概论+电火花加工

课程介绍考试课，32学时2个学分（1-16周）考试成绩安排总成绩=40%平时成绩+60%考试成绩（平时成绩包括上课考勤、课后作业、课堂练习小测验）特种加工主要解决三个问题1、特种加工是怎样产生的,究竟“特”在哪？主要特点。2、理解一般特种加工原理、主要分类和应用范围。3、特种加工的应用，对现代机械制造技术带来的影响和变化。2实例第一章:绪论

1-1:特种加工的产生及发展特种加工技术是直接利用电能、光能、声能、热能、化学能、电化学能以及特殊机械能等多种能量或其复合应用以实现材料切除的加工方法。可以加工高强度、高硬度、高韧性、高脆性、耐高温等材料。解决难加工材料加工问题；各种复杂表面的加工问题；各种超精、光整及特殊要求的零件的加工问题。应用：电火花成型加工、线切割加工、电解加工、超声加工、电铸加工和化学加工等。4特种加工的主要特点特种加工的独特之处：非机械接触加工，作用时间短，热影响小，工件不易变形加工的刀具硬度可以低于被加工材料的硬度加工质量易控制、可进行细小精密零件加工；无切屑或者粉末状切屑、易于自动化处理；加工过程易于实现自动化。能量密度高，能加工常规切削方法难以加工的材料；简单进给运动,可以加工复杂型面5适用范围：⑴.某些产品，如：阀门、航空陀螺、光学透镜，其尺寸精度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm。⑵.某些材料具有高硬度、高强度、高脆性、高韧性、高熔点，如：钛合金、高温合金、硬质合金、陶瓷、金刚石和玻璃等。⑶.某些结构特殊、形状复杂、尺寸微小的零件加工，如：模具形腔、发动机叶片、花键喷管等。⑷.细长轴和薄壁工件。上述四种情况的加工，通常采用特种加工方法特种加工分类按用途分：尺寸加工、表面加工*每类又可按照能量形式和工作原理分为多种不同的工艺方法。新的特种加工方法：①.复合特种加工：超声电火花、电解磨削②.改变工件表面粗糙度或表面性能的加工：离子束抛光、电子束表面强化③.微纳米加工：分子、原子单位的加工④.不属于尺寸加工的成形加工方式：电磁成形、放电烧结1-2.特种加工对机械制造业的影响特种加工的广泛应用，引起机械制造领域的许多变革。1.材料的可加工性工件材料的可加工性不在与其硬度、强度韧性、脆性等直接有关。2.改变零件加工的典型工艺路线为免除加工后在淬火引起的变形，通常先淬火、后加工。3.缩短新产品试制周期。4.对零件的结构设计产生影响。5.对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生影响。1-3.特种加工待解决的主要问题

特种加工技术是一个国家制造业水平发展的重要标志，但也存在有待解决的一些问题。1.加工机理、参数选择和加工稳定性。2.加工产生的废液、废气的无害化处理。3.加工精度及生产率（快速成形、等离子弧加工等）有待提高。4.经济性第二章：电火花加工

2-1.电火花加工原理和设备原理：在一定的介质中，利用两个电极之间产生火花放电时的电蚀效应来蚀除部分金属材料的加工方法。电火花加工的基本原理如图：10电极：铜、钢、石墨加工介质：煤油、煤油和机油、水基工作液脉冲电源电火花加工应具备的条件1）必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙；2）脉冲波形基本是单向的；具有合适的脉间和脉宽；3）放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行；4）有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属溶化或气化。11加工条件：脉冲电流波形电火花加工电火花加工的特点1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料；2）电极和工件在加工过程中不接触，便于加工小孔、深孔、窄缝零件；3）电极材料不必比工件材料硬；4）直接利用电能、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制；

5)广泛应用于凹模型孔、型腔加工。

12●电火花加工方法的分类电火花加工普通电火花加工电火花磨削线电极电火花加工电火花展成加工电火花平面磨电火花成形磨电火花线切割电火花小孔加工电火花内外圆磨电火花成形电极电火花加工电火花共扼展成其他展成加工电火花表面强化电火花穿孔2-2.电火花加工的机理

1）电离:电场强度大,液体介质—电子、离子2）放电：电子——阴离子——阳介质绝缘形成电通道3）热膨胀：电子、离子碰撞，阴、阳极碰撞10000~12000工件表面熔化、汽化介质汽化、分离碳黑4）抛处金属：爆炸力使工件表面抛出金属，形成凹坑。5）消电离：带电粒子转变成中性粒子，介质恢复成绝缘状态，为下一次准备。14加工过程火花放电产生高温的特性：①.局部：结果使金属材料局部熔化、汽化。②.瞬时：热量集中，来不及扩散，能量密度大，最后蚀除掉金属形成放电坑。虽然在正负电极之间加上电源可以实现火花放电这一物理现象进行实际加工，还要满足一定的条件才行。2-3.电火花加工中的一些基本规律●影响材料放电腐蚀量的主要因素㈠.极性效应的影响，由于正负极不同而彼此电蚀量不一样的现象，称极性效应。㈡.电参数对电蚀量的影响

单个脉冲所释放的能量,取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间，因此单个脉冲放电能量为：

由于火花放电间隙电阻的非线性特性，击穿后间隙的火花维持电压是一个与电极对材料及工作液种类有关的数值。正、负极的电蚀量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽。提高电蚀量和生产率的主要途径在于：

提高脉冲频率f；提高单个脉冲能量Wm；增加脉冲电流的幅值ie；减少脉冲间隔t0；设法提高系数Ka、Kc等。图中ti为脉冲宽度，

to为脉冲间隔，

tp为脉冲周期，

ui为脉冲峰值电压或空载电压

㈢.金属材料热学物理常数对电蚀量的影响热学物理常数：熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，则电蚀量越小，其加工的难度越大。

㈣.工作液对电蚀量的影响介电性能好、密度、粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效果。㈤.影响电蚀量的一些其它因素

加工过程的稳定性采用加工的电流过大电极材料脉冲波形碳黑膜的形成工作液●电火花加工速度和工具的损耗速度

单位时间内工件的电蚀量称加工速度，也叫生产率。单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。㈠：加工速度提高途径：⑴.提高脉冲频率⑵.提高单个脉冲能量⑶.提高工艺系数㈡：工具电极相对损耗速度和相对损耗比具体做到：⑴.正确选择极性⑵.利用吸附效应⑶.利用传热效应⑷.要减少工具电极损耗选用合适材料（1）正确选择极性和脉宽一般在短脉冲精加工时，正极性加工

长脉冲粗加工时，负极性加工（2）利用吸附效应

碳黑膜的形成对正电极起到保护和补偿损耗作用，实现“低损耗”加工。要利用碳黑膜，必须采用负极性加工。当峰值电流、脉冲间隔一定时，碳黑膜随脉宽的增加而增厚；当脉宽和峰值电流一定时，碳黑膜随脉冲间隔的增大而减薄。吸附效应除了和电参数有关，还有冲、抽油的影响。（3）利用传热效应电极表面的瞬时温度不仅与瞬时的放电的总热量有关（与放电能量成正比），而且与放电通道的瞬时截面积有关，还与电极材料的导热性有关。（4）减少工具电极的损耗

选用合适的工具电极材料

钨、钼熔点、沸点高，损耗小，线切割采用

铜熔点低，中、小型腔加工

石墨电极，型腔加工

铜碳、铜钨、银钨，精密电火花加工电极损耗放电间隙加工斜度25影响电火花加工精度的主要因素电火花加工时的加工斜度1—电极无损耗时工具轮廓线2—电极有损耗时而不考虑二次放电时工件轮廓线放电间隙大小及一致性；工具电极损耗及稳定性。放电间隙大小实际是变化的，影响着加工精度；工具电极损耗对尺寸和形状精度都有影响。二次放电：已加工表面上，由于电蚀产物等的介入，而再次进行的不必要的放电，使得加工深度方向产生斜度和加工棱角，棱边变钝。

图2-10电火花加工时尖角变圆图2-9电火花加工时的加工斜度二次放电加工斜度电极损耗棱角变钝●电火花加工的表面质量28影响表面质量主要因素电火花加工表面质量表面粗糙度、表面变质层、表面机械性能单个脉冲能量加工速度熔化凝固层热影响层显微裂纹显微硬度及耐磨性残余应力耐疲劳性能表面粗糙度表面变化层表面力学性能2-4.电火花加工用脉冲电源脉冲电源的作用：将工频交流电流转换一定频率的单向脉冲电流，以供火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程稳定性、工具电极损耗有很大影响。一.电火花加工脉冲电源分类主回路主要元件分弛张式、电子管式、闸流式、脉冲发电机式、晶闸式、晶体管式、大功率集成器件输出脉冲波形分矩形波、三角波、阶梯波、正弦波、高低压复合脉冲间隙状态对脉冲参数影响分非独立式、独立式工作回路数目分单回路、多回路二.RC线路脉冲电源

主要工作原理：利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出形成火花放电来蚀除金属。它有二个回路，◆.充电回路：E→R→C组成◆.放电回路：C→工具电极→放电间隙→工件组成。电源接通，电容二端电压按指数曲线逐步上升，Vc=Vg.继续上升，间隙被击穿，电阻变的很小，C上储存能量瞬间放出，形成较大的脉冲电流Ie。当电容的能量释放后,电压瞬时下降到接近零,间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态,电流也为零。RC线路脉冲电源的最大优点：⑴.结构简单、成本低、可靠⑵.可获窄脉冲、小脉冲能量⑶.瞬时放电有很大峰值电流主要缺点：⑴.放电速度快，无法获大脉宽⑵.脉冲间歇系数大，生产率低⑶.工艺参数不稳定主要应用于小功率的精微加工或简易电火花加工机床三.RLC线路脉冲电源方法：把充电电阻一分为二，其中一部分用于限流电阻，另一部分用电感代替，组成RLC线路脉冲电源。单纯的电感对直流电阻力很小,对交流或脉冲电流却具有感抗阻力,起限流作用。主要优点：1.缩短充电、脉冲间歇时间、提高频率2.电压可充至电源电压，提高单脉冲能量*RCL线路，当短路后断开，电感产生过电压*并联数个CL回路，可增大脉宽RCL工件RLC线路脉冲电源四：晶闸管式、晶体管式脉冲电源1.晶闸管式脉冲电源的原理：晶闸管（可控硅）式脉冲电源是利用晶闸管作为开关元件而获得单向脉冲。特点：一经触发导通，就不会自行截止，要截止需要外加反向电压或使其小于维持电流。为适应加工精度要求，可控硅的脉冲电源还必须具有精加工高频特性，一般采用高频可控硅通过倍频的办法提高脉冲频率。2.晶体管式脉冲电源的原理：利用大功率晶体管作为开关元件，而获得单向脉冲。主振级Z为一个不对称多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间矩形脉冲信号，后经F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。末级晶体管起着开关的作用。为保证放电间隙短路时不至于损坏晶体管，每只管子均串联一个限流电阻，同时起到在各管子之间均流作用。主振级（Z）放大器（F）功率级五：各种派生脉冲电源１.高低压复合脉冲电源①.高压脉冲回路②.低压脉冲回路2.多回路脉冲电源多回路电源总的生产率并不与回路数目完全成正比增加UOtuto五：各种派生脉冲电源3.等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。每次的脉冲电流宽度都相等，但电压宽度则不一定相等。4.高频分组和梳形波脉冲电源5.自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源2-5.电火花加工自动进给调节系统一.自动进给调节系统的作用、技术要求和分类由于火花放电间隙s很小，而且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等有关，因此很难靠人工进给，必须采用自动进给调节系统。系统的主要任务：通过改变调节进给速度，使进给速度接近和等于蚀除速度，以维持一定的放电间隙s，保证电火花加工正常而稳定的进行。实际火花加工时，整个系统力图自动趋向处于两条曲线的交点。对自动进给调节系统的一般要求：

1.有较广的速度调节跟踪范围

2.有足够的灵敏度和快速性

3.有必要的稳定性目前电火花加工用的自动进给调节系统的种类很多，按执行元件大致可分为：①.电液压式（喷嘴—挡板式）②.步进电机式③.宽调速力矩电机式④.直流伺服电机式⑤.交流伺服电机式。

虽然这些类型、构造有很大差别，但其基本组成环节是一致的二.自动进给调节系统的基本组成部分

调节对象测量环节基本组成环节比较环节放大驱动器执行环节平均间隙电压测量法峰值电压检测法放大驱动执行环节调节对象测量环节比较环节设定值三.电液自动进给调节系统电液式自动进给调节系统以油缸、活塞为执行机构。分为喷嘴挡板式和伺服阀式。液体的不可压缩性,活塞与油缸间摩擦很小,系统的不灵敏区很小四.电—机械式自动调节系统电—机械式自动进给调节系统经常采用的形式是步进电机和力矩式电机放电间隙检测电路变频电路判别电路单稳电路多谐振荡器环形分配功率放大步进电机进给与门回退与门2-6.电火花加工机床电火花加工机床设备类型较多,按工艺过程、工具与工件相对运动的特点与用途划分，一般分为：1.电火花成形机⑴.整体式⑵.分离式①.油缸固定②.活塞固定2.电火花线切割⑴.快速走丝⑵.慢速走丝3.电火花磨削、电火花螺纹加工机床2-7.电火花加工

一:电火花穿孔成型加工凹模型孔加工43直接配合加工法混合法修配凸模(冲头)法二次电极法电火花加工电极设计44整体式组合式镶拼式电极尺寸设计：

横截面尺寸、长度尺寸、公差；电极材料：损耗小、加工稳定性好；其中：铜：稳定性好、损耗大；钢：稳定性差、损耗中；石墨：稳定性好、损耗小；电火花加工凹模型孔电火花加工实例：

下图为冲裁电机定子片的凸凹模，凹模型孔有24个槽，冲件厚度为0.5mm，配合间隙为0.03～0.07mm（双边），模具材料为Cr12MoV45电火花加工电极(凸模)的制造加工工艺:锻造→退火→粗、精刨→淬火与回火→成形磨削。或：锻造→退火→刨(或铣)→淬火与回火→磨上、下平面→线切割加工。凸模长度应加长一段，作为电火花加工的电极，长度值根据凹模刃口高度而定。

凸凹模加工工艺:锻造→退火→粗车、精车(上、下面)→样板划线→加工螺钉孔、粗加工各槽孔→淬火与回火→磨平面→退磁→用组合后的凸模作电极，电火花加工槽孔。46电规准的选择及转换电规准的选择47根据工件的要求电极和工件的材料加工工艺指标\经济因素电规准的转换：粗规准一般选择l档；中规准和精规准一般选