近年来模具行业得到大幅度的发展,对模具精度的要求也越来越高,比如高精度塑胶齿轮、精密接插件等等。尽管高速铣削进行模具微细加工的技术在不断进步,但用电火花加工高附加值模具零件的细微部位,始终占加工中的主要地位。
精密电火花加工的核心主要体现在尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。
加工尺寸配合应严格合缝,要求可达±2–3μm;
仿形精度要求棱角清晰,底面拐角R值应尽可能小(一般要求R值小于0.02mm);
平面度由棱边部分到到中心部分的深度误差在2μm内;
表面质量要求型面粗糙度均匀,Ra应小于0.4μm(VDI12),或者要求镜面加工,在微观检查下表面无异常;
放电入口及开口角部的边缘完整,微观检查下爆边值不能大于0.015mm。
影响电火花加工精度的因素众多。在电火花加工机理中,放电过程存在放电间隙,不可避免的存在电极损耗,精加工中的排屑效果差等特点,是直接困扰着精密电火花加工精度控制的难题。
在实际加工中,加工精度受到多重环节的影响。只有掌握加工技术的精髓,在加工中对各环节加以严格的控制,不断积累加工经验,才能保证高的成功率。
1.精密电火花加工的前提
使用机床进行加工,加工精度无法超越机床精度。对于高附加值模具零件的电火花加工,一般放电机床难以胜任完成,高精密电火花加工机床的需求也就越来越多。
精密电火花加工机床在结构的力学性能、主轴和工作台的各种几何精度方面应满足高精度要求。
高精度光栅尺的全闭环控制方式,能获得极高的自动定位精度。
机床的脉冲电源性能决定放电加工的性能,要尺寸精、轮廓清的话就要求放电间隙很小,在小间隙加工条件下能实现稳定加工,自动监控每一个放电脉冲的状态,确保不良脉冲不产生破坏作用。
高速抬刀技术能使加工废屑和焦油有效地排出,获得稳定的放电间隙。
高性能的伺服控制系统能把加工深度误差控制在最小限度达到高精度加工。
精加工中丰富的摇动方式用来精确的补偿型面轮廓的尺寸。如清角平动、球形平动是非常重要的功能。
精加工中要使用带有斜度控制的波形来实现低电极损耗,同时要求能加工出高品位的表面。
这类高精密电火花加工机床自动化程度高、智能性突出,极大地降低加工品质对人为的依赖。
2.精密电火花加工的工艺方法
精密电火花加工采用多电极加工的工艺方法。根据加工部位在粗、半精、精加工中放电间隙不同的特点采用几个相应尺寸缩放量的电极完成一个型腔的粗、半精、精加工。
首先用粗加工电极蚀除大量金属,然后再换半精加工电极完成粗加工到精加工的过渡加工,最后用精加工电极进行终精加工。终精加工还应换用多个电极来补偿电极的损耗。一般精密加工中电极的尺寸缩放量取0.03—0.1mm/单侧,加工中采用多段加工条件用摇动的方法对侧面和底面逐段修光。
因摇动量小,还是具有很高的仿形精度,且摇动加工使放电更稳定,可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度,被广泛采用。精密加工中需要换用多个电极,只要保证重复的定位精度,就可以达到满意的工艺效果。
3.保证精密加工定位精度的方法
精密电火花加工为保证极高的重复定位精度,也不降低加工效率,采用快速装夹的定位系统,如GF加工方案3R快速装夹夹具。使用这类夹具时,只要在配套前对精度作好了调试,在加工中最高重复定位精度可达±2μm,电极和工件都可以快速换装,加工前使用分中基准球工具,利用数控电火花机床的自动分中功能,完成主轴夹头与工件中心零点的定位。
加工中需取下工件进行尺寸测量然后继续加工非常方便。利用基准球分中的方法能保证高精度的重复定位,分中时基准球与工件之间的接触面积为一点,能避免因微细杂物的存在而影响定位精度。
精密加工的定位电极和工件都必需有明确的定位基准,电极取其基准的中心点,这样可将电极尺寸的误差均等分布。工件根据情况可取基准单面或者基准中心,用来碰边的基准面必须光滑平整,尤其在深度定位时尤为重要,这样才能把定位的精度误差控制在最小。
4.精密加工对电极的要求
对精密加工用的电极,必需采用精密的制造方法来保证电极的质量。电极的制造应满足高的精度要求,一般精密电极的制造由高速加工中心来完成,加工完成后应达到尽量不需人工对电极进行处理的要求,需要情况下才进行精修抛光,这样做是为了避免电极后道工序的处理影响了电极的精度,但也对制造电极的工艺水平提出了高要求。
电极的材料在精密加工中是一个关键的问题。紫铜在电加工领域里是用得最多的电极材料,能满足较高精度的加工要求,但在微细加工中,为了减少电极损耗,减少电极数量,提高加工表面质量,实现高稳定的加工,应考虑选用价格较贵的铜钨合金电极材料。
电极在用于电火花加工前应对尺寸、形状进行详细的投影测量,全面检测合格后才用来加工。
在实际生产加工中,由于电极不合格的问题造成的报废事例是很多的。因此精密加工中抓好电极的制造这一环节是十分重要的。
5.精密加工中电规准的控制
精密加工使用的高档机床电规准的控制方法一般是智能化控制的。加工中由计算机监测、判断电火花加工间隙的状态,在保持稳定电弧的范围内自动选择使加工效率达到最高的加工条件。
人为可以对停歇时间和抬刀条件稍作修改,但尽量不要去修改电脉冲主参数(像电流、脉冲宽度等),以免影响机床自选用的加工条件的火花间隙。
在机床自动选择加工条件时对所需要输入的条件应准确输入,如加工面积,加工形状,电极锥度,电极尺寸缩放量、摇动方式,加工表面粗糙度值等。机床选用的加工条件一般能满足加工要求,操作简单,避免了加工过程中人为的干预。对使用的机床凭借加工经验适当控制就能较容易地控制好电规准。
6.精密加工中的液处理方式
电火花加工是在工作液介质中进行的。工作液的绝缘性能在脉冲放电的过程中起消电离的作用,在加工中对电极和工件起到加速冷却,使电蚀产物从放电间隙中悬浮、排泄出去的作用。
在电火花加工中常使用冲、抽液的方法进行排渣,可使加工稳定,效率提高。但不均匀的流场,造成不均匀的加工屑堆积,引起集中放电和二次放电,对工件平面度、粗糙度影响很大,产生放电间隙不均匀的现象。而且强烈的冲刷会引起电极边角异常损耗。所以精密加工的精加工中通常采用无冲液、浸油加工的液处理方式,依靠抬刀的动作来排屑。
像主轴采用很高加速度进给加工时,产生的抽吸作用,使存在于电极与工件之间的加工屑、焦油以及废气等能有效地排出。精密加工中工作液的质量也很重要,目前有很多类型的电火花加工专用工作液,要点是黏度要低,精加工性能更好。
7.精密加工的补刀加工处理
在精密加工中,由于存在各加工环节的误差,所以临终前一般都要反复进行测量、加工以保证最终的尺寸精度。刚开始加工的尺寸尽可能取上偏差,加工尺寸宁小勿大。
在对加工尺寸进行测量后,对尺寸差别予以修正,称之为补刀加工。补刀加工是在加工面清扫干净之后没有焦油的状况下进行的,所以放电间隙比清扫前更小,能更精确的完成细微的加工。快速装夹工件重定位系统对补刀加工起到了强有力的支持作用。通过补刀加工可以进一步提高加工精度。
8.精密加工对加工工艺的要求
高附加值模具加工要求整个加工流程规范化,拥有成熟的工艺技术水平。零件的各加工环节都应有明确的工艺安排和要求。每道工序严格按照工艺方法、要求进行加工,才能保证高精度零件制造的成功率。尤其是精密零件忌讳烧焊等修补处理,任何一个加工环节出现质量问题都将导致整个零件的报废。电火花加工往往是整个加工中的后道工序,严格控制加工质量尤为重要。
精密电火花加工的工艺应作一些规范:
设计部门拆分的电极应满足精密加工的要求,应特别注意对薄、细微部位的处理。
对加工的内容应制作相关的加工图,采用准确的定位方式,给出准确的加工数据。
因很多零件加工部位细微,在加工前不易掌握要加工的形状,应给加工人员提供详细的3D依据。
用来加工的零件应经过去应力、退磁、预加工等的前些工序的处理。
工件的定位基准面应采用磨床精磨、倒角处理过。
电极应有辨别方向的基准角,并且基准角与工件基准角相对应,对所有电极的深度定位基准作统一规定。
电极上均应标注电极编号、粗精标号,加工图上应给出加工的详细信息,如电极数目、电极尺寸缩放量、加工公差、表面粗糙度要求。
规范、明确的加工流程能使加工人员按部就班,减少出错率,提高加工质量。
9.精密加工对加工环境及使用工具的要求
精密加工对加工环境也有要求,高精密加工应设专门的精加工室,这样可以防止车间其它机床运转产生的震动、尘污而影响加工精度。
加工室内应安装空调,室温控制在20℃±2℃左右,薄小零件的尺寸会受温度的影响而发生测量误差,电火花机床只有在恒温条件下才能发挥预定的加工性能。
精密加工中使用的工具应具有高精度性,如平口钳、正弦磁盘、冲子成型研磨器、量块、千分表、进行尺寸测量的仪器等。加工时要借助这些工具来完成辅助操作,工具的精度也在直接地影响加工精度。
10.精密加工对技术人员的要求
精密加工的最终实现是由加工技术人员操作,加以控制完成的。加工技术人员的工作态度、加工技术水平对能否完成精密加工任务很重要。
精密加工要求操作人员具有做事认真,负责的工作态度,对整个加工操作过程十分熟练,加工中的每一步操作都能精心地去控制,有丰富的工作经验。精密加工中加工尺寸微小,加工余量少,加工的主要原则以保证好加工精度为前提。
精密加工也是一项有压力的工作,人为操作中稍不小心就会造成加工异常的发生,所以企业里营造一种轻松和谐的工作环境也很重要。技术人员是精密加工任务的实现者,在加工中起着举足轻重的作用。
总之,高附加值模具电火花加工过程中每一个加工环节都与加工精度有着密切的关系,把握好加工中的每一个细节,按照一套精密加工的专业工艺进行加工,才能达到最终的高精度要求。
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模具电火花加工常见问题的解决方案
1.加工效率低
1)起始放电加工效率低-----电极尺寸缩放量(火花位)要大,自动编程才能选出更大电流的条件号。型腔要尽可能进行预铣加工。
2)程序中间的放电加工段效率低-----各段条件之间的余量过多,可以适当减少各段之间的加工余量。
3)程序最后的精细放电加工段效率低-----使用定时加工功能来有效控制精加工时间(需要设定加工时间)。
4)面积输入过小-----系统以面积作为限制门槛,即使电极尺寸缩放量再大,由于面积太小,也不会产生大的放电条件。此类情况,可以适当人为增大输入的面积值。
5)应用类型选择不正确-----比如实际是大型腔的加工而选择了“微细”应用类型。
6)加工优先权-----选择低损耗优先权则效率低,选择高效率优先权则速度快,损耗偏大。
7)放电、抬刀组合不合理-----根据加工状态,调整抬刀高度、放电时间与之匹配。
8)优化参数-----减少脉冲间隙P,加大伺服基准COMP。
9)改进工艺-----使用石墨电极,大幅度提升整体生产效率。
2.电极损耗大
1)使用参数不当-----应使用优先权为低损耗的加工参数。小电极可选用微细加工应用类型。
2)放电条件号太强-----对于尖小电极,不能使用大电流加工。
3)放电能量太小,加工效率低下导致电极长时间的放电而损耗-----如果电极损耗大的同时伴随加工速度太慢的情况,请提高加工效率。
4)电极材料不好-----使用纯度高的紫铜,或者使用损耗更低的洛铜甚至是铜钨合金作为电极材料。
5)脉冲宽度太小-----加大条件号中的脉冲宽度T,可以显著降低电极损耗。
6)脉冲波形-----使用低损耗,带有斜度的放电波形模式。
3.分中不准确,位置偏差
1)使用传统的“电极碰工件进行分中”的方法,由于分中属于面接触,电极与工件之间存在的诸多因素都会影响分中精度-----推荐使用“基准球点对点进行分中”的定位方法。在工作台上固定一个基准球作为参照,加工前在主轴头上装夹一个基准球,对工件进行分中,然后再对工作台上的基准球分中,这样就得到一个距离关系,之后所有的电极都对基准球进行分中。
2)电极与工件基准面精度差,有杂物----保证电极与工件基准面的精度,并擦拭干净。
3)感知速度不要太快。
4)使用精密的装夹定位系统System3R。
4.加工表面不均匀
1)电极材料不好,有杂质-----使用纯度高的紫铜或者洛铜。
2)平动方式选择不当-----使用DOWN/ORB平动,并且精加工段使用定时加工。
3)不合适的火花油,如火花油黏度大-----更换合适的精加工火花油。
需要优化参数-----适当降低放电时间TEROS,增大脉冲间隙P,减少伺服基准COMP。
4)不均匀的冲液方式-----精加工不要附加局部冲液。
5)亚光表面加工-----难度系数大,推荐加工至VDI14,更精细的加工表面对各方面的条件有苛刻要求。
6)优先权-----标准优先权的表面效果一般优于低损耗优先权。
5.镜面效果不好
1)有些工件材料无法达到镜面加工效果,如SKD11、Cr12MoV、DC53(大多数五金冲压模具钢)-----推荐使用镜面加工钢材,如SKD61、S136、718HH、NAK80等,或者纠正认识偏差。
2)加工面积太大,达不到均匀的镜面效果-----面积大于25平方厘米应使用混粉加工。
3)平动方式选择不当-----使用DOWN/ORB平动,精加工使用定时加工功能。
4)加工面积输入不准确-----输入准确的加工面积,以便系统自动设定定时。
5)镜面加工段条件-----根据加工状态,调整抬刀高度、放电时间、抬刀速度与之匹配,不要使用冲液,液面流动要小。
6.加工开始阶段,放电不稳定,频繁抬刀
1)系统自动检测、自适应调整带来的影响-----关闭条件号中的一些自动保护功能、降低检测灵敏度,或者将放电时间与抬刀高度的控制设定为根据用户的设置,这样抬刀呈现为有规律、可控的状态。(不推荐,往往这种不稳定是具有保护作用的)
2)优化加工参数-----优化放电时间、抬刀高度、抬刀速度、脉冲间隙、伺服基准。
7.加工尺寸不合格
1)加工后尺寸偏小-----通常情况下,使用自动编程加工后的尺寸会稍偏小,这样更安全。
2)电极尺寸超差-----检查电极尺寸,这是前提。
3)尺寸精度要求极高-----根据加工情况,预先加工,实测电极尺寸与加工后的尺寸,调整平动半径。
8.硬质合金电火花加工有什么要点
1)自动编程时要选用硬质合金加工参数。
2)如果对电极损耗有较高的要求,粗加工可以使用正极性加工来降低电极损耗(机床默认的参数都是负极性的,事实上,使用负极性参数加工的热影响层薄,模具寿命最好,但损耗较大,需要更换多个电极。)
3)使用铜钨电极材料,可以大幅度降低电极损耗,减少电极数目。
9.零件在斜面、曲面处产生过切
平动方式选择不当-----使用球形平动方式,它在平动时任意平面都是圆形,可避免过切的产生。只有在对斜面、曲面有严格要求时才使用此平动,通常选用DOWN/ORB平动,这种过切的误差可以忽略。
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