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1、磨具制造中的特种加工技术应用摘要：本文以常用成型模具为实例，浅谈了电火花加工、常用特种加工等技术在模具设计制造过程中的具体应用。同时熟悉电解加工、超声加工等加工技术在现代模具加工中的使用对于缩短加工周期、提高模具加工质量都具有十分重要的意义。 关键词：模具；特种加工；电火花；线切割；超声前言：特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法” ，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。特种加工主要有电火花加工、电化学加工、激光加工、电子束加工技术、离子束加工、超声加工、化学加工及快速成形等技术。在模具特种加工技术中电火花加工、电化学加工中的电解加
2、工和超声加工运用较多，本文对以上主要加工方法的加工原理，加工过程及参数选择等做简要分析。Abrasive manufacture of special machining technologyAuthor: Li MingliangAbstract: This paper uses the mold as example, the electric spark machining, commonly used special processing technique in mold design and manufacturing process in the specific applica
3、tion. At the same time familiar with the electrolytic machining, ultrasonic machining and processing technology in modern mold processing application to shorten the processing cycle, improve the mold quality has very important significance.Key words: Mold; machining; electric spark;line cutting; ult
4、rasound正文：一.电火花加工1.1 电火花加工发展历史触面的损坏,这种放电引起的电极烧蚀现象叫做电腐蚀。起初，电腐蚀被认为是有害的，为减少和避免这种有害的电腐蚀，人们一直在研究电副食产生的原因和防止的办法。当人们掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电腐蚀用于生产中。研究结果表明，当两极产生放电的过程中，放电通道瞬时产生大量的热，足以使电极材料表面局部熔化或汽化，并在一定条件下，熔化或汽化的部分能抛离电极表面，形成放电腐蚀的坑穴。二十世纪四十年代初，人们进一步认识到，在液体介质中进行重复性脉冲放电时，能够对导电材料进1行尺寸加工，因此，创立了“电火花加工法”。在电火花加工技术创新方
5、法较多，主要有：模糊加工技术，放电位置在线监测，多轴联动数控电火花加工，节能型电火花脉冲电源，电火铣削加工等。1.2 电火花加工原理电火花加工主要是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属。用以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。研究发现点火放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除，形成放电凹坑。如图1 所示：图 1，电火花加工原理示意图1-工件 2-脉冲电源 3-自动进给调节装置 4-工具 5-工作液 6-过滤器 7-工作液泵1.3 电火花加工过程及参数选择一般认为，点火加工可分为以下四个连续过
6、程：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛处；极间介质的消电离。电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.010.05mm） 。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10107Wmm） ，放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的
7、间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。1.4 模具电火花加工实例如汽车车灯模具，在对模具型腔轮廓进行加工时，运用了电火花加工。汽车灯具模具由于特殊的凹槽结构，已不能使用传统的切削加工工艺。在电火花2加工时，既要保证对型腔内整体的蚀除量大，提高加工效率，也要求电极损耗低。由于灯具表面的高光泽度和灯具安装时极小的安装缝隙，也要求电火花加工时能保证很好的加工精度和粗糙度。图 2，汽车车灯模具型腔加工时为了提高加工精度，在电
8、极选择方面，首先要寻找耐蚀性高的材料，如纯铜、铜钨合金和石墨电极等。一般石墨电极和纯铜选用较多，可以实现在宽脉冲粗加工时的电极低损耗。线切割是冲模零件的主要加工方式，然而进行合理的工艺分析，正确计算数控编程中电极丝的设计走丝轨迹，关系到模具的加工精度。通过穿丝孔的确定与切割路线的优化，改善切割工艺，这对于提高切割质量和生产效率，是一条行之有效的重要途径。 二.电解加工2.1 电解加工发展历史电解加工属于电化学加工中运用最多的一类，在 20 世纪 30-50 年代后，随着国防工业特种工件的需要，发展起来了电化学加工。目前在航空发动机、火箭、枪炮制造工艺，机械模具、叶轮的制造中得到了较广泛应用。电
9、化学加工有如下特点：a,加工适应性广，与被加工材料的硬度，强度，韧性等无关，故可加工任何金收据材料。常用于加工高温合金，钛合金，不锈钢，淬火钢和硬质合金等难切削材料。 b,生产效率高，能以简单的直线进给运动，一次加工出复杂的型腔，型孔或外形表面。其进给速度可达 O 315 mmmin，因此生产效率高，约为电火花加工的 5 一 10 倍。c,表面质量好,电解加工表面质量好，不会产生毛刺，也没有残余应力和变形层，对材料的强度和硬度均无影响。d,工具损耗小,电解加工时，工具负极材料本身不参与电极反应，同时工具材料又是抗腐蚀良好的不锈钢或黄铜等，所以工具负极基本上没有损耗。2.2 电解加工原理电解加工
10、主要是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理将工件加工成形3的一种特种加工方法。根据电化学原理，在含正、负离子的溶液中，通电的阴、阳极表面发生得失电子的化学反应，溶液中的正负离子向带电相反的负、正极表面定向移动而发生电荷迁移，从而导致如“阳极溶解”和“阴极沉淀”的现象。利用该现象进行的加工即称电化学加工，其原理图如如 3 所示。图 3，电解加工原理图电化学加工具有加工范围广、生产率高、表面质量好、工具阴极无损耗等显著优点，尤其适合于难加工材料和复杂形状零件的加工，如型孔、型腔、复杂型面、小直径深孔、膛线及进行去毛刺、刻印等。 2.3 电解加工过程及参数选择电解加工时，工件接直流电源正极，工具接电
11、源负极。工具向工件缓慢进给，使得两极间保持较小的间隙（0.1-1mm） ，具有一定压力（0.5-2MPa）的电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解产物被高速（5-20m/s）的电解液带走，直至公家表面形成与阴极工作面基本相似的形状。2.4 模具电解加工实例对于摩托车发动机缸体模具，所需模具型腔复杂，且具有高光泽，高亮度，通常使用了电解加工工艺，成型模具型腔表面。图 4，摩托车发动机缸体模具型腔在非模具加工的其他工件成型上，如飞机涡轮发动机叶轮，枪炮线膛加工等，电解加工也有着极其重要的应用。2.5 电解加工发展方向4电解加工由于航空、航天和兵器领域有着独特的加工优势，近年来开
12、展了新方向研究。主要有如下方面。（1） 电解微精加工的深入研究 电解加工技术具有加工机理的独特优势以及在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间，但还必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断创新。具体应关注以下两点： a,进一步完善硬件系统，如微进给系统及微控工作台的性能及可靠性的提升；加工过程自动检测与适应控制研发的深化。 b,微精加工机理的研究,尤其是在中、高频率脉冲电流条件下，微精加工电解反应系统动力学等方面的深入研究。如：脉冲参数(脉冲宽度及占空比)对加工效果的影响，流场的影响，冲液加工的可行性及相应的参数选择。（2） 脉冲电源的深化研发 微秒级脉冲电源的工程化完善以及在工业领域的大
13、力推广应用。纳秒级脉冲电源、群脉冲电源、逆变式脉冲电源的性能完善。 （3）电解加工机床 电解加工机床(包括其控制系统)及电解液系统性能的进一步改善。精密加工、微细加工等新技术对电解加工设备提出了更高的要求，如：机床的高定位精度及低速进给的稳定性、电解液系统的高清洁度及参数的稳定等，这些都需要引起足够重视三.超声加工3.1 超声加工发展历史超声技术在工业中的应用开始于 20 世纪 1020 年代，它以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。1951 年，美国的 A.S.科恩制成第一台实用的超声加工机。二 十 世 纪 50 年 代 中
14、 期 ， 日 本 、 苏 联 将 超 声 加 工 与 电 加 工 (如 电 火 花加 工 和 电 解 加 工 等 )、 切 削 加 工 结 合 起 来 ， 开 辟 了 复 合 加 工 的 领 域 。 将超声加工与切削加工、电火花加工、电解加工结合起来的复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件，提高加工效率和质量。在脆硬金属导电材料，特别是在不导电的非金属材料方面，超声加工具有明显优势。3.2 超声加工原理超 声 波 发 生 器 将 工 频 交 流 电 能 转 变 为 有 一 定 功 率 输 出 的 超 声 频 电 振 荡 ， 换能 器 将 超 声 频 电 振 荡 转 变 为 超 声 机
15、械 振 动 ， 通 过 振 幅 扩 大 棒 （ 变 幅 杆 ） 使 固定 在 变 幅 杆 端 部 的 工 具 振 产 生 超 声 波 振 动 ， 迫 使 磨 料 悬 浮 液 高 速 地 不 断 撞 击 、抛 磨 被 加 工 表 面 使 工 件 成 型 。 如 图 5 所 示 。图 5， 超 声 加 工 原 理 图53.3 超声加工过程及参数选择（1）超声加工过程超声加工时，超声换能器产生 16000Hz 以上的超声频纵向振动，借助变幅杆将振幅放大到 0.05-0.1mm 左右，驱动工具端面做超声振动，迫使工作液中悬浮磨粒以极大速度不断撞击、抛磨工件表面，将表面材料粉碎成细微颗粒，从工件上打击下
16、来。同时，工作液受“空化”作用，等，钻入工件材料微裂缝处，加剧机械破坏作用。共同作用下导致工件表面不断被磨损加工至需要的形状。（2）超声加工中，表面质量、速度和精度影响因素表面质量的好坏主要取决于每粒磨料每次撞击工件表面后留下的凹痕大小，它与磨料颗粒直径、被加工材料的性质、超声振动振幅以及磨料悬浮工作液的成分等有关。超声加工速度指单位时间内去除材料的多少。主要影响因素有：磨料的种类和粒度、磨料悬浮液的浓度、工具震动频和振幅、工具与工件间的静压力、工具工件材料、加工面积等。磨料硬度越高，加工速度越快，但应考虑成本因素，加工超硬材料如宝石等应用金刚石磨料，加工硬质合金可用碳化硼磨料，加工脆硬材料可用碳化硅，加工玻璃等材料可用刚玉即可。在选择磨料上应做详细考虑。另外，磨料悬浮液浓度一般为磨料对水的质量比为 0.5-1 左右。超声加工精度，除受机床、夹具精度影响外，还与磨料粒度、工具精度及磨损情况，工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质等有关。一般超声加工孔径范围约为 0.1-90mm，深度可达直径的 10-20 倍。加工
