模具制造技术

1. ξ4.1 电火花成形加工 一、电火花成形加工的基本原理 电火花加工是在特定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时 的电腐蚀作用，对工件进行加工的一种方法，可以加工各种高熔点、高硬 度、高强度、高纯度、高韧性材料，广泛用于模具制造中。 模具制造技术 第四章 模具零件的特种加工

2. 模具制造技术 随着生产的发展人们对电腐蚀现象的研究逐渐深入，认识到在液体介质内进行重复性脉冲放电能对导电材料进行加工，因而开创了电火花加工。脉冲放电用于零件加工应具备以下基本条件。 (1)接在不同极性上的工具和工件之间必须保持一定距离以形成放电间隙。间隙大小与加工电压、加工介质等有关，一般为0.01mm~0.1mm。为了使脉冲放电能连续进行，在加工过程中必须保持放电间隙不变。 (2)放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。液体介质能将电蚀产物从放电间隙中排除并对电极表面进行冷却。 大多数电火花机床采用煤油做工作液进行穿孔和型腔加工。在大功率工作条件下，为避免煤油着火，应采用高燃点润滑油或煤油与润滑油的混合油等做工作液。近年来，新开发的水基工作液可使粗加工效率大大提高。

3. 模具制造技术 (3) 脉冲波形基本是单向的，如图4.1所示。脉冲宽度(放电延续时间)ti应小于10-3s，以使放电所产生的热量来不及从放电点过多地传导到其他部位，从而集中在极小范围内使金属局部熔化，直至气化。相邻脉冲之间的间隔时间t0称脉冲间隔，它使放电介质有足够时间恢复到绝缘状态(称为消电离)，以免引起持续电弧放电、烧伤加工表面而无法用作尺寸加工。 (4)有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或气化。 电火花加工的原理如图4.2所示。自动进给调节装置能使工件和工具电极经常保持给定的放电间隙。由脉冲电源输出的电压加在液体介质中的工件和工具电极(以下称电极)上。当电压升高到间隙中介质的击穿电压时，使介质在绝缘强度最低处被击穿，产生火花放电，如图4.3所示。瞬间高温使工件和电极表面都被腐蚀掉一小块材料，形成小凹坑。

4. 模具制造技术 图4.1 脉冲流波形 ti—脉冲宽度；t0—脉冲间隔；T—脉冲周期；I0—电流峰值

5. 模具制造技术 图4.2 电火花加工原理 1—工件；2—脉冲电源；3—自动进给装置 4—工具电极；5—工作液；6—过滤器；7—泵

6. 模具制造技术 图4.3 放电状况微观图 1—阳极；2—阳极气化、熔化区；3一熔化的金属微粒；4—工作介质 5—凝固的金属微粒；6—阴极气化、熔化区；7—阴极；8—气泡；9—放电通道

7. 模具制造技术 一次脉冲放电过程可分为电离、放电、热膨胀、抛出金属和消电离等几个连续阶段。 (1)电离 由于工件和电极表面存在着微观的凹凸不平，在两者相距最近的点上电场强度最大，会使附近的液体介质首先被电离为电子和正离子。 (2)放电 在电场作用下，电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，并产生火花放电，形成放电通道。在放电过程中，两极间液体介质的电阻从绝缘状态的几兆欧姆骤降到几分之一欧姆。由于放电通道受放电时磁场力和周围液体介质的压缩，其截面积极小，电流强度可达105 A/cm2~106A/cm2(放电状况如图4.4所示)。 图4.4 放电凹坑剖面示意图

8. 模具制造技术 (3) 热膨胀 由于放电通道中电子和离子高速运动时相互碰撞，产生大量热能。阳极和阴极表面受高速电子和离子流的撞击，其动能也转化为热能，因此，在两极之间沿通道形成一个温度高达10000℃~12000℃的瞬时高温热源。在热源作用区的电极和工件表面层金属会很快熔化，甚至气化。通道周围的液体介质除一部分气化外，另一部分被高温分解为游离的碳黑和H2、C2H2、C2H4、CnH2n等气体(使工作液变黑，在极间冒出小气泡)。上述过程是在极短时间(10-7s~10-5s)内完成的，因此，具有突然膨胀、爆炸的特性(可听到噼啪声)。 (4)抛出金属 热膨胀具有的爆炸力将熔化和气化了的金属抛入附近的液体介质中冷却，凝固成细小的圆球状颗粒，其直径因脉冲能量而异。一般为0.1μm ~500μm，电极表面则形成一个周围凸起的微小圆形凹坑，如图4.4所示。 (5)消电离 使放电区的带电粒子复合为中性粒子的过程。在一次脉冲放电后应有一段时间间隔，使间隙内的介质消电离而恢复绝缘强度，以实现下一次脉冲击穿放电。

9. 模具制造技术 一次脉冲放电之后，两极间的电压急剧下降到接近于零，间隙中的电介质立即恢复到绝缘状态。此后，两极间的电压再次升高，又在另一处绝缘强度最小的地方重复上述放电过程。多次脉冲放电使整个被加工面由无数小的放电凹坑构成，如图4.5所示。工具电极的轮廓形状被复制在工件上，达到加工目的。 图4.5 加工表面局部放大图

10. 模具制造技术 在脉冲放电过程中，工件和电极都要受到电腐蚀，但正、负两极的蚀除速度不同，这种蚀除速度不同的现象称极性效应。产生极性效应的原因是电子质量小、惯性小，在电场力作用下容易在短时间内获得较大的运动速度，即使采用较短的脉冲进行加工也能大量迅速地到达阳极，轰击阳极表面。而正离子由于质量大、惯性大，在相同时间内所获得的速度远小于电子。当采用短脉冲进行加工时，大部分正离子尚未到达负极表面，脉冲便已结束，所以负极的蚀除量小于正极。但是，当采用较长的脉冲加工时，正离子有足够的时间加速得到较大的速度，也有足够的时间到达负极表面。加上它的质量大，因而正离子对负极的轰击作用远大于电子对正极的轰击，负极的蚀除量大于正极。 电极和工件的蚀除量不仅与脉冲宽度有关，还受电极和工件材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等因素的影响。在电火花加工过程中，极性效应愈显著愈好。充分利用极性效应，合理选择加工极性，可以提高加工速度，减少电极损耗。生产中将工件接正极的加工称“正极性加工”或“正极性接法”，将工件接负极的加工称“负极性加工”或“负极性接法”。极性的选择主要靠实验确定。

11. 模具制造技术 二、电火花加工的特点 (1) 便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。 (2)电极和工件在加工过程中不接触，两者间的宏观作用力很小，所以便于加工小孔、深孔、窄缝等零件，而不受电极和工件刚度的限制。 (3)电极材料不要求比工件材料硬。 (4)直接利用电、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制。 由于电火花加工的独特优点，加上数控电火花机床的普及，已在模具制造等部门广泛用于解决各种难加工材料和复杂形状零件的加工问题。 在电火花加工过程中，电极不同部位的损耗程度是不同的。如电极的尖角、棱边等凸出部位的电场强度较强，易形成尖端放电。所以，这些部位损耗快。由于电极损耗速度不均匀，必然会引起加工精度的下降。 电极的材料不同，电极的损耗程度也不同。其损耗主要受电极材料热学物理常数的综合影响。当脉冲放电能量相同时，以钛钨和石墨为材料的电极，熔点高、沸点高、耐腐蚀性强、电极损耗小，因此在型腔加工中，常利用石墨材料作电极。

12. 模具制造技术 影响电火花加工精度的主要因素 (1)放电间隙 电火花加工时，电极和工件之间发生脉冲放电须保持一定的距离，该距离称为放电间隙。 由于放电间隙的存在。使加工出的工件型孔或型腔尺寸与电极尺寸相比，周围要均匀地大一个间隙值(一般间隙值为0.01mm~0.1mm)。加工精度与放电间隙的大小是否稳定与间隙是否均匀有关。间隙愈稳定均匀，其加工精度就愈高，工件加工质量也愈好。 (2)电极损耗 在电火花加工过程中，随着工件不断被腐蚀，电极也必然要产生损耗。电极损耗会影响工件的加工精度，因此，研究与电极损耗有关的因素，并设法减少电极损耗及不良影响是十分重要的。影响电极损耗的因素主要是电极形状及电极材料。

13. 模具制造技术 三、电火花加工的工艺范围 (1) 穿孔加工。 (2) 型腔加工。 (3)强化金属表面。 (4)磨削平面及圆柱面。 四、型孔加工 采用电火花加工，对于型孔复杂的凹模，可以不用镶拼结构，而采用整体结构，这样既节约模具设计和制造工时，又能提高凹模强度。用电火花加工的冲模，容易获得均匀的配合间隙和所需的落料斜度，刃口平直耐磨，可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。但加工中电极的损耗影响加工精度，难以达到小的表面粗糙度，要获得小的棱边和尖角也比较困难。随着电火花加工技术的日臻完善，这些问题也会逐步得到解决。 1.保证凸、凹模配合间隙的方法 冷冲模的配合间隙是一个很重要的技术指标，在电火花加工中，常用的保证配合间隙要求的工艺方法有以下几种。

14. 模具制造技术 (1)直接配合法 直接配合法是用加长的钢凸模作电极加工凹模的型孔，加工后将凸模上的损耗部分去除。凸、凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。用这种方法可以获得均匀的配合间隙，模具质量高，另外制造电极，工艺简单。但是，用钢凸模作电极，加工速度低，在直流分量的作用下易磁化，使电蚀产物被吸附在电极放电间隙的磁场中形成不稳定的二次放电。此方法适用于形状复杂的凹模或多型孔凹模，如电动机定子、转子矽钢片冲模等。 (2)间接配合法 间接配合法是将凸模的加长部分选用与凸模不同的材料，如铸铁等粘接或钎焊在凸模上，与凸模一起加工，以粘接或钎焊部分作穿孔电极的工作部分。加工后，再将电极部分去除。此方法电极材料可选择，因此，电加工性能比直接配合法好；电极与凸模连接在一起加工，电极形状、尺寸与凸模一致，加工后凸、凹模配合间隙均匀。是一种使用较广泛的方法。 上述加工方法是靠调节放电间隙来保证配合间隙的。当凸、凹模配合间隙很小时，必须保证放电间隙也很小，但过小的放电间隙使加工困难。在这种情况下可将电极的工作部分用化学浸蚀法蚀除一层金属，使

15. 模具制造技术 断面尺寸均匀缩小δ－(Z/2)(Z为凸、凹模双边配合间隙；δ为单边放电间隙)，以利于放电间隙的控制。反之，当凸、凹模的配合间隙较大，可以用电镀法将电极工作部位的断面尺寸均匀扩大Z/2－δ，以满足加工时的间隙要求。 (3)修配凸模法 凸模和工具电极分别制造，在凸模上留一定的修配余量，按电火花加工好的凹模型孔修配凸模，达到所要求的凸、凹模的配合间隙。这种方法的优点是电极可以选用电加工性能好的电极材料。由于凸、凹模的配合间隙是靠修配凸模来保证，所以，不论凸、凹模的配合间隙大小均可采用这种方法。其缺点是增加了制造电极和钳工修配的工作量，而且不易得到均匀的配合间隙。故修配凸模法只适合于加工形状比较简单的冲模。 (4)二次电极法 二次电极法加工是利用一次电极制造出二次电极，再分别用一次和二次电极加工出凹模和凸模，并保证凸、凹模配合间隙。二次电极法有两种情况：其一，是一次电极为凹型，用于凸模制造有困难者；其二，是一次电极为凸型，用于凹模制造有困难者。图4.6所示是一次电极为凸型电极时的加工方法，其工艺过程为：

16. 模具制造技术 根据模具尺寸要求设计并制造一次凸型电极，用一次电极加工出凹模(见4.6(a))，用一次电极加工出凹型二次电极(图4.6(b))，用二次电极加工出凸模(图4.6(c))，将凸、凹模配合，保证配合间隙(图4.6(d))。图中δ1、δ2、δ3分别为加工凹模、二次电极和凸模时的放电间隙。 图4.6 二次电极法 (a) 加工凹模；(b) 制造二次电极；(c) 加工凸模；(d) 凸、凹模配合 1—一次电极；2—凹模；3—二次电极；4—凸模

17. 模具制造技术 用二次电极法加工，操作过程较为复杂，一般不常采用。但此法能合理调整放电间隙δ1、δ2、δ3，可加工无间隙或间隙极小的精冲模。对于硬质合金模具，在无成型磨削设备时可采用二次电极法加工凸模。 由于电火花加工要产生加工斜度，型孔加工后其孔壁要产生倾斜，为防止型孔的工作部分产生反向斜度影响模具正常工作，在穿孔加工时应将凹模的底面向上，如图4.6(a)所示。加工后将凸模、凹模按照图4.6(d)所示方式进行装配。 2.电极设计 凹模型孔的加工精度与电极的精度和穿孔时的工艺条件密切相关。为了保证型孔的加工精度，在设计电极时必须合理选择电极材料和确定电极尺寸。此外，还要使电极在结构上便于制造和安装。 (1)电极材料 根据电火花加工原理，可以说任何导电材料都可以用来制作电极。但在生产中应选择损耗小、加工过程稳定、生产率高、机械加工性能良好、来源丰富、价格低廉的材料作电极材料。(见教材80页) (2)电极结构 电极的结构形式应根据电极外形尺寸的大小与复杂程度、电极的结构工艺性等因素综合考虑。

18. 模具制造技术 ① 整体式电极 整体式电极是用一块整体材料加工而成，是最常用的结构形式。对于横断面积及重量较大的电极，可在电极上开孔以减轻电极重量，但孔不能开通，孔口应朝上。如图4.7所示。 图4.7 整体式电极

19. 模具制造技术 ② 组合式电极 在同一凹模上有多个型孔时，某些情况下可以把多个电极组合在一起，一次穿孔可完成各型孔的加工，这种电极称为组合电极，如图4.8所示。各型孔间的位置精度，取决于各电极的位置精度。 图4.8 组合式电极 1—固定板；2—电极

20. 模具制造技术 ③镶拼式电极 对于形状复杂的电极整体加工有困难时，常将其分成几块，分别加工后再镶拼成整体，这样既节省材料又便于电极制造。 电极不论采用哪种结构都应有足够的刚度，以利于提高加工过程的稳定性。对于体积小、易变形的电极，可将电极工作部分以外的截面尺寸增大以提高刚度。对于体积较大的电极，要尽可能减轻电极的重量，以减小机床的变形。电极与主轴连接后，其重心应位于主轴中心线上，这对于较重的电极尤为重要，否则会产生附加偏心力矩，使电极轴线偏斜，影响模具的加工精度。 (3)电极尺寸 ①电极横截面尺寸的确定 垂直于电极进给方向的电极截面尺寸称为电极的横截面尺寸。在凸、凹模图样上的公差有不同的标注方法：当凸模与凹模分开加工时，在凸、凹模图样上均标注公差；当凸模与凹模配合加工时，落料模将公差注在凹模上，冲孔模将公差注在凸模上，另一个只注基本尺寸。因此，电极截面尺寸分别按下述两种情况计算。

21. 模具制造技术 a) 当按凹模型孔尺寸及公差确定横截面尺寸时，则电极的轮廓应比型孔均匀地缩小一个放电间隙值。如图4.9所示，与型孔尺寸相对应的尺寸为： a =A-2δb =B+2δc =C r1 =R1+δr2=R2-δ 式中 A、B、C、R1、R2——型孔基本尺寸，mm； a、b、c、r1、r2——电极横截面基本尺寸，mm； δ——单边放电间隙，mm。 b) 当按凸模尺寸和公差确定电极的截面尺寸时，随凸模、凹模配合间隙Z(双面)的不同，分为三种情况： 配合间隙等于放电间隙(Z=2δ)时，电极与凸模截面基本尺寸完全相同； 配合间隙小于放电间隙(Z＜2δ)时，电极轮廓应比凸模轮廓均匀地缩小一个数值a1，但形状相似。 图4.9 按型孔尺寸计算电极横截面尺寸 1—型孔轮廓；2—电极横截面

22. 模具制造技术 配合间隙大于放电间隙(Z>2δ)时，电极轮廓应比凸模轮廓均匀地放大一个数值a1，但形状相似。 电极单边缩小或放大的数值可用下式计算： a1=1/2∣Z-2δ∣ 式中：a1——电极横截面轮廓的单边缩小或放大量，mm； Z ——凸、凹模双边配合间隙，mm； δ——单边放电间隙，mm。 ②电极长度尺寸的确定。电极的长度取决于凹模结构形式、型孔的复杂程度、电极使用次数、装夹形式及电极制造工艺等一系列因素，可按图4.10进行计算： L＝Kt+h+l+(0.4~0.8)(n-1)Kt 式中：t——凹模有效厚度(电火花加工的深度)，mm； h——当凹模下部挖空时，电极需要加长的长度，mm； l——为夹持电极而增加的长度(约为10mm~20mm)； n——电极的使用次数； K——与电极材料、型孔复杂程度等因素有关的系数。K值选用的

23. 模具制造技术 经验数据：紫铜为2~2.5，黄铜为3~3.5，石墨为1.7~2，铸铁为2.5~3，钢为3~3.5。当电极材料损耗小、型孔简单、电极轮廓无尖角，K值取小值；反之取大值。 图4.10 电极长度尺寸

24. 模具制造技术 若加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极长度应适当加长些，但其总长度不宜过长，太长会带来制造上的困难。 在生产中为了减少脉冲参数的转换次数，简化操作，有时将电极适当增长，并将增长部分的截面尺寸均匀地缩小，做成阶梯状，成为阶梯电极，如图4.11所示。阶梯部分的长度L1一般取凹模加工厚度的1.5倍左右，阶梯部分的均匀缩小量h1=0.10mm~0.15mm。对阶梯部分不便进行切削加工的电极，常用化学浸蚀方法将断面尺寸均匀缩小。 图4.11 阶梯电极 ③电极公差的确定。截面的尺寸公差取凹模刃口相应尺寸公差的1/2~2/3。电极在长度方向上的尺寸公差没有严格要求。电极侧面的平行度误差在l00mm长度上不超过0.01mm。电极工作表面的粗糙度不大于型孔的表面粗糙度。

25. 模具制造技术 3.凹模模坯准备 凹模模坯准备是指完成电火花加工前的全部工序。常用的凹模模坯准备工序如下。 (1)下料 用锯床锯割所需的材料，包括需切削的材料。 (2)锻造 锻造所需的形状，并改善其内部组织。 (3)退火 消除锻造后的内应力，并改善其加工性能。 (4)刨(铣) 刨(铣)四周及上下两平面，厚度留余量0.4mm~0. 6mm。 (5)平磨 磨上下平面及相邻两侧面，对角尺，达Ra0.63μm ~1.25μm。 (6)划线 钳工按型孔及其他安装孔划线。 (7)钳工 钻排孔，去除型孔废料。 (8)插(铣) 插(铣)出型孔，单边留余量0.3mm~0.5mm。 (9)钳工 加工其余各孔。 (10)热处理 按图样要求淬火。 (11)平磨 磨上下两面，为使模具光整，最好将四侧面再磨一遍。 (12)退磁 退磁处理。 为了提高电火花加工的生产率和便于工作液强迫循环，凹模模坯应去除型孔废料，只留很少的余量作为电火花穿孔余量。为了避免淬火变形的影响，电火花穿孔加工应在淬火后进行。

26. 模具制造技术 五、电火花加工实例 SYL电机转子冲模，加工要求为：①材料为Cr12；②刃口高度为12mm；③淬火硬度62HRC~64HRC；④配合间隙0.04mm~0.06mm。 1.工具电极 因凹模上有36个嵌线孔，且凹、凸模配合间隙要求较高，故选用组合电极结构形式，用冲头直接作电极。电极装夹如图4.12所示。专用夹具由镶块1、热套圈2、衬圈5、斜销3等组成。其中36块镶块精度要求很高，热处理后由成型磨削加工完成。装夹时只需将电极插进镶块槽内，用斜销轻轻敲入夹紧。电极装夹后检查各电极平行度。 图4.12 电极装夹 1—镶块；2—热套圈；3—斜销；4—电极；5—衬圈

27. 模具制造技术 冲头(电极)材料为Cr12，长65mm，直线度小于0.01mm，共36件。它的工艺过程如下：①下料；②锻造；③退火；④铣削或刨削，按最大外形尺寸留1mm~2mm余量；⑤平磨，磨两端及侧面；⑥钳工，按图划线；⑦铣削或刨削，按图加工留成型磨削单面余量0.3mm~0.5mm；⑧热处理，淬火硬度为58HRC~60HRC；⑨成型磨削，磨削至图样要求尺寸；⑩涂漆，冲头部位涂防护清漆；浸蚀，酸腐蚀单边0.02mm；退磁。 2.模块准备 模块准备的工艺过程为：①下料；②锻造；③退火；④车外圆和端面；⑤钳工，按图划型孔打排孔；⑥铣削，加工型孔并留单面电蚀余量0.3mm~0.5mm；⑦钳工，按图加工其余各孔；⑧热处理，淬火硬度62HRC~64HRC；⑨磨削，平磨两端面；⑩退磁。 3.电极与工件装夹 将电极吊装在主轴上，并校正电极装夹板与工件平行或者保证电极(冲头)与工件垂直。然后装夹工件模块，并校正电极与工件型孔的位置。

28. 模具制造技术 4.加工规准 由于凹模刃口高度有12mm，为提高凹模使用寿命，采用精规准一次加工成型(所留的加工余量已不多，只有0.3mm~0. 5mm )。所用的电规准为：t始=2μs，t终= 25μs；高压173V, 8管工作，电流0.5A；低压80V，48管工作，电流4A。此时单边放电间隙为δ＝0. 05mm。 5.加工效果 (1)加工速度110mm3/min。 (2)凸、凹模配合间隙Δ＝0.06mm。 (3)加工斜度0. 04mm(双边)。 (4)表面粗糙度Ra1.6μm。

29. ξ4.2 电火花线切割加工 一、电火花线切割加工原理和特点 1.基本原理 (1)电火花线切割加工原理 电火花线切割加工的基本原理与电火花成型加工一样，也是利用工具电 极对工件进行脉冲放电时产生的电腐蚀现象来进行加工的。但是，电火花 线切割加工不需要制作成型电极，而是用运动着的金属丝作电极，利用电 极丝和工件在水平面内的相对运动切割出各种形状的工件。若使电极丝相 对工件进行有规律的倾斜运动，还可以切割出带锥度的工件。 模具制造技术

30. 模具制造技术 图4.13所示为电火花线切割加工示意图。图中脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝。电极丝以一定的速度往复运动，就电极丝的每一点而言，它不断地进入和离开放电区。在电极丝和工件之间注入一定量的液体介质。只需有效地控制电极丝和工件在水平面内的相对运动轨迹和速度，使它们之间发生脉冲放电，就可以切割出具有一定形状和尺寸的工件。 图4.13 电火花线切割加工示意图

31. 模具制造技术 (2)电火花线切割加工与电火花成型加工的比较 电火花线切割加工与电火花成型加工相比，主要有以下特点： ①不需要制造成型电极，工件材料的预加工量少。 ②能方便地加工复杂形状的工件、小孔和窄缝等。 ③脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄，属中、精加工范畴，所以采用正极性加工，即脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝。电火花线切割加工基本是一次加工成型，一般不要中途转换规准。 ④由于电极是运动着的长金属丝，单位长度电极丝损耗较小，所以当切割面积的周边长度不长时，对加工精度影响较小。 ⑤只对工件进行图形加工，故余料还可以利用。 ⑥工作液选用乳化液或去离子水等，而不是煤油，可以节省能源物资，并防止着火。 ⑦自动化程度高，操作方便，加工周期短，成本低，较安全。 (3)电火花线切割加工分类 ①按控制方式可分为靠模仿型控制、光电跟踪控制和数字控制。

32. 模具制造技术 ②按脉冲电源形式可分为可控硅脉冲电源、Rc电源、晶体管电源及自适应控制电源等。 ③按加工特点可分为大、中、小型以及普通型与专用型等。 ④按走丝速度可分为低速走丝方式和高速走丝方式。 二、电火花线切割加工机床的型号 电火花线切割机床是电火花加工机床的一种，它是以一根沿本身轴线移动的细金属丝作为工具电极(常称为线电极)，沿着给定的轨迹加工出相应几何图形的工件。按电极丝运动的速度分，线切割机床分为高速走丝和低速走丝两种。电极丝运动速度等于7m/s~11m/s的为高速走丝，低于250 mm/s的为低速走丝，国内现有的线切割机床绝大多数为高速走丝线切割机床，国外的产品和国内少数线切割机床为后者。下面讲述高速走丝线切割机床。 例如，DK7725表示工作台横向行程为250 mm的电火花数控线切割机床，型号中的字母及数字含义为： D——机床类代号(电加工机床)； K——机床特性代号(数控)；

33. 模具制造技术 7——组代号(电火花加工机床)； 7——系代号(高速走丝线切割机床为7，低速走丝线切割机床为6，电火化成型机床为1)； 25——基本参数代号(工作台横向行程250 mm)。 为了有计划地开发新的机床品种规格，根据生产实际的需要，国家已颁布了《电火花线切割机床参数》(GB 7925—87)标准，要求各单位设计开发的线切割机床参数应符合表4.1之规定。

34. 模具制造技术 三、电火花线切割模具的结构和工艺特点 采用线切割加工模具时，模具的结构与加工工艺均应考虑线切割加工工艺的特点。只有这样，才能保证模具的制造精度、提高模具的使用寿命。 1.线切割模具的结构特点 (1)采用线切割加工工艺时，凸模和凹模可采用整体式结构。这对提高模具强度、简化模具结构、缩短模具制造周期均有好处。 (2)线切割加工的凸模只能为直通型。凸模固定板也可采用线切割加工。为了确保凸模与固定板具有一定的联结强度，凸模与固定板应为过盈配合，过盈量一般为0.01mm~0.03mm；若凸模尺寸较大，可在凸模后部加工螺孔，用螺孔紧固于固定板或垫板上。 (3)由于一般数控线切割机不带切割斜度的装置，因此切割出的凹模型孔为直通型。为便于漏料，凹模的刃口厚度应在保证强度的前提下尽量减薄，一般可以在凹模背面用铣削加工来减薄凹模的刃口厚度，也可利用电火花在凹模背面穿出漏料斜度。

35. 模具制造技术 (4)线切割模具的凹角和尖角尺寸应符合线切割加工的特点。线切割加工时，由于电极丝半径r和放电间隙δ的存在，所以在工件的凹角处不能得到清角，而是半径为r＋δ的圆弧。对于形状复杂的精密冲模，在凸、凹模结构设计上应注明凹角处的过渡圆弧半径R，加工凹角时应使R=r±δ；和凹角适配的尖角也应有相对应的圆弧半径。 2.保证线切割模具质量的工艺措施 (1)选用合适的模具材料 线切割加工是在整块模坯热处理淬硬后才进行的，如果采用碳素工具钢(如T8A，T10A)制造模具，由于其淬透性很差，线切割加工所得到的凸模或凹模刃口的淬硬层较浅，经过数次修磨后，硬度显著下降，模具的使用寿命就短。另一方面，由于线切割加工时，加工区域的温度很高，又有工作液不断进行冷却，相当于在进行局部热处理淬火，会使切割出来的凸模和凹模的柱面产生变形，直接影响工件的加工精度。

36. 模具制造技术 为了提高线切割模具的使用寿命和加工精度，应选用淬透性良好的合金工具钢或硬质合金来制造。由于合金工具钢淬火后，钢块表面层到中心的硬度没有显著的降低，因此，切割时不会使凸模或凹模的柱面再次产生变形。而且凸模的工作型面和凹模的型孔能全部淬硬，刃口可以多次修磨而硬度不会明显下降，故模具的使用寿命较长。常用的合金工具钢有Cr12、CrWMn、Cr12MoV等。 (2)采取减小残余应力影响的工艺措施 以线切割加工作为主要工艺时，钢质材料的加工路线是：下料——锻造——退火——机械粗加工——淬火与回火——磨削加工——线切割加工——钳工修整。 上述工艺路线的特点是：工件在加工的全过程中，会出现两次较大的变形。一次是退火后经机械粗加工，材料内部的残余应力会显著增加；另一次是淬硬后线切割去除大面积金属或切断，会使材料的内部残余应力的相对平衡状态受到破坏而产生第二次较大的变形。

37. ξ4.3 电化学加工 一、电铸加工 1.基本原理 电铸是利用金属的电解沉积，翻制金属复制品的加工方法。 模具制造技术 ξ4.2 电化学加工 常见电化学加工的方法有电铸加工(阴极沉积)、电解加工和电解抛光(阳极溶解)。 1.电铸加工 （1）电铸加工的基本原理 如图4.14所示，用可导电的母模作阴极，用电铸材料(例如纯铜)作阳极，用电铸材料的金属盐(例如硫酸铜)溶液作电铸镀液。在直流电的作用下，阳极上的金属原子放出电子成为金属正离子进入镀液，并进一步在阴极上获得电子成为金属原子而沉积覆盖在阴极原模表面。阳极金属源源不断成为金属离子并补充溶解而进入电铸镀液，保持浓度基本不变，阴极原模上电铸层逐渐加厚。当达到预定厚度时，设法与母模分离并取出，即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件。 图4.14 电铸加工原理 1—镀槽；2—阳极；3—燕馏水瓶；4—直流电； 5—加热管；6—恒温装置；7—水银导电温度计； 8—母模；9—电铸层

38. 模具制造技术 （2）电铸加工的特点如下： ① 能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路。 ② 能获得尺寸精度高、表面粗糙度值Ra小于0.1μm的复制品，用同一原模生 产多个电铸件时其形状、尺寸的一致性极好。 ③ 借助石膏、石蜡、环氧树脂等作为原模材料，可把复杂零件的内表面复制 为外表面，外表面复制为内表面，然后再电铸复制，适应性广泛。 ④ 通过电铸加工可获得高纯度的金属制品。 ⑤ 电铸加工时金属沉积速度缓慢，制造周期长。例如电铸加工镍时，一般需要一周左右。 ⑥ 电铸层厚度不均匀且厚度较薄，仅为4mm～8mm左右。电铸层一般都具有较大的应力，因此使大型电铸件变形显著，不易承受大的冲击载荷。这使电铸加工的应用受到一定的限制。 （3）电铸加工的应用如下： ① 可复制精细的表面轮廓花纹，如唱片模，工艺美术品模，纸币、证券、邮票的印刷版等。 ② 可复制注塑用的模具、电火花型腔加工用的电极。 ③ 可制造复杂、高精度的空心零件和薄壁零件，如波导管等。 ④ 可制造表面粗糙度标准样块、反光镜、表盘、异型孔喷嘴等特殊零件。

39. 模具制造技术 • 2、电铸加工的工艺过程如下： • 产品图样→母模设计→电铸前预处理→电铸清洗→衬背起模→机械加工。 • （1）母模的设计要点如下： • ① 母模形状与所需型腔相反。 • ② 确定母模尺寸时，应考虑材料的收缩率，母模表面粗糙度值愈小愈好， 一般表面粗糙度值Ra小于0.01μm。 • ③ 对于不可熔型母模应带有15～30′的起模斜度，同时需考虑起模措施。 • ④ 承受电铸的部分应按制品需要放长3mm～5 mm，以备电铸后端部粗糙而被割除。 • ⑤ 在母模的轮廓较深的底部凹、凸不能相差太大，同时尽量避免尖角。 • 母模所用材料有金属和非金属材料之分，其中又可分为可熔型不可熔型等，可根据不同需要进行选择。 制造母模的各种材料及其优缺点可参见表4.2。

40. 模具制造技术

41. 模具制造技术 （2）电铸加工前的预处理 主要包括镀起模层处理、防水处理、镀导电层处理、引导线及包扎处理。处理的方法根据母模材料的不同而异。 ① 镀起模层处理：用金属制成的母模需镀上一层厚度为0.008mm～0.01 mm的硬铬，以便起模。镀铬层表面不允许有气孔、麻点和脱铬现象。 形状复杂的母模，由于镀铬的散射能力较差，可先镀镍再镀铬。 若是深型腔而起模困难时，可在母模表面先喷上一层聚乙烯醇感光剂，经曝光烘干后进行镀银处理。 用低熔点合金制成的母模不需要镀起模层，有时可考虑涂石墨。 ② 防水处理： 用石膏或木材制成的母模，在电铸前可用喷漆或浸漆的方法进行防水处理。用石膏制成的母模还可采用浸石蜡的方法进行防水处理。 ③ 镀导电层处理：非金属母模不导电，不能直接电铸加工，因此要经过镀导电层处理。镀导电层处理一般是在防水处理(有些材料不经防水处理)后进行的。可以采用导电漆的涂敷处理、真空涂膜或阴极溅射处理，常用的是采取化学镀银或化学镀铜处理。为了得到良好的导电层，一般母模需要经两次镀导电层处理，而石膏母模则需进行三次镀银处理。 ④ 引导线及包扎处理：母模经镀起模层处理及镀导电层处理后需进行引导线及包扎处理，其目的是使导电层能够在电沉积操作过程中良好地通电，并将非电铸表面予以隔离。

42. 模具制造技术 电铸加工的生产效率低、时间长、电流大，造成沉积金属的结晶粗糙，使强度降低。一般每小时电铸金属层的厚度为0.02mm~0.05mm。电铸加工的种类较多，与模具型腔有关的电铸加工有电铸铜和电铸镍 （3）衬背起模 包括以下两种： ① 衬背 电铸型腔成型后强度较差，需用其他材料进行加固，以防止变形。加固的方法一般是采用模套进行衬背。衬背后再对型腔外形进行起模和机械加工。衬背的模套可以是金属材料或浇注铝及低熔点合金。用金属模套衬背时，一般在模套内孔和电铸型腔外表面涂一层无机粘结剂后再进行压合，以加强配合强度，如图4.15。 图4.15 电铸型腔与模套组合形式 1—卸模架；2—型芯；3—电铸型腔；4—粘接剂； 5—模套；6—垫板

43. 模具制造技术 ② 起模 电铸成型后需要起出母模。金属母模起模比较困难，可以用旋转螺钉的方法进行起模。如图4.16所示。 图4.16 螺钉起模 (a) 母模端部带螺孔；(b) 母模端部带螺栓 1—螺钉；2—探母；3—垫片；4—母模；5—铸件；6—套管

44. 模具制造技术 如果母模带有螺旋槽，其起模可用图4.17的方法，使铸件6随母模5沿轴线旋转而起模。 图4.17 螺旋式起模 1—螺钉；2—螺母；3—套管；4—止推轴承；5—母模；6—铸件

45. 模具制造技术 电铸成型后，可采用专用工具使型腔和型芯脱开。 图4.18为利用起模架和螺栓将型芯拉出分离的专用工具。 图4.18 电铸起模架 1—起模架；2—母模；3—电铸型腔；4—无机粘结荆；5—模套；6—螺栓 非金属母模(例如有机玻璃)在加热软化后起模则比较方便，一般加热温度为100℃～200℃，等到冷却至70℃～80℃即可将母模取出。较浅的型腔甚至可直接用开水加热后起模，但是母模容易受热变形、损坏。 （4）机械加工 需按要求将电铸型腔外形加工到规定尺寸。

46. 模具制造技术 二、电解加工 1、 电解加工的基本原理、特点及适用范围 （1）电解加工的基本原理 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，将工件加工成型的一种工艺方法，如图4.19(a)所示。加工时，在工件和电极之间接上直流稳压电源(6V～24V)，电极接阴极，工件接阳极，工件和电极之间保持一定的间隙(0.1mm～1mm)。在间隙中通过具有一定压力(0.49MPa ～1.96MPa) 和速度(可达75m/s)的电解液。在加工过程中，电极以一定的进给速度(一般为0.4 mm/min～1.5 mm/min)向工件靠近。由于阳极、阴极之间各面的距离不等，所以电流密度也不相同，如图4.19(b)(线密的地方电流密度大)。电流密度愈大，阳极溶解的速度就愈快。此时，在工件表面和电极之间距离最近的地方，通过的电流密度可达10 A/cm2～70 A/cm2，从而使阳极溶解金属产生氢氧化物沉淀，被电解液冲走。随着电极不断进给，电蚀物不断被电解液冲走，工件表面不断被溶解，最后使电解间隙逐渐趋于均匀，电极的形状被复制在工件上，见图4.19(c)。

47. 模具制造技术 图4.19 电解加工原理 1—电极(阴极)；2—工件(阳极)；3—泵；4—电解液；5—直流电源

48. 模具制造技术 （2）电解加工与其他加工方法比较具有以下特点： ①加工范围广。电解加工不受金属材料的力学性能限制，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度、高韧性金属材料及各种复杂型面。 ②加工速度快，约为电火花加工的5～10倍以上。如加工复杂形状的型腔，可在电极的进给下，一次加工成型。 ③由于加工过程中不存在切削力作用，不会产生热变形及毛刺等，没有电火花加工那样的白亮变质层。 ④电极损耗极小，加工表面粗糙度值小，Ra一般为0.8μm～0.2μm，尺寸精度为±0.05mm ～±0.2 mm。 ⑤难以加工窄缝、小孔或尖细棱角(r＜0.2mm)的表面。 ⑥对复杂型腔的加工，电极设计制造较困难。 ⑦电解液在加工表面难以实现均匀流动，废液及析出物有公害，电解液对机床、夹具、设备及工件等都有腐蚀作用。 电解加工的适用范围 包括：采用电解加工模具型腔，加工效率高、表面粗糙度值较小，但尺寸精度不高、电极设计与制造周期长、投资大。所以，其适用于大型模具型腔的加工，如锻造模型腔、压铸模型腔及塑料模型腔等批量较大而要求不高的加工。

49. 模具制造技术 2、 电解液 （1）电解液在电解过程中的主要作用：作为导电介质传递电流；在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解；可及时排除加工间隙中的电蚀物，并带走加工区产生的热量，起更新与冷却作 用。 （2）对电解液的基本要求：电解液应具有足够的腐蚀速度，以提高生产率；具有较高的加工精度和表面质量。电解液中的金属阳离子不应在阴极上产生放电反应而沉积到电极上，以免改变电极的形状和尺寸。阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物，以便于排除。阳极溶解下来的金属阳离子不应沉积在阴极上；电解液应性能稳定、操作安全、腐蚀性小、价格便宜。 （3）常用电解液。电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液和碱性溶液。目前实际生产中常用的电解液是氯化钠(NaCl)、硝酸钠(NaNO3)和氯酸钠(NaClO3 )三种中性盐溶液。

50. 模具制造技术 a) 氯化钠电解液 这种电解液价廉易得，对大多数金属其电流效率均很高(η> 100%)，加工过程中损耗少，应用很广。其缺点是：由于电解能力强，散蚀能力太大，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，因此成型精度难于控制；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 b) 硝酸钠电解液 这种电解液在质量分数低于30%时，具有较好的非线性性能，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。但生产率较低，需较大的电源功率。使用硝酸钠电解液时电流效率低、电能损耗大，阴极上有氨气析出，加工时硝酸钠有消耗。该种电解液适用于成型精度要求较高的工件加工。 c) 氯酸钠电解液 这种电解液具有散蚀能力小、加工精度高等特点。当加工间隙大于1.25mm时，阳极溶解作用几乎停止，加工表面比较光洁。氯酸钠电解液相同质量分数下蚀除速度与氯化钠电解液相近，但由于其溶解度比氯化钠电解液高，所以蚀除速度会更大些。由于其对机床、设备等的腐蚀很小，因而越来越广泛地被应用于高精度零件的成型加工。但氯酸钠电解液是一种强氧化剂，遇热分解出的氧气能助燃，因此使用时应注意防火安全。