在普通电火花成形机上加工斜齿轮模具型腔
普通电火花成形机床以其经济实用、操作简便等特点而深受广大用户的青睐，是目前我国模具行业中最主要的型腔加工机床之一。同时，由于普通电火花成形机床是一种单轴（主轴Z）控制型机床，在工作中一般只能利用主轴的上、下移动来完成电极形状的拷贝加工，其加工工艺范围较为狭窄。如何拓宽普通电火花成形机床的加工工艺范围，使其更好地满足客观生产的需要，一直是广大普通电火花成形机床用户所关注的现实问题。以下基于笔者多年的实际工作经验介绍在普通电火花成形机床上加工斜齿轮模具型腔的方法。 一、问题的提出 如图1所示为一塑料标准斜齿轮的二维图纸及其三维模型。
上图所示产品的塑料模具，在结构设计上一般可以采用组合式的模具型腔结构。该模具制造的关键在于产品斜齿部分的型腔件（如图2所示）的制作。
显然，上图所示的斜齿轮模具型腔件在普通电火花成形机床上，采用常规的加工方法是无法实现的。 二、问题分析及解决 从斜齿轮轮齿的形状上分析，斜齿轮可以看作是将直齿轮象扭麻花似的一拧而形成的，斜齿轮的轮齿形状从轴线方向上看呈螺旋线形状。可见，要在普通电火花成形机床上实现斜齿轮模具型腔的加工，电极必须作相应的螺旋运动（模具型腔的毛坯件是固定不动的）。 螺旋运动是由直线运动和旋转运动这两种基本运动合成的。要在普通电火花成形机床上实现螺旋加工，除了要利用机床主轴的上下运动使电极获得直线移动外，同时还必须利用一定的辅助装置使电极转动起来，最终实现电极的螺旋运动。 1．电极端部结构的设计 斜齿轮模具型腔的电极通常可以通过车削和滚齿加工完成。考虑到电极在工作过程中要作周向的旋转运动，故电极不能被直接固定到机床的主轴上。现采用在电极的上端部装配轴承的结构（如图3所示），工作时，将轴承外圈固定到主轴夹头上，而电极能够灵活转动。本例中的电极重量较小，采用单个的向心球轴承即可；若遇电极重量较大的情况时，可以采用向心球轴承组合轴向推力轴承的结构。
图3 电极的结构
1、校准部分 2、齿形部分 3、轴承 4、压板 5、螺钉 另一方面，为了方便对电极的装夹结果进行校准以及寻找工件中心位置的需要，电极的下端部采用如图3所示的一直径为Ø7.0mm的工艺用圆柱体结构。注意：圆柱体的直径应小于模具型腔毛坯件的底孔直径，而底孔直径又应小于斜齿轮的齿根圆的直径。 齿根圆直径的计算如下： d（根）= mn*Z/cosβ-2.5*mn = 0.5*20/cos8°-2.5*0.5 = 8.85（mm） 2．电极定位板的制作 取2mm左右厚度的聚甲醛（POM）塑料板作为电极定位板的材料，并在其上作一直径为Ø9.0mm的底孔（从理论上讲，厚度越小，定位的精度越高，但厚度过小的定位板刚性太差，2mm是一个比较理想的值；采用聚甲醛材料是考虑到其综合力学性能较好）。注意到聚甲醛材料的融化温度为200ºc左右，可以用电烙铁或其他适当的加热方法对电极齿形部分的下端部进行加热，待达到要求的温度后，用电极的齿形部分直接在聚甲醛塑料板上融化出一与电极形状相吻合的内齿轮形状（如图4所示）。在此过程中，要保证电极轴线与电极板表面垂直，以满足与实际使用情况一致的要求。
图4 电极定位板 3．螺旋运动的实现 待电极和电极定位板均冷却后，检验一下二者之间的配合情况，一般应以二者间无明显的周向转动间隙且二者间相对运动顺畅为准。为了使二者间的相对运动更加顺畅，可以在电极与定位塑料板之间加注适量的润滑油。 加工时，只要把定位塑料板固定，那么，由于定位塑料板的约束作用，促使套在其中的电极在作轴向移动的同时，不得不作周向的转动，而电极的综合运动正是实现斜齿轮模具型腔加工所需要的螺旋运动。 三、加工的实现 1．将一车床用的三爪卡盘用压板固定在机床的工作台上，并将模具型腔的毛坯件（为缩短加工时间及减少电极的损耗，该毛坯件内部已经作了一直径为Ø8.0mm的通孔）固定到三爪卡盘中。（如图5所示）
图5 加工示意图
1、工作台 2、三爪卡盘 3、压板 4、模具毛坯件 5、电极校准部分
6、定位板 7、电极齿形部分 8、轴承 9、电火花机床主轴夹头
附图5 着色 2．将装配在电极上端部的轴承的外圈装夹到机床主轴夹头中；利用电极下端部的圆柱校准部分对电极作垂直度的校正；同样利用电极下端部的圆柱校准部分对模具型腔毛坯件的外圆表面进行四面分中，以保证电极的中心轴线与模具毛坯件的中心轴线重合，之后，锁住机床的X轴和Y轴。 3．将先前已经制作好的电极定位塑料板套入电极齿形部分下端部，套入的距离应以电极齿形部分的下端部不露出电极定位板下表面为准（如图5所示）。向下移动主轴使电极定位板与模具毛坯件的上顶面轻轻接触，用502 胶水将定位板固定在模具毛坯件的上顶面。 4．最后，利用以上装置对模具毛坯件进行电火花成形加工。考虑到用一个电极来完成模具型腔的电火花成形加工，而电极前端部在电火花成形加工过程中的损耗较大（电极损耗部位集中在头部3~4mm区域内），所以在加工时要使电极齿形部分的下端部超出模具毛坯件的底部4mm以上（电极在制作时要相应加长齿形部分，并加上定位板的厚度），整个加工过程才完成。同时，为了取得理想的加工效果，在不同的加工阶段，应采用不同的电规准方案。 四、结束语 以上通过一个实例向大家介绍了在普通电火花成形机床上加工斜齿轮模具型腔的方法。由于以上所述的模具型腔具有上下贯穿的结构，因此，在实际加工时只用了一个电极，也没有用到机床的平动功能。实际上，只要定位塑料板的位置固定不动，换另外一个电极上去，也完全可以保证电极加工位置的一致性；如遇到确实需要平动的情况，则只要将上面提到过的电极定位塑料板用适当的方法固定到机床的平动头上就可以了，这里不在赘述。
上图所示产品的塑料模具，在结构设计上一般可以采用组合式的模具型腔结构。该模具制造的关键在于产品斜齿部分的型腔件（如图2所示）的制作。 显然，上图所示的斜齿轮模具型腔件在普通电火花成形机床上，采用常规的加工方法是无法实现的。 二、问题分析及解决 从斜齿轮轮齿的形状上分析，斜齿轮可以看作是将直齿轮象扭麻花似的一拧而形成的，斜齿轮的轮齿形状从轴线方向上看呈螺旋线形状。可见，要在普通电火花成形机床上实现斜齿轮模具型腔的加工，电极必须作相应的螺旋运动（模具型腔的毛坯件是固定不动的）。 螺旋运动是由直线运动和旋转运动这两种基本运动合成的。要在普通电火花成形机床上实现螺旋加工，除了要利用机床主轴的上下运动使电极获得直线移动外，同时还必须利用一定的辅助装置使电极转动起来，最终实现电极的螺旋运动。 1．电极端部结构的设计 斜齿轮模具型腔的电极通常可以通过车削和滚齿加工完成。考虑到电极在工作过程中要作周向的旋转运动，故电极不能被直接固定到机床的主轴上。现采用在电极的上端部装配轴承的结构（如图3所示），工作时，将轴承外圈固定到主轴夹头上，而电极能够灵活转动。本例中的电极重量较小，采用单个的向心球轴承即可；若遇电极重量较大的情况时，可以采用向心球轴承组合轴向推力轴承的结构。 图3 电极的结构 1、校准部分 2、齿形部分 3、轴承 4、压板 5、螺钉 另一方面，为了方便对电极的装夹结果进行校准以及寻找工件中心位置的需要，电极的下端部采用如图3所示的一直径为Ø7.0mm的工艺用圆柱体结构。注意：圆柱体的直径应小于模具型腔毛坯件的底孔直径，而底孔直径又应小于斜齿轮的齿根圆的直径。 齿根圆直径的计算如下： d（根）= mn*Z/cosβ-2.5*mn = 0.5*20/cos8°-2.5*0.5 = 8.85（mm） 2．电极定位板的制作 取2mm左右厚度的聚甲醛（POM）塑料板作为电极定位板的材料，并在其上作一直径为Ø9.0mm的底孔（从理论上讲，厚度越小，定位的精度越高，但厚度过小的定位板刚性太差，2mm是一个比较理想的值；采用聚甲醛材料是考虑到其综合力学性能较好）。注意到聚甲醛材料的融化温度为200ºc左右，可以用电烙铁或其他适当的加热方法对电极齿形部分的下端部进行加热，待达到要求的温度后，用电极的齿形部分直接在聚甲醛塑料板上融化出一与电极形状相吻合的内齿轮形状（如图4所示）。在此过程中，要保证电极轴线与电极板表面垂直，以满足与实际使用情况一致的要求。
图4 电极定位板 3．螺旋运动的实现 待电极和电极定位板均冷却后，检验一下二者之间的配合情况，一般应以二者间无明显的周向转动间隙且二者间相对运动顺畅为准。为了使二者间的相对运动更加顺畅，可以在电极与定位塑料板之间加注适量的润滑油。 加工时，只要把定位塑料板固定，那么，由于定位塑料板的约束作用，促使套在其中的电极在作轴向移动的同时，不得不作周向的转动，而电极的综合运动正是实现斜齿轮模具型腔加工所需要的螺旋运动。 三、加工的实现 1．将一车床用的三爪卡盘用压板固定在机床的工作台上，并将模具型腔的毛坯件（为缩短加工时间及减少电极的损耗，该毛坯件内部已经作了一直径为Ø8.0mm的通孔）固定到三爪卡盘中。（如图5所示） 图5 加工示意图 1、工作台 2、三爪卡盘 3、压板 4、模具毛坯件 5、电极校准部分
6、定位板 7、电极齿形部分 8、轴承 9、电火花机床主轴夹头
附图5 着色 2．将装配在电极上端部的轴承的外圈装夹到机床主轴夹头中；利用电极下端部的圆柱校准部分对电极作垂直度的校正；同样利用电极下端部的圆柱校准部分对模具型腔毛坯件的外圆表面进行四面分中，以保证电极的中心轴线与模具毛坯件的中心轴线重合，之后，锁住机床的X轴和Y轴。 3．将先前已经制作好的电极定位塑料板套入电极齿形部分下端部，套入的距离应以电极齿形部分的下端部不露出电极定位板下表面为准（如图5所示）。向下移动主轴使电极定位板与模具毛坯件的上顶面轻轻接触，用502 胶水将定位板固定在模具毛坯件的上顶面。 4．最后，利用以上装置对模具毛坯件进行电火花成形加工。考虑到用一个电极来完成模具型腔的电火花成形加工，而电极前端部在电火花成形加工过程中的损耗较大（电极损耗部位集中在头部3~4mm区域内），所以在加工时要使电极齿形部分的下端部超出模具毛坯件的底部4mm以上（电极在制作时要相应加长齿形部分，并加上定位板的厚度），整个加工过程才完成。同时，为了取得理想的加工效果，在不同的加工阶段，应采用不同的电规准方案。 四、结束语 以上通过一个实例向大家介绍了在普通电火花成形机床上加工斜齿轮模具型腔的方法。由于以上所述的模具型腔具有上下贯穿的结构，因此，在实际加工时只用了一个电极，也没有用到机床的平动功能。实际上，只要定位塑料板的位置固定不动，换另外一个电极上去，也完全可以保证电极加工位置的一致性；如遇到确实需要平动的情况，则只要将上面提到过的电极定位塑料板用适当的方法固定到机床的平动头上就可以了，这里不在赘述。
