先进制造技术-特种加工-电火花电化学-gb.ppt

特种加工,特种加工,特种加工特点 主要依靠其他能量（电、化学、光、声、热等）去除材料 工具硬度可以低于工件硬度 工具与工件之间不存在显著的切削力,主要内容,2. 电化学加工,1. 电火花加工,4. 电子束加工,5. 离子束加工,3. 激光加工,6. 超声加工,7.快速原型,8.复合加工技术,1. 电火花加工,电火花加工（Electrical Discharge Machining: EDM） 在一定介质中，利用两极（工具电极与工件电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工，以使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定要求的加工方法。 1.1 电火花加工基本原理 1.2 电火花加工基本规律 1.3 电火花加工用设备 1.4 电火花加工应用,1.1 电火花加工基本原理,利用电腐蚀进行尺寸加工的必要条件 火花放电必须是瞬时性的脉冲放电 火花放电必须在有较高绝缘强度的液体介质中进行（利于脉冲放电、利于电蚀产物从电极间隙中悬浮排出、冷却电极和工件表面） 工具电极和工件表面间必须保持一定的放电间隙（11000m）,电火花加工原理示意图 1工件 2脉冲电源 3自动进给调节系统 4工具 5工作液 6过滤器 7工作液泵,1.1 电火花加工基本原理,单个脉冲放电后的电蚀坑 (b) 多次脉冲放电后形成的电极表面,电火花加工的特点 优点 适合于任何难切削材料的加工 可以加工特殊及复杂形状的表面和零件 局限性 主要用于加工金属等导电材料 加工速度较慢 存在电极损耗,1.1 电火花加工基本原理,电火花加工过程大致可分为以下几个连续的阶段: 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,1.1 电火花加工基本原理,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素 1.2.2 加工速度与工具损耗速度 1.2.3 影响加工精度的主要因素 1.2.4 电火花加工的表面质量,1.2 电火花加工基本规律,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,为提高电火花加工的生产率、降低电极的损耗，必须了解影响材料放电腐蚀的主要因素： 极性效应 碳黑膜现象 电参数 工作液 金属材料热学常数,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,极性效应 在电火花加工过程中，正极和负极都会受到不同程度的电腐蚀，即使相同材料，正、负极的电蚀量也不相同，这种单纯由极性不同而电蚀量不同的现象称为“极性效应”。 “正极性”加工工件接脉冲电源的正极 “负极性”加工工件接脉冲电源的负极,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,产生极性效应的原因 火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源作用，正、负极表面分配到的能量不一样是极性效应的根本原因。,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,引起极性效应的因素 火花放电过程中，正、负极表面分配到的能量不一样是极性效应的根本原因。 电子的质量和惯性均小，容易获得很高的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给阳极表面，使得电极材料迅速熔化和气化。 正离子质量和惯性较大，起动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面，只有小部分正离子能够到达负极表面并传递能量。,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,引起极性效应的因素（续） 短脉冲工作时，电子的轰击作用大于离子的轰击作用，适合“正极性”加工；长脉冲工作时，质量大的正离子对负极表面的轰击作用强，且与电子结合释放位能，负极蚀除速度大于正极，适合“负极性”加工。 实际加工中，极性效应还受到电极及工件材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等多种因素综合影响。 在电火花加工中，极性效应愈显著愈好。要充分利用极性效应，正确选择极性，使工件的蚀除量大于电极的蚀除量，最大限度降低电极损耗。,1.2.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,碳黑膜现象 碳氢化合物类的工作液在放电过程发生热分解，形成带负电的碳胶粒，吸附在正极表面，如果电极表面的瞬时温度为400度左右，且保持一定时间，则形成一定强度和厚度的化学吸附层，称为“碳黑膜”，由于碳的熔点和气化点很高，从而减小电极蚀除量。,1.2.2 加工速度与工具损耗速度,加工速度与加工精度的关系 粗加工(Ra1020m)2001000mm/min 半精加工(Ra2.510m)20100mm/min 精加工(Ra0.322.5m)10mm/min,1.2.2 加工速度与工具损耗速度,工具损耗速度vE 单位时间内工具的电蚀量 加工速度vW 单位时间内工件的电蚀量 工具损耗比 工具损耗速度与加工速度的比值，称为损耗比。 体积相对损耗,1.2.2 加工速度与工具损耗速度,降低工具损耗的措施 正确选择极性和脉宽 一般情况下，短脉冲精加工采用正极性加工；长脉冲粗加工采用负极性加工。,1.2.2 加工速度与工具损耗速度,降低工具损耗的措施（续） 利用吸附效应 负极性加工时，在一定条件下，工具表面可以形成一定强度和厚度的化学吸附层（碳黑膜），对电极起到保护和补偿作用，实现“低损耗”加工。,1.2.2 加工速度与工具损耗速度,降低工具损耗的措施（续） 利用传热效应 选择导热性能比工件好的工具电极。 限制脉冲电流的增长率，减少热冲击波作用下易脆裂工具电极（石墨）的损耗。,1.2.2 加工速度与工具损耗速度,降低工具损耗的措施（续） 选择合适的材料 铜：熔点低，但导热性好，因此损耗小，又能制成各种精密、复杂电极 石墨：热学性能好，长脉冲粗加工中可以吸附游离的碳来补偿电极损耗 钨、钼：熔点和沸点较高，损耗小；机械加工性能差 铜碳、铜钨、银钼：熔点高，导热性好；价格昂贵，制造成形困难, 1.2.3 影响加工精度的主要因素,影响电火花加工精度的因素： 放电间隙 一般在0.010.5mm之间，精加工时间隙较小，粗加工时间隙较大。缩小放电间隙，可以提高仿形精度。 “二次放电”会造成侧向间隙不均匀，形成斜度，影响加工的形状精度。 工具电极的损耗 尖角与棱边倒角 工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上, 1.2.4 电火花加工的表面质量,影响表面粗糙度的因素 表面粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单个脉冲能量越大，表面粗糙度越大； 精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响加工表面的粗糙度； 表面粗糙度和加工速度存在很大的矛盾。, 1.2.4 电火花加工的表面质量,表面变质层 在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表层发生了很大变化，粗略的分为熔化凝固层和热影响层。 熔化层容易出现显微裂纹，脉冲能量越大，显微裂纹越宽越深，过大的脉冲能量将会使裂纹扩展倒热影响层。, 1.2.4 电火花加工的表面质量,表面力学性能 电火花加工表面最外层的硬度较高，耐磨性好，但是对于滚动摩擦而言，交变应力容易使熔炼凝固层与基体脱落。 电火花加工表面存在残余应力，较大的加工规准引起的残余应力越大。 较大的残余拉应力和显微裂纹的存在使电火花加工表面比机械加工表面的耐疲劳性低许多倍。 试验表明，电火花加工达到Ra0.320.08m范围内，表面耐疲劳性能与机械加工相近。,1.3 电火花加工用设备,电火花加工用的脉冲电源 将工频交流电流转换成为一定频率的单向脉冲电流 高低压复合脉冲电源 放电间隙并联两个放电回路：高压脉冲回路（击穿）和低压脉冲回路（蚀除金属） 梳形波脉冲电源 兼顾高频脉冲加工表面粗糙度值小和低频脉冲加工速度高的双重优点,1.3 电火花加工用设备,等脉冲电源 单个脉冲能量相等，确保放电凹坑大小均匀。,自动调节进给机构 维持一定的“平均”放电间隙S，保证火花 加工正常稳定进行。 间隙调整过程 间隙过大，调节系统使工具电极向下进给； 间隙减小到某一值，开始火花放电； 若工件蚀除速度小于工具电极进给速度，则间隙减小，需要减小工具电极进给速度； 若出现短路，则工具电极需要以较大速度回退。,1.3 电火花加工用设备,1.4 电火花加工应用,冲模电火花加工方法 直接配合法 直接用钢凸模作为电极加工凹模 采用电火花线切割加工 型腔模电火花加工方法 单电极平动法 多电极更换法,1.4 电火花加工应用,小孔电火花加工 选择刚性好、易矫直、加工稳定、损耗小的材料； 双孔管状电极，管中通高压工作液； 加工时电极作回转运动，使端面损耗均匀，防止偏斜； 高压流动的工作液在小孔孔壁按螺旋线轨迹流出孔外，使工具电极“悬浮”在孔心。 工具电极端面附加轴向高频振动，进行电火花超声复合加工。,1.4 电火花加工应用,聚晶金刚石电火花加工 金刚石粉末与结合剂（其中含钴、镍等金属）按一定比例在高温、高压、下烧结而成的聚晶金刚石整体具有一定的导电性。 依靠火花放电时的高温将导电粘结剂熔化、气化蚀除掉，使金刚石微粉自动脱落，或因为高温的作用，使金刚石微粉“碳化”为可加工的石墨。 较高的峰值电压、峰值电流、较大的放电间隙。,1.4 电火花加工应用,电火花强化 充电放电短路粘结覆盖 高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、高耐热性、提高疲劳强度。,1.4 电火花加工应用,电火花刻字 制备字头图形的工具电极，通过工具电极的振动和放电作用，将电蚀产物镀覆在工件表面。 利用丝状电极，手工或靠模仿形进行刻字。,2.8 其他电火花加工,2. 电化学加工,电化学加工（Electrochemical Machining：ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和在工件上沉积金属的电铸加工两大类，属于通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料的非传统加工方法。 2.1 电化学加工原理 2.2 电解加工,2.1 电化学加工原理,电化学加工基本过程,2.1 电化学加工原理,电化学加工分类,2.2 电解加工,2.2.1 电解加工过程及特点 2.2.2 电解加工的基本规律 2.2.3 提高电解加工精度的途径 2.2.4 电解加工应用,2.2.1 电解加工过程及特点,电解加工 利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，将工件加工成形。,电解加工示意图 1-工具阴极 2-工件阳极 3-电解液泵 4-电解液 5-直流电源,2.2.1 电解加工过程及特点,电解加工的特点 加工范围广（高硬度、高强度、高韧性、复杂型面）； 生产率较高，约为电火花加工的510倍，且加工生产率不直接受到加工质量的限制； 不易达到较高的精度和加工稳定性，难以实现窄缝、小孔的加工； 电极工具设计与制造麻烦，难适应单件生产； 电解液对环境有污染，需要无害化处理。 选择电解加工工艺的原则 难加工材料、复杂形状零件、大批量生产三个原则同时满足。,2.2.2 电解加工的基本规律,电解液的选择 NaCl 电流效率近100% 几乎完全电离，导电能力强 价格、货源有优势，应用最广泛 杂散腐蚀较严重 NaClO3、NaNO3 钝化型电解液，非线性电解液,2.2.2 电解加工的基本规律,电流密度与生产率,2.2.2 电解加工的基本规律,电极间隙与蚀除速度 蚀除速度与间隙成反比关系。,2.2.2 电解加工的基本规律,固定式阴极电解加工 加工时间与加工间隙的关系,2.2.2 电解加工的基本规律,移动式阴极电解加工 端面平衡间隙：加工过程达到稳定时的加工间隙，即工件蚀除速度等于阴极进给速度时的加工间隙。,2.2.3 提高电解加工精度的途径,脉冲电流电解加工 小间隙电解加工 改进电解液 混气电解加工,2.2.3 提高电解加工精度的途径,脉冲电流电解加工 脉冲间隔时间内，利用电解液的流动和冲刷使加工间隙内电解液电导率基本均匀； 由于使阴极析氢呈现脉冲状，对电解液起到搅拌作用，有利于电蚀产物的去除。 脉冲电流同步振动电解加工,2.2.3 提高电解加工精度的途径,小间隙电解加工 端面整平 加工间隙越小，则突出部位去除越快，整平效果越好。 侧面孔的成形精度,2.2.3 提高电解加工精度的途径,混气电解加工 用混气装置将一定压力的气体与电解液混合，使电解液成为包含无数气泡的气液混合物，进行电解加工。 提高成形精度，简化电极设计 混气电解加工提高精度的原因 降低电解液粘度，增加流速、均匀流场 使电解液向非线性转化 小间隙处压力高、气泡体积小、电解液电导率高、电解作用强；大间隙处压力低、气泡体积大、电解液电导率低、电解作用弱；,2.2.4 电解加工应用,电解加工包括三大部分： 直流电源（脉冲电源