浅析电火花成型机床超级深孔精密加工的几点经验

2021-04-26李胜利

中国设备工程 2021年8期

李胜利

（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

目前，国内外机械加工行业的电火花机床主要分为三类，电火花线切割机床、电火花高速小孔机床和电火花成型机床。其中，电火花成型机床在机械加工行业中应用不是特别广泛，但是，对于加工一些形状怪异、深度较大、精度较高、盲孔不通、位置独特、材料超硬的金属零件时，显得意义非凡。其中有一类深度过大的高精度窄槽，是电火花成型机床加工中的难点。

一般电火花加工孔槽，都是采用整体式的电极，但是，当深径比超过1:10 以后，电火花成型加工中的二次放电就会造成电极受热变形，而且变形量有时很大，从而使工件超差甚至报废。不管是加冲抽油还是工具电极高抬刀，效果都不是太好。如果用精加工电参数加工，工具电极的变形量会好一些，但是，也难以完全避免，而且电火花精加工效率太低，加工周期也太长。

我在工作中就遇到了这样一个难题。在一个直径50mm长度200mm 的零件端面上，均匀分布着着4 个槽，槽的宽度1.5mm、长度6mm、深度要加工到50mm 深，深径比达到1:33，远远超过了一般意义上的深孔槽概念。4 个槽的中心各打了一个直径1.3mm 的工艺孔，在槽深50mm 处有4 个横向直径8mm 的孔，正好可以用来电火花放电加工时排气排销。槽的尺寸精度为0.01mm，形位精度为0.03mm，光洁度为1.6，有几十个小滑块和这4 个槽装配使用，小滑块的尺寸是一致的，要求4 个槽可以互换小滑块，槽和小滑块滑动配合，单面间隙为0.005mm，并且在深度50mm 方向上任何地方都必须保持0.005mm 的单面间隙。其他机床很难加工完成这个任务，即便是电火花成型机床也是面临重重困难。

图1

1 具体难点

（1）槽宽1.4mm 槽长6mm，所以，一般紫铜电极尺寸定为宽度1.2mm、长5.8mm，深度方向电极要超过50mm。线切割加工完成电极后，深度50mm 方向的电极平面度变形是一定的，即便线切割采用多次切割的方法尽量消除变形，变形也是很难避免，变形有时可以达到0.5mm，所以，手工校正这个电极的平面变形就是一个难点。

（2）槽深50mm 电火花加工起来更加困难，即便电极校正得很完美，电极在加工过程中深度方向上也极易变形，因为随着深度的不断加深，加工中产生的电蚀物也更加难以排出，这些电蚀物不断地二次放电，而且放电的位置没有规则，从而使电极受热不均造成变形，变形量有时也会到达0.5mm，这种情况出现就会使工件直接报废，这是第二个难点。

（3）电极的找正问题，这个形状大小的紫铜电极强度极低，尤其是电极头部，各种测量找正的表都有一定压力，这个表的一般压力就会让电极弹性变形特别大，甚至直接把电极顶弯，找正是第三个难点。

2 采取的针对性措施

（1）电火花电极一般所采用的结构方式是整体式的，既加工的型腔什么样，电极就什么样，只是电极单边比工件缩小0.3mm 左右放电间隙。而要加工超级深孔，这种传统的方式无论如何是不行的。我采用了阶梯方式的电极，把电极分为放电加工段、支撑排削段、夹持固定段。加工段为1.2mm 宽，5.8mm 长，8mm 高。支撑段为0.7mm 宽，5.3mm 长，52mm 高。夹持段为1.2mm 宽，5.8mm 长，15mm 高。也就是电极的支撑段比加工段单边又缩小了0.25mm。

（2）手工校正采用硬木紫檀加工成的各种校正冲头，把支撑段垫起来，手锤击打校正冲头逐点校正电极。冲头长60mm 左右，直径10mm，头部角度15 度左右，最小的冲头头部直径为0.5mm 球头。因为线切割加工的这种电极，变形主要是沿着52mm 方向隆起，电极并不扭转变形，所以，校正时，要注意校正的点沿着电极5.8mm 的方向逐点排列，校正完一列，再沿着52mm 方向移动校正第二列，力度要一致，点要均匀。

（3）电极找正先用角度尺大致找正，然后，用杠杆百分百精确找正，但是，不能用检验合格的杠杆表，因为合格的表的表针压力过大了，这个压力会造成电极弹性变形过大，因为这个电极太细太长，因此，要寻找一块表头压力极小的杠杆表，表头的压力大致是合格表头压力的1/3。找正要电极的两侧都要找正，这时电极由于过长，即便采用了压力很小的表头，电极还是会有微小的弹性变形，表头轻压电极0.05mm，沿着52mm 方向上下移动，记录表的读数和变化规律，再找另一边，也要轻压电极0.05mm，让两边的读数和变化规律一致，此时，电极就找正完成。

（4）对刀时电极薄的方向不能自动找中心，只能手动对刀，电极沿着52mm 方向上下移动，电极移动每次要移出工件端面，同时，机床手动进给，完成精确对刀工作。

（5）加工参数：电流、脉宽、脉间选中精低损耗加工。加工时，电流表电压表状态：加工电流5 安培，加工电压70伏，空载电压100 伏。加工状态稳定，基本没有短路现象，效率比较高。

（6）加工时间大概设定为1.5 秒钟，抬刀距离5mm。采用工具电极接正极的方式加工。由于电极绝对尺寸过细、长度过长、刚性差，所以，不能采用冲油排削的方法，只能采用浸泡方式排削冷却。

（7）最后，精加工到最终尺寸时，用电极平动的方法加工，平动方式用电极走四方同时主轴向下加工。

3 加工效果

（1）由于电极采用了阶梯方式，电极的放电加工段是最前端，此段的高度为8mm，即便加工深度达到50mm，二次放电多，条件恶劣，也可以保证这个放电加工段稳定不变形。

（2）第二段支撑段看起来比较弱，其实，由于是Z 轴向下做加工运动，重力方向也是向下。另外，此段单边比加工段低0.25mm，二次放电很少，而且配以合适的电参数，虽然长度达到52mm，也可以使此段在加工中始终保持不变形，即便长时间加工有一些微小变形，也能够控制在0.02mm 以内，最后，在精加工到位之前，再找正一次电极，精确对一次刀，最终的加工精度完全可以控制。

（3）加工效率可以在50mm 深度方向，中加工保持全程高效稳定，大概可以达到每分钟15mm³左右。这个效率在电火花成型机床加工高精度深孔中已经相当不错了。

4 其他注意事项

（1）工具电极材料一定要选择纯铜（T1，99.95%），T1 的优点是工具电极损耗小、成本低，放电稳定不易拉弧，而且软硬适中，特别易于手工校正到比较高的精度。

（2）这种超深的孔槽，电极的手工校正精度和找正精度极为重要，精度越高，电极在加工中的变形就越小，最终的零件精度控制就越好，滑动配合的零件的互换性就越好。

（3）电参数的选择以稳定、效率适中、低损耗、不拉弧为原则。为了找到最佳的参数配置和进给量，尤其应该注意观察机床的电流表和电压表的加工显示情况，控制的越稳定越好，加工状态和抬刀状态都应该保持稳定，指针在两个状态都应该摆动幅度很小才好。如果不稳，就应该通过减小加工电流，调整脉宽和脉间，减小加工时间，或者是加高抬刀高度。稳定是第一位的，只有稳定，才能保证电极在加工过程中不变形。