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電火花加工在模具製造中出現的異常問題及分析
日期: 2009-01-10
1 引 言
 
電火花加工在模具製造中是十分重要的工藝環節,尤其在塑膠模製造中更為重要。大多塑膠模零件通常採用電火花加工來完成最終精加工,加工完成的品質直接影響模具零件的裝配性能或成型精度。加工出現的異常問題輕則造成一些不必要的處理方法,重則造成工件整體報廢,延長了模具製造週期,增加了模具製造成本,降低了模具品質,因此防範發生加工異常問題具有重要意義。加工異常問題包括加工中的不正常現象和加工後的品質問題。
 
2 電火花加工常見的異常問題及分析
 
(1)模具零件加工完成後加工部位實測尺寸不合格。用電火花加工完成的部位通常能達到的精度為0.005mm左右。模具零件中不同部位的加工精度要求是不一樣的,有一些精度要求高的部位尺寸公差控制很嚴格。如果加工尺寸不在公差允許範圍內,即為不合格尺寸。不合格尺寸有大於最大極限尺寸和小於最小極限尺寸。影響加工尺寸大小的因素有以下幾種:
 
a.電極尺寸縮放量的影響。電火花加工時兩極間存在火花間隙,為了加工出符合要求的尺寸,對電極縮放適當尺寸來加工。電極的縮放尺寸在生產中稱為電極縮放量。在加工時,實際產生的火花間隙與電極縮放量的不匹配將直接影響加工尺寸的精度。在不採用電極平動加工時,如果所產生的火花間隙小於電極縮放量,加工出來的尺寸將小於標準值。相反,電極縮放量比實際火花間隙要小時會使加工後的尺寸大於標準值。因此正確確定電極縮放量的大小是保證加工尺寸合格的前提。確定電極縮放量大小時要視加工部位的不同而合理選用。塑膠模具加工部位一般分為結構性部位和成型部位。結構性部位在模具中起配合、定位等作用。這些部位的加工表面粗糙度無嚴格要求,但要求尺寸一次加工到位,保證加工後的尺寸符合要求。在確定這些部位火花位大小時取加工時實際產生的火花間隙的大小。成型部位是用來直接成型塑件的部位。此類部位的加工尺寸和表面粗糙度都有相應的要求。電火花加工的成型部位一般在加工完成後採用拋光的方法去除火花紋跡達到預定表面粗糙度要求,所以在確定這類成型部位電極縮放量時應準確確定拋光餘量。一般拋光餘量取4Ra+0.005mm左右(Ra:電火花加工完成的表面粗糙度值),在計算電極縮放量時取實際火花間隙和拋光餘量之和。電火花加工工藝一般是用不同尺寸的電極採用不同的電規准由粗到精完成加工。加工後的尺寸主要決定於精加工的控制。在不採用電極平動加工時,確定精加工火花位大小時應先考慮好為達到預定表面粗糙度要選用的電參數條件,明確該條件火花間1隙的大小再確定電極火花位的大小。成型部位精加工的火花位一般為單側0.04—0.08mm,結構部位為單側0.02—0.06mm。確定粗加工火花位元大小時以考慮加工速度和為精加工預留適當餘量為標準,一般取單側0.15—0.25mm。在採用電極平動加工時,火花位取標準值減去火花間隙和平動量,精加工中電極火花位一般取單側0.12mm左右。確定電極火花位大小時還應詳細考慮加工部位的加工性能。如在通孔類排渣良好的情況下,不容易形成二次放電,產生的火花間隙相對比較小,而盲孔類加工因排渣不是很順,二次放電的機會比較多,而使火花間隙變大。大電極縮放量較小電極縮放量相對小一些。因為大電極放電時放電能量分佈均勻,小電極放電時能量集中。
 
 b.電極實際尺寸、平動量控制的影響。在不採用電極平動加工時,電極的實際尺寸對加工部位完成的尺寸起決定性的作用。在正確確定電極火花位以後,應該採用合理的加工方法保證製造電極的精度。在採用電極平動加工時,平動量的控制對加工尺寸起決定性的作用。應根據電極實測尺寸的大小,確定正確的平動量來保證加工尺寸符合要求。
 
c.電極校正精度的影響。加工後的尺寸與電極的校正精度有很大的關係。電極的校正偏差會使其在加工進給方向的垂直平面投影面積增大,使其加工部位的尺寸大於正常值。因此一般存在用小電極加工後的側面間隙比用大電極加工後的側面間隙稍大的情況。因為小電極的校正精度不可能有大電極那樣高。保證好電極的校正精度是電火花加工開始階段最重要的環節,是保證加工尺寸合格的重要條件之一。
 
d.電參數調節因素的影響。電參數調節直接關係到加工中實際火花位的大小。更改電參數條件的各項均會影響火花間隙的大小。對火花間隙影響最明顯的是電流,隨著電流的增大火花間隙也相應增大。脈衝寬度的影響也是如此。脈衝間隙的增大會使火花間隙變小,但作用不是很明顯。其他相關參數也在間接地影響火花位的大小。因此在調節電參數時一定要選用合理,更改電參數時要弄清楚會對加工尺寸產生的影響。
 
e.加工中電極損耗的影響。在加工過程中不可避免的存在電極損耗,電極損耗使加工完成的尺寸小於標準值。(不正常的過大電極損耗原因在下面詳述)一定要正確控制好電極損耗來保證加工的尺寸符合標準。
 
f.加工深度控制的影響。在加工尺寸中加工進給方向的深度是一個特別重要的尺寸。深度的控制精度關係著加工尺寸是否合格。影響深度控制精度的因素首先是加工前對刀精度的影響。在對刀時如果電極和工件間存在雜物,會使對刀產生偏差,通常會使加工完成的深度小於標準值。所以在對刀時一定要保證兩極間的乾淨。其次是預留的加工餘量的影響。加工部位側面的尺寸控制決定於電極的火花位。而深度控制則決定于加工時對所要加工的深度尺寸的預留。預留量的選取同電極火花位選取原則相同。再次是對刀基準的精度的影響。電極用來對刀的部位必須是明確的基準,基準面應光潔平整。最後還要注意在粗加工中電極熱膨脹的影響,使其變長而超過為精加工預留的餘量,使加工深度偏深,出現精加工時修不光的現象。
 
(2)加工完成部位表面品質不合格。表面品質異常問題一般有積炭、粗糙度不符合要求、表面變質層過厚。下面針對這三種問題具體分析。
 
a.積炭。積炭是表面品質異常最嚴重的問題,對模具零件產生破壞性的效果。它是電火花加工中放電異常的產物。引起放電異常的主要原因是電規則選擇不當。一般積炭發生在精加工中,因為精加工時放電間隙小,排渣不容易。因此在調節電參數時要以觀察到放電狀態穩定為標準,在放電不穩定的情況下,應該將放電時間減短,抬刀高度增大,脈衝寬度減小,脈衝間隙增大,伺服壓力減小等。粗加工中,在加工面積小時注意峰值電流不要過大。其次沖油也有很大影響。不適當的沖油方式、沖油壓力使電蝕物無法順利排出,使放電狀態很不穩定而引起電弧放電。一般採用的沖油方式是下沖油,朝開口部位沖油,淋油等。沖油壓力控制在接近加工的臨界壓力範圍內,採用的火花油應該較清潔。整個加工過程中要隨時監控加工穩定狀況,通過看火花、聽聲音、觀察電流、電壓表來評定。對加工中的不正常現象及時採取相應措施。
 
b.粗糙度不符合要求。加工完成的表面粗糙度不符合要求是表面品質異常的常見問題。一些精密部位通常要求加工出很細微的表面再採用拋光處理,如果加工得粗將會增大拋光量,影響加工形狀、尺寸精度。還有一些產品是要求表面火花紋的,這就要求加工出來的表面粗糙度符合要求,整體均勻。上述的電規准選擇不當和沖油因素也是產生表面粗糙度不符合要求的重要原因。另外還有電極表面粗糙度、電極材料、加工留量等因素的影響。電極表面粗糙度直接影響加工表面的粗糙度。加工時是將電極的表面複製到工件表面,因此精加工的電極通常都要拋光處理。電極材料品質差,組織不均勻,含雜質等會使加工出來的工件表面粗糙度不均勻,達不到預定要求,選擇電極材料時應該根據加工部位的要求合理選用。粗加工的加工留量對精加工效果的影響很大。如果留的太少,會產生精加工修不光的現象。一般粗加工為精加工留0.15mm進行修光。大電極比小電極可適當少留一些。一些同樣的型腔多個數目加工時應該及時更換電極,因為電極在加工多個部位以後,其表面品質會變差,使加工的工件表面粗糙度不一樣。
 
c.表面變質層過厚。放電時產生的暫態高溫高壓,以及工作液快速冷卻作用,使工件表面在放電結束後產生與原材料工件性能不同的變質層。一般情況下,表面變質層對加工結果的影響是不利的。尤其是表面變質層過厚,會使加工表面耐磨性、耐疲勞性大大降低,對工件使用壽命產生不利的影響。表面變質層過厚的情況一般發生在加工部位比較小的地方,因為這些加工部位放電能量很大。像加工出的部位有小的凸形的話,在粗加工中也不能使用大的電流,過大放電能量的熱影響會影響工件的表面品質。
 
(3)加工位置偏差。加工完成後發現電極打偏了是加工異常的常見問題。裝夾工件、電極的方式要牢靠,不會在加工中發生鬆動。保證好電極和工件的校正精度。在定位時要選用準確的基準,準確的定位方式來進行。確保定位基準無毛刺、無雜物。在操作過程中要精心控制定位精度。在加工開始時要仔細觀察加工部位有無偏差,加工中要及時檢查加工部位位置有無差別。細心做好這些要點可防止加工位置偏差異常現象的發生。
 
(4)加工中的異常。電火花加工中的異常現象使整個加工過程不能正常進行,一般在加工中常出現的異常問題有:
 
a.加工效率很低。電火花加工的效率直接影響模具加工效率,應該正確控制。電參數是影響加工速度的主要原因。加工電流的大小是電參數中影響最明顯的條件。一般在粗加工中,應該在保證為精加工預留適當餘量的原則上選用最大電流,這樣既提高了加工效率,也更便於精加工的進行。如果在粗加工中電流選用過小,首先影響了粗加工的效率,同時因為精加工的餘量比較多,也降低了精加工的效率。提高脈衝頻率即加大脈衝寬度,減小脈衝間隙也是提高加工效率的方法。其他輔助電參數同樣也很重要,如可以增長放電時間,減少抬刀次數。但要以加工穩定為前提,否則加工區工作液不能及時消電離,電蝕產物不能及時排出,反而導致加工效率的下降。比如在大面積精加工時應該將放電時間長度設為很短,勤抬刀。只有這樣才能保證加工的順利進行,在放電穩定的情況下,實質上提高了加工效率。工作液的品質,沖油方式的影響也很明顯。應該選用優質電火花加工液,在沖油時採用合理的沖油方式保證排屑順利,大電極加工時建議浸油加工。加工部位應先進行預加工,留適當餘量。加工餘量過多會增多加工時間而大大降低加工效率。粗加工為精加工預留的深度餘量不宜太多,尤其在大面積的情況下,因為精加工規則的電蝕能力很低,當餘量過多時會提高加工難度而影響加工效率。
 
b.電極損耗很大。電極損耗過大時會嚴重影響加工部位的仿形精度、尺寸精度。應正確分析引起電極損耗很大的原因。電規准中脈衝寬度是控制電極損耗的主要參數,在電極損耗大的情況下應該考慮選用的脈衝寬度值是否太小。在精度要求很高的情況下應考慮選用的電極材料能否達到低損耗加工要求。檢查加工的正負極性是否接反。在小電極加工時是否因為加工電流過大引起損耗過大。沖油壓力,流速過大也會引起電極局部損耗過大,應適當調整。
 
c.放電狀態不穩定。放電狀態不穩定這種情況是在加工過程中能夠發現的異常現象,應該及時處理,以免造成影響加工品質的後果。放電狀態不穩定時會有一系列相應表現,如火花顏色紅亮,冒白煙,聲音低而悶,放電集中於一處,電流、電壓表錶針不均勻急速擺動,伺服百分表指標來回擺動等。發現這些情況時,應先考慮電參數的影響,如放電時間是否過長,排渣高度是否不夠,電流、脈衝寬度是否過大,脈衝間隙是否過小等。其次應考慮加工部位是否存在雜物、毛刺。再次應考慮沖油壓力和方式的選用是否合理。
 
d.電極發生變形。電極發生變形多見於薄小電極的加工中。這種變形主要是熱變形。其次是伺服壓力過大。對於這類電極的加工,放電能量不能太大,加工過程中熱量持續的時間不能太長。故電流不能選太大,放電時間要短,沖油要充分。在設計電極時,除結構本身薄小的部位外,其他加工部位的電極應具有足夠的強度。
 
e. 型孔加工中產生“放炮” 。在加工過程中產生的氣體,集聚在電極下端或油杯內部,當氣體受到電火花引燃時,就會象“放炮”一樣衝破阻力而排出,這時很容易使電極與凹模錯位,這種情況在抽油加工時更易發生。因此,在使用油杯進行型孔加工時,要特別注意排氣,適當抬刀或者在油杯頂部周圍開出氣槽、排氣孔,以利排出積聚的氣體。
 
(5)人為的不小心造成的加工異常。由於人為的不小心而導致加工品質異常在生產中時會發生。這些現象主要發生在電火花操作員身上,如將座標數位設置錯誤,深度設錯,電極裝夾方向弄反,拿錯電極,看錯圖紙,數控程式編錯等,還有設計給數出錯等,這些問題不是犯在技術性上,而是最低級的人為錯誤。但有時一些小錯誤造成的後果卻是很嚴重的。應該儘量避免犯錯誤,不斷的提高自身的技術水準。
 
3 結束語
 
防止電火花加工中異常問題的發生對提高模具品質有著重要的意義。應該正確分析加工中各環節對加工品質的影響,把握好每一個環節,注重每一個加工細節,保證最終的加工品質。
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