提高模具EDM加工速度

彼岸花开

EDM工艺的发展与其在精度、自动化及微型模具加工技术方面的进步为国内的模具加工行业作出了巨大贡献。

单靠提高速度并非好的解决办法
# ^$ Y$ ?1 v, G. C9 Q) D1 T7 U# W1 P
提高驱动速度是提高模具EDM加工速度的一种解决方案。使用这种方法，提升运动的非生产时间减少了；尽管如此，速度上的优势却受到小电极和深型腔的限制。另外，当高于某一速度时电极磨损是可观的，而且很高的轴向速度会引起机械装置的极大损伤，这使得机床更贵并且缩短其使用寿命。因此，相信仅通过快速提升运动来获得加工速度的全面提高是错误的。轴向快速运动对于加工过程的贡献仅仅是对包括发生器、过程控制、放电间隙宽度调节和机械装置等环节共同作用的一个补充。模具EDM加工要求冲刷智能化。

& m' y  a2 P$ M$ @" M3 t; g潜力在于冲洗
1 [* y- Z: j% U& C9 b( ], T+ P+ K: R
3 i8 z+ T; ?! u你可以想象到EDM工艺要在放电间隙里的被EDM加工的材料和排出的材料之间进行平衡。如果这种平衡不存在，结果要么你在不必要地冲洗加工区域（包括浪费时间和工艺额外的不稳定性），要么你对相同的颗粒进行数次EDM，使其不能有效地从间隙中去除（见图一）。

图1：潜力在于冲洗

在材料从放电间隙中排出之前，你必须把它从工件上分离。你如何才能获得更高的去除率？在所有优化问题的情况里，最大的潜力在于效率最低的地方。工件作为阴极的单极放电的效率理论上约为25%。另外，有些因素会使得效率更低（例如：过程控制问题，不理想的冲刷工况，放电间隙宽度过小），所以实际上你必须考虑到效率会低于10%。

去除率和表面质量决定了所需时间
9 n* c$ ]7 _6 ]5 K
3 V! @3 e  N. w; c$ R' C% [4 f在EDM应用里，目标总是一方面要优化加工的去除率指标，而另一方面要获得被加工工件的表面质量。当加工时，工件容易表现出确定的最终表面粗糙度和确定的形位精度。另外，要求两个条件：（1）工件表面的热影响区域尽可能小，（2）电极磨损尽可能小。这些边界条件决定了工件生产的加工时间和成本。在实际应用中，因为从粗加工开始到精加工结束，所以使用连续的工艺参数，脉冲能量逐渐减少直到获得所需的工艺效果。再次应用的自然规律：你能迅速得到中等的质量，但只有更慢才能获得高质量（见图2）。

图2：去除率和表面质量取决于所需时间

物理处理是一种解决方案

接近理想状态意味着特性曲线向箭头方向移动。那意味着EDM更快，而放电间隙宽度、表面粗糙度和磨损量保持不变。直到现在，如果EDM脉冲的放电能量增加，你也为表面粗糙度变差和放电间隙宽度变大并导致粗加工的速度提高却因精加工时间更长而丧失优势感到遗憾。如果你回归到EDM理论的基本点，你将找到解决方案——物理处理导致火花和金属去除的形成。
% `1 P9 G) ~# S' F. V' K
, n6 K7 C; R% S) s在放电过程中，你能辨认出三个连续的主要物理阶段：（1）建立阶段（2）放电阶段（3）衰退阶段。放电通道在第一阶段建立。电流穿过工作介质后几乎全部作用于放电通道的表面区域，并且阳极受到电子轰击而部分蒸发。电极磨损主要发生在这里。不管是否对材料去除作出很大贡献，每个脉冲都引起微观磨损。在放电阶段，供应的电能主要引起工件上的材料熔化或蒸发。当电源供应关闭后开始进入衰退阶段。等离子体通道衰退并部分蒸发，部分液体材料被喷出。

1 h% S6 F7 e  x" T! y  d何时中断脉冲

7 K- s- C5 _6 x$ K* [& b在放电过程中，工件上形成凹坑。有关放电的基础研究已经表明：从某一时间开始，工件上凹坑的生长停滞。这是因为供应的能量和耗散的能量之间形成了平衡，耗散的能量也就是用于维持等离子体的能量和散发到工件和电介质上的热量。凹坑生长的这种渐近线可通过火花电压和电流得到实时记录。
/ @5 ~  t$ L" a) Z6 _6 F8 S可是，为什么凹坑生长的渐近线如此重要？因为这是中断脉冲的正确时刻。如果凹坑的目标半径和所需的表面粗糙度已经获得，让脉冲持续更长时间是不必要的。你可立刻开始下一个脉冲。脉冲到达这个状态所需的时间也不是常数，因为放电达到某一火花基础直径的速度取决于放电间隙里的微观形势和火花放电区域里的局部形状。有了这种单独测量的第一手数据，你将能优化单位时间的放电次数并提高去除率。

何时加大电流

如果你现在观察电荷的衰退阶段，你将看到电蚀产物是由等离子体通道衰退引起的。由关闭电源触发的压力突然下降导致了超热材料的蒸发和喷出。等离子体通道具有非常高的温度和压力。其衰退的梯度影响材料的去除。能量消失得越突然，凹坑材料将喷出得越好。为了提高这种效果，使用一种特别的窍门：在脉冲中断之前，短暂地加大电流。其实加大脉冲电流的想法并不新鲜，创新之处在于要及时定义当这种电流加大要发生的时间点。加大脉冲电流对表面粗糙度、磨损或放电间隙宽度不存在因果关系，但是确实提高去除率（见图3）。另外，随着每个脉冲的去除率加大，对于加工你需要更少的脉冲，而且磨损也因此减少。

图3：寻找加大电流的正确时刻

零件上的去除率加倍

这种新的加工策略（渐近线检测、电流加大和脉冲中断）是一种用于其新型EDM模具加工系统的专利应用的主题。结果与理论值相一致，特别是当良好的冲洗有保证时（例如，预加工的工件）。对于这些加工任务，去除率已经加倍。在图4、5和6的应用场合，去除率的提高从25%上升到40%。

图4：不采用新的EDM技术，带有一个燕尾槽的薄片电极（15 x 1 mm）加工深度为20 mm需要EDM加工时间
70分钟。采用新的EDM技术需要50分钟，意味着在表面粗糙度、放电间隙宽度
8 }; Y4 o- R% u& T) ?5 g( ^+ e和电极磨损（磨损量0.2 mm，仅移动式清洗）恒定条件下速度提高40%

! X8 k8 i! I# Q1 b. j$ i# i& g图5：对于一个直径20 mm的球形电极，EDM加工的深度20 mm和最终表面粗糙度Ra = 1.6 μm。
由于采用新的EDM技术，加工速度的提高约为25%

' V' W4 x+ E/ @. [图6：薄片电极，加工深度40mm。挑战在于要获得最佳一致的表面粗糙度。
  \. f, Q& R" f对于这种薄片电极（20 x 1 x 40 mm，锥度1°，尺寸下偏差0.5 mm ，EDM3
石墨，仅移动式清洗），加工深度40mm、 表面粗糙度，如不采用新的EDM技
: ?* {1 V7 ~/ Y4 K. C  B0 s术需要230分钟才能完成；但是，采用这种新的EDM技术后加工时间为170分钟，
8 i8 V) R8 C& H速度提高36%，电极磨损量0.3 mm。表面质量极好。

发生器带来性能的显著提高

( Z- P4 }% U+ M0 r改进的发生器对生产率提高的贡献约为30%；可是，对于如今日益增加的通过高速加工协同完成的预铣模具可高达100%。这里认为所有的粗加工和精加工都使用铜电极和石墨电极。具有良好的冲洗条件和预铣的工件时优势特别大。这些有说服力的结果解释了要提高模具EDM加工的速度和生产率是可行的，而且改进这种技术的潜力仍然是可观的。