模具制造工艺2

第4章

模具零件的电火花加工特种加工与传统切削加工本质不同点：不要求工具材料比工件材料硬；不需要施加明显的机械力，而是利用电能、化学能、光能、声能、热能等对工件进行加工。常用特种加工方式：电能、热能——电火花成形加工（EDM），电火花线切割加工（WEDM），电子束加工（切割、打孔、焊接，EBM），等离子弧加工（切割/喷镀，PAM）电能、动能——离子束加工（电－机械）（IBM）电化学能——电解加工（ECM）,电铸（EF）,涂镀（EP）电化学能、机械能——电解磨削（ECG）,阳极机械磨削，电解珩磨（ECH）声能、机械能——超声波加工（USM）光能、热能——激光加工（切割、打孔、打标记，LBM），激光处理、表面改性（LBT）化学能——化学铣削（CHM），化学抛光（CHP）光能、化学能——光刻（照相腐蚀，PCM）液流、机械能——磨粒流加工，磨料喷射加工（喷砂，喷丸？）,液体喷射加工,挤压珩磨（AFM）,水射流切割（WJC）特种加工

引起机械制造工艺技术领域的变革提高了材料的可加工性；改变了零件的典型工艺路线（热处理前后，分散—集中）；缩短了新产品试制周期；对产品零件的结构设计带来了很大影响（清角与圆角，镶拼与整体）；对传统的结构工艺性的好坏需要重新衡量。4.1电火花成形加工

（ElectricalDischargeMachining）4.1.1电火花加工的基本原理及特点4.1.1.1电火花加工的基本原理工具电极与工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀。

1752年，本杰明.富兰克林以雷电为例对放点现象作了说明；1943年，前苏联学者拉扎林柯夫妇利用RC回路发明了电加工机床；1952年，瑞士夏米尔（后并入阿奇）技术公司量产工业级机床逆向思维经典案例1）防腐——腐蚀加工（玻璃上刻图案）2）雷击——避雷针3）润滑——摩擦/高尔夫球

4）茅草——锯子（鲁班）

……电腐蚀用于金属加工的必备条件：局部电流密度105~106A/cm2，产生10000℃以上高温，使金属气化；脉冲宽度Ton，放电持续时间10－7~10－3sec；脉冲间隔Toff，足够的停歇时间，不在同一点重复放电；放电间隙δ，电极与工件间隙nμm~n×102μm；工作液。脉冲电流波形4.1.1.2电火花加工的物理本质单次脉冲放电的物理过程（慢动作）：1）电离—击穿：脉冲电压加至两极，极间立即建立起电场。场强足够大时，极间产生极化或搭桥，电子从阴极向阳极发射，进而形成雪崩式电离过程，极间形成等离子体放电通道，产生击穿。2）放电—热蚀：阳极和阴极表面分别受到带电粒子流高速冲击，电流密度可达105~106A/cm2，通道中心温度高达104℃以上，瞬时压力高达107Pa，电极材料熔化和气化，形成过热金属。同时，通道周围的工作液变热，气化，气泡区形成并扩展。3）抛出—消电离：随着放电延续，熔化的金属断续从电极表面抛离。脉冲电流终止时，气泡由于惯性继续向外扩展，内部压力降低，过热熔融金属抛离电极后，电极表面形成放电凹坑。随着气泡收缩而破裂，带电离子迅速减少，极间恢复绝缘状态。从工艺观点点出发，电电火花加工工过程可以归结为为3个基本矛盾盾Ⅰ)工具电极损损耗与工件件成形精度度之间的矛矛盾；Ⅱ)加工生产率率和加工表表面质量之之间的矛盾盾；Ⅲ)电蚀产物的的产生与排排除之间的的矛盾。4.1.1.3电火花加工工的特点1）主要用于于加工金属属等导电材材料，但在在一定条件件下也可加加工半导体体和非导体体材料；2）加工不靠靠明显的作作用力，可可用于加工工小孔、窄窄槽等复杂杂孔、腔加加工；3）脉冲放电电持续时间间短，工件件被加工表表面受影响响小；4）可完成粗粗、中、精精、精微加加工；5）便于实现现自动化；；6）去除材料料率与质量量指标无法法兼顾（矛矛盾Ⅱ）；7）存在电极极损耗，并并往往集中中在某一局局部，影响响成形精度度（矛盾Ⅰ）；8）一般加工工速度较慢慢（矛盾Ⅲ？）；9）最小角部部半径有限限制。电火花加工工解决了高熔点、高高硬度、高高强度、高高脆性、高高粘性、高高韧性、高高纯度材料料和具有各各种复杂结结构与特殊殊工艺要求求的零件长期以来存存在的加工工难题电火花加工工按工艺方方法分类电火花成形形、穿孔电火花磨削削平面、内外外圆、成形形电火花线电电极加工电火花线切切割，其它它线电极电电火花加工工电火花展成成加工利用简单形形状电极与与工件作相相对应的展展成运动，，逐点加工工，实现整整体成形（（共轭旋转转、螺旋面面、……）电火花强化化？新技术（日日本）气中放电加加工的最大大优点是电电极损耗极极低，且与与脉宽无关关。混粉（硅、、铝等）工工作液可达到类似似镜面效果果4.1.2电火花加工工的基本规规律4.1.2.1影响加工速速度的主要要因素电规准3元素（应可可调）：脉宽Ton范围0.1~2000μμs（微秒）Ton↑，电极损耗耗θ↓，生产率↑，间隙δ↑，表面粗糙糙，表面变变质层↑，斜度↑，加工稳定定性好脉冲间隔ToffToff↑，加工稳定定性好峰值电流IpIp↑，电极损耗耗θ↑，生产率↑，间隙δ↑，表面粗糙糙，表面变变质层↑，加工稳定定性好一般用加工速度、加工精度、加工表面质质量、工具电极相相对损耗4个工艺指标标评价电火火花加工的的工艺效果果。电规准其它它参数：波波形，击穿穿电压，放放电脉冲前前、后沿，，平均电流流Im，脉宽峰峰值比Ton/Ip（μs/A）单个脉冲冲能量=Im×Ton或粗规准（大能量量）：低低电压，，大Ton，大Ip，小Toff得到高生生产率，，低θ，但加工工精度差差，表面面粗糙负极性精规准（小能量量）：较较高电压压，小Ton，小Ip，大Toff得到较低低生产率率，较大大θ，但表面面粗糙度度小，可可达到较较高精度度正极性中规准：：介于两两者之间间1.电参数加工速度度正比于于单个脉脉冲能量量（w）、脉冲冲频率（（f）、平均均电流（（Im）。2.极性效应应蚀除速度度的差别别。原因：正正离子和和电子的的质量差差引起起起动时间间差正确利用用：1）单向脉脉冲；2）正确选选择加工工极性；；3）选用好好的电极极材料；；4）合理的的Ton3.工件材料料一般不可可选择，，由模具具设计需需要确定定。4.工作液工作液的的作用：：介电作用用；压缩放电电通道；；使放电电能量高高度集中中在极小小的区域域内帮助电蚀蚀产物排排除；加加剧放电电的流体体动力过过程冷却；加加速电极极间隙的的冷却与与消电离离过程覆盖作用用；改变工件件表面层层的理化化性能对工作液液的要求求：1）绝缘；；2）闪点高高；3）无害；；4）稳定；；5）价廉工作液种种类：普通煤油油闪点低，，易起火火，价廉廉。使用用多。用用于中、、精加工工；机油、变变压器油油闪点高，，黏度大大。用于于粗加工工；专用油黏度低，，闪点高高，价格格高。可可用于各各种规准准的加工工；去离子水水设施需防防锈。用用于精加加工和高高速穿孔孔。用于铜电电极→钢钢工件、、硬质合合金时θ小5.排屑条件件电蚀产物物有：*固相（屑末）），易产产生短路路，拉弧弧，破坏坏精度和和表面粗粗糙度，，降低加加工稳定定性*气相，部分气气体有害害，要抽抽风*辐射波排屑方法法：冲油压力不宜宜太大，，否则引引起主轴轴头跳动动抬起（或或振动、、转动等等方法））电极开排气孔孔（大电电极）4.1.2.2影响加工工精度的的主要因因素1.尺寸精度度δ尽量控制制均匀精规准加加工预测电极极损耗分步加工工，精修修电极放电间隙隙引起放放电状态态的改变变2.形状精度度1）斜度产生原因因二次放电电；电极损损耗控制措施施抽油；电电极形状状（大头头形，为为排屑提提供宽通通道）可适当利利用2）圆角（水平面面截图））4.1.2.3影响表面面质量的的主要因因素1.粗糙度与加工速速度矛盾盾；工件件材料硬硬，表面面光；电电极表面面光2.加工表层层组织熔融凝固固层（松松散层+急冷凝固固层）+淬火层+热影响层层3.表面微观观裂纹深度在熔熔融凝固固层内。。能量大，，工件材材料硬，，裂纹深深；反之之，浅。。4.1.2.4电极损耗耗θ电极（相相对）损损耗（%）θ=电极耗损损体积VE/工件蚀除除体积VW角损耗＞＞边损耗耗＞面损损耗与电参数数（Ton↑，Ip↓）、工工件材料料、工作作液种类类、排屑屑条件等等有关。。降低θ的途径：：正确选择择加工极极性；选择好的的电极材材料对电极材材料的要要求：导导电性好好；损耗耗小；加加工稳定定性好；；加工速速度高；；一定的的机械强强度；可可加工性性好；价价格低廉廉建立碳黑黑保护层层；有条件利用电喷喷涂现象象；补偿电化学作作用影响加工工的各种种因素：：放电现象间隙——伺服机构电参量：极性放电波形电规准（Ip、Toff、Ton）工作液：绝缘强度绝缘恢复时间种类成分压力流量电极材料工件材料加工形状加工面积影响加工工稳定性性的因素素机床刚度度与精度度脉冲电源源参数主轴头伺伺服系统统灵敏度度工作液加工工艺艺烧弧及其其对加工工的影响响产生烧弧弧的原因因：进给速度度太快；；电蚀产物物堵塞；；电规准选选择不当当（粗规规准加工工时，Toff/Ton应＜1；精规准准加工时时，Toff/Ton应＞5）磁性工件件易烧弧弧面积效应应：超过过最大允允许加工工电流密密度后，，再增大大电流，，生产效效率将不不再随电电流增加加而线性性提高，，相反，，电极损损耗将加加大，并并容易引引起烧弧弧。4.1.3电火花成成形加工工设备及及附件电火花加加工机床床种类：：电火花成成形机；；电火花穿穿孔机；；电火花线线切割机机；电火花磨磨床；电火花小小孔磨床床电火花成成形机的的构成：：1）稳压电电源，脉脉冲发生生器，2）自动控控制系统统（放电电条件控控制，随随动控制制）3）机床本本体（主主轴头及及随动机机构，工工作台/槽）4）工作液液系统（（泵，过过滤器等等）4.1.3.1脉冲电源源对脉冲电电源的要要求：足足够的能能量、单单向、可可调、稳稳定等脉冲电源源的种类类及其性性能特点点早期用直直流发电电机，后后用可控控硅，晶晶体管表4.1脉冲电源源性能比比较类型优点缺点应用场合弛张式结构简单；工作可靠；维修方便；粗糙度小可控性差；加工去除率低；电极损耗大主要用于精微加工晶体管式电参数调节范围广；使用方便；易实现自适应控制及计算机控制成本较高，线路复杂适用于各种场合，与计算机技术结合，可与多种加工工艺配套闸流管式工艺指标稳定；加工去除率与精度优于弛张式脉冲参数调节范围有限，难于获得极低损耗穿孔加工电子管式与闸流管式相似，频率特性较之更好与闸流管式相似，电能利用率较之低穿孔加工可控硅式电参数可调范围大；功率大，过载能力强，粗加工时电极损耗小高频特性稍差，可控硅的关断及可靠性使得电源制造复杂化在大、中型机上用于粗、中规准加工*弛张式为为早期使使用，其其余为独独立式，，与加工工间隙无无关。4.1.3.2自动控制制系统用于控制制放电间间隙、极极间物理理状态、、加工深深度等1.间隙自动动调节系系统的作作用及其其技术要要求最佳放电电间隙δj2.间隙自动动控制系系统的基基本环节节4个环节测量、比比较、放放大、执执行（与其它它机械加加工原理理同）3.典型的间间隙自动动控制系系统1）电磁悬悬浮式已少见2）电液压压式（喷嘴挡挡板式，，滑阀式式）3）电动机机式（伺伺服电机机，）4）数控步步进电机机式电液压式式间隙控控制系统统直流力矩矩电动机机自动控控制系统统4.1.3.3机床本体体1.基本组成成主轴头运动方式式：相对对直线运运动（常常用）；；相对螺螺旋运动动；相对对曲线运运动床身、立立柱分散，整整体（小小）结构形式式：立柱柱式（中中小型机机）；龙龙门式（（大中型型机）；；牛头滑滑枕式；；悬臂式式；台式式（小孔孔、槽专专用）；；便携式式；（分别图图示）工作台小型机可可纵横移移动工作油槽槽的形式式固定式，，侧开门门式，升升降式2.主要规格格4.1.3.4工作液循循环过滤滤系统功能：1）过滤（（自然过过滤或介介质过滤滤）；2）强迫循循环、冷冷却放电间隙隙处不得得有气泡泡，否则则会“放放炮”，，抽油不适适于粗加加工，4.1.3.5机床附件件2.平动头；；轨动头：：定值偏偏心；垂垂直方向向锁定，，偏心量量逐渐加加大；偏偏心量可可变；电电极按预预定方向向运动；；沿同轴轴圆锥表表面运动动三坐标轨轨动头；；3.油杯冲、抽油油用1.电极夹具具，要求求能调平平，牢靠靠4.1.4电火花穿穿孔加工工4.1.4.1穿孔加工工工艺特特点及其其工艺路路线将电极侧侧面形状状（尺寸寸）反拷拷贝在工工件上（（通孔））（1）用于：：冲裁模模，粉末末冶金模模，拉深深模，拉拉丝模，，……，螺纹、、小孔（（Ф0.015~）、异形形孔（2）优点：：配合间间隙（斜斜度？））均匀，，刃口耐耐磨；复复杂凹模模可做成成整体，，缩短制制造周期期缺点：尖尖角不易易保证；；粗糙度度不很小小（3）基本工工艺路线线（4）电火花花穿孔加加工工艺艺方法：：1）间接法法不用凸模模作电极极，而用用其它材材料作电电极。一个电极极可加工工多个凹凹模按凹模修修配凸模模，间隙隙难于确确保均匀匀。用于于冲裁间间隙较放放电间隙隙大的模模具制造造（厚板板的冲裁裁）2）直接法法直接用（（加长的的）凸模模作电极极（钢打打钢）用于放电电间隙与与模具间间隙相同同且凹模模刃口短短的情况况限制了电电极材料料，电加加工稳定定性较差差；电极加长长，磨削削精度较较难保证证直接法3）混合法法（改进进直接法法）电极（另另选材料料）与凸凸模连接接起来加加工，然然后分开开作电极极及凸模模连接方法法有：粘粘接（环环氧树脂脂、锡焊焊等），，机械连连接横断面太太小的电电极连接接困难，，无法采采用该法法用于放电电间隙与与模具间间隙同样样大，或或小间隙隙情况混合法4）二次电电极法利用一次次电极制制造二次次电极，，并加工工出凹、、凸模的的方法→↓↘→或：→↓↖→用于冲裁裁半成品品、形状状复杂的的凸模，，或用切切削、磨磨削方法法加工一一次电极极较困难难的情况况凹模凸模凹电极凸形二次电极凹模凸电极凸模凹形二次电极5）阶梯电电极法（变相直直接法））凸、凹模单面间隙/mm加工方法直接法间接法混合法二次电极法＞0.20△▲△0.15~0.20△△△△0.10~0.15▲▲0.05~0.10△▲＜0.05△▲▲——最适宜；△——尚可表4.2电火花穿穿孔加工工方法的的选用4.1.4.2电极设计计与制造造1.电极材料料加工稳定定性排序序（好→→差）Cu-W、Ag-W，紫铜铜，黄黄铜，，石墨墨，铸铸铁，，钢电极损损耗排排序（（小→→大））Ag-W＜Cu-W＜石墨墨＜铸铸铁＜＜钢＜＜紫铜铜＜黄黄铜表4.3穿孔加加工用用电极极材料料选择择电极材料钢铸铁紫铜石墨黄铜Cu-WAg-W工艺方法直接法◎◎◎间接法□◎◎◎◎◎混合法◎◎◎二次电极法□□◎◎◎脉冲电源类型闸流管130◎◎◎◎◎◎◎260□◎◎◎◎◎◎晶体管◎◎◎◎◎◎◎可控硅□□◎◎◎◎◎加工对象硬质合金□□◎◎□◎◎反拷贝电极□□◎◎◎直壁深孔◎◎◎精密孔□□◎◎◎螺纹孔◎◎◎◎小圆孔□◎◎◎◎注：◎最合适，□尚可，空白不用2.电极的的结构构形式式1）整体体式2）镶拼拼式（（从结结构上上、制制造工工艺上上考虑虑）3）组合合式4）分解解式（（图））将复杂杂形状状的电电极分分解成成若干干局部部简单单形状状，分分若干干次加加工3.电极尺尺寸长度考虑孔孔深，，损耗耗量，，夹持持量截面尺尺寸原则单边减减小放放电间间隙，，但要要考虑虑损耗耗及精精修余余量三种类类型尺尺寸增加，，减小小，基基本不不变倾斜尺尺寸要要换算算示意图图公差取工件件公差差的1/2~1/3阶梯电电极先粗加加工，，后精精加工工优点：：提高高加工工速度度；易易保证证尖角角；易易定位位缺点：：长度度受限限制三种类类型尺尺寸4.电极制制造综合技技术的的运用用要求精度为为型孔孔公差差的1/2；粗糙糙度=工件的的粗糙糙度；；形状状精度度不低低于型型孔。。应保证证加长长凸模模尺寸寸一致致制造方方法：：线切切割，，电加加工，，刨、、锯、、成形形磨削削、钳钳工等等调整间间隙的的方法法：腐腐蚀法法，电电镀法法4.1.4.3凹模坯坯准备备含锻造造、退退火、、六面面光、、划线线、淬淬火、、磨平平面、、退磁磁等预加工工孔单边余余量＜＜1，一般般为0.25~0.54.1.4.4电极、、工件件的装装夹装夹直接装装夹调整装装置4.1.4.5电规准准的选选择与与转换换粗规准准→中中规准准→精精规准准4.1.4.6电火花花穿孔孔加工工若干干工艺艺措施施1）尽可可能采采用冲冲、抽抽液加加工；；2）为减减少二二次放放电，，电极极有效效加工工长度度尺寸寸不要要太大大，可可作成成大头头形；；3）型孔孔侧壁壁一般般用中中规准准加工工，再再用平平动头头修光光，深深孔一一般只只选用用一种种规准准一次次加工工一些特特殊的的电火火花穿穿孔加加工方方法硬质合合金模模电规准准的单单个脉脉冲能能量不不能太太大，，否则则容易易产生生显微微裂纹纹、变变质层层防止烧烧弧电极损损耗比比一般般钢工工件大大同样条条件下下，粗粗糙度度比钢钢工件件小一一级左左右，，精度度要高高些预加工工孔单单边余余量为为0.5~0.7小孔加加工小孔加加工的的特点点电极细细小，，放电电时