模具制造工艺学第5章.ppt

第5章模具的特种加工 5 1电火花成型加工 5 2电火花线切割加工 5 3超声波加工与电化学加工 第5章模具的特种加工 特种加工 也被称为非传统加工 NTM NonTraditionalMachining 或非常规加工 NCM Non ConventionalMachining 概念 是将电 热 光 声 化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上 从而实现材料去除的一种加工方法 第5章模具的特种加工 1 产生的外因 1 难切削材料的加工问题 2 特殊复杂表面的加工问题 3 超精 光整或具有特殊要求的零件的加工问题 生产和实验需要 对机械制造部门提出了一些新的要求 2 产生的内因 特种加工的本质特点 1 工具硬度可以低于被加工材料的硬度 甚至不用工具 2 不是主要依靠机械能 二十主要用其他能量 如电 光 声 热等 去除材料 3 加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力 特种加工产生的原因 特种加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响 1 提高了材料的可加工性 2 改变了零件的典型工艺路线 3 改变了试制新产品的模式 4 影响了产品零件的结构设计 5 改变了传统零件工艺结构的评价标准 6 成为微细加工的主要手段 第5章模具的特种加工 第5章模具的特种加工 5 1电火花成型加工 电火花加工又称放电加工 ElectricalDischargeMachining EDM 在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产 它是在加工过程中 使工具和工件之间不断产生脉冲性的电火花放电 靠放电时局部 瞬时产生的高温把金属蚀除下来 因为放电过程中可见到电火花 故称为电火花加工 日本 英 美等国称为放电加工 原苏联也称电蚀加工 电火花成型加工方法的诞生标志着特种加工时代的到来 大量生产的塑料勺子示意图 1 首先进行产品设计 然后按照设计图样制作铜电极 2 铜电极安装到EDM机床上 作为塑料凹模的工件也安装到工作台上 5 1电火花成型加工 应用举例 3 利用火花放电原理加工 4 完成凹模加工 5 凸凹模分别安装到塑料机上 可生产出合格的塑料产品 5 1电火花成型加工 应用举例 DK7125NC型电火花机床结构 电火花成型加工机床1 床身 2 液压油箱 3工作台4 工作液槽 5 主轴头 6 立柱 7 工作液箱 8 电源箱 5 1电火花成型加工 5 1电火花成型加工 多轴数控电火花成型机床 龙门式电火花成型机床 汽车轮胎模具 汽车车灯模具 电火花机床的常见功能如下 1 回原点操作功能 2 置零功能 3 接触感知功能 4 其他常见功能 5 1电火花成型加工 电火花机床的常见功能 电火花成型加工步骤 5 1电火花成型加工 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 图5 1电火花加工原理图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 工作液泵 1 电火花加工的基本原理 原理 在一定的介质中 通过工具电极和工件之间的脉冲放电产生电腐蚀作用 对工件进行加工的一种方法 进给装置 保证电极不断地 及时进给 以维持所需的放电间隙 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 3 电液压式伺服进给系统 喷嘴 挡板式电液压自动进给调节器工作 1 液压箱 2 溢流阀 3 叶片液压泵 4 电动机 5 13 压力表 6 滤油器 7 节流阀 8 喷嘴 9 电 机械转换器 10 动圈 11 静圈 12 挡板 14 液压缸 15 活塞 16 工具电极 17 工件 1 伺服进给系统 S 放电间隙 Vd 蚀除速度 Vw 进给速度 伺服进给系统一般有如下要求 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 有较高的稳定性和抗干扰能力 5 工作液过滤和循环系统 工作液循环系统油路图 1 粗过滤器 2 单向阀 3 油泵 4 电极 5 安全阀 6 压力表 7 精过滤器 8 压力调节阀 9 射流抽吸管 10 冲油选择阀 11 快速进油控制阀 12 冲油压力表 14 抽油选择阀 4 步进电机自动调节系统 优点 传动链短 灵敏度高结构简单 体积小 惯性小 低速性能好 无累计误差 纸滤芯 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 工作液循环过滤器 工作液循环过滤器 1 电火花加工是在液体介质中进行的 工作液循环系统是电火花加工机床不可缺少的部分 2 工作液通过工作液循环系统能保持工作液的清洁和良好的绝缘性 使每个脉冲放电结束后迅速消除电离 恢复绝缘状态 避免电弧现象的发生 3 能够根据加工的需要 采用适当的强迫循环方式 冲油或抽油 及时带走电蚀产物及加工热量 保持加工顺利进行 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 工具电极 1 对工具电极的要求 导电性能良好 电腐蚀困难 电极损耗小 具有足够的机械强度 加工稳定 效率高 材料来源丰富 价格便宜等 2 工具电极的种类及性能特点 常用电极材料可分为铜和石墨 一般精密 小电极用铜来加工 大的电极用石墨 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 石墨电极 1 加工性能好 成型容易 但加工时有污染 2 宽脉冲大电流情况下损耗小 适合粗加工 3 密度小 重量轻 适宜制造大电极 4 单向加压烧结的石墨有方向性 5 精加工时损耗较大 6 易产生电弧烧伤 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 a 单个脉冲放电后的电蚀坑 b 多次脉冲放电后的电极表面 图5 2电火花加工表面局部放大图 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 加工条件 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 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 放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行 能及时排除电蚀产物 3 脉冲放电必须具有脉冲性 间歇性 脉冲波形基本是单向的 4 有足够的脉冲放电能量 以保证放电部位的金属熔化或气化 图5 3脉冲电源空载电压波形 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 1 电火花加工的基本原理 加工过程 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 抛出金属 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 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 2 电火花加工的特点 适合于难切削材料的加工 可加工材料的范围广 可以加工特殊及复杂形状的零件 易于选择和变更加工条件 脉冲参数能在一个较大范围内调节 可以在同一台机床上连续进行粗 半精 精加工 直接利用电能进行加工 易于操作 便于实现自动化 1 优点 2 缺点 只能加工导电材料 加工速度慢 由于存在电极损耗 加工精度受限制 传统加工受工件材料硬度限制EDM不受工件硬度限制 传统加工不可能获得直角EDM很容易获得直角 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 2 电火花加工的特点 传统加工需要较大的夹紧力 EDM只需较小的夹紧力 冷冲模穿孔加工 花纹 文字加工 型腔加工 窄缝深槽加工 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 2 电火花加工的特点 3 电火花加工方法分类 按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同 大致可分为电火花穿孔成型加工 电火花线切割 电火花磨削和镗磨 电火花同步共轭回转加工 电火花高速小孔加工 电火花表面强化与刻字6类 5 1 1电火花加工原理 特点及分类 前5类属于电火花成型 尺寸加工 是用于改变零件形状或尺寸的加工方法 后者则属于表面加工方法 用于改善或改变零件表面性质 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 1 极性效应 单纯由于正 负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象 特点 电子质量小 在电场力作用下较短时间轰击阳极表面 离子质量大 未达到阴极表面 脉冲就结束了 短脉冲 40微秒 表面质量高 效率低 用于精加工 工具负极 正极性 接线法 1 正极性接法 工件接正极 电极接负极 窄脉冲 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 1 极性效应 工具正极 负极性 接线法 特点 长脉冲 300微秒 表面质量低 效率高 用于粗加工 2 负极性接法 工件接负极 电极接正极 宽脉冲 2 电规准 电火花加工时 所选用的一组脉冲电源参数 如脉冲宽度 峰值电流 击穿电压等 称为电规准 又称电参数 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 1 放电凹坑平均直径 D KDte0 4Im0 5 对单个脉冲产生的放电凹坑尺寸大小 有如下经验公式 式中 D 放电凹坑平均直径 mm KD 系数 KD 9x10 3 te 电流脉冲宽度 s Im 放电峰值电流 A 2 实际表面粗糙度评定参数为 Ra KRte0 3Im0 4 3 单个脉冲蚀除量为 M0 KMte1 1Im1 1 粗规准一般选脉冲宽度ti 400 s 脉冲电流幅值大的一组脉冲参数来进行粗加工 中规准是粗 精规准之间的过渡参数 其脉冲宽度在50 400 s 之间 精规准的脉冲宽度一般在20 s一下 工作电流与很小 为了获得好的工艺效果 在电火花加工过程中一般都是用粗规准加工出型腔的基本轮廓 以获得较高的加工速度和较低的电极损耗 然后用中 精规准逐级修光 以达到所需的表面粗糙度和加工精度 2 电规准 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 3 电极损耗 电极损耗是影响加工精度的一个重要因素 也是衡量电规准参数选择是否合理 电极材料的加工性能好坏的一个重要指标 工具损耗斜度图形 1 型腔加工 以体积损耗率来衡量电极损耗的大小 2 穿孔加工 以长度损耗率来衡量电极的大小 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 3 电极损耗 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 4 放电间隙 5 形状精度 图5 4电火花加工时的加工斜度1 电极无损耗时的工具轮廓线 2 电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线 3 实际工件轮廓线 1 斜度 在加工过程中 随着加工深度的增加 二次放电次数增多 侧面间隙逐渐增大 使加工孔入口处的间隙大于出口处的间隙 出现加工斜度 使加工表面产生形状误差 K te0 3Im0 3 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 图5 5电火花加工尖角变圆1 工件 2 工具电极 2 圆角 5 形状精度 图5 6表面变化层剖面示意图 2 表面变化层 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 6 表面质量 1 表面粗糙度 经电火花加工后的表面将产生包括凝固层和热影响层的表面变化层 单位时间从工件上蚀除的金属量称为电火花加工的生产率 7 生产率 5 1 2电火花加工的基本工艺规律 6 表面质量 2 表面变化层 凝固层 是工件表层材料在脉冲放电的瞬间高温作用下熔化后未能抛出 在脉冲放电结束后迅速冷却 凝固而保留下来的金属层 热影响层 位于凝固层和工件基体材料之间 该层金属受到放电点传来的高温影响 使材料的金相组织发生了变化 电火花穿孔加工 用电火花加工通孔的方法 电火花穿孔加工冲裁模具的凹模 凹模的尺寸由工具电极来保证 凹模的尺寸为L2 工具电极相应的尺寸为L1 单边火花间隙值为SL 则L2 L1 2SL 5 1 3模具电火花穿孔加工 5 1 3模具电火花穿孔加工 图5 8直接法 1 型孔电火花加工方法 1 直接法 直接法是用加长的钢凸模作为电极加工凹模的型孔 加工后再将凸模上的损耗部分截去 1 可以获得均匀的配合间隙 模具质量高 2 无须另外制作电极 3 无须修配工作 生产率较高 1 电极材料不能自由选择 容易形成二次放电 2 电极和冲头连在一起 尺寸较长 磨削时较困难 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 1 直接法 直接法的优点是 直接法的缺点是 直接法适合于加工冲模 直接法示意图 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 1 直接法 a 加工前b 加工后c 切除损耗部分 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 2 间接法 凸模与加工凹模用的电极分开制造 首先根据凹模尺寸设计电极 制造电极 进行凹模加工 根据间隙要求来配制凸模 a 加工前b 加工后c 配制凸模 间接法示意图 1 可以自由选择电极材料 电加工性能好 2 因为凸模是根据凹模另外进行配制 所以凸模和凹模的配合间隙与放电间隙无关 间接法的缺点是 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 2 间接法 间接法的优点是 电极与凸模分开制造 配合间隙难以保证均匀 图5 9混合法 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 3 混合法 混合法是将凸模加长 其加长部分选用与凸模不同的材料 如纯铜 铸铁等黏接或钎焊在凸模上 与凸模一起加工 以加长部分作穿孔电极的工作部分 加工后再将电极部分去除 将电火花加工性能良好的电极材料与冲头材料粘结在一起 混合法示意图 这种方法不仅可以充分发挥加工材料好的电火花加工工艺性能 还可以达到与直接法相同的加工效果 1 型孔电火花加工方法 3 混合法 1 可以自由选择电极材料 电加工性能好 2 无须另外制作电极 3 无须修配工作 生产率较高 4 电极一定要粘结在冲头的非刃口端 混合法的特点是 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 3 混合法 4 阶梯工具电极加工法 用阶梯工具电极加工冲模 阶梯工具电极加工法在冷冲模具电火花成型加工中极为普遍 其应用方面有两种 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 1 无预孔或加工余量较大时 可以将工具电极制作为阶梯状 4 阶梯工具电极加工法 1 型孔电火花加工方法 2 在加工小间隙 无间隙的冷冲模具时 配合间隙小于最小的电火花加工放电间隙 将凸模做成阶梯状 4 阶梯工具电极加工法 1 型孔电火花加工方法 5 1 3模具电火花穿孔加工 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 凸模和工具电极分别制造 在凸模上留一定的修配余量 按电火花加工好的凹模型孔修配凸模 达到所要求的凸模与凹模配合间隙 二次电极法是利用一次电极制造出二次电极 再分别用一次和二次电极加工出凹模和凸模 并保证凸模与凹模配合间隙达到要求 5 修配凸模法 6 二次电极法 图5 10二次电极法 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 6 二次电极法 5 1 3模具电火花穿孔加工 1 型孔电火花加工方法 表5 1不同配合间隙的冲模型孔加工方法的选择 电火花加工准备工作 包括 电极材料选择电极设计电极制造 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 1 电极材料 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 对于钢工件 各种电极材料的加工稳定性好坏次序如下 在电火花加工中 加工的稳定性是一个很重要的概念 加工的稳定性不仅关系到加工的速度 而且关系到加工的质量 淬火钢比不淬火钢工件加工时稳定性好 硬质合金 铸铁 铁合金 磁钢等工件的加工稳定性差 紫铜 铜钨合金 银钨合金 铜合金 包括黄铜 石墨 铸铁 不相同的钢 相同的钢 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 1 电极材料 表5 2常用电极材料的种类和性能 应选择损耗小 加工过程稳定 生产率高 机械加工性能良好 来源丰富 价格低廉的材料作电极材料 2 电极结构 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 整体电极 图5 11整体式电极 整体式电极 用一整块材料加工而成 是最常用的结构形式 组合电极 图5 12组合式电极 2 电极结构 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 由若干个小电极组装在电极固定板上 可一次性同时完成多个成型表面电火花加工的电极 2 电极结构 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 镶拼式电极 图5 13镶拼式电极 在机械加工有困难时采用 如一些冲模电极 在磨削时不能深入到底部 做到 清根清角 采用几块分开制造后镶拼的方法 易得到 清角 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 1 电极横截面尺寸的确定 图5 14按型孔尺寸计算电极横截面尺寸1 型孔轮廓 2 电极横截面 3 电极尺寸的确定 定义 垂直于电极进给方向的电极截面尺寸称为电极的横截面尺寸 按凹模尺寸和公差设计电极横截面尺寸 图5 14按型孔尺寸计算电极横截面尺寸1 型孔轮廓 2 电极横截面 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 3 电极尺寸的确定 1 电极横截面尺寸的确定 按凸模尺寸和公差确定电极横截面尺寸 则根据凸 凹模冲裁间隙z 双面 的不同 分为三种情况 当凸 凹模双面配合间隙z等于双面放电间隙 z 2 时 电极与凸模横截面尺寸完全相同 当凸 凹模双面配合间隙z小于双面放电间隙 z 2 时 电极截面轮廓比凸模横截面尺寸均匀缩小 z 2 当凸 凹模双面配合间隙z大于双面放电间隙 z 2 时 电极截面尺寸比凸模横截面尺寸均匀缩小 z 2 图5 15电极长度尺寸 2 电极长度尺寸的确定 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 式中 t 凹模有效厚度 电火花加工深度 mm h 当凹模下部挖空时 电极需要加长的长度 mm l 为夹持电极而增加的长度 mm 约为10 20mm n 电极的使用次数 K 与电极材料 型孔复杂程度等因素有关的系数 电极材料损耗小 型孔简单 电极轮廓无尖角时 K取小值 反之取大值 3 电极尺寸的确定 图5 16阶梯电极 4 阶梯电极尺寸的确定 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 3 电极尺寸的确定 阶梯电极 阶梯电极的优点 粗加工快速蚀除金属 将精加工的加工余量降低到最小值 提高了生产效率 可减少电极更换次数 以简化操作 3 电极的制造公差 电极的尺寸公差是型腔相应部分制造公差的1 3 1 2 4 电极制造 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 图5 17标准套筒装夹电极1 标准套筒 2 电极 图5 18钻夹头装夹电极1 钻头 2 电极 5 1 3模具电火花穿孔加工 3 电极的装夹与校正 电极装夹的目的是将电极安装在机床的主轴头上 图5 19标准螺钉夹头装夹电极1 标准螺钉夹头 2 电极 5 1 3模具电火花穿孔加工 3 电极的装夹与校正 5 1 3模具电火花穿孔加工 3 电极的装夹与校正 镶拼式电极的装夹比较复杂 一般先用连接板将几块电极拼接成所需要的整体 然后再用机械方法固定 也可用聚氯乙烯醋酸熔液或环氧树脂粘合 在拼接时各结合面需平整密合 然后再将连接板连同电极一起装夹在电极柄上 连接板式电极夹具 5 1 3模具电火花穿孔加工 3 电极的装夹与校正 校正方法 电极装夹好后 必须进行校正才能加工 不仅要调节电极与工件基准表面垂直 而且需在水平面内调节 转动一个角度 使工具电极的截面形状与将要加工的工件型孔或型腔定位的位置一致 电极校正的目的是使电极的轴线平行于主轴头的轴线 即保证电极与工作台台面垂直 必要时还应保证电极的横截面基准与机床的X Y轴平行 图5 20用角尺校正电极垂直度1 电极 2 角尺 3 凹模 4 工作台 1 用直角尺观察它的测量边与电极侧面的一条素线间的间隙 在相互垂直的两个方向上进行观察和调整 5 1 3模具电火花穿孔加工 3 电极的装夹与校正 校正方法 图5 21用千分表校正电极1 凹模 2 电极 3 千分尺 4 工作台 5 1 3模具电火花穿孔加工 3 电极的装夹与校正 2 根据电极的侧基准面 采用千分表找正电极的垂直度 校正方法 5 1 3模具电火花穿孔加工 4 工件的装夹 用压板固定工件 用吸盘固定工件 工件的固定 电火花加工工件的装夹与机械切削机床相似 但由于电火花加工中的作用力很小 因此工件更容易装夹 在实际生产中 工件常用压板 磁性吸盘 吸盘中的内六角孔中插入扳手可以调节磁力的有无 虎钳等来固定在机床工作台上 多数用百分表来校正 使工件的基准面分别与机床的X Y轴平行 图5 22量块角尺定位1 凹模 2 电极 3 角尺 4 量块 5 1 3模具电火花穿孔加工 4 工件的装夹 1 画线法 2 量块角尺法 定义 使工件在机床上相对于电极具有正确位置的过程称为定位 5 1 3模具电火花穿孔加工 5 电规准的选择与转换 精规准用来进行精加工 电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准 电规准应根据工件的加工要求 电极和工件材料 加工的工艺指标等因素来选择 粗规准主要用于粗加工 中规准是粗 精加工间过渡性加工所采用的电规准 用以减小精加工余量 促进加工稳定性和提高加工速度 电火花成型加工和穿孔加工相比有下列特点 5 1 4型腔模电火花加工 1 盲孔加工 工作液循环困难 电蚀产物排除条件差 2 电极损耗较难进行补偿 3 材料去除量大 表面粗糙度要求严格 4 加工面积变化大 要求电规准的调节范围相应也大 5 在加工过程中 为了侧面修光 控制加工深度等需要 电火花机应备有平动头 深度测量仪 电极重复定位装置等附件 5 1 4型腔模电火花加工 图5 23平动法加工电极的运动轨迹 1 型腔电火花加工的工艺方法 主要工艺方法 单电极平动法 多电极更换法和分解电极法等 加工型腔只需一个电极即可 粗规准加工时不用平动 平动从中规准加工起开始 并逐步提高其平动量 并改变电规准参数 只能加工一些不需清棱 清角精度要求不是很高的型腔 1 单电极平动加工法 单工具电极直接成型法 在加工过程中 借助平动头逐渐加大工具电极的偏心量 可以补偿前后两个加工电规准之间放电间隙的差值 这样可以完成整个型腔的加工 5 1 4型腔模电火花加工 1 型腔电火花加工的工艺方法 1 单电极平动加工法 2 多电极更换法 5 1 4型腔模电火花加工 1 型腔电火花加工的工艺方法 多电极更换法是指根据一个型腔在粗 中 精加工中放电间隙各不相同的特点 用多个形状相同 但尺寸不同的电极依次加工一个型腔 每一个电极加工时都将上一规准的放电痕迹去掉 型腔的加工精度取决于最后一个电极的加工结果 图5 24多电极加工示意图 a 粗加工 b 更换大电极精加工 多电极更换法的优点 仿形精度高 尤其适用于尖角 窄缝多的型腔模加工 2 多电极更换法 5 1 4型腔模电火花加工 1 型腔电火花加工的工艺方法 缺点 需要制造多个电极 并且对电极的重复制造精度要求很高 另外 在加工过程中 电极的依次更换需要有一定的重复定位精度 3 分解电极法 根据型腔的几何形状将工具电极分解为主电极和副电极单独制造 先用主电极以较大的加工规准加工出型腔的主要部分 再用副电极以较小的加工规准加工尖角 窄缝等部位的型腔 5 1 4型腔模电火花加工 1 型腔电火花加工的工艺方法 优点 能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 同时还可以简化电极制造 便于电极修整 缺点 主型腔和副型腔间的精确定位较难解决 分解电极法 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 1 电极材料 型腔加工常用电极材料主要是石墨和紫铜 紫铜组织致密 适用于形状复杂 轮廓清晰 精度要求较高模具 石墨电极容易成形 密度小 宜作大 中型电极 电极材料的要求 电极损耗小 加工速度高 稳定性好 易于制造 来源广 价格低 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 2 电极结构 电极的结构形式 整体式 镶拼式 多电极 整体式电极结构1 电极2 冲油孔3 电极固定板 镶拼式电极结构1 电极2 电极固定板3 相拼电极 多电极结构1 电极固定板2 电极A3 电极B 图5 25电极排气孔的位置 电极排气孔和冲油孔 原因 电火花成型加工时 型腔一般均为盲孔 排气 排屑条件较为困难 这直接影响加工效率与稳定性 解决方案 大 中型腔加工电极都设计有排气 冲油孔 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 2 电极结构 原则 开孔的位置应尽量保证冲液均匀和气体易于排出 图5 26电极冲油孔的位置 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 2 电极结构 电极排气孔和冲油孔 电蚀产物的排除 1 电极冲油 2 工件冲油 冲油 型腔电加工最常用的方法 穿孔电加工最常用的方法 2 电极结构 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 抽油 工件抽油常用于穿孔加工 抽油时要使放电时产生的气体 大多是易燃气体 及时排放 不能集聚在加工区 否则会引起 放炮 抽油的排屑效果不如冲油好 2 电极结构 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 1 便于排气 经常将冲油孔或排气孔上端直径加大 如图 a 在实际设计中要注意事项 2 气孔尽量开在蚀除面积较大以及电极端部凹入的位置 如图 b 3 冲油孔要尽量开在不易排屑的拐角 窄缝处 如图 c 不好 如图 d 好 2 电极结构 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 电极开孔示意图 4 排气孔和冲油孔的直径约为平动量的1 2 一般取1 2mm 5 尽可能避免冲液孔在加工后留下的柱芯 如图 e f h 较好 如图 g 不好 在实际设计中要注意事项 2 电极结构 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 电极开孔示意图 3 电极的制造 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 电极的制造方法 普通机械加工 数控铣削加工 超声波振动加工 石墨电极的制造 石墨电极的制造工序 a b 石墨电极的装夹 当电极采用石墨材料时 应注意以下几点 由于石墨较脆 故不宜攻螺孔 因此可用螺栓或压板将电极固定于连接板上 石墨电极的制造 3 电极的制造 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 不论是整体的或拼合的电极 都应使石墨压制时的施压方向与电火花加工时的进给方向垂直 图5 27石墨纤维方向及拼块组合 a 石墨压制施压方向 b 不合理拼合 c 合理的拼合 进给方向 3 电极的制造 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 石墨电极的制造 3 电极的制造 5 1 4型腔模电火花加工 2 型腔电极的设计与制造 紫铜电极的制造 电极的制造方法 普通机床切削加工 数控线切割加工 电铸成型加工 挤压成型加工 数控铣削加工 1 加工过程中稳定性好 生产率高 2 精加工时比石墨电极损耗小 3 易于加工成精密 微细的花纹 采用精密加工时能达到优于1 25 m的表面粗糙度 4 因其韧性大 故机械加工性能差 磨削加工困难 5 适宜于做电火花成型加工的精加工电极材料 紫铜电极的特点 图5 28型腔电极的水平尺寸 5 1 4型腔模电火花加工 3 型腔电极尺寸的确定 电极的水平方向尺寸指电极在垂直于主轴进给方向上的尺寸 1 电极的水平方向尺寸 a 电极水平截面方向尺寸 A 型腔图样上名义尺寸 K 直径方向 双边 K 2 半径方向 单边 K 1 电极轮廓凹入部分为 电极轮廓凸起部分为 b 电极单边缩放量 mm 5 1 4型腔模电火花加工 3 型腔电极尺寸的确定 1 电极的水平方向尺寸 图5 28型腔电极的水平尺寸 b e j j e 精加工时的平动量 e 0 5 0 6mm j 精加工最后一档规准的单面放电间隙 最后一档规准通常指表面粗糙度小于Ra0 8 m时的 j值 j 0 02 0 03mm j 精加工 平动 时点击侧面损耗 单边 一般不超过0 1mm 通常忽略不计 图5 29型腔电极的垂直方向尺寸 5 1 4型腔模电火花加工 3 型腔电极尺寸的确定 2 电极的垂直方向尺寸 电极的垂直方向尺寸指电极在平行于主轴轴线方向上的尺寸 5 1 3模具电火花穿孔加工 2 电极设计 3 电极尺寸的确定 图5 30重复定位夹具 5 1 4型腔模电火花加工 4 电极 工件的装夹和调整 1 电极的装夹 图5 31电极校正 5 1 4型腔模电火花加工 4 电极 工件的装夹和调整 2 电极的校正 电极上无侧面基准时 将电极上端面作为辅助基准找正电极的垂直度 型腔模电极常用的校正方法 固定板基准面校正法 电极侧面校正法 电极端面火花放电校正法 5 1 4型腔模电火花加工 4 电极 工件的装夹和调整 2 电极的校正 5 1 4型腔模电火花加工 4 电极 工件的装夹和调整 3 电极 工件相对位置的调整 常用定位方法 块规角尺定位法 十字线定位法 定位板定位法 块规角尺定位法1 块规2 精密角尺3 电极4 凹模 5 1 4型腔模电火花加工 4 电极 工件的装夹和调整 3 电极 工件相对位置的调整 图5 32十字线定位法 图5 33定位板法定位 5 1 4型腔模电火花加工 5 电规准的选择与转换 电规准的选择和转换正确与否 对型腔表面的加工精度 表面粗糙度及生产率有很大的影响 当电流峰值一定时 脉冲宽度越宽 则单个脉冲能量越大 生产率越高 放电间隙越大 工件表面越粗糙 电极损耗越小 当电流峰值增大 则生产率提高 电极损耗增加且与脉冲宽度有关 因此 选择电规准时应综合考虑这些因素 线切割加工技术是线电极电火花加工技术 是电火花加工技术中的一种 简称线切割加工 也是利用工具电极对工件进行脉冲放电时产生的电腐蚀现象来进行加工的 电火花线切割加工是用运动着的金属丝做电极 利用电极丝和工件在水平面内的相对运动来切割出各种形状的工件 若电极丝相对工件进行有规律的倾斜运动 还可加工出带锥度的工件 第5章模具的特种加工 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 5 2电火花线切割加工 1 线切割加工基本原理 第5章模具的特种加工 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 图5 34电火花线切割示意图 5 2电火花线切割加工 1 线切割加工基本原理 1 工作台 2 夹具 3 工件 4 脉冲电源 5 电极丝 6 导轮 7 丝架 8 工作液箱 9 储丝筒 电火花加工产品 线切割加工产品 加工产品实例 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 1 线切割加工基本原理 第5章模具的特种加工 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 5 2电火花线切割加工 2 线切割加工特点 不需要制作成型电极 可大大节约电极的设计 制造等费用 缩短生产周期 能方便地加工出形状复杂 细小的通孔和外形表面 在加工过程中 电极是运动着的长金属丝 单位长度上的电极损耗小 有利于提高加工精度 脉冲电源的加工电流较小 脉冲宽度较窄 属中 精加工范畴 故采用正极性加工 脉冲电源正极接工件 负极接电极丝 线切割过程基本是一次加工成型 一般不需要中途转换电规准 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 2 线切割加工特点 采用水或水基工作液 不会引燃起火 容易实现安全无人运转 但由于工作液的电阻率远比煤油小 因此 在开路状态下 仍有明显的电解电流 电解效应有益于改善加工表面粗糙度 采用四轴联动 可加工锥度及上 下面异形体零件 自动化程度高 操作安全 方便 加工周期短 成本低 仅对工件进行切割 实际金属去除量很少 材料利用率很高 优点 缺点 适合于机械加工方法难于加工的材料的加工 如淬火钢 硬质合金 耐热合金等 以金属线为工具电极 节约了电极设计和制造费用和时间 冲模加工的凸凹模间隙可以任意调节 被加工材料必须导电 不能加工盲孔 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 2 线切割加工特点 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 3 线切割加工的应用范围 1 加工冲模的凸模 凹模 固定板 卸料板 2 加工电火花成型加工用的电极 3 加工零件 常见数控线切割加工的零件a 各种形状及键槽b 齿轮内外齿形c 窄长冲模d 斜直纹表面曲面体e 各种平面图案 4 线切割加工机床 目前 我国广泛使用的线切割机床主要是数控电火花线切割机床 按其走丝速度分为快速走丝线切割机床和慢速走丝线切割机床 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 慢走丝线切割机床 快走丝线切割机床 国外生产和使用的主要机种 我国生产和使用的主要机种 也是我国独创的电火花线切割加工模式 5 2 1电火花线切割加工原理 特点及设备 4 线切割加工机床 图5 35快速走丝线切割机床 1 快速走丝线切割机床 2 慢速走丝线切割机床 快速走丝 0 08 0 2mm的钼丝或直径为 0 3mm左右的铜丝作电极 往复循环 走丝速度为8 10m s 加工精度为 0 01mm 表面粗糙度Ra1 6 6 3 m 工作液为乳化液 如DX 1 TM 1 502型 慢速走丝 走丝速度是3 12mm min 电极丝广泛使用铜丝 单向移动 可达到加工精度 0 001mm 表面粗糙度Ra0 32 0 8 m 价格比快走丝高 工作液为去离子水 线切割加工工艺过程 5 2电火花线切割加工 表5 43B程序格式 第5章模具的特种加工 5 2电火花线切割加工 1 3B格式程序 5 2 2数控线切割程序编制 B为分隔符 作用 将X Y J数码区分开来 X Y为坐标值 确定方法 对于圆弧 坐标原点移至圆心 X Y为圆弧起点的坐标值 对于直线 斜线 坐标原点移至直线起点 X Y为终点的坐标值单位 m G为加工线段计数方向 选取X方向进给总长度进行计数 称为计X 用GX表示 选取Y方向进给总长度进行计数 称为计Y 用GY表示 5 2 2数控线切割程序编制 1 3B格式程序 加工直线时 计数方向按图示选取 以直线的起点为切割坐标系的原点 若直线终点坐标 Xe Ye 落在阴影区域内 则计数方向取GY若直线终点坐标 Xe Ye 落在阴影区域外 则计数方向取GX Xe Ye 落在45 线上 5 2 2数控线切割程序编制 1 3B格式程序 斜线的计数方向 加工圆弧时 计数方向按图示选取 以圆弧的圆心为切割坐标系的原点 若圆弧终点坐标 Xe Ye 落在阴影区域内 则计数方向取GX若圆弧终点坐标 Xe Ye 落在阴影区域外 则计数方向取GY 5 2 2数控线切割程序编制 1 3B格式程序 圆弧的计数方向 J为计数长度 计数长度是指被加工图形在计数方向上的投影长度 即绝对值 的总和 以 m为单位 编程时 计数长度应补足六位数 如计数长度为1988 m 应写成001988 1 3B格式程序 5 2 2数控线切割程序编制 Ye Xe G Gy 斜线的G和J 加工起点A在第四象限 终点B Xe Ye 落在第一象限 因为 Ye Xe 故计数方向取GX 计数长度J为各象限中圆弧段在X轴上投影长度的总和 即J JX1 JX2 J为计数长度 1 3B格式程序 5 2 2数控线切割程序编制 跨两象限的圆弧的G和J 因为 Xe Ye 故计数方向取GY 计数长度J为各象限中圆弧段在Y轴上投影长度的总和 即J JY1 JY2 JY3 1 3B格式程序 5 2 2数控线切割程序编制 跨多个象限圆弧的G和J J为计数长度 加工指令Z 加工指令Z用来表达 被加工图形的形状 所在象限 加工方向灯信息 加工指令共12种 1 3B格式程序 5 2 2数控线切割程序编制 5 2 2数控线切割程序编制 图5 36加工指令a 直线加工指令b 坐标轴上直线加工指令 加工指令Z 1 直线段 顺时针圆弧指令 逆时针圆弧指令 图5 36加工指令 2 圆弧 5 2 2数控线切割程序编制 加工指令Z 加工如图所示斜线OA 终点A的坐标为Xe 17mm Ye 5mm 写出加工程序 其程序为 B17000B5000B17000GxL1在斜线段的程序中X和Y值可按比例缩小同样倍数 故程序可写为 B17B5B17000GxL1 应用举例 加工图中所示直线 其长度为21 5mm 写出其程序 在与坐标轴重合的程序中 X或Y的数值即使不为零 也不必写出 因此 相应的程序为 BBB021500GyL2 应用举例 加工如图示圆弧 加工起点的坐标为A 5 0 试编制程序 其程序为 B5000BB010000GySR2 应用举例 加工图示的1 4圆弧 加工起点A 0 707 0 707 终点为B 0 707 0 707 试编制程序 相应的程序为 B707B707B001414GxNR1由于终点恰好在45 线上 故也可取Gy 则B707B707B000586GyNR1 应用举例 加工如图所示圆弧 加工起点为A 2 9 终点为B 9 2 编制加工程序 圆弧半径 R m 9220 m计数长度 JYAC 9000 mJYCD 9220 mJYDB R 2000 m 7220 m则JY JYAC JYCD JYDB 9000 9220 7220 m 25440 m其程序为 B2000B9000B025440GyNR2 应用举例 表5 64B程序格式 5 2 2数控线切割程序编制 2 4B格式程序 5 2 2数控线切割程序编制 3 ISO代码程序 使用ISO代码进行编程 是数控线切割加工编程和控制发展的必然趋势 现阶段生产厂家和使用单位可以采用3B 4B格式和ISO代码并存的方式作为过渡 我国快走丝数控电火花线切割机床常用的ISO代码 与国际上使用的标准基本一致 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 第5章模具的特种加工 5 2电火花线切割加工 1 线切割加工的主要工艺指标 1 切割速度在保持一定的表面粗糙度的切割过程中 单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和称为切割速度 单位为mm2 min 最大切割速度 不计切割方向和表面粗糙度的条件下 能达到的切割速度 切割效率 每安培电流的切割速度 mm2 min A 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 1 线切割加工的主要工艺指标 高速 0 01 0 02mm 低速 0 005 0 002mm 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 2 电参数的影响 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 2 电参数的影响 1 脉冲宽度ti 脉冲宽度与加工速度的关系曲线 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 2 电参数的影响 2 脉冲间隔t0 脉冲间隔与加工速度的关系曲线 3 开路电压 电压提高 加工间隙变大 排屑容易 提高了加工速度和稳定性 但是会造成丝损加大 5 放电波形 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 2 电参数的影响 4 放电峰值电流 m 峰值电流与加工速度的关系曲线 高频分组脉冲加工效果好 电流波形前沿上升较慢时 电极丝损耗小 如何合理选取电参数 加工精密小零件时 精度和表面粗糙度是主要的指标加工速度是次要指标 选取原则 满足尺寸精度高和表面粗糙度好的要求 加工大 中型零件时 精度和表面粗糙度要求可以低一些尽量获得高的加工速度 不管加工对象和要求如何 都要合理选择脉冲间隔 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 2 电参数的影响 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 3 非电参数的影响 1 电极丝及其移动速度对工艺指标的影响 对于高速走丝 材质 高速走丝线切割广泛采用耐磨损 抗拉强度高 不易断丝的钼丝 丝张力 采用恒张力装置改善丝张力的波动 提高加工稳定性 直径 采用细丝获得精细形状和很小的圆角半径 最高切割速度一般都用粗丝实现 走丝速度 提高走丝速度有利于电极丝把工作液带入较大厚度的工件放电间隙中 有利于电蚀产物的排出 过高则引起振动 影响加工精度 对于低速走丝 材质和直径 有较大的选择范围 高生产率粗加工可用0 3mm以下的镀锌黄铜丝 精微加工时可用0 03mm以上的钼丝 丝张力均匀 振动较小 加工稳定 表面粗糙度 精度指标等均较好 1 电极丝及其移动速度对工艺指标的影响 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 3 非电参数的影响 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 3 非电参数的影响 2 工件厚度及材料对工艺指标的影响 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 3 非电参数的影响 工件厚度 过薄 排屑 消电离易 电极丝易抖动 精度下降 过厚 排屑 消电离差 电极丝不易抖动 精度高 工件材料 加工铜 铝 淬火钢时 加工过程稳定 切割速度高 加工不锈钢 磁钢 未淬火钢时 稳定性较差 切割速度较低 表面质量不太好 加工硬质合金时 比较稳定 切割速度较低 表面粗糙度值较小 进给速度 蚀除速度易短路 不稳定进给速度 蚀除速度开路 不稳定进给速度 蚀除速度最佳 3 预置进给速度对工艺指标的影响 5 2 3影响线切割工艺指标的因素 3 非电参数的影响 根据电压 电流表调节进给速度 保持加工间隙恒定在最佳值 其他影响因素 机械部件精度 工作液等 5 2 4电火花线切割加工工艺 第5章模具的特种加工 5 2电火花线切割加工 1 零件图的工艺分析 1 凹角和尖角的尺寸分析 图5 37电极丝与工件加工面的位置关系 图5 38电极丝中心轨迹的偏移 加工凸模类零件 加工凹模类零件 电极丝中心运动轨迹与加工面的距离l d 2 5 2 4电火花线切割加工工艺 1 零件图的工艺分析 电极直径 凸模和凹模的关系 1 凹角和尖角的尺寸分析 线电极与凸 凹模的关系 零件凹角半径 R1 l d 2 零件尖角半径 R2 R1 R1 凹角圆弧半径 mm R2 尖角圆弧半径 mm 凸模与凹模的配合间隙 mm 2 表面粗糙度及加工精度分析 加工精度和表面粗糙度应符合要求 5 2 4电火花线切割加工工艺 2 工艺准备 1 电极丝准备 电极丝直径的选择 电极丝材料的选择 一般情况下 快速走丝机床常用钼丝作线电极 钨丝或其它昂贵金属丝因成本高而很少用 其它线材因抗拉强度低 在快速走丝机床上不能使用 慢速走丝机床上则可用各种铜丝 铁丝 专用合金丝以及镀层 如镀锌等 的电极丝 加工带尖角 窄缝的小型模具宜选用较细的电极丝 加工大厚度工件或大电流切割时 应选用较粗的电极丝 图5 39电极丝直径与拐角的关系 2 工件准备 5 2 4电火花线切割加工工艺 2 工艺准备 以外形为校正基准 内孔为加工基准 加工前进行消磁处理及去除表面氧化皮和锈斑等 以外形为校正和加工基准 工件材料的选定和处理 图5 40矩形工件的校正与加工基准 图5 41外形 侧边为校正基准 内孔为加工基准 一般需要两个相互垂直的基准面 并垂直于工件的上 下平面 图5 42切割起始点和切割路线的安排 5 2 4电火花线切割加工工艺 2 工艺准备 3 穿丝孔的确定 切割凸模类零件 穿丝孔大小 一般直径 3 10mm 切割凹模 孔类零件 为避免将坯作为外形切断引起变形 应按图c在坯料内打穿丝孔 为使切割轨迹短和更利于编程 穿丝孔应设在边角处 在已知坐标尺寸的交点处或成型孔中心 4 线切割路线的确定 5 2 4电火花线切割加工工艺 2 工艺准备 图5 42切割起始点和切割路线的安排 图 a 所示切割路线错误 因材料与夹持部分连接较少 工件的刚度大为降低 容易产生变形而影响加工精度 图 b 所示切割路线 可减少由于材料割离后残余应力重新分布而引起的变形 但最好将工件与其夹持部分分割的线段安排在切割路线的末端 图 c 所示电极丝不由坯件外部切入 而是将切割起点取在坯 件预制的穿丝孔中 这种方案可使工件的变形最小 图5 43二次切割孔类零件 4 线切割路线的确定 5 2 4电火花线切割加工工艺 2 工艺准备 第一次粗加工型孔 各边留余量0 1 0 5mm 以补偿材料被切割后由于内应力重新分布而产生的变形 第二次切割为精加工 这样可以达到比较满意的效果 5 工作液的选配 5 2 4电火花线切割加工工艺 2 工艺准备 工作液对切割速度 表面粗糙度 加工精度等都有较大影响 加工时必须正确选配 常用的工作液主要有乳化液和去离子水 慢速走丝线切割加工 目前普遍使用去离子水 为了提高切割速度 在加工时还要加进有利于提高切割速度的导电液 以增加工作液的电阻率 加工淬火钢 使电阻率在2x104 cm左右 加工硬质合金电阻率在30 x104 cm左右 对于快速走丝线切割加工 目前最常用的是乳化液 乳化液是由乳化油和