《chap电火花加工》PPT课件.ppt

第二章 电火花加工,内容简介:,了解电火花加工机理、特点、放电间隙特征、加工过程的控制以及检测；掌握电火花成型加工的原理、机床的组成、工艺方法和实际应用。,返回首页,第一节 电火花加工基本原理及其分类,第二节 电火花加工机理,第三节 电火花加工机床,第四节 电火花加工工艺及基本规律,第五节 电火花穿孔成型加工,第二章 电火花加工,返回首页,第六节 其它电火花,第一节 电火花加工基本原理、特点、分类和应用范围,电火花加工原理,电火花加工的特点,电火花加工分类和应用范围,一、电火花加工原理,电火花加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining 简称EMD）。它是在加工过程中,使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电,靠放电时产生的局部、瞬时的高温将金属蚀除下来。这种利用火花放电产生的腐蚀现象对金属材料进行加工的方法叫电火花加工。,电火花加工的基本条件,作为工具和工件的两个电极应有适当的间隙并在加工过程中保持这一间隙； 放电时间应该十分短促，使电热来不及传导扩散，把放电热量局部限在很小的范围内。 为了得到一定的加工精度，放电通道截面应尽可能压缩到最小值，使放电能量高度集中；同时蚀除屑要能迅速排除，放电停止后要迅速恢复电极间隙的绝缘能力(消电离)，以防电弧放电； 输运到工件表面处的能量要足够大，即放电通道要有足够的电流密度，以保证一定的生产能力。,二、电火花加工的特点,可以加工任何硬、脆、韧、软、高溶点的导电材料，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及热学特性，如：熔点、沸点（汽化点）、比热容、导热系数，电阻率等，几乎与其力学性能无关，且在一定条件下，还可加工半导体材料和非导体材料； 加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工，同时可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工； 当脉冲放电的持续时间很短时，放电时所产生的热量来不及扩散，减小材料被加工表面的热影响层，提高材料加工后的表面质量，还适合加工热敏感性较强的材料； 脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工； 5。 直接利用电能进行加工，便于实现自动化。,（1）可以加工难以用金属切削方法加工的零件,不受材料硬度影响。 （2）由于工具电极与工件电极不直接接触,没有机械切削力。所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性,工具电极可以做的十分微细,能进行微细加工和复杂型面加工。 （3）电火花加工是通过脉冲放电来蚀除金属材料的,而脉冲电源的参数随时可调,因此在同一情况下,只需调整电参数即可切换粗、半精、精、超精加工。,1.电火花加工的优点：,2.电火花加工的局限性：,(1)电火花加工生产效率低。 (2)被加工的工件只能是导体 (3)存在电极损耗,这就影响了成型精度 (4)加工表面有变质层。 (5)加工过程必须在工作液中进行。电火花加工时放电部位必须在工作液中,否则将引起异常放电。 (6)线切割加工有厚度极限。,.,。,三、电火花加工的分类和发展现状,采用成型工具电极进行仿形电火花加工的方法,根据目前电火花设备使用情况来分,可分为3大类:,1.电火花成型加工,2.电火花线切割加工,3.其他类型电火花加工,利用金属线作为电极对工件进行切割的方法,如电火花磨削加工、电火花回转加工、电火花研磨、珩磨以及金属电火花表面强化、刻字等,电火花加工的发展概况,国外电火花加工的发展,目前计算机技术广泛应用于工业领域,电火花加工实现了数控化和无人化。美国、日本的一些电火花加工设备生产公司依靠其精密机械制造的雄厚实力,通过两轴、三轴和多轴数控系统、自动工具交换系统及采用多方向伺服的平动、摇动方案,解决了电火花加工技术中一系列实质性的问题。随着具有高精度、高刚度、高自动化、高加工表面粗糙度的机床不断出现,使加工的功能及范围不断扩大。如今,在国际上,电火花加工可以加工大至数十吨重的模具和零件,小至只有几微米的微孔。 在电火花线切割方面,目前已过渡到全面计算机控制的阶段。变截面三维图形的线切割工艺、自动穿丝系统及镜面线切割技术都已达到了实用化阶段。,我国电火花加工的发展,20世纪50年代初期,我国开始研究和试制电火花镀敷设备,即把硬质合金用电火花工艺镀敷在高速钢金属切削刀具和冷冲模刃口上,提高金属切削刀具和模具的使用寿命。同时我国还成功研制了电火花穿孔机,并广泛应用于柴油机喷嘴小孔的加工。 60年代初,上海科学院电工研究所成功研制了我国第一台靠模仿形电火花线切割机床。随后又出现了具有我国特色的冷冲模工艺,即直接采用凸模打凹模的方法,使凸凹模配合的均匀性得到了保证,大大简化了工艺过程。 60年代末,上海电表厂张维良工程师在阳极切割的基础上发明了我国独有的高速走丝线切割机床。上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。 70年代随着电火花工艺装备的不断进步,电火花型腔模具成型加工工艺已经成熟。线切割工艺也从加工小型冷冲模发展到可以加工中型和较大型模具。切割厚度不断增加,加工精度也不断提高。 80年代以来计算机技术飞速发展,电火花加工也引进了数控技术和电脑编程技术,数控系统的普及,使人们从繁重、琐碎的编程工作中解放出来,极大的提高了效率。,返回本章目录,返回首页,第二节 电火花加工机理,极间介质的电离、击穿、形成放电通道,介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀,电极材料的抛出,极间介质的消电离,1) 极间介质的电离、击穿、形成放电通道,放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中型粒子组成,带电粒子高速运动,相互碰撞,产生大量热能,使通道温度升高,通道中心温度可达到10000摄氏度以上。由于放电开始阶段通道截面很小,而通道内有高温热膨胀形成的压力高达几万帕,高温高压的放电通道急速扩展,产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应,这就形成了肉眼所能看到的电火花。,2) 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀,液体介质被电离、击穿,形成放电通道后,通道间带负电的粒子奔向正极,带正电的粒子奔向负极,粒子间相互撞击,产生大量的热能,使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化,进而气化,然后高温向四周扩散,使两电极表面的金属材料开始融化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸汽瞬间体积猛增,形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时,可以看到工件与工具电极间有冒烟现象并听到轻微的爆炸声。,3) 电极材料的抛出,正负电极间产生的电火花现象,使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高,工作液和金属汽化后不断向外膨胀,形成内外瞬间压力差,高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤,抛出放电通道,大部分被抛入到工作液中。加工中看到的桔红色火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。,4) 极间介质的消电离,在电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散,那么产生的热量将不能及时传出,使该处介质局部过热,局部过热的工作液高温分解,结碳,使加工无法进行,并烧坏电极。因此为了保证电火花加工过程的正常进行,在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除,恢复放电通道的绝缘性,使工作液介质消电离。,实际上,电火花加工的过程远比上述复杂,它是电力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目前为止,人们对电火花加工过程的了解还有限,需要进一步研究。,返回本章目录,返回首页,第三节 电火花加工机床,国产电火花穿孔、成型加工机床的型号规格,电火花加工机床的组成部分,一、国产电火花穿孔、成形加工机床的型号规格,1985年起国家把电火花穿孔、成形加工机床定名为D71系列，其型号表示方法如下： D 71 32,电火花穿孔成形机床分类,按大小可分,按数控程度分,按精度等级分,按工具的伺服进给系统的类型分,大型D7163以上 中型D7125-7163 小型D7125以下,非数控 单轴数控 三轴数控,标准精度型 高精度型,液压进给 步进电机进给 直/交流伺服电机进给 ,二、电火花加工机床的组成部分,电火花穿孔、成型加工机床基本组成部分： 脉冲电源、自动进给调节系统、工作液循环过滤系统、主机部分。(见P32图227),1、机床本体,用来支承工具电极及工件，保证它们之间的相对位置，并实现电极在加工过程中稳定的进给运动。,功用：,组成：,床身、立柱、主轴头、工作台、工作液槽等,床身和立柱是一个基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相对位置。立柱式、龙门式、滑枕式、摇臂式等布局形式。, 床身和立柱, 工作台,工作台主要用来支撑和装夹工件，它分为上、下两层（上溜板和下溜板）。在实际加工中，通过转动纵横丝杠来改变电极与工件的相互位置。工作台上面还装有工作液槽，使电极和被加工件浸泡在工作液里，起到冷却、排屑作用。,主轴头是电火花穿孔、成形加工机床的一个关键部件，它由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。, 主轴头,主轴头应具备的条件： 有一定的轴向和侧向刚度及精度；有足够的进给和回生速度；主轴运动的直线性和防扭转性能好；灵敏度高、无爬行；具备合理的承载电极质量的能力。, 主轴头及工作台主要附件,1）可调节工具电极角度的夹头,2）平动头,3）油杯,加工前需要调节装在主轴下面的工具电极到工件基准面垂直； 在加工型孔或型腔时，还需在水平面内调节、转动一个角度，使工具电极的截面形状与工件型孔或型腔预定位置一致。,1）可调节工具电极角度的夹头,平动头为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的；是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。,2）平动头,平动头的动作原理利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构，转化为电极上每一贯质点都能围绕其原始位置在水平内作小圆周运动，许多小圆的外包络线就形成加工表面。,为实现工作液冲油或抽油强迫循环的一个主要附件，其侧壁和底边上开有冲油和抽油孔。,3）油杯,2、电火花加工用的脉冲电源,电火花加工用的脉冲电源的作用就是把直流或工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流，提供电火花加工所需要的放电能量。, 对脉冲电源的要求,有一定的脉冲放电能量，保证一定的生产率； 峰值电流、脉宽、脉间等主要参数要有较宽的调节范围以适应粗、半精、精加工的需要； 输出电压应适当可调，脉冲波形有一定的选择余地或能适当组合以满足不同工件与工件材料的加工要求； 工作性能稳定可靠，结构简单，操作和维修方便；,RC线路脉冲电源,晶体管式脉冲电源,由晶体管脉冲电源派生的一些脉冲电源,高低压复合脉冲电源,多回路脉冲电源,等脉冲电源,高频分组和梳形波脉冲电源,自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源,3、电火花加工的伺服进给、控制系统,任何典型的电火花加工机床，都有控制火花放电间隙的伺服进给系统。此外，在数控机床中，还有控制工具电极和工件相对运动的数控系统。,电火花加工的伺服进给系统,1)有较广的速度调节跟踪范围 2)有足够的灵敏度和快速形 3)稳定性要好、抗干扰、超调量要小,要求,电火花加工时工具电极和工件间“不接触”，火花放电时需通过自动调节系统保持一定的放电间隙；车、钻、磨削时是接触加工，靠切削力把多余的金属切除，因此进给系统是刚性的等速的，一般不需要自动调节。,特点,间隙蚀除特性曲线和进给调速特性曲线（图221）,按执行元件大致可分为：,电液压式（喷嘴挡板式） 步进电机 宽调速力矩电机 直流伺服电机 交流伺服电机,自动进给调节系统的基本组成（图222）,放电间隙 (伺服参考电压),自动进给调节系统的基本组成（图222）,电火花加工的数控系统,电火花加工单轴数控系统 电火花加工多轴数控系统,4、电火花加工的工作液循环过滤系统,电火花加工的工作液循环过滤系统包括：工作液泵、容器、电机、过滤装置、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。,返回本章目录,返回首页,第四节 电火花加工工艺及基本规律,影响金属蚀除率(生产率)的主要因素,电火花的加工速度和工具电极的损耗速度,影响加工精度的主要因素,电火花加工的表面质量,一、影响金属蚀除率(生产率)的主要因素,主要有：极性效应与覆盖效应、电参数、热学常数、工作液及其它。,1.极性效应与覆盖效应,正、负极性加工：加工时以工件为准，工件接脉冲电源的正极称正极性加工；反之称负极性加工。,在电火花加工的过程中,无论是正极还是负极,都会收到不同程度的电蚀.即使是相同的材料,正负电极的电蚀量也同的，这种单纯由于正,负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。,当采用窄脉冲精加工时，应选正极性加工； 当采用长脉冲粗加工时，应选负极性加工。,覆盖和镀覆效应可保护电极，降低蚀除速度。,2.电参数对蚀除率的影响,所谓电参数是指脉冲宽度ti（或放电时间te ）、脉冲间隔to、峰值电压ui 、峰值电流ie等。,其中实际起作用的是放电时间te 和放电峰值电流ie ，两者的乘积表征着单个脉冲的能量EM ， EM 大，蚀除率就高。但脉冲间隔to过大，会减少每秒钟的放电次数，从而降低平均蚀除率。,因此，蚀除率（生产率）正比于脉冲频率f、 放电时间te 、峰值电流ie；反比于脉冲间隔to。,3.金属材料热学常数对蚀除率的影响,所谓热学常数是指该材料的熔点、沸点（气化点）、热导率、比热容、融化热、气化热等。,b.使熔化的金属材料继续升温至沸点，该熔融金属比容热为每克材料升高所需热量；,c.使金属蒸气继续加热成过热蒸气，该蒸气金属的比容热为每克金属蒸气升高所需热量；,（1）比容热：,a.使金属材料温升至熔点，该金属材料得比容热为每克金属材料升高所需热量；,（）熔化热：,（）气化热：,（）其它：,即：每熔化克材料所需的热量。,即：使熔化金属气化，每气化克材料所需的热量。,如：熔点、沸点（气化点）、热导率等。,显然，当脉冲放电能量相同时： 金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热越高，电蚀量将愈小，金属难加工；热导率愈大的金属，相应地也降低了本身的蚀除量。,各种金属材料电火花加工的难易程度依次为：,结论：,当单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值愈小（脉宽愈长），散热多，电蚀量减小；反之，脉冲电流幅值愈大（脉宽愈短），散热少，抛出材料中气化部分比例增加，电蚀量也会降低。,电极材料的蚀除量与材料热学常数、脉宽、单个脉冲能量有关。,4.工作液对蚀除率的影响,只有绝缘介质才能产生火花击穿且放电结束后迅速恢复间隙绝缘状态，绝缘强度比较高的液体介质，可以在较小电极间隙下击穿，从而提高仿型精度； 火花放电受液体介质的压缩和放电磁场的压缩，放电通道截面积很小，电流密度高度集中，提高了生产率和加工精度； 在脉冲放电作用下，液体介质急剧蒸发，产生局部高压有利于金属和电蚀产物的排出；液体介质冷却电极，防止热变形，冷却的介质又使电流密度加大，能量更加集中； 绝缘恢复得快得液体介质有助于减少放电后残留离子，避免电弧放电。,电火花加工一般在液体介质中进行。液体介质通常叫做工作液。工作液具有绝缘、压缩通道、产生局部高压、冷却、消电离等作用。,。,电火花成型加工时常采用油类工作液。 粗加工时选用介电性能、粘度大的机油； 半精、精加工时选用粘度小、渗透性好的煤油。,由上述分析可知：工作液对电蚀量和加工精度的影响很大。,介电性能好，密度和粘度大的工作液有利于压缩通道，提高放电能量密度，强化电蚀产物抛出。但粘度大又不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。,其它。,总之：影响材料放电腐蚀的因素时多方面的，需综合分析。,5.其它因素,加工过程的稳定性；,电极材料；,二、电火花的加工速度和工具电极的损耗速度,1.加工速度,指单位时间（min）内从工件上蚀除加工下来的金属体积（mm3），称体积加工速度，用w或w （mm3min ）；为测量方便也可用质量加工速度，用m（g min ）。所以加工速度也称生产率。,电火花成形加工的加工速度分别为： 粗加工时：Ra10-20时，w 2001000mm3/min； 半精加工时：Ra2.5-100时，w 20100mm3/min； 精加工时： Ra0.32-2.5时，w 10mm3/min 。,加工速度与加工电流有关,电火花成形加工每安培加工电流的加工速度为10mm3/min 。,相对损耗或损耗比（损耗率）%：, 工具电极相对损耗速度和损耗比,损耗速度单位时间（min）内从工具电极上损耗金属体积（mm3 ），用E或EW （ mm3 min ）；也可用质量计算，用Em（g min ）。,1% 的电火花加工称低损耗加工； 0.1% 的电火花加工称无损耗加工。,正确地选择极性,为降低工具电极的相对损耗，必须很好地利用电火花加工过程中的各种效应，主要包括：极性效应、吸附效应、传热效应等及其相互影响。,一般来说，在短脉冲精加工时采用正极性加工（即工件接电源正极）；而在长脉冲粗加工时则采用负极性加工（即工件接电源负极） 。, 利用吸附效应,炭黑膜只能在正极表面形成，要利用吸附效应必须采用负极性加工。 研究表明，当峰值电流和脉间一定时，炭黑膜厚度随脉宽增加而增厚；当脉宽和峰值电流一定时，炭黑膜厚度随脉间增加而减薄。,要利用吸附效应还与冲、抽油的影响有关。, 利用传热效应,若工具电极的导热性能比工件的好，如采用较大的脉冲宽度和较小的脉冲电流进行加工，传热效应可使工具电极表面温度低而减少损耗，工件电极由于温度升得较高而蚀除快。, 选用合适的材料,常用的工具电极材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等； 铜碳、铜钨、银钨等一般只在精密电火花加工中采用； 钨、钼等在电火花线切割中采用。,三、影响电火花加工精度的主要因素,电火花成型加工精度包括尺寸精度和仿型精度。 影响加工精度的因素很多，除电火花加工机床的机械结构、机械传动以及装夹定位的误差外，主要影响因素有：放电间隙的大小及其一致性和工具的损耗及其稳定性。,精加工放电间隙一般为0.01mm； 粗加工放电间隙一般为0.5mm以上。,放电间隙（加工间隙）,放电间隙的实际大小在加工过程是变化的，影响加工精度。因此，为减少加工误差，应该采用较小的电规准，缩小加工间隙；同时尽可能使加工过程稳定。, 工具电极的损耗,工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。 电火花穿孔加工时，电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗，型腔加工时无法采用这一方法，精密型腔加工可以采用更换电极的方法。, 尖角和棱边倒圆,由于尖端部分电场强度大而出现尖端放电现象，因此尖角和棱边外的工具电极损耗比较大，影响仿形精度。 脉冲电压愈高以及单个脉冲能量愈大，影响就愈大。同时也有工艺方面的原因，如：型腔加工时采用“平动”和“摇动”工艺，在很多情况下都是以圆弧轨迹为运动方式，在型腔修光的同时又产生了尖角和棱边倒圆的副作用。,四、电火花加工的表面质量,电火花的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分。,影响因素： 单个脉冲能量； 工件材料 精加工时，工具电极的表面粗糙度；,表面粗糙度, 表面变质层,熔化凝固层 热影响层 显微裂纹, 表面力学性能,显微硬度及耐磨性 残余应力 耐疲劳性,返回本章目录,返回首页,第五节 电火花穿孔成型加工,电火花穿孔、成型加工概述,冲模电火花加工,型腔模电火花加工,小孔和异形小孔电火花加工,电火花加工样品,一、电火花穿孔成型加工概述,电火花穿孔成型加工,穿孔加工,型腔加工,冲模(包括凹凸模及卸料板,固定板) 粉末冶金模 挤压模(型孔) 型孔零件 小孔(0.013mm 小孔和异性孔 深孔,型腔模(锻模,压铸摸,塑料模,胶木模等) 型腔零件,穿孔加工: 一般指贯通的二维型孔的电火花加工。它既可以是等截面孔，也可以是变截面孔，还包括用片状电极切断和侧面成形等。 主要用于型孔(圆孔、方孔、多边孔、异形孔)、曲线孔(弯孔、螺旋孔)、小孔、微孔等加工，如落料模、复合模、级进模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。,型腔加工: 一般指三维型腔和型面的电火花加工，还包括电火花雕刻。 主要用于塑料模、锻模、压铸摸、挤压模、胶木模，以及整体叶轮、叶片等各种曲面零件。,二、冲模电火花加工,1.冲模的电火花加工工艺方法,凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证。L2 =L1 + 2SL,直接法 间接法 混合法 二次电极法,直接法：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。,间接法：据凹模的尺寸设计电极、制造电极，加工凹模，在根据冲模间隙配作凸模。,混合法：把电极与凸模（冲头）连接在一起成为一个整体，一起加工，然后再对凹模进行电加工，最后拆卸电极。,二次电极法：利用第一次电极制造第二次电极并且加工出凸凹模的方法。适用于无间隙或小间隙的精冲模加工。,2.穿孔电极的设计,电极截面尺寸应为相应型孔的中间尺寸加（减）双边间隙或单边间隙；电极尺寸的公差一般定为型孔尺寸公差的一半。,电极的有效长度(总长度减去不起加工作用的长度)，通常是型孔长度的 2.53.5倍；当一个电极要加工几个型孔时，电极有效长度应加长。,电极的结构：为提高加工速度电极常采用阶梯电极。将下步缩小 0.10.3mm ；阶梯部分的长度 L 一般为冲模刃口高度 h 1.22.4倍，即 L=(1.2-2.4)h ，阶梯电极的单边缩小量(单面蚀除厚度) b 按 b1- 2 + (1 、2 为粗精加工单面火花放电间隙mm，为留给精加工的单面加工余量，= 0.020.04mm )