數(shù)控電火花加工：EDM電火花加工中電極設計經(jīng)驗精華
在模具行業(yè)中，尤其是塑膠模具行業(yè)，電火花加工是一個非常重要的工藝環(huán)節(jié)。模具型面上有許多深槽窄縫、復雜型腔，是銑削加工機床難以加工的部位，有時這樣的區(qū)域很多，這就需要設計大量的電極來進行電火花加工。
設計電極也就是根據(jù)產(chǎn)品形狀加工的難易程度，將其拆成若干個放電部件。有些大的公司，有專門設計電極的小組，企業(yè)中常將“設計電極”稱為“拆電極”。電極設計得好壞直接影響模具加工速度和質量。當前，眾多CAD/CAM軟件都提供了強大的電極設計功能。
1. 電極的結構形式
(1)從電極的構成情況來看，有整體式電極和鑲拼式電極兩種結構形式。
1)整體式電極 整個電極用一塊材料加工而成，是最常用的結構形式。對于較大體積的電極，為了減輕質量，防止主軸負荷過大，可在端面鉆孔或挖空。對于小體積、易變形的電極，可在有效部分長度上部，將截面尺寸增大。
2)鑲拼式電極 對形狀復雜的電極整體加工有困難時，常將其分成幾塊，分別加工后再鑲拼成整體。鑲拼式電極可節(jié)省材料，且便于制造。在制造中應保證各電極鑲塊之間的位置準確，配合要緊密牢固。
整體式電極與鑲拼式電極
(2)從電極的形狀來看，有2D電極和3D電極兩種結構形式。
1)2D電極 電極成型部分為貫通形狀，為簡單的二維實體。一般用傳統(tǒng)銑削(車、銑)或電火花線割加工等方法來完成此類電極的制造。
2)3D電極 電極成型部分有非貫通部分，為復雜的三維實體。此類電極的制造須用數(shù)控機床多軸聯(lián)動的加工方法才能完成。
2D電極與3D電極
(3)從電極各部位的作用來看，電極結構可分為加工部位、延伸部位、底座。
1)加工部分 是用來放電加工的部位，此部位的加工形狀與型腔形狀剛好相反。
2)延伸部位 是在加工部位的邊緣按照一定形狀延伸的部位，用來保證加工部位的形狀及連接加工部位和底座。
3)底座 是電火花加工時用來校表、定位的基準臺。
電極結構
2. 設計電極的經(jīng)驗
(1)設計電極前要充分了解模具結構。分清楚模具的膠位、插破位、靠破位、枕位等，確認好哪些部位需要放電加工，模仁與鑲件是否要組裝放電。
(2)設計電極時要按照一定的順序進行，以防漏拆電極。這點對于復雜模具的電極設計非常重要。
(3)設計電極要考慮電極的制作問題。設計的電極應容易制作，最好是只使用一種加工方法就可以完成。如用CNC銑制作復雜電極非常方便，也容易保證電極精度。
(4)對于產(chǎn)品有外觀和棱線要求的模具，可以優(yōu)先考慮將電極設計為一次可以加工整體型腔的結構;但也要注意，電火花在加工中存在“面積效應”，在電極面積比較大，且加工深度較深、排屑困難的情況下，應將整體電極分拆成幾個電極進行分次加工，否則在加工中會出現(xiàn)放電不穩(wěn)定、加工速度慢、精度難以保證等不良情況;有時整體電極加工有困難，有加工不到的死角，或者是不好加工，所需刀具太長或太小，就可以考慮分多一個電極，有時局部需要清角電極。
(5)電極的尖角、棱邊等凸起部位，在放電加工中比平坦部位損耗要快。為提高電火花加工精度，在設計電極時可將其分解為主電極和副電極，先用主電極加工型腔或型孔的主要部分，再用副電極加工尖角、窄縫等部分。
(6)對于一些薄小、高低跌差很大的電極，電極在CNC銑制作和電火花加工中都非常容易變形，設計電極時，應采用一些加強電極，防止變形的方法。下為典型的加強電極的例子。
高低跌差很大的電極設計
(7)電極在加工部位開向的方向，必須延伸一定尺寸，以保證工位加工出來后口部無凸起的小筋。
電極開向部分延伸
(8)電極需要避空的部位必須進行避空處理，避免在電火花加工中發(fā)生加工部位以外不希望的放電情況。
(9)設計電極時應考慮減少電極的數(shù)目?？梢院侠淼貙⒐ぜ弦恍┎煌募庸げ课唤M合在一起，作為整體加工或通過移動坐標實現(xiàn)多處位置的加工;將工件上多處相同的加工部位采用電極移動坐標來加工。
不同加工部位組合在一起的電極
(10)設計電極時應將加工要求不同的部位分開設計，以滿足各自的加工要求。如模具零件中裝配部位和成型部位的表面粗糙度要求和尺寸精度是不一樣的，所以不能將這些部位的電極混合設計在一起。
(11)給電極設計合適的底座。底座是電火花加工中校正電極和定位的基準，同時也是電極多道工序的加工基準，如在用線切割清除電極上刀具拐角部位的加工中，就需要用基座進行定位。另外，底座上最好設計方便電極安裝時辨別方向的基準角。
(12)設計電極時要考慮電火花加工工藝。選用Z軸伺服加工還是側向加工或多軸聯(lián)動加工;電極要便于裝夾定位;根據(jù)具體情況開設排屑、排氣孔。
(13)電極數(shù)量的確定。電極數(shù)量的確定主要取決于工件的加工形狀及數(shù)量，其次還要考慮到工件的材質﹑加工的深度以及加工的面積。
(14)設計電極的底座有兩種方法，一種方法是在電極加工部位最大外形的基礎上均勻擴大設計出底座，結果是以底座為基準的X、Y、Z坐標值往往為小數(shù)。第二種方法是先給底座基準的X、Y、Z坐標值確定一個整數(shù)。顯然第二種方法可以避免電火花加工中操作者將復雜小數(shù)看錯的情況。
(15)一套模具的所有電極設計完成后，應填好備料單(根據(jù)電極要求確認電極坯料長，寬，高和電極數(shù)量，材質)，安排電極的制作，設計好電火花加工的圖紙(放電坐標、加工要求及細節(jié)備注)。
總之，設計電極要進行綜合考慮，抓住要點，在保證電火花加工質量的前提下，盡可能提高加工效率、降低加工成本。
3. 電極縮放量的概念
電火花加工過程中工件與電極之間存在放電間隙。為了得到符合要求的加工尺寸，電極尺寸要比欲加工型腔的尺寸小，即對電極縮放一定的尺寸，縮小的尺寸稱為電極縮放量。如下圖所示，電極雙邊縮放量=b–a，電極單側縮放量=(b–a)/2，大多場合使用的電極縮放量指的是雙邊值。
a電極尺寸 b型腔尺寸
4. 電極縮放尺寸的方式
(1)整體內縮或外擴
如下圖所示：電極與加工部位在任何位置的間隙值都相等。這種電極縮放尺寸的方式主要適用于復雜3D 電極，通常采用由 CNC(或線切割)過切的方式縮放間隙，它們只用加補正即可，避免了人為縮間隙可能造成的錯誤。
電極整體內縮或外擴
(2)直線部分與圓弧﹑倒角分開縮放間隙
如下圖示：電極與加工部位在一個或多個位置處間隙值不相等。直線部分按照理論進行一個偏距，圓弧或倒角比實際工位尺寸大或小0.03～0.02㎜(工件為外R 時，電極 R尺寸比實際尺寸大;工件為內 R 時，電極R尺寸比實際尺寸小)。分開縮放間隙的方式主要適用于 2D 電極及簡單 3D 電極。
電極各部分分開縮放間隙
(3)特殊工位電極縮放量的縮放方式。
例1)如下圖所示：左側為工件，右側為電極
特殊工位電極1
上圖中Φ7.00、Φ4.00 尺寸單側縮 0.10㎜，主視圖 R5.00、R0.50 單側縮 0.02㎜，0.42 為相關尺寸，故在電極上此尺寸保證不變。2.00 尺寸方向為開向，故電極向上延長到 3.0。如果此電極采用整體內縮，對應工件上 4.00之電極尺寸仍然近似等于 4.00，而 R0.50 尺寸則為 R0.40。在采用此電極粗加工的時候，不能進行平動加工，深度及側面都會留下較多余量，勢必造成精修時加工時間成倍的增加，并且尺寸不能很好的保證。
例2)如下所示：左邊為工件，右邊為電極
特殊工位電極2
從上圖可以看出，工件的放電工位包括有開向工位和封閉工位，所以電極在縮間隙時，電極的輪廓形狀與底面要分開縮放間隙。開向部分的相關尺寸相等，等于工位尺寸，電極最外側須延伸一尺寸，以保證加工的結果達到預定的目的;底面封閉尺寸對應縮放相應的間隙，同樣開向部分要進行相應的延伸;加工的深度方向斷差尺寸等于工位的尺寸。(可以通過比較上圖中對應的工位尺寸和電極尺寸來理解。)
例3)如下圖所示：左邊為工件。
特殊工位電極3
此工件放電工位看起來簡單，但是因為實際放電因素等各方面的影響，如果電極按理論 30.0°設計，想要保證圖中 0.50 的尺寸，那么實際加工出來的角度通常都會比 30.0°要大。主要是因為放電加工中棱角部分消耗最大，而電極在成型好后尖角已經(jīng)部分融掉，所以在加工時要保證 0.50 尺寸時，30.0°就會偏大。故根據(jù)經(jīng)驗值電極的角度應單側比工位單側小 2 .0°左右。
5. 如何確定電極縮放量
確定電極縮放量主要考慮的因素：加工形狀、加工尺寸、加工余量、加工精度要求、加工表面粗糙度要求、電極與工件材質。
1)數(shù)控電火花粗、中、精加工電極的單側縮放量一般取0.30mm、0.15mm、0.1mm。
2)加工面積比較小的電火花加工場合，電極縮放量應取小一些;加工面積比較大的電火花加工場合，電極縮放量應取大一些。
3)深度值比較大的電火花加工場合，電極縮放量應取大一些，以避免粗加工效率偏低及二次放電造成工位口部尺寸超差。
4)工件材質為硬質合金時，實際加工中放電間隙大約只有鋼材質工件的一半，故確定的電極縮放量也要小些。
5)電極縮放量在很大程度上決定了加工速度。如果放電能量較大，放電間隙也會較大;反之相反。較大放電能量的加工速度也就會快。如果電極縮放量加大，加工速度也會成倍加快。
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