硬质合金的电火花高精密镜面成型加工

吴小刚 赵勇军 虞凯旋

摘 要：电火花高精密镜面成型加工是高档次硬质合金工具或模具的一种重要加工方式，采用高档精密电火花成型机床，配套在线监测系统满足硬件要求；电极采用钨铜材料、多电极及预处理方式，选择高频窄脉宽电参数，去离子循环水作为工作液可达到精度h6及粗糙度Ra0.3um以下的高精度镜面要求。

关键词：硬质合金；电火花成型；高精密镜面

0. 引言

由于拥有优异的耐磨性、高温强度及热位移小等诸多优点，硬质合金材料被广泛应用在工具及模具行业。而正是由于它的高硬度及脆性，传统的切削工艺难于应用在硬质合金加工领域中。电火花加工是在加工过程中，使电极和工件间不断产生脉冲性火花放电，火花放电时，放电通道中瞬时产生大量的热，达到的高温足以使金属材料局部融化，甚至气化而被蚀除[1]。电火花放电通道局部温度可达10000-12000℃，远高于硬质合金的熔点，且电火花加工过程对工件没有冲击力，不会对硬质合金材料产生冲击破坏，因而，电火花加工广泛应用在硬质合金加工行业。随着工业技术的不断发展，硬质合金工具和模具的要求也越来越高，电火花高精密镜面加工是满足这个要求的一个典型的工艺方式。电火花加工最常用的有电火花线切割、电火花穿孔、电火花成型加工两种方式，前二者是二维加工，成型加工为三维立体加工，本文以电火花成型加工为例进行试验说明。

1. 硬质合金电火花镜面加工要求

作为电火花加工材料，硬质合金熔点达3000℃以上，远高过钢材熔点，电加工效率必然低于钢材，因而，在实际加工生产过程中，考虑到经济性，硬质合金电加工在满足精度及粗糙度要求的同时，要兼顾到加工效率。

2. 设备的选择

根据设备联动轴数的不同，电火花成型机一般有ZNC（单轴）及CNC（三轴、四轴、五轴、六轴等）。ZNC控制精度比较低，高精密加工均采用多轴CNC加工，在更高要求应用领域，硬质合金的电火花成型加工还采取在线监测功能。本文采用的机床为日本牧野EDGE2高精密电火花机。

3. 电火花成型加工在线监测

在高精密电火花成型加工中，一般都采用多工位多电极加工方式，在其中一个工位增加一个在线测头对加工件尺寸进行实时检测，以达到对加工件实时监测的目的；测头每次检测前利用固定在机台上的校测基准进行校对；电极及测头的转移通过数控机械手来完成，电极及测头均使用3R夹具来实现快速精确装夹。本文试验机床配置进口雷尼绍测量系统实现在线监测功能。

4. 电极的选择

电极是电火花成型加工过程中一个至关重要的因素，它不仅仅影响加工质量，同时对加工效率影响巨大。

4.1 电极材料的选择

电火花成型加工中用到的电极材料主要有石墨、紫铜、钨铜。采用这三种材料对YG11C牌号的硬质合金进行放电加工，试验结果如下：

从表一可看出，在相同条件下，对硬质合金进行电火花加工，选择石墨作为电极材料加工效率最差，紫铜次之，钨铜最优；究其机理，相对于铜基电极材料，石墨脆性大，容易脱落、掉渣，在加工过程中电极本身的粗糙度快速变差，导致加工件精度及粗糙度很难达到高精密要求。三种电极材料对粗加工速度影响不大，主要是因为硬质合金熔点高，在同等放电能量下，加工速度主要受自身蚀除速度影响。根据以上数据及分析，硬质合金高精密电火花加工，电极材料选择钨铜材料最优，以下硬质合金电火花加工试验均采用钨铜电极材料。

3.2 多电极选择

电火花单电极加工，传统工艺一般采取电极平动法来对电极加工过程中的损耗进行补偿，但这个过程中，电极及工件交互损耗，影响复杂，难于实现高精密性。因而，在实践加工中，均使用多电极进行加工。试验采取钨铜作为电极材料对电极数与粗糙度的关系进行分析，结果如图三。

从图三可看出，随着电极数量的增加，硬质合金工件表面粗糙度越来越好，但增加到一定程度，粗糙度的下降幅度减小，直到不再变化。硬质合金的高精密电火花加工电极数量一般采用6-8个。

4.3 电极的预处理

电火花加工后的硬质合金工件的粗糙度电极原始粗糙度有很大关系，以钨铜材料为电极，在相同电参数条件下，放电加工时间10min ，不同粗糙度的电极对工件粗糙度的影响试验数据如表二。

表二的数据说明，电极原始粗糙度越低，加工后硬质合金工件的粗糙度越低。电火花加工由于放电间隙极小，被加工件与电极形状保持着一致的凹凸形貌，因而加工件粗糙度受电极原始粗糙度影响巨大，这也是即使电极数量增加不能无限制改善粗糙度的一个重要原因。根据这一影响趋势，在硬质合金高精密电火花加工过程中，对电极进行抛光预处理，是改善工件粗糙度的一个有效选择。

5. 电参数的选择

在电火花加工中，电参数是工艺控制的核心，可调控的电火花电参数主要有脉冲峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隙。

5.1 脉冲峰值电流

脉冲峰值电流主要影响电火花加工速度及工件粗糙度。

峰值电流越大，脉冲能量越大，工件蚀除的越快，加工速度更高，但峰值电流达到一定临界值，加工速度便基本没有上升。同时，峰值电流增大，工件粗糙度越差，对硬质合金来说，为确保达到Ra0.2um的镜面效果，精加工时应尽可能采取较小的峰值电流。

5.2 脉冲宽度

脉冲宽度是指单个脉冲放电的持续时间，脉冲宽度对加工速度及粗糙度的影响见图六及图七。

对硬质合金工件来说，要取得高精度的同时兼顾到加工效率，应选择合适的脉冲宽度，根据硬质合金工件被加工区域大小及形状，一般选择400-800us。

5.3 脉冲间隙

脉冲间隙是指相邻的两个放电脉冲之间的停放电时间，利用硬质合金作为加工件做加工试验，脉冲间隙与加工速度及工件粗糙度的关系如下：

脉冲间隙对硬质合金工件粗糙度没有明显影响。脉冲间隙越小，加工速度越快，但脉冲间隙一旦过小，放电间隙等不及上一次放电的电离效应，会引起放电不稳定，反而降低了加工速度。

6. 工作液的选择

电火花成型加工工作液一般采用煤油、电火花加工专用油、去离子水等。

由于在电火花放电加工过程中存在覆盖效应[2]，电蚀产生的微粒附在工件表面，形成一定强度的覆盖层，从而影响工件表面粗糙度，而这些微粒，主要来自于电极、工件及工作液，油类工作液在放电时会产生游离碳会成为附作物，而去离子水电解产生的是气体，不会成为附作物，因而，硬质合金高精密镜面加工一般采用去离子循环水。

7. 结语

硬质合金高精密成型加工由于加工要求高，采用的的设备及工艺均为较昂贵的方式。设备基本采用四轴及以上的联动成型机，同时配套合理精密的在线监控系统。电极选择导电性能及耐电蚀性良好的钨铜材料，同时采用多电极及电极预处理加工方式；放电选择高频窄脉宽电参数既有利于保证精度及粗糙度，同时也能确保较为经济的加工效率；加工工作液采用去离子循环水。

参考文献：

[1] 伍端阳. 数控电火花加工现场应用技术. [M].2009.2

[2] 王敏杰. 模具工程大典. [M].2007.9.381.

作者簡介：

吴小刚（1981.3-），男，湖北大冶人，硕士研究生，工程师，硬质合金生产及加工研究方向，南昌硬质合金有限责任公司深加工中心主任。