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1、数控特种加工技术（第二版）第第1 1章章 数控特种加工概述数控特种加工概述 学习目标与要求：学习目标与要求：1了解特种加工的产生和发展。2了解特种加工的分类与特点。3了解数控技术在特种加工中的应用。1.1 特种加工的产生和发展特种加工的产生和发展通过从工件上去除材料或向工件表面添加材料，以获得要求的形状、尺寸和表面状态的工件的方法，称为加工。按机理将加工方法分为三类：传统加工、特种加工和复合加工。与传统的指使用刀具进行的切削加工加工所使用机械能、切削力、切削刀具进行加工不同，特种加工是指将电能、电化学能、光能、声能、化学能等能量施加在工件的被加工部位上，从而实现材料去除、变形、改变性能或镀覆等
2、的加工方法复合加工是指将各种能量组合施加在工件的被加工部位上的加工方法。1.1 特种加工的产生和发展特种加工的产生和发展 各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题，包括：（1）难加工材料如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料等的加工。（2）难加工零件如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。（3）低刚度零件如薄壁零件、弹性组件等的加工。1.2 特种加工的分类与特点特种加工的分类与特点 一、特种加工的分类一、特种加工的分类 特种加工一般按加工时所采用的能量类型分为电
3、火花加工、电化学加工、激光加工、超声加工、射流加工、电子束加工、离子束加工、化学加工等基本加工方法及由这些基本加工方法组成的复合加工，如表1-1所示。各种特种加工方法的材料去除率、尺寸精度、表面粗糙度、适用材料及应用等如表1-2所示。表1-1特种加工的分类特种加工方法能量类型作用原理电火花加工电火花成形加工电能、热能熔化、气化电火花线切割加工电能、热能熔化、气化电化学加工电解加工电化学能阳极溶解电铸电化学能阴极沉积涂镀电化学能阴极沉积高能束加工激光加工光能、热能熔化、气化电子束加工电能、热能熔化、气化离子束加工电能、机械能原子撞击物料切蚀加工超声加工声能、机械能切蚀射流加工机械能切蚀化学加工化
4、学铣削化学能腐蚀光刻光能、化学能光化学、腐蚀化学抛光化学能腐蚀化学镀膜化学能沉积复合加工电解磨削电化学能、机械能阳极溶解、磨削超声电解复合加工声能、机械能、电化学能切蚀、阳极溶解电解电火花复合加工电化学能、电能、热能阳极溶解、熔化、气化电火花超声复合加工电能、热能、声能、机械能熔化、气化、切蚀超声振动切削声能、机械能切削表1-2 常用特种加工方法的综合比较特种加工方法材料去除率/mm3.min-1平均/最高尺寸精度/m平均/最高表面粗糙度Ra/m平均/最高可加工材料主要应用电火花成形加工30/300030/310/0.04金属型腔模电火花线切割加工20/200 mm2.min-120/25/0
5、.32金属冲模、样板电解加工100/10000100/101.25/0.16金属型孔、型腔、型面激光加工瞬时高平均不高10/110/1.25任何材料打孔、切割、焊接、热处理超声加工1/5030/50.63/0.16硬脆材料型孔、型腔、小孔、深孔、切割水射流加工300200/10020/5钢材、石材下料、成形切割、剪裁电子束加工瞬时高平均不高10/110/1.25任何材料微孔、焊接、蚀刻、镀膜离子束加工很低/0.01/0.01任何材料成形表面、刃磨、蚀刻、镀膜、注入、掺杂电解磨削1/10020/11.25/0.04黑色金属、硬质合金轧辊、刀具刃磨二、特种加工的特点二、特种加工的特点 特种加工具有
6、如下特点1由于特种加工主要不是使用机械能，而是使用电能、电化学能、声能、光能等进行加工，因此不受工件力学性能的限制，可加工各种硬、软、脆、高熔点、高强度等难加工材料。而且特种加工的切削热很少或无切削热，故可加工热敏材料。2由于特种加工不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工具硬度可低于工件硬度，工件不承受大的作用力，所以，基本不受工件刚度的限制，可加工刚度极低零件及弹性元件。3特种加工属微细加工，它突破了传统加工的尺寸和质量限制，可加工尺寸微小的孔或狭缝，可获得极高的加工精度、极低的表面粗糙度值。4特种加工时不存在机械应变或大面积的热应变，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小
7、，尺寸稳定性好。1.3 特种加工与数控技术特种加工与数控技术一、数控技术的概念一、数控技术的概念1数控技术的定义数控技术（Numerical Control，简记为NC）简称为数控，它是通过将一定的数据和用数字表示的指令输入机器设备中，控制机器设备按照规定的工作顺序自动完成预定操作任务的技术。用数控技术实施加工控制或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。在数控机床中，采用计算机对加工过程中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制，完成加工过程。2数控加工的特点（1）由于数控机床是按照预定的程序自动加工，加工过程不需要人工干预，加工精度还可以通过软件进
8、行校正及补偿，因此可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。（2）数控机床具有很大的柔性，能够解决零件加工面临的高精度、多样性和批量小的矛盾。（3）采用数控机床可以提高生产率，一般可提高23倍，对于某些复杂零件的加工，生产率可提高10几倍，甚至更高。（4）一些数控机床，具有多工序、自动换刀装置，因此可以实现一机多用，不但提高了生产效率，也能节省厂房面积。二、数控技术在特种加工中的应用二、数控技术在特种加工中的应用数控技术在传统加工中得到普及的同时，在特种加工中的应用也逐渐增多。最早采用数控技术并紧跟数控技术发展的特种加工是电火花加工，1969年出现快速走丝数控电火花线切割机床。随着数控技术的发展，
9、80年代电火花机床有了新的突破，陆续出现了一些高性能的数控电火花加工机床。80年代我国还自行开发了场效应管脉冲电源、数控平动装置及工艺技术和低速走丝线切割技术，使中国的数控电火花加工得到迅速发展。我国90年代生产的HCX250、DK76、CC100、DK7632等数控低速走丝线切割机床对冲压模具加工来说，不论从工艺、技术、功能、加工精度、效率、表面质量及对超硬材料的加工性能等方面都有很大提高。SC400、FN2、S205TNC、HCD400K、GW7452、SF310、B50等一系列性能价格比极具竞争力的数控电火花成形机床的出现，使得电火花加工得到了广泛的应用，更展示了它们的多功能、高精度、稳
10、定可靠、价格适中等优点。二、数控技术在特种加工中的应用二、数控技术在特种加工中的应用数控技术在电火花加工中得到广泛应用的同时，在其它特种加工中也逐渐得到推广使用。已出现多轴数控电解加工机床，在英国RR公司和美国G E公司都有五轴数控电解加工机床，我国南京航空航天大学己研制成功五轴数控展成电解加工机床和多轴联动数控系统。西安昆仑机械厂和西安工业学院联合研制的两轴（进给与旋轴）数控炮管膛线电解加工专用机床，在生产中获得了成功应用。将数控技术应用到电解加工中，利用数控技术实现必要的展成运动，就可用简单形状的工具电极电解加工型腔、型面，不用设计制造复杂的工具电极，扩大了电解加工的应用范围。二、数控技术
11、在特种加工中的应用二、数控技术在特种加工中的应用数控激光加工设备采用激光和计算机数控等先进技术，使用激光来加工各种金属和非金属材料，而且使用可视化操作软件和图形处理软件来操作激光做各种工业加工，其特点是加工精度高、速度快、成本低，而且设备寿命长、易操作、易维护，是现代工业加工的首选设备。二、数控技术在特种加工中的应用二、数控技术在特种加工中的应用在超声加工中，采用具有适应控制(ADR)和声量控制(ACC)的数控装置，配装在DMS 35型和DMS 50型超声加工机上，ADR和ACC的结合，对于加工作业可以提供最好的灵活性。在加工时，为取得最大限度的加工速度，可以使用ADR；而在要求最好的表面质量
12、时，控制系统会自动切换到ACC。二、数控技术在特种加工中的应用二、数控技术在特种加工中的应用数控技术在射流切割中的应用比较广泛，也比较成熟。目前国内生产数控超高压水射流切割设备的厂家较多，产品品种也比较丰富。采用数控超高压水射流切割机能很方便地切割任意复杂的平面曲线图形。切口光滑、平整、无热变形，且具有速度快、效率高、无污染等特点。可用于金属、石材、陶瓷、泡沫塑料、橡胶、皮革等各种软硬材料的切割，尤其适合建筑装潢石材拼花。本章小结本章小结本章主要介绍了特种加工的产生和发展、特种加工的分类与特点及数控技术在特种加工中的应用。1特种加工是在机械制造业面临着一系列迫切需要解决的新问题，传统加工难以解
13、决这一背景下不断发展的。特种加工是指将电能、电化学能、光能、声能、化学能等能量施加在工件的被加工部位上，从而实现材料去除、变形、改变性能或镀覆等的加工方法。特种加工一般按加工时所采用的能量类型分为电火花加工、电化学加工、激光加工、超声加工、射流加工、电子束加工、离子束加工、化学加工等基本加工方法及由这些基本加工方法组成的复合加工。特种加工具有不受工件力学性能的限制、不一定需要工具或虽使用工具但不与工件接触、突破了传统加工的尺寸和质量限制、不存在机械应变或大面积的热应变等特点，它的出现解决了传统加工方法所遇到的难加工材料、难加工零件、低刚度零件等的加工问题，有着自己独特的特点，已经成为现代工业不
14、可缺少的重要加工方法和手段。2数控技术是通过将一定的数据和用数字表示的指令输入机器设备中，控制机器设备按照规定的工作顺序自动完成预定操作任务的技术。用数控技术实施加工控制或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。数控加工具有加工精度高、产品质量稳定、生产率高、柔性大以及可以实现一机多用等特点，因而数控技术在特种加工中的应用逐渐增多。而且随着数控技术的不断进步及在特种加工中应用研究的不断深入，数控技术在特种加工中的应用会越来越广泛，也必将对特种加工工艺及应用范围带来较大的影响。复习思考题复习思考题何谓特种加工？特种加工分为哪些类？特种加工有何特点？何谓数控技术?数控加工有何特点？简述数控技术在特种
15、加工中的应用。第2章 数控电火花加工 学习目标与要求：学习目标与要求：1了解数控电火花加工的原理、特点；2熟悉数控电火花加工机床的组成及各部分功用；3了解数控电火花加工基本工艺规律；4掌握数控电火花加工的应用。电火花加工（Electrical Discharge Machining，简记为EDM）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。电火花加工于1943年由苏联学者.拉扎连科夫妇研究发明后，随着脉冲电源和控制系统的改进而迅速发展起来。目前这一工艺技术已广泛应用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料；用于加工模具等具有复
16、杂表面和有特殊要求的零部件，在民用和国防工业中获得越来越多的应用。2.1 电火花加工的原理、特点及应用范围电火花加工的原理、特点及应用范围一、电火花加工的原理一、电火花加工的原理电火花加工原理如图2-1所示。工件1和工具电极（简称为电极）4分别接脉冲电源2的两极，并均浸泡在工作液中，电极在自动进给调节装置的驱动下，与工件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。单个脉冲经过上述过程，完
17、成了一次脉冲放电，而在工件表面留下一个带有凸边的小凹坑，如图2-2b所示。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具电极不断向工件进给，工件材料不断被蚀除，最后使工件整个被加工表面形成无数个小放电凹坑。这样，电极的轮廓形状便被复制到工件上，加工出所需要的零件。图2-1 电火花加工原理示意图1工件 2脉冲电源 3自动进给调节装置 4工具电极 5工作液 6过滤器7液压泵图2-2 放电间隙状况示意图(a)放电间隙状况(b)放电后的表面1阳极 2阳极上抛出金属的区域 3熔化的金属微粒 4工作液 5凝固的金属微粒 6阴极上抛出金属的区域 7阴极 8气泡 9放电通道 10翻边凸起 11-凹坑电火花加工应具备以
18、下条件：（1）工件与电极之间应保持一定的放电间隙。放电间隙不能过大或过小，间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，无法产生电火花；间隙过小，容易形成短路接触，同样不能产生电火花。为此，在电火花加工过程中必须具有电极自动进给和调节装置，使工件与电极之间保持一定放电间隙。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关，一般为0.010.1mm左右。（2）工件与电极之间应充满有一定绝缘性能的工作液，以利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还应能将电蚀产物从放电间隙中排除出去，并对电极和工件表面进行很好的冷却。（3）火花放电必须为瞬时的脉冲性放电，而不是持续电弧放电。这样才能使所产生的热量来不及传导扩散到其
19、它部分，从而只在极小范围内使金属熔化、气化蚀除。否则，像持续电弧放电那样，会使工件表面烧伤而无法用作尺寸加工。二、电火花加工的特点二、电火花加工的特点电火花加工具有如下特点：（1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。（2）由于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，如复杂型腔模具加工等。由于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，适宜于加工低刚度工件及作微细加工。（3）电极材料不必比工件材料硬。（4）可进行微细精加工。通常可用于0.011mm范围内的型孔加工。（5）可加工各种成形工具和量具。（6）
20、直接利用电、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制。三、电火花加工的应用范围三、电火花加工的应用范围由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，其应用领域日益扩大。目前已广泛应用于机械（特别是模具制造）、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，用以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。（1）高硬度零件加工。对于某些硬度较高的模具，或者是硬度特别高的滑块、顶块等零件，热处理后表面硬度高达50HRC以上，采用机械加工方式将很困难，而采用电火花加工则可以不受材料硬度的影响。
21、（2）型腔尖角部位加工。如锻模、热固性和热塑性塑料模、压铸模、挤压模、橡皮模等各种模具的型腔常存在着一些尖角部位，在常规切削加工中由于存在刀具半径而无法加工到位，使用电火花加工可以完全成形。（3）模具上的筋加工。在压铸件或者塑料件上，常有各种窄长的加强筋或者散热片，这种筋在模具上表现为下凹的深而窄的槽，用机械加工的方法很难将其加工成形，而使用电火花可以很便利地进行加工。（4）深腔部位的加工。由于机械加工时，没有足够长度的刀具，或者刀具缺乏足够的刚性，不能加工具有足够精度的零件，此时可以用电火花进行加工。（5）小孔加工。对各种圆形小孔、异形孔的加工，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等，对于长深比非常
22、大的深孔，很难采用钻孔方法加工，而采用电火花或者专用的高速小孔加工机可以完成各种深度的小孔加工。（6）表面处理。如刻制文字、花纹，对金属表面的渗碳和涂覆特殊材料的电火花强化等。另外通过合理选择加工参数，也可以直接用电火花加工出一定形状的表面蚀纹。电火花加工存在着加工效率低、有电极损耗、只能加工金属等导电材料等缺陷，这使电火花加工的应用受到了一定限制。为了提高电火花加工的生产率，通常安排工艺时多先采用切削加工来去除大部分余量，然后再进行电火花加工。和普通电火花加工机床相比，数控电火花加工机床的加工精度、加工自动化程度、加工工艺的适应性、多样性大为提高，在生产中得到广泛应用。数控电火花成形加工机床
23、主要由机床本体、脉冲电源和机床电气系统、自动进给调节系统、数控系统、工作液循环过滤系统及工具电极等部分组成。图2-3所示为SC400型数控电火花成形加工机床的外观，图2-4所示为数控电火花成形加工机床组成示意图。图2-3 SC400型数控电火花成形加工机床1机床垫铁2油箱3底座4滑枕5数控电源柜6主轴箱7控制台8工作液槽9床身图2-4 数控电火花成形加工机床的组成一、机床本体及附件一、机床本体及附件机床本体是指构成机床的机械实体，主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统等部分组成。附件包括用以实现工件和电极的装夹、固定和调整其相对位置的机械装置、电极自动交换装置（ATC或AEC）等。床身和立
24、柱是机床的基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相对位置。其结构应合理，有较高刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性，还应能减小温度变化引起的变形。主轴头是数控电火花成形加工机床的关键部件，它由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成，电极即安装在其上，主轴头通过自动进给调节系统带动在立柱上作升降移动，改变电极和工件之间的间隙。工作台是用来支承和安装工件的，上面装有工作液槽，工作台可作纵向和横向进给运动，分别由直流或交流伺服电动机经滚珠丝杠驱动。运动轨迹是靠数控系统通过数控程序控制实现的。机床的附件主要有可调节工具电极角度的夹头和平动头。装夹在主轴头下的电极，在加工前需要
25、调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需要在水平面内调节、转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工的工件型孔或型腔预定位置一致。平动头是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的，其运动半径通过调节可由零逐步扩大，以补偿粗、中、精加工的火花放电间隙之差，从而达到修整型腔的目的。其每一个质点运动轨迹的半径就称为平动量。与数控加工中心的自动换刀装置相似，电极自动交换装置具有在多电极加工时自动选择、交换电极的功能。二、脉冲电源二、脉冲电源脉冲电源是电火花成形加工机床的重要组成部分，其作用是将工频交流电转变成一定频率的定向脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。脉冲电源提供的脉冲电流波形如图2-5所
26、示。放电延续时间称为脉冲宽度，应小于10，这样才能使金属在极小范围内微量蚀除。相邻脉冲之间的间隔时间称为脉冲间隔，它使放电介质有足够的时间恢复绝缘状态（称为消电离），以免引起持续电弧放电烧伤工件表面而无法用作尺寸加工。为脉冲周期，为脉冲峰值电压或空载电压。图2-5 脉冲电源电压波形脉冲电源的性能直接影响电火花成形加工的生产效率、加工稳定性、电极损耗、加工精度和表面粗糙度，因此要求具备高效低损耗、大面积小粗糙度表面稳定加工的能力。目前常用的脉冲电源有张弛式、独立式及由独立式派生出的各种派生电源。1张弛式脉冲电源最简单最基本的张弛式脉冲电源是线路脉冲电源，如图2-6所示。它是利用电容器充电储存电能
27、，而后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源。线路脉冲电源的工作原理是：当直流电源接通后，电流经限流电阻向电容充电，电容两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压时，间隙就被击穿，电阻变得很小，电容器上储存的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流。电容上的能量释放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又重复前述过程。如果间隙过大，则电容器上的电压按指数曲线上升到直流电源电压。图2-6 线路脉冲电源1工具电
28、极 2工件图2-7 自振式晶体管脉冲电源2独立式脉冲电源独立式脉冲电源的放电间隙和直流电源各自独立、互相隔离，能独立形成和发生脉冲，可大大减少电极间隙物理状态参数变化的影响。最常用的独立式脉冲电源为晶体管式脉冲电源，它是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。3派生脉冲电源近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源的基础上，派生出不少新型电源，如高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源、等脉冲电源、高频分组脉冲、梳形波脉冲电源以及自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源等。这些电源的出现提高了电火花加工的生产
29、率及加工质量，拓展了电火花加工的应用领域。三、自动进给调节系统三、自动进给调节系统1自动进给调节系统的功用及特点正常电火花加工时，工具电极和工件间有一放电间隙，见图2-8。过大，脉冲电压不能击穿间隙间的绝缘工作液，不会产生火花放电，必须使工具电极向下进给，直到间隙 等于、小于某一值，才能击穿和火花放电。在正常的电火花加工时，工件以的速度不断被蚀除，间隙将逐渐扩大，必须使工具电极以速度补偿送给，以维持所需的放电间隙。如进给量大于工件的蚀除速度，则间隙将逐渐变小，当间隙过小时，必须减小进给速度。如果工具工件间发生短路（0），则必须使工具以较大的速度反向快速回退，消除短路状态。随后再重新向下进给，调
30、节到所需的放电间隙。这是正常电火花加工所必须解决的问题。图2-8 放电间隙、蚀除速度和进给速度2自动进给调节系统的组成自动进给调节系统由测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行机构和调节对象等几个主要部分组成，图2-9是其基本组成部分方框图。图2-9 自动进给调节系统的组成调节对象是指工具电极与工件之间的放电间隙，应控制在0.10.0lmm之间。测量环节通常采用测量与放电间隙成比例关系的电参数来间接反映放电间隙的大小。比较环节用来把从测量环节得来的信号和“给定值”的信号进行比较，再按此差值来控制加工过程。大多数比较环节包含或合并在测量环节之中。由测量环节获得的信号，一般都很小，难以驱动执行元件，
31、必须要有一个放大环节，通常称它为放大器。为了获得足够的驱动功率，放大器要有一定的放大倍数。目前常用的放大器主要是各类晶体管放大器件。执行机构常采用不同类型的伺服电动机，它是根据放大器提供的控制信号的大小及时地调节工具电极的进给速度，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正常进行。3自动进给调节系统的类型常用自动进给调节系统有电液自动控制系统和电机械式自动进给调节系统，数控电火花机床普遍采用电机械式自动进给调节系统。电机械式自动进给调节系统根据驱动电机的不同，可分为步进电动机、直流或交流伺服电机驱动的自动调节系统。其中直流或交流伺服电机自动进给调节系统，近年来在高档数控电火花成形加工机床上得到
32、了广泛应用。四、数控系统四、数控系统1电火花成形加工单轴数控系统它往往控制Z轴，Z向进给由自动进给调节系统完成。自动进给调节系统一方面始终保持电极和工件间的合理间隙，另一方面沿Z向控制主轴头（电极）相对工件作进给运动。在单轴数控系统中，常采用步进电机作为驱动元件，通过两路数字化信号（无信号为“0”，有信号为“1”）可实现步进电机的快慢和正反方向旋转控制。在交、直流伺服电机驱动的数控系统中常采用编码器、光栅等传感装置对控制对象（电动机主轴或装有电极的主轴和装有工件的工作台）进行转角、转速或位置的反馈，以实现运动的控制。其数控系统为开环系统，电路简单、成本低廉，但力矩和调速性能差，一般只用于中、小
33、型电火花加工机床。2电火花成形加工多轴数控系统它可以实现对机床的多个坐标轴的移动和转动的数字控制，可进行多轴联动控制，电极和工件之间的相对运动复杂，可以满足各种复杂型腔和型孔的加工。图2-10为采用X、Z、C多轴联动加工型孔。其中图a为横向X轴伺服进给水平加工圆孔；图b为横向X轴和垂直方向Z轴联动加工；图c为Z向伺服进给，C轴分度旋转，加工圆周均布的多个长方形孔。图2-10 数控X、Z、C多轴联动加工图2-11为电火花三轴数控摇动加工型腔。其中图a为摇动加工修光六角型孔侧壁和底面；图b为摇动加工修光半圆柱侧壁和底面；图c为摇动加工修光半圆球柱的侧壁和球头底面；图d为用圆柱形工具电极摇动展成加工
34、出任意角的内圆锥面。图2-11中箭头线为电极进给和摇动加工轨迹。图2-11 电火花三轴数控摇动加工五、工作液循环过滤系统五、工作液循环过滤系统工作液在电火花成形加工中的作用是在脉冲间隔火花放电结束后，迅速恢复间隙的绝缘状态，以便下一个脉冲电压再次形成火花放电；在强迫流动过程中，将电蚀产物从放电间隙中带出来，并对电极和工件表面起到冷却作用。电火花成形加工机床所用的工作液主要为油类。粗加工一般选择介电性能和粘度较大的机油，其燃点较高，在大能量加时着火的可能性较小；而在中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故选用粘度小、流动性和渗透性好的煤油作为工作液。有时，为避免起火，可采用煤油与机油混合作为
35、工作液。近年来新开发的水基工作液可使粗加工效率大幅度提高。工作液循环过滤系统由工作液箱、液压泵、电机、过滤器、工作液分配器、阀门、油杯等组成，它的作用是强迫一定压力的工作液流经放电间隙将电蚀产物排出，并且对使用过的工作液进行过滤和净化。工作液循环过滤系统的工作方式有冲油式、抽油式两种，如图2-12所示。其中图a、b为冲油式，是把经过滤得到的清洁工作液经液压泵加压，强迫冲入电极与工件之间的放电间隙，将放电蚀除的电蚀产物随同工作液一起从放电间隙中排除，以达到稳定加工的目的。图c、d是抽油式，从待加工表面，将已使用过的工作液连同电蚀产物一起抽出。冲油式排屑效果好，但电蚀产物从已加工面流出时易造成二次
36、放电（由于电蚀产物在侧面间隙中滞留引起的电极侧面和已加工面之间的放电现象），使型腔四壁形成斜度，影响加工精度。抽油式抽油压力略大于冲油式油压，排屑能力不如冲油式，但可获得较高的精度和较小的表面粗糙度。图2-12 工作液循环方式（a）下冲油式（b）上冲油式（c）下抽油式（d）上抽油式工作液过滤装置常用介质过滤器，其优点是材料来源广泛，可以就地取材；缺点是过滤能力有限，不适于大流量、粗加工，且每次更换介质要消耗大量煤油。如纸质过滤器的优点是过滤精度较高，阻力小，更换方便，本身的耗油量比木屑等少得多，特别适合中、大型电火花加工机床，用后经反冲或清洗仍可继续使用，故现已被大量应用。六、电极六、电极1电
37、极材料根据电火花加工原理，可以说任何导电材料都可以用来制作电极，但在生产中应选择损耗小，加工过程稳定，生产率高，工艺性能良好，来源丰富，价格低廉的材料作电极材料。电极的损耗受电极材料的热物理常数的综合影响。电极材料的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，加工时损耗越小；电极材料的热导率越大，能将瞬时热量传导散到其它部分，损耗越小。2电极结构常用电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼式电极三种。整体式电极是用一块材料加工而成，如图2-13a所示，是最常用的结构形式；组合式电极是指在同一工件上有多个型孔或型腔时，在某些情况下可以把多个电极组合在一起，如图2-13b所示，一次可同时完成多型孔或
38、型腔的加工；镶拼电极是指对形状复杂的电极整体加工有困难时，常将其分成几块，分别加工后再镶拼成整体，这样可节省材料，且便于制造。在加工过程中，电极的尖角、棱边等凸起部位的电场强度较强，易形成尖端放电，所以这些部位比平坦部位损耗要快。为提高其加工精度，在设计电极时可将其分解为主电极和副电极，先用主电极加工型腔或型孔的主要部分，再用副电极加工尖角、窄缝等部分。图2-13 常用电极结构（a）整体式电极（b）组合式电极1减重孔 2固定用螺孔 3固定板 4电极3电极长度的确定电极的长度取决于被加工零件的结构形式、型孔或型腔的复杂程度、加工深度、电极使用次数、装夹形式及电极工艺等一系列因素。加工凹模型孔时电
39、极长度L可按图2-14进行计算，即 （2-1）式中 凹模的有效厚度（电火花加工的深度），mm；当凹模下部挖空时，电极需要加长的长度，mm；为夹持电极而增加的长度，约为 1020mm；电极的使用次数；与电极材料耗损、型孔复杂程度等因素有关的系数，一般选用经验数据：紫铜为22.5，黄铜为33.5，石墨为1.72，铸铁为2.53，钢为33.5。当电极材料耗损小、型孔简单、电极轮廓无尖角时，K取小值；反之取大值。图2-14 电极长度尺寸加工型腔时电极长度按图2-15进行计算，即 （2-2）（2-3）式中 电极垂直方向的总高度，mm；电极垂直方向的有效工作尺寸，mm；考虑加工结束时，为避免电极固定板和模
40、板相撞，同一电极能多次使用等因素而增加的高度，一般为520mm；型腔垂直方向的尺寸（型腔深度），mm；粗规准加工时电极端面相对磨损率，其值小于 l，只适用于未预加工的型腔；中、精规准加工时电极端面相对耗损率，其值一般为2025；中、精规准加工时端面总进给量，一般为0.40.5mm；最后一档精规准加工时端面的放电间隙，一般为0.020.03mm，可忽略不计。图2-15 电极垂直方向尺寸1电极固定板 2电极 3工件4电极损耗电火花成形加工时，电极和工件一样会受到电腐蚀而损耗。所以，必须采取合理的措施，保证既提高加工效率，又减少电极损耗。常用的措施如下：（1）正确选择极性。一般说来，在短脉冲精加工时
41、采用正极性加工，在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。（2）利用吸附效应。采用含碳氢化合物的工作液（如煤油）时，在放电过程中将分解形成带负电荷的碳胶粒。电场力使碳胶粒吸附在正极表面，在一定条件下可形成一定厚度的化学吸附层，称为炭黑膜。如采用负极性加工，炭黑膜会吸附在电极上，对电极有保护和补偿作用，可实现电极“低损耗”加工。此时，一般采用较大的脉冲宽度，合适的脉冲间隔，加工时要控制冲、抽油的压力。2.3 数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径一、电蚀量及其影响因素一、电蚀量及其影响因素电火花加工时，工具和工件同时受到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称为
42、加工速度，亦即生产率；单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。电火花加工时的电蚀量主要受极性效应、电参数、金属材料热学常数、工作液等的影响。1极性效应对电蚀量的影响在电火花加工过程中，无论是正极还是负极（工件或电极）都要受到不同程度的电腐蚀。即使工件和电极材料完全相同，也会因为所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度，这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象称为极性效应。在生产中常把工件接脉冲电源的正极，称为正极性加工或正极性接法；反之，工件接脉冲电源的负极称为负极性加工或负极性接法。从提高生产率和减少工具损耗角度看，极性效应越显著越好。极性效应受脉宽、脉间、脉冲峰值电流、放电电压、工作液以
43、及电极对的材料等多种因素影响。用纯铜电极加工钢，当采用窄脉冲（如80）粗加工时，应采用负极性加工。实验证明，当采用脉宽为12、脉间为15，应采用正极性加工；当脉宽不变，逐步把脉间减少，就可采用负极性加工。当工具与工件的材料不同时，应选择不同的电极极性，如表2-1所示。2电参数对电蚀量的影响电参数是指脉冲电源提供给电火花成形加工的电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率和峰值电流等。研究结果表明，在电火花加工过程中，在一定范围内单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量成正比，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。故正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。用公式表
44、达为3金属材料热学常数对电蚀量的影响金属材料的热学常数是指材料的熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，电蚀量将越少，越难加工；另一方面，热导率越大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位，因而降低了本身的蚀除量。而且当单个脉冲能量一定时，峰值电流越小，即脉冲宽度越长，散失的热量也越多，从而减少电蚀量。相反，脉冲宽度越短，峰值电流越大，由于热量过于集中而来不及传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比例增加，多耗用不少汽化热，电蚀量也会降低。4工作液对电蚀量的影响热加工工艺过程就是材料的相变和转移
45、过程。提高单脉冲放电的相变量并及时将相变材料转移离开电极表面和加工区，就是提高加工速度。在电火花加工过程中，工作液是影响材料转移的主要因素，工作液帮助电蚀产物的抛出和排除，因而对电蚀量也有较大影响。介电性能好、密度和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应，可提高电蚀量。二、加工精度及其影响因素二、加工精度及其影响因素影响电火花加工精度的因素很多，主要有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极的制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等因素。这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。1放电间隙大小及其一致性电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间
46、隙。如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可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是变化的，影响加工精度。除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响，尤其是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。实际加工中，电极上的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角。这样，电极的尖角很难精确地复制在工件上。因此，为了减少加工误差，提高仿形精度，应采用较小的加工规准（脉冲电源提供的脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流等一组电参数），缩小放电间隙；另外，还必须使加工过程稳定。2电极的损耗电火花加工时是将电极的形状和尺寸复制到工件
47、上的，因此工具电极的损耗对工件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，型腔加工时则无法采用这一方法，精密型腔加工时可采用更换电极的方法。3二次放电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一种非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱边棱角变钝等方面，从而影响电火花加工的形状精度。产生加工斜度的情况如图2-16所示，由于电极下端部加工时间长，绝对损耗大；而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二次放电”几率大而扩大，因而产生了加工斜度。应从工艺上采取措施，及时排除电蚀产物，减少二次放电，使加工斜度减小。图2-16 电火花加工时
48、的加工斜度 1工件 2电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线 3电极无损耗时的工具轮廓线 4工具三、加工表面质量及其影响因素三、加工表面质量及其影响因素1.表面粗糙度影响电火花加工表面粗糙度的因素有脉冲能量、工件材料熔点、工具电极表面质量等。电火花加工的表面粗糙度与脉冲能量之间的关系可用以下经验公式表示工件材料熔点对表面粗糙度的影响为：熔点高的材料，在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料好。当然，加工速度会相应下降。精加工时，工具电极的表面粗糙度直接影响工件的表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极加工的表面粗糙度较差。电火花加工后的表面，是由脉冲放电时所形成的
49、大量凹坑和硬凸边排列重叠而形成的，有利于保存润滑油，与机械加工表面相比，在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。2表面变质层电火花加工过程中，由于受瞬时高温作用和工作液的冷却作用，材料的表面层发生了很大的变化，可粗略地把它分为熔化凝固层和热影响层，如图2-17所示。图2-17 放电凹坑剖面1无变化区 2热影响层 3翻边凸起 4熔化凝固层 5放电通道6气化区7熔化区凝固层位于工件表面最上层，是工件表层材料在脉冲放电的瞬时高温作用下熔化后未能抛去，在脉冲放电结束后迅速冷却、凝固而保留下来的金属层，其晶粒非常细小，有很强的抗腐蚀能力。热影响层介于熔化层和基
50、体之间，热影响层的金属材料并没有熔化，只是该层金属受到放电点的高温影响，使材料的金相组织发生了变化。对未淬火的钢，热影响层主要为淬火层；对淬火钢，热影响层主要为重新淬火层、高温回火区和低温回火区，其厚度较大。由于所采用的电参数、冷却条件、工件材料及原来的热处理状况不同，表面变质层的金相组织结构、性能和厚度等是不同的。单个脉冲能量及脉冲宽度越大，表面变质层就越厚；工作液的冷却速度越快，粘度越小，表面变质层也越厚。2.4 数控电火花加工的应用实例数控电火花加工的应用实例一、电机转子冲孔落料模的电火花加工一、电机转子冲孔落料模的电火花加工工件材料：淬火40Cr，工件尺寸要求如图2-18a所示。凸凹模