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1、电火花加工,1.电火花加工的机理、特点及分类 2.电火花加工中的基本工艺规律 3.电火花加工设备和工作液 4.电火花穿孔成形加工,1.电火花加工的机理、特点及分类,1.1电火花加工的机理,电火花加工（Electrical Discharge Machining）是基于正负电极间脉冲放电时的电腐蚀现象对材料进行加工的，又称为放电加工、电蚀加工、电脉冲加工等，是一种电、热能量进行加工的方法，是在20世纪40年代开始研究和逐步应用到生产中的。,电火花加工过程： 极间介质的击穿与放电：电离击穿 能量的转换、分布、传递：电能热能-熔化、气化 电极材料的抛出：热爆炸力 极间介质消电离：脉冲间隔介质消电离所
2、需时间、电蚀产物排出的难易程度,工件电极和工具电极均浸泡在工作介质中，工具电极在自动进给调节装置的驱动下，与工件电极间保持一定的放电间隙。电极的表面（微观）是凹凸不平的，当脉冲电压加到两极上时，某一相对间隙最小处或绝缘强度最低处的工作液将最先被电离为负电子和正离子而被击穿，形成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工件和工具表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t0），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具
3、电极不断地向工件进给，就将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。,1.2电火花加工的特点及分类,1.电火花加工的特点 1）适用的材料范围广。 2）适于加工特殊及复杂形状的零件 3）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。 4）直接利用电能进行加工，便于实现自动化。,2.电火花加工工艺方法分类 按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花展成加工、电火花表面强化与刻字。前四类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；最后一类属表面加工方法，用于改善
4、或改变零件表面性质。电火花穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。,1.极性效应 在电火花放电加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。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。 为了充分地利用极性效应，最大限度地降低工具电极的损耗，应合理选用工具电极的材料，根据电极对材料的物理性能、加工要求选用最佳的电参数，正确地选用极性，使工件的蚀除速度最高，工具损耗尽可能小。,2.电火花加工中的基本工艺规律,2.1影响放电蚀除量的主要因素,2.电参数 电火花加工脉冲电源的可控参数有：脉宽、脉间、峰值电流、开路电压、脉冲的前沿上升率和后沿下降率。对蚀除量影响的综合作用规律可
5、以用脉冲能量的大小和变化率来描述。 无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量 与单个脉冲能量 在一定范围内成正比的关系。某一段时间内的总蚀除量 约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和。可用公式表示为,脉冲前后沿变化率相对于脉冲宽度较小时，影响蚀除量的单个脉冲能量即为单脉冲放电能量，可表示为,由此可见，提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率 ，增加单个脉冲能量 ， 设法提高系数,3.金属材料热学常数 热学常数是指熔点、沸点、热导率、比热容、熔化潜热、气化潜热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、气化潜热愈高，电蚀量将愈小，愈难加工；导热系数愈大的金属，由于较多地把瞬
6、时产生的热量传导散失到其他部位，降低了本身的蚀除量。 总之，电极的蚀除量与电极材料的导热系数以及其他热学常数、单个脉冲能量、脉冲能量变化率有密切关系。 4.工作液：电火花成型油类，高速走丝线切割乳化液，低速走丝线切割去离子水 5.其他因素：加工过程稳定性、电极材料、抛出速度、黑膜,1.加工速度 单位时间内工件的蚀除量称之为加工速度，一般采用体积加工速度来表示，即被加工掉的体积除以加工时间,2.2电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,提高脉冲频率，靠缩小脉冲停歇时间，但脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离、排除电蚀产物及气泡来恢复其介电性能，以致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过
7、程不能正常运行。增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增加可提高加工速度，但同时会使表面粗糙度变坏和降低加工精度，一般只用于粗加工和半精加工的场合。提高工艺系数K的途径，合理选用电极材料、电参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等，从而提高有效脉冲利用率，达到提高工艺系数的目的。,2.工具电极损耗速度 采用相对损耗或损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标。即,上式中加工速度和损耗速度均以mm3/min为单位计算，则为体积相对损耗。如以g/min为单位计算，则为重量相对损耗；如以mm/min为单位计算，则为直线相对损耗。 每种电极材料都有一最佳峰值电流宽度与熔坑的最大体积对
8、应。合理选择工具电极的材料，以确保工具电极的最佳峰值电流宽度偏离工件电极的最佳峰值电流宽度，以工件电极的最佳峰值电流宽度作为依据选择加工脉冲的参数，可以保证电极的低损耗。,影响电极损耗的主要因素,1.极性效应：根据工件所接电源极性命名 精加工通常采用正极性短脉冲；粗加工通常采用负极性长脉冲 2.吸附效应：金属碳化物微粒在电场作用下形成带负电碳胶粒，在一定条件下吸附在正极表面，俗称炭黑膜。 可以保护和补偿电极，降低电极损耗：负极性加工。 峰值电流和频率一定时，黑膜厚度随脉宽增加而增加 3.传热效应：工具电极导热性能好于工件，结合大脉宽小电流，可减少电极损耗。 4.合理选择工具材料：最常用石墨和铜
9、，以及铜钨、铜碳、银钨合金,2.3影响加工精度的主要因素,影响加工精度的主要因素除了和常规加工的共性，如机床精度，安装精度，工具误差等之外。主要有 1.放电间隙的大小及其一致性 2.工具电极的损耗及其稳定性 3.“二次放电”。 电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙，如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正工具电极的尺寸，对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。然而，放电间隙的大小实际上是变化的，影响着加工精度。除此之外，间隙大小对加工精度也有影响，尤其对复杂形状的加工表面、棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。因此，应缩小放电间隙，这样不但能提高仿形精度，而
10、且放电间隙越小，可能产生的间隙变化量也越小；另外还必须尽可能使加工过程稳定。,工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。 “二次放电”是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝方面。,2.4电火花加工表面完整性,1.表面粗糙度 电火花加工表面是由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，特别有利于保存润滑油,表面的润滑性和耐磨性能均比机械加工表面好。 表面粗糙度评定指标常用微观不平度的平均算术偏差Ra和不平度的最大高度值Rmax，在数值大小上，Rmax约是（45）Ra。对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量。因为脉冲能量大，每次脉冲放电
11、的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙度变差。,工件材料对加工表面粗糙度也有影响。熔点高的材料（硬质合金），在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料（钢）好。 精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极的加工表面粗糙度较差。,表面粗糙度和脉冲能量之间的关系,2.表面变质层和表面力学性能 电火花加工过程中，在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料表面层的化学成分、微观结构发生了很大的变化，形成一层通常存在残余应力和微观裂纹的变质层。对于熔化、气化材料，可将变质层分为熔化凝固层和热影响层。 熔化凝固层位于工件表
12、面最上层，它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液快速冷却而凝固。熔化凝固层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，大约为12倍的Rmax，但一般不超过0.1mm。,热影响层介于熔化凝固层和基体之间。热影响层的金属材料并没有熔化，只是受到高温的影响，使材料的金相组织发生了变化，它和基体材料之间并没有明显的界限。热影响层中靠近熔化凝固层部分，由于受到高温作用并迅速冷却，形成淬火区，其厚度与具体条件有关，一般为23倍的Rmax 。显微裂纹一般仅在熔化层内出现，只有在脉冲很大情况下才有可能扩展到热影响层。 表面变质层的形成导致电火花加工表面力学性能的改变，通常硬度和耐磨性能提高，而抗疲劳性能下降。要提高表
13、面完整性，必须设法减小表面变质层的厚度。,3.电火花加工设备和工作液,3.1电火花加工机床,电火花穿孔成形加工机床主要由主机、脉冲电源，自动进给调节系统、工作液净化及循环系统组成。主机主要包括：主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽几部分。机床的整体布局有整体式和分离式。床身和立柱是机床的主要结构件，要有足够的刚度。,床身工作台面与立柱导轨面应有一定的垂直度要求，还应有较好的精度保持性，这就要求导轨具有良好的耐磨性和充分消除材料内应力等。作纵横向移动的工作台一般带有坐标装置。常用的是靠刻度手轮来调整位置。 主轴头是电火花成形机床中最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大
14、。对主轴头的要求是：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载的要求。主轴头常用的有电液式和电机械式。,3.2脉冲电源,脉冲电源又称脉冲发生器，其作用是把220V或380V的50Hz工频交流电转换成一定形式的单向脉冲电流，供给电极放电间隙产生火花所需要的能量来蚀除金属。 对脉冲电源的要求是：1）影响工艺指标的主要参数可调。2）通用电源的主要参数的调节范围广。 3）专用脉冲电源主要参数的调节灵活方便。4）性能稳定可靠，模块化结构，以便于检测和维修。5）无污染、低成本、低能耗、长寿命。 常用脉冲电源种类有： 1）RC和RLC
15、脉冲电源：非独立式，不可调 2）晶闸管和晶体管脉冲电源：前者功率较大，常用于粗加工；后者中小型电源，用途广泛,3.3自动进给调节系统,1.自动进给调节系统的作用和分类 自动进给调节系统的作用是维持某一稳定的放电间隙S，保证电火花加工正常而稳定地进行，获得较好的加工效果。对自动进给调节系统的基本要求是： 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。4）有足够大的空载进给速度和短路回退速度。 自动进给调节系统按执行元件可分为电液压式、步进电动机、宽调速力矩电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线电动机等几种形式。,2.自动进给调节系统的基本组成,放大驱动,执行
16、机构,调节对象,测量环节,比较环节,设定值,（1）测量环节：是得到放电间隙大小及变化的信号。 （2）比较环节：是根据“给定值”来调节进给速度。 （3）放大环节：是把测量比较输出的信号放大使之具有足够的驱动功率。晶体管放大器和电液压放大器。 （4）执行环节：根据放大环节输出的控制信号的大小及时地调整工具电极的进给，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正常进行。,3.4工作液及其循环过滤系统,1.工作液的作用 1）压缩放电通道，提高放电的能量密度，提高蚀除效果。 2）加速极间介质的冷却和消电离过程，防止电弧放电。 3）加剧放电时的流体动力过程，以利于蚀除金属的抛出。 4）通过工作液的流动，加速
17、蚀除金属的排出，以保持放电工作稳定。 5）改变工件表面层的理化性质。 6）减少工具电极损耗，加强电极覆盖效应。,2.常用的工作液,3. 工作液循环过滤系统,工作液循环过滤系统包括工作液箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门、引射器以及测量仪表等。 放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散、定期抬刀以及使工具电极附加振动等排除外，常采用强迫循环的方法加以排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度，此外也可带走一部分热量。,4.电火花穿孔成型加工,电火花穿孔成型加工,穿孔加工,型腔加工,冲模（包括凸凹模及卸料板、固定板）,粉末冶金模,挤压模（型孔）,型孔
18、零件,小孔,深孔,型腔模（锻模、压铸模、塑料模、胶木模）,型腔零件,4.1冲模的电火花加工工艺,1.冲模的电火花加工方法,凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，因此，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1，单面火花间隙值为Sl，则L2=L1+2Sl 其中火花间隙值Sl主要决定于脉冲参数与机床的精度，只要加工规准选择恰当，保证加工的稳定性，火花间隙值Sl的误差很小，因此，只要工具电极的尺寸精确，用它加工出的凹模也是比较精确的。,2.工具电极,（1）电极材料的选择 凸模一般选优质高碳钢T8A、 T10A或铬钢Cr12、GCr15，硬质合金等。应注意
19、凸、凹模不要选用同一种钢材型号，否则电火花加工时更不易稳定。 （2）电极的设计 要求工具电极的尺寸精度和表面粗糙度比凹模高一级，一般精度不低于IT7，表面粗糙度小于Ra1.25m，且直线度、平面度和平行度在100mm长度上不大于0.01mm。工具电极应具有足够的长度，若加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极还应适当加长。工具电极的截面轮廓尺寸除考虑配合间隙外，还要比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一个加工时地火花放电间隙。,（3）电极的制造 冲模电极的制造，一般先经普通机械加工，然后成型磨削。目前，直接采用电火花线切割加工电极获得广泛应用。,3.工件的准备,电火花加工前，工件（凹模）型孔部分要加工
20、预孔，并留适当的电火花加工余量。余量的大小应能补偿电火花加工的定位、找正误差及机械加工误差。一般情况下，单边余量为0.31.5mm，并力求均匀。对形状复杂的型孔，余量要适当加大。,4.电规准的选择及转换,冲模加工中，常选择粗、中、精三种规准。对粗规准的要求是：生产率高；工具电极的损耗小。转换中规准之前的表面粗糙度应小于Ra10m，否则将增加中精加工中的加工余量与加工时间；加工过程要稳定。所以，粗规准主要采用较大的电流，较长的脉宽（ 50500s ），采用铜电极时电极相对损耗应低于1。中规准用于过渡性加工，以减少精加工时的加工余量，提高加工速度，中规准采用的脉宽一般为10100s。精规准用来最终
21、保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度、刃口斜度等质量指标。应采用小的电流，高的频率、短的脉宽（一般为26s）。,4.2型腔模的电火花加工,型腔模电火花加工主要有单极平动法、多电极更换法和分解电极加工法等。 （1）单电极平动法 采用一个电极完成型腔的粗、中、精加工的。首先采用低损耗、高生产率的粗规准进行加工，然后用平动头作平面小圆运动，按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准。与此同时，依次加大电极的平动量，以补偿前后两个加工规准之间型腔侧面放电间隙差和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿型修光，完成整个型腔模的加工。,1.型腔模电火花加工的工艺方法,（2）多电极更换法 采用多个电极依次更换加工同一个型腔
22、，每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。一般用两个电极进行粗、精加工就可满足要求；当型腔模的精度和表面质量要求很高时，才采用三个或更多电极进行加工，但要求多个电极的一致性好、制造精度高；另外，更换电极时要求定位装夹精度高，因此一般只用于精密型腔的加工，例如盒式磁带、收录机、电视机等机壳的磨具，都是用多个电极加工出来的。,（3）分解电极法 是单极平动法和多电极更换加工法的综合应用。根据型腔的几何形状，把电极分解成主型腔和副型腔电极分别制造。先加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位的副型腔。可根据主、副型腔不同的加工条件，选择不同的加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量、同
23、时可以简化电极制造，便于修整电极。,2.型腔模加工用工具电极,（1）电极材料的选择 为了提高型腔模的加工精度，在电极方面，首先是寻找耐蚀性高的电极材料，如纯铜、铜钨合金、银钨合金以及石墨电极等。 （2）排气孔和冲油孔设计 一般情况下，在不易排屑的拐角、窄缝处应开有冲油孔；而在蚀除面积较大以及电极端部有凹入的部位开排气孔。冲油孔和排气孔的直径一般为12mm。若孔过大，则加工后残留的凸起太大，不易清除。孔的数目应以不产生蚀除物堆积为宜。孔距在2040mm左右，孔要适当错开。,3.工作液强迫循环的应用,型腔加工往往需要采用强迫冲油。冲油压力一般为20kpa左右，可随深度的增加而增加。冲油对电极损耗有
24、影响。随着冲油压力的增加，电极损耗也增加了。这是因为冲油压力增加后，对电极表面的冲刷力也增加，因而使电蚀产物不易反粘到电极表面以补偿其损耗。同时由于游离碳浓度随冲油而降低，因而影响了黑膜的生成，且流场不均，电极局部冲刷和反粘及黑膜厚度不同，严重影响加工精度。电极的损耗又将影响到型腔模的加工精度，故对要求很高的锻模往往不采用冲油而采用定时抬刀的方法来排除电蚀产物，以保证加工精度。,4.电规准的选择、转换,粗加工应优先考虑采用较宽的脉冲宽度，然后选择合适的脉冲峰值电流，并应注意加工面积和加工电流之间的配合关系。通常，石墨电极加工钢时，平均电流密度为35A/cm2，纯铜电极加工钢时，平均电流密度可大
25、些（ 10A/cm2 ）。中规准与粗规准之间并没有明显的界限，应按具体加工对象划分。一般选用脉宽为20400s、电流峰值为1025A进行加工。精加工时，电极损耗率较大，一般为1020，单边加工余量不超过0.10.2mm，表面粗糙度应优于Ra1.6m，一般都选用窄脉宽（220s）、小峰值电流（10A）进行加工。 加工规准转换的档数，应根据所加工型腔的精度、形状复杂程度和尺寸大小等绝缘体条件确定。,4.3小孔电火花加工,小孔加工的特点：1）加工面积小，深度大，直径一般为0.052mm，深径比达20以上；2）小孔加工均为盲孔加工，排屑困难。 小孔加工由于工具电极截面积小，容易变形；不易散热，排屑又困
26、难，因此电极损耗大。工具电极应选择刚性好、容易矫直、加工稳定性好和损耗小的材料，如铜钨合金丝、钨丝、钼丝、铜丝等。加工时为了避免电极弯曲变形，还需设置工具电极的导向装置。 为了改善小孔加工时的排屑条件，常采用电磁振动头，使工具电极丝沿轴向振动，或采用超声波振动头，使工具电极端面有轴向高频振动，进行电火花超声波复合加工，可大大提高生产率。,电火花高速小孔加工是近年来发展起来的。其工作原理是采用管状电极，加工时电极作回转和轴向进给运动，管电极中通入15MPa的高压工作液。由于高压工作液能迅速将电极产物排除，且能强化火花放电的蚀除作用，此加工方法的最大特点是加工速度高，一般小孔加工速度可达60mm/min左右，比普通钻孔速度还要快。最适合加工0.33mm左右的小孔且深径比可超过100。,4.4异形小孔电火花加工,（1）冷拔整体电极法 （2）电火花线切割加工整体电极法 （3）电火花反拷加工整体电极法,