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大型壳形石墨工具电极的设计与加工

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石墨作为电火花加工( Electrical Discharge Ma-chining ,简称 EDM )电极材料,以其易加工修整、重量轻、放电效率高、热膨胀系数小、损耗小、不易拉弧等优点,在模具行业已得到越来越广泛的应用 。
为降低机床负荷和人工调整工艺装备难度,大型电极更适宜采用石墨材料。 大型电极,若使用紫铜则重量较大,通常要分拆开为小电极,但有的因精准度也要求很高而不宜分拆;若工件较小,可把工件固定在机械头上,电极固定在机台上,反“极性”加工。 若以上条件不具备时只能使用石墨电极。
现代塑料模具型腔具有越来越大的趋势,型腔数量也越来越多,石墨因其比重轻,不但更适合于制作大型工具电极,而且能设计加工成大型组合电极。
电火花加工也具有局限性,最突出的是加工速度较慢和存在电极损耗,从而影响加工的效率和质量。 为提高电火花加工的效率和质量,应研发并使用大型壳形石墨工具电极。
所谓壳形工具电极,就是把工具电极设计加工成为薄壳形状。 壳形石墨工具电极具有很多优点,如减轻电极重量,增加材料的利用率,减少电极损耗,延长电极寿命,减少能耗,提高电火花加工效率和加工精度,降低成本。
1 应用石墨壳形工具电极的效果。
1.1 解决提高加工效率与减少电极损耗的矛盾。
石墨电极不仅热学性能好,而且在长脉冲粗加工时能吸附游离碳来补偿电极的损耗,相对损耗率低。 提高电火花加工速度的途径在于:提高脉冲频率,增加单个脉冲能量,设法提高工艺系数 。 由于消电离时间的制约,通过提高脉冲频率来提高加工速度的空间非常小;在相同工艺条件下,对大型电极而言,提高加工速度的最有效途径在于增加单个脉冲能量。 增加单个脉冲能量主要依靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。 但当脉冲电流增长率太高时,对在热冲击波作用下易于脆裂的工具电极 (如石墨)的损耗,影响尤为显著,为降低电极损耗,应在放电初期限制脉冲电流的增长率 。 无疑,存在着提高加工效率与减少电极损耗的矛盾。
文献 对电极表面温度场分布的研究表明,电极表面放电点瞬时温度不仅与瞬时放电总热量(与放电能量成正比)有关,而且与电极材料的导热性能有关。 如果石墨工具电极加工成壳形,减少工具电极的热量,壳形薄壁更利于热传递,即使采用较大的脉冲宽度和较大的脉冲电流进行加工,电极表面温度仍相对较低,依然损耗较少,而工件表面温度仍较高而遭到高效蚀除, 即进一步降低损耗比。
因此石墨电极加工成壳形,有利于发挥传热效应的作用,既提高了加工效率,又减少电极损耗。
1.2 便于设计冲油孔来改善电火花加工条件。
大型电极电火花加工的排渣困难,极易引起电弧。 大型电极电火花加工通常因“面积效应”而引起工艺指标降低 。 在大型工具电极中设计冲油孔,是改善电火花加工条件,提高加工稳定性和加工速度的技术手段。
对大型工具电极而言,尤其是受深度效应影响较为严重的深腔模具电极,设计冲油孔是非常必要的。 冲油不但可促进消电离,促进电火花加工蚀除物排出,以免引起电弧放电,而且加速放电区域的冷却,使放电过程稳定。 把大型石墨电极设计为壳形,更有利于设计冲油孔,只要在非加工放电加工面的区域设计一个与油嘴相匹配的通螺孔即可。

图 1 饮水机过滤净水桶

图 1 饮水机过滤净水桶

1.3 减轻机床主轴电动机负载。
石墨电极设计成壳形,减少电极重量,从而减轻了机床主轴电动机负载,对于大电极的长时间加工,可大幅度减少能耗。
电火花加工机床通常为悬臂式结构, 大型电极重量影响立柱结构的刚度,影响机床加工精度。 壳形石墨电极,重量小,可减少机床变形,提高加工精度。
2 借助 CAD 技术设计大型壳形石墨电极。
目前,很多 CAD/CAM 一体化软件,如 Master-CAM 、 Pro/ E 、 Cimatron 、 UG 都能进行 3D 建模及数控编程。 现以制造如图 1 所示饮水机过滤净水桶塑料模具前模腔电极为例,说明基于 Pro/ E 的壳形石墨电极的设计方法。
饮水机的过滤净水桶,如图 1 所示,是透明塑件,造型为 36 瓣合形状。 净水桶的材料为食品级的全新材料 PC (聚碳酸酯),收缩率为 0.5~0.8 。 桶底开有用于安装浮阀开关的小孔,模具结构可使用单腔中心浇口,模具并不复杂,但制造比较复杂,因为型腔深度达 248 mm , 瓣合形状的小圆角 R5 不易加工,深腔要用长铣刀,刀杆长度 248 mm 以上的 Φ10mm 铣刀显然没有足够的强度和刚度, 这成了加工工艺的一对矛盾。 这种深腔小圆角的工艺矛盾可利用电火花加工解决,就是通过电极把深腔小圆角的内加工转变为用大径铣刀加工电极外圆角加工。 使用电火花加工还可以减少数控铣床精加工中光刀的时间和人工抛光的时间。
该塑件较大,对应的电极也比较大,因此设计制作成壳形石墨电极。
用 Pro/ E 构建电极就是利用塑件曲面(前模电极用前模塑件曲面 , 后模电极用后模塑件曲面),加建避空位和 z 轴水平基准及 xy 轴垂直基准  。 其过程如下:1 )塑件放缩水。 本实例设 PC 收缩率 0.5 ,即将塑件放大 1.05 倍。
2 )构建壳型薄壁。 通过重新定义功能修改产品壁厚为电极壁厚。 一般情况下,可利用抽壳功能作成均匀的壳型薄壁,但也要兼顾加工效率和结构的强度,有时也设计为近似的内腔。 本实例中仅利用抽壳功能构建壳型薄壁, 内壁横截面是 36 边的多边形,造成了加工难度。 因此,还要参考抽壳后的内轮廓线进行偏移,构建旋转母线,使用旋转减料功能构建一个光滑的内壁。 考虑到结构的强度,本实例最小薄壁厚度为 15 mm 。
3 )构建避空位。 利用电极壁厚使用拉伸功能构建避空位,高度根据实际情况而定。 设计避空位时要考虑避免电极基准部分与工件接触,同时还要考虑夹具的干涉问题。 本实例避空位为 40 mm 。
4 )构建基准及安装座。 以避空位端面为绘图面,使用拉伸功能构建 xy 轴垂直基准。 为方便校核水平,本实例取电极成型部分的水平底部作为 z 轴水平基准,基准及安装座通常作成矩形,并倒一圆角作为基准角。 但本实例是关于 90° 旋转对称的电极,为节省材料,设计成图 2 所示样式。

图2

图 2 壳型石墨电极

图3

图 3 大型石墨电极夹具

图4

图 4 夹具与电极的装配关系

5 )构建电极夹具。 电极的安装,通常在电极上加工螺纹孔, 通过螺栓连接, 但对于大型石墨工具电极,这种安装方法并不安全可靠。 为方便装配,可利用装配模块设计大型石墨电极夹具,如图 3 所示。 电极夹具大小可调节,在一定程度上为通用夹具。
夹具与电极的装配关系如图 4 所示,为留出 xy轴基准方便校正,夹具安装在电极的四隅角上。 因电极较大,安装时把电极放在机床工作台上,再把主轴降下来。 把夹具开宽点, xy 轴前后左右移动到电极上面,锁紧螺栓,再把主轴升上去,校正垂直度和 xy 轴向,然后寻找设定中心点。
3 大型壳形石墨工具电极加工3.1 刀具的设计。
由于石墨具有良好的导热性,又是一种优良固体润滑剂,在车削时不必使用冷却液。 由于人造石墨的毛坯表面粘有很多硬质的金刚砂( SiC ) , 较易伤刀 [5] ,车削与铣削加工时最好选用 YG 系列硬质合金刀具。 石墨工具电极的材料价格较贵,为提高材料利用率,降低成本,要把大型壳形石墨电极的内部余料整块切除出来。 为此要设计制作相应的环槽刀和内切断刀。
3.1.1 环槽刀的设计。
环槽刀实质是切断刀,是用足够长的刀杆前端焊接一个硬质合金刀粒, 如图 5 所示, 可参考图 6进行刃磨 。

图5

图 5 环槽刀

图6

图 6 环槽刀刀刃设计

图7

图 7 内切断刀

3.1.2 内切断刀的设计。
内切断刀如图 7 所示,主要由刀体、转动刀杆、安装刀杆、手动控杆组成,刀体安装在转杆上,转杆与安装刀杆的孔 / 轴为间隙配合安装,转杆与安装刀杆之间设有轴向限位和转动角度限位,使用时安装刀杆安装在车床刀架上。为适应切除不同大小的内部余料,刀体与转动刀杆为方孔配合连接,螺丝压紧固定,可进行更换安装,如图 7b) 内切断刀的分解图所示。 内切断刀的刀体制成弧形,端部焊接硬质合金刀粒,如图 7c) 所示。 刀体的设计与刀刃的磨制可参考图 7d) ,如果内切断刀的弦长 L 对应的圆心角为 θ=360°/6 = 60°, 此时弦长 L=r 时,可将内芯完全切断;但为了防止切断时内芯部分激烈撞击外壳部分,刀尖点 T 点设在圆心角 60° 的径向射线内, 刀尖点 T 旋转切削至水平时,则还有一小圆芯没有切断;前刀面垂直于刀尖点 T 与刀杆转动轴连线时 TO′ , 可确保整个车削过程中不出现负前角切削,后刀面角度要参考内芯圆弧在刀尖点 T 的切线进行刃磨。
3.2 加工工艺规划设计。
针对本实例大型壳形石墨工具电极的结构特征分析加工工艺,拟定如下的加工基准:以电极大端根部中心为车削原点,在数控车床上用卡盘装夹另一端;以电极小端中心为铣削原点,在数控铣床上装夹大端。 车削基准与铣削基准不一致造成的误差留在避空位上,这样对电火花加工精度不造成影响。 拟定如下的加工工艺设计:1 )用环槽刀车环切槽。 环切槽的大径和深度要借助 CAD 设计, 环切槽的小径以能伸进内切断刀刀体和刀杆为参考依据。 本设计实例的环切槽的大径为 Φ220 mm ,小径为 Φ170 mm ,槽深为 180 mm 。
2 )用内切断刀切断芯棒。 用内切断刀切断芯棒,将安装刀柄与工件同轴固定在数控车床刀架上,把手动控杆放到水平位置,移动调整刀架位置,使内切断刀的圆弧刀体与环切槽相对正,手动移动刀架把圆弧刀体推到环切槽的底部,启动传动主轴的电动机,主轴转速可设为 300 r/min ,把手动控杆慢慢向上转动,直到 60° 限位的位置。 到快要切断时,主轴转速要减慢, 以防芯轴部分切断时撞击外壳部分,损坏工件。
3 )借助 CAM 技术,利用壳形石墨工具电极内壁母线,采用数控车床自动编程加工内壁 [7] 。 为提高加工效率,壳形石墨工具电极内壁不需要精加工。
4 )车削加工避空位,便于铣削加工装夹。
5 )用数控铣床铣出 xy 轴垂直基准及 z 轴水平基准,为数控铣床自动编程加工作准备。
6 )用数控铣床自动编程加工电极加工面及避空位。 因电极设计时没有设计放电间隙,加工阶段要通过编程留出放电间隙,放电间隙可通过精加工阶段设置负值加工余量实现。 不提高加工效率,避空位可不做精加工。 成型部分的侧壁可选用等高外形加工刀路, 分拔模曲面及圆弧曲面两段进行编程 [8] ,圆弧曲面部分要减小 z 轴最大进给量。 壳形石墨工具电极数控加工中容易出现的崩角, 铣削时宜顺切,不宜逆切。
7 )冲油孔加工。在数控铣床进行孔加工和螺纹加工。
4 结语。
大型壳形石墨工具电极具有如下优点:1 )增加了材料的利用率,减轻了电极重量。
本实例中, 经计算机辅助设计软件分析可知,传统工具电极的石墨体积为 1.81×10 7 mm 3 , 壳形电极的石墨体积为 4.69×10 6 mm 3 , 约为原体积的 1/4 ,掏出来的余料还可他用。
2 )减少电极损耗,延长电极寿命,提高电火花加工效率和加工精度。
大型壳形石墨工具电极的设计与加工,看起来比传统的要费时很多,但其内切断刀、环槽刀、电极夹具设计制作后可适用于其他的电极加工。
本实例的大型壳形石墨工具电极已投入电火花加工实验,实验中不分粗加工电极、中加工电极和精加工电极,只使用一个电极,通过改变不同的电火花加工工艺参数,在放电粗加工时增加单个脉冲能量,对余量 0.30 mm 的型腔加工后尺寸精度和表面质量能达到预期的要求,而电极损耗较小。
总而言之,使用该技术,减轻电极重量,增加材料的利用率,减少电极损耗,延长电极寿命,减少能耗,提高电火花加工效率和加工精度,降低成本,在模具工业中具有良好的应用前景。