《模具電火花加工工藝與編程操作》配套教案：項(xiàng)目4-數(shù)控電火花成形加工工藝與編程操作

項(xiàng)目4數(shù)控電火花成形加工工藝與編程操作教學(xué)目標(biāo)1、了解電火花成形加工部分模具零件的加工工藝。2、熟悉并掌握電火花成形機(jī)手工與自動編程的方法。3、掌握操作電火花成形加工機(jī)床對典型模具進(jìn)行加工的技術(shù)。二、課時(shí)分配本項(xiàng)目共五個(gè)任務(wù)，安排10課時(shí)。教學(xué)重點(diǎn)通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生們了解到電火花成形加工所需輔助工作，掌握操作電火花成形機(jī)加工沖模漏料孔的方法，掌握電火花整體式電極的制作方法。熟悉操作電火花加工成型機(jī)加工塑料膜的方法，掌握電火花分解電極的拆分方法。教學(xué)難點(diǎn)1、了解到電火花成形加工所需輔助工作。2、熟悉并掌握電火花成形機(jī)手工與自動編程的方法。3、掌握操作電火花成形加工機(jī)床對典型模具進(jìn)行加工的技術(shù)。五、教學(xué)內(nèi)容任務(wù)一電火花成形機(jī)加工沖模漏料孔任務(wù)描述通過電火花單電極加工模具方法的學(xué)習(xí)，最終完成下圖所示角度樣板沖裁凹模漏料孔的加工。知識儲備1、電火花加工的主要工藝指標(biāo)（1）加工速度加工速度是指在單位時(shí)間內(nèi)工件被蝕除的體積或質(zhì)量，也稱為加工生產(chǎn)率，一般用體積表示。若工件在時(shí)間t內(nèi)被蝕除的體積為V，則加工速度vw為在規(guī)定的表面粗糙度、規(guī)定的相對電極損耗下的最大加工速度，是衡量電加工機(jī)床工藝性能的重要指標(biāo)。vw=v/t（2）電極損耗在電火花加工中，工具電極損耗直接影響加工精度，特別對于型腔加工而言，電極損耗這一工藝指標(biāo)要比加工速度更為重要。（3）表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上的微觀幾何形狀誤差。（4）表層變化①表面質(zhì)量電火花加工過程中，在火花放電局部的瞬時(shí)高溫高壓下，煤油中分解出的炭顆粒滲入工件表層，又在工作液的快速冷卻下，材料的表面層發(fā)生了很大變化，粗略地把它分為熔化凝固層和熱影響層。②顯微裂紋電火花加工表面由于受到瞬時(shí)高溫作用并迅速冷卻而產(chǎn)生拉應(yīng)力，往往在表面出現(xiàn)顯微裂紋。（5）加工精度電火花加工精度主要包括尺寸精度和形狀精度。①尺寸精度又包括形狀尺寸精度和位置尺寸精度：②形狀精度是指電火花加工完成部位的形狀與加工要求形狀的符合情況。2、工藝準(zhǔn)備加工有斜度的型腔，電極在做垂直進(jìn)給時(shí)，對傾斜的型腔表面有一定的修整、修光作用，通過多次加工規(guī)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，不用搖動加工方法就可以用一只電極修光側(cè)壁，達(dá)到加工目的，如下圖所示。3.電極準(zhǔn)備在電火花加工中，必然涉及電極的設(shè)計(jì)、加工，電火花加工中電極設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。電極設(shè)計(jì)得好壞直接影響模具加工速度和質(zhì)量。（1）電極的結(jié)構(gòu)形式從電極的構(gòu)成來看，電極結(jié)構(gòu)可分為整體式電極、組合式電極和鑲拼電極三種。由于工藝需要，本任務(wù)采用整體式電極。從電極的形狀來看，電極結(jié)構(gòu)可分為2D電極和3D電極，如下圖所示。（2）電極材料選擇的綜合考慮電極材料的選取直接關(guān)系到放電的效果，在很大程度上，材料選取得是否恰當(dāng)決定了放電速度、加工精度以及表面粗糙度的最終情況。在電火花加工過程中，電極用來傳輸電脈沖、蝕除工件材料。下表中為各種電極材料的特點(diǎn)。合理選擇電極材料，可以從下列方面進(jìn)行考慮：①電極是否容易加工成形。②電極的放電加工性能如何。③加工精度、表面質(zhì)量如何。④電極材料的成本是否合理。⑤電極的質(zhì)量如何。（3）電極的制作4.電火花工作液的選用電火花工作液有最早期的水基、油基（如煤油）系列，較早期的礦油型系列及目前的高速合成型系列三大種類。水基及一般礦物油型工作液是第一代產(chǎn)品，水基工作液僅局限于在電火花高速穿孔加工等極少數(shù)類型中使用，絕緣性、電極消耗、防銹性等都很差，成形加工基本不用。而以煤油為代表的礦物油也逐漸被專用的礦物型火花油所代替，這類工作液具有良好的排屑性和排除積炭的作用，油的黏度都較低，在1.3～2.2mm2/s（40℃），閃點(diǎn)偏低。通常礦物型電火花油中加有酚類抗氧劑，色度變深，由于加工深度不太高，常含有一定量的芳烴，導(dǎo)致油品的安全性差，有臭味，對皮膚也有刺激；任務(wù)實(shí)施1.裝夾2.操作加工任務(wù)二電火花成形機(jī)加工手機(jī)模任務(wù)描述手機(jī)幾乎可以說是現(xiàn)代人離不開的通信工具。手機(jī)的外殼塑件是用模具來成形的。知識儲備1.工藝準(zhǔn)備如下圖所示，先用粗加工電極蝕除大量金屬，然后再換半精加工電極完成粗加工到精加工的過渡加工，最后用精加工電極進(jìn)行終精加工。每個(gè)電極加工時(shí)，必須把上一規(guī)準(zhǔn)的放電痕跡去掉。一般用兩個(gè)電極進(jìn)行粗、精加工就可以滿足要求；當(dāng)型腔模的精度和表面質(zhì)量要求很高時(shí)，才采用粗、半精、精電極進(jìn)行加工；必要時(shí)還要采用多個(gè)精加工電極來修正精加工的電極損耗。2.選用工作液混粉電火花加工時(shí)，微粉在電場的感應(yīng)下將產(chǎn)生感應(yīng)電荷。這樣，由于放電間隙中充滿著很多懸浮的粉末顆粒（下圖），原先的電極與工件直接放電的單一放電通道將分散為兩三個(gè)甚至更多的火花通道，即由電極與微粉顆粒、微粉顆粒間、微粉顆粒與工件間同時(shí)形成火花放電通道，在同一時(shí)間內(nèi)形成串聯(lián)的多個(gè)小放電通道，放電通道遞增，使得微精加工時(shí)的單個(gè)脈沖放電能量在空間上被分割，進(jìn)一步細(xì)化為1/6～1/2或更小的脈沖能量，在工件表面可加工出更小的放電凹坑?；旆鄯椒庸ょR面主要技術(shù)要求有：電火花加工機(jī)床具有鏡面精加工電路（具有極小的單個(gè)脈沖能量），選擇合適的粉末添加劑，進(jìn)行粉末添加劑的濃度管理，利用擴(kuò)散裝置來消除濃度的誤差?；旆垭娀鸹庸ぶ饕獞?yīng)用于復(fù)雜模具型腔，尤其是不便于進(jìn)行拋光作業(yè)的復(fù)雜曲面的精密加工，可降低零件表面粗糙度值，省去手工拋光工序，還可提高零件的使用性能（如壽命、耐磨性、耐腐蝕性、脫模性等）。3.電極準(zhǔn)備（1）電極材料選用純銅，但銅電極有多種，故應(yīng)根據(jù)下表中材料的特點(diǎn)及性能選用。在電火花加工過程中，“電極縮放量”是指工件與電極之間存在放電間隙。為了得到符合要求的加工尺寸，電極尺寸要比欲加工型腔的尺寸小，即對電極縮放一定的尺寸，縮小的尺寸稱為電極縮放量。如下圖所示，電極雙邊縮放量為b-a，電極單側(cè)縮放量為b-a2。電極制造選用高速數(shù)控銑削，如下圖所示，從Pro/ENGINEER中以IGS格式將簽名設(shè)計(jì)的3D圖形調(diào)進(jìn)，根據(jù)模具型腔的特點(diǎn)確定模具型腔、分模面，生成模具型腔實(shí)體圖、工程圖、加工工藝圖。根據(jù)CAM系統(tǒng)的功能，從CAPP數(shù)據(jù)庫獲取加工過程的工藝信息進(jìn)行零部件加工工藝路線的控制，然后輸進(jìn)加工參數(shù)，接著在CAM中編制刀具路徑進(jìn)行三維加工動態(tài)仿真，生成加工程序并輸送到數(shù)控機(jī)床，完成自動化加工。任務(wù)實(shí)施1.裝夾（1）工件的裝夾、校正（2）電極的校正可使用千分表校正電極，前面介紹了使用千分表校正工件的方法，同樣，校正電極的方法也是一樣的。使用千分表校正電極的操作過程（下圖）：先將主軸移動到便于校正電極的合適位置；將可調(diào)節(jié)角度夾頭的螺釘調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)至中心處（使中心刻度線對齊），通過目測觀察調(diào)節(jié)螺釘，使電極基準(zhǔn)底面處于大概水平，這樣可以減少校表時(shí)的調(diào)節(jié)量；選擇校正基準(zhǔn)面，將千分表測頭壓在電極的基準(zhǔn)面上，通過移動坐標(biāo)軸，觀察千分表上讀數(shù)的變化估計(jì)測差值，不斷調(diào)整夾頭裝置的螺釘，直到校準(zhǔn)為止。2.操作加工3.手機(jī)模具電火花加工操作與要點(diǎn)（1）電極的裝夾與校正使用EROWA夾具裝夾電極，使得電極的裝夾變得方便、簡單。（2）工件的裝夾與校正將工件放置于永磁吸盤臺面，校正基準(zhǔn)面與機(jī)床的軸向平行度。（3）電極與工件的定位用基準(zhǔn)球四面分中測量的定位方法。（4）使用混粉加工設(shè)備和技術(shù)。（5）此工件電火花加工的面積較大，電極應(yīng)牢固安裝于電極夾具上，注意加工中的抬刀速度不能太快，否則容易發(fā)生電極輕微松動，影響加工精度。（6）電極必須經(jīng)過拋光處理。（7）鏡面加工中，使油箱中的工作液輕微循環(huán)，不加沖液處理。任務(wù)三電火花成形機(jī)分解電極成形加工任務(wù)描述前面學(xué)習(xí)了部分電極的制作方法，但其主要適用于比較規(guī)則或容易加工的模具型腔，而有一些模具型腔形狀比較復(fù)雜，無法一次加工成形，如下圖所示。通過電火花分解電極的拆分方法的學(xué)習(xí)，最終完成下圖所示零件的加工。知識儲備1.工藝分解電極成形工藝是根據(jù)型腔的幾何形狀，把電極分解成主型腔電極和副型腔電極分別制造、分別使用。主型腔電極完成去除量大、形狀簡單的主型腔加工，如（a）所示；副型腔電極完成去除量小、形狀復(fù)雜（如尖角、窄槽、花紋等）的副型腔加工，如（b）所示。2.電極材料（1）石墨電極材料電火花加工的優(yōu)勢（2）石墨電極材料電火花加工的不足（3）影響石墨電極材料使用性能的指標(biāo)（4）石墨電極材料的適用范圍3.電極設(shè)計(jì)分解電極成形工藝是單電極直接成形工藝和多電極更換成形工藝的綜合應(yīng)用。它的工藝靈活性強(qiáng)，仿形精度高，適用于尖角、窄縫、沉孔、深槽多的復(fù)雜型腔模具加工。下圖所示是分解電極圖形。4.機(jī)床操作（1）機(jī)床的操作過程（2）掉電后的恢復(fù)（3）手動加工（4）使用自動生成程序系統(tǒng)編程（5）用半自動生成程序系統(tǒng)進(jìn)行編程（6）脈沖寬度、脈沖間隙、管數(shù)設(shè)定值與實(shí)際值對應(yīng)下表（7）加工面積與最佳粗糙度的關(guān)系機(jī)床在加工較大面積的精細(xì)表面時(shí)，不能完全達(dá)到加工條件表中有些條件所給出的加工面粗糙度Ra值。隨面積增大，表面粗糙度變差。這里給出了SE系列機(jī)床加工不同面積得到的最佳粗糙度Ra值曲線，如下圖所示。任務(wù)四電火花成形機(jī)搖動加工模具零件任務(wù)描述如下圖所示，在成形鑲件的型腔壁上需要加工兩條環(huán)形槽。加工前，首先要進(jìn)行工藝分析，確定加工方法。知識儲備1.數(shù)控?fù)u動加工的概念根據(jù)零件加工要求選用數(shù)控?fù)u動成形工藝加工，所謂“搖動加工”就是指數(shù)控電火花機(jī)床具有X、Y、Z等多軸數(shù)控系統(tǒng)，工具電極和工件之間的運(yùn)動就可多種多樣。利用工作臺或滑板按一定軌跡在加工過程中做微量運(yùn)動，通常將這種加工稱作搖動加工。下圖所示為數(shù)控電火花機(jī)床正方形搖動加工的過程。2.數(shù)控?fù)u動加工的作用（1）可逐步修光側(cè)面和底面。由于在所有方向上發(fā)生均勻的放電，可以得到均勻微細(xì)的加工表面。（2）可以精確控制尺寸精度。通過改變搖動量，可以簡單地得到指定的尺寸，提高了加工精度。（3）可加工出清棱、清角的側(cè)壁和底邊。（4）變?nèi)婕庸榫植考庸ぃ纳萍庸l件，有利于排屑和穩(wěn)定加工，可以提高加工速度。（5）由于尖角部位的損耗小，電極根數(shù)可以減少。3.有代表性的搖動類型（下圖）加工時(shí)，根據(jù)電極形狀和目的選擇搖動類型，其中經(jīng)常使用的是圓搖動和正方形搖動。下面僅說明圓搖動、正方形搖動和加工形狀的關(guān)系。（1）圓搖動由于圓搖動向電極所有的方向均勻地?cái)U(kuò)大尺寸，所以可以對應(yīng)所有的形狀。但在電極的內(nèi)角部位，半徑有相當(dāng)于搖動量大小的減少；而外角部位，半徑有相當(dāng)于搖動量大小的增加，因此在電極制作時(shí)要注意，如下圖所示。（2）正方形搖動由于正方形搖動沿電極的X軸和Y軸進(jìn)行平行搖動，所以在四角尖角處容易得到銳邊，但在圓弧部位擴(kuò)大量增加，需要加以注意，如下圖所示。（3）復(fù)雜形狀搖動在復(fù)雜形狀的搖動加工中，同一電極上有方形和圓時(shí)，在用圓搖動進(jìn)行加工中，邊角部分的形狀容易被破壞，如（a）所示。另外，在用正方形搖動加工中，半圓部分的形狀容易被破壞，如圖（b）所示。正方形和半圓部分都要求進(jìn)行高精度加工時(shí)，需要采取措施，對正方形和半圓部分分別制作電極，用符合各自形狀的電極進(jìn)行搖動加工。數(shù)控電火花機(jī)床不僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡單形狀的搖動加工，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多方向的復(fù)雜搖動加工。下圖所示為電火花三軸數(shù)控?fù)u動加工（指加工軸在數(shù)控系統(tǒng)控制下向外逐步擴(kuò)弧運(yùn)動）型腔。（a）為搖動加工修光六角型孔側(cè)壁和底面；圖（b）為搖動加工修光半圓柱側(cè)壁和底面；圖（c）為搖動加工修光半圓球柱的側(cè)壁和球頭底面；圖（d）為用圓柱形工具電極搖動展成加工出任意角度的內(nèi)圓錐面。任務(wù)實(shí)施任務(wù)五電火花成形機(jī)多軸聯(lián)動加工壓鑄模型芯任務(wù)描述下圖所示為一塑料模型芯，由加工圖紙得知采用了前面所介紹的電火花成形方式。其工藝較為復(fù)雜，并且需要較多的電極材料，加工周期較長，成本較高，由于硬度較高無法采用加工中心銑削。知識儲備1.工藝準(zhǔn)備數(shù)控電火花多軸聯(lián)動加工有電火花銑削加工、電火花創(chuàng)成加工、電火花展成加工等多種稱法。數(shù)控電火花機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)對機(jī)床坐標(biāo)軸的移動和轉(zhuǎn)動進(jìn)行數(shù)字控制，使之成為數(shù)字控制進(jìn)給或數(shù)控伺服進(jìn)給。單軸加工對電極的尺寸和形狀要求很高，因?yàn)樗木戎苯佑绊懠庸そY(jié)果。而多軸聯(lián)動是指X、Y、Z、B、C中的幾個(gè)軸（至少有兩個(gè)軸）能同時(shí)聯(lián)動，類似于多軸控制的數(shù)控銑削，可以實(shí)現(xiàn)以簡單電極加工出復(fù)雜零件。電火花多軸聯(lián)動加工（圖1~圖4）是一種新型的電火花成形加工工藝。這種工藝采用簡單形狀的工具電極（通常采用中空圓柱棒電極，加工中做高速旋轉(zhuǎn)），采用UG等軟件的數(shù)據(jù)文件自動生成加工指令，控制工作臺及主軸多坐標(biāo)數(shù)控伺服運(yùn)動，配以高效放電加工電源，仿銑加工平面輪廓曲線和三維空間復(fù)雜曲面。下圖所示是用圓電極棒來加工沖模零件，2D圖中的粗線為需要加工的部位。零件外形已用銑削加工方法進(jìn)行了預(yù)加工，余量為0.50mm。零件的程序原點(diǎn)設(shè)在R15mm的孔中心上方，其加工軌跡如下圖所示。2.電極準(zhǔn)備電極材料選用銅電極，由于采用多軸聯(lián)動的電火花加工方式，因此電極結(jié)構(gòu)（圓柱形）和加工制造難度較小，可采用車削后拋光的方式得到。其裝夾方法如下圖所示，可采用標(biāo)準(zhǔn)套筒與鉆夾頭裝夾。任務(wù)實(shí)施1.程序編寫由于編程方法在前面已經(jīng)進(jìn)行了介紹，因而對于其代碼和功能不再做介紹，根據(jù)零件圖形進(jìn)行程序編寫。由于需要分粗精進(jìn)行加工，故可采用子程序調(diào)用的方式來編寫，程序的長度也因此得到了很好的簡化。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為電