)鍵是保證螺紋剛性的同時,減少修除電極時負極性加工量。電極排屑孔大小為0.8mm,間距為2mm。電極內(nèi)螺紋有效長度為12mm,便于滿足三個工步的總需求。電極結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。3.2加工過程參數(shù)試加工實驗數(shù)據(jù)見表1。表中,ESEL:電源方式;AUX:輔助電源開關(guān);POL:極性;IP:峰值電流;ON:脈沖寬度;OFF:脈沖間隔;GAP:EP伺服;JUMP:抬刀時間間隔;JU:上抬刀高度;JD:加工時間;PCON:電容量選擇;GAIN:伺服放大倍數(shù);SV:伺服電壓;OPAJ:感應(yīng)量。在粗加工階段首先設(shè)定峰值電流,然后啟用模糊控制電源,對間隙量、間隙電壓、瞬間放電狀況進行自動檢測調(diào)整,可以最大限度保證加工質(zhì)量和加工效率。從第1、2、3組數(shù)據(jù)進行粗加工的結(jié)果對比得出,第3組數(shù)據(jù)是適合于硬質(zhì)合金YG6工件粗加工的電規(guī)準(zhǔn),可以用于外螺紋的預(yù)軸加工和粗加工。在半精加工階段降低電規(guī)準(zhǔn),分別采用第4組數(shù)據(jù)和第5組數(shù)據(jù)進行加工,都能保證加工質(zhì)量。但是采用第5組數(shù)據(jù)比采用第4組數(shù)據(jù)加工過程更穩(wěn)定。在精加工階段啟用超低損耗電源,此時加工數(shù)據(jù)為第6組,加工后電極損耗低于2%。采用第3組數(shù)據(jù)進行螺紋頂徑加工,用第3、第5、第6組數(shù)據(jù)進行螺紋粗、半精、精三步加工,工件表面粗糙度可達到3.2,滿足了設(shè)計要求。若要進一步提高工件表面粗糙度,可以細化加工工步。4外螺紋加工工藝的改進通過對硬質(zhì)合金外螺紋電火花加工工藝進