什么是电火花加工.docx

什么是电火花加工一、什么是电火花加工 电火花是一种自激放电，其特点如下： 火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电 压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间（通常为10-7-10-3s）后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性（即通道能量转换的热能来不 及传至电极纵深），使通道能量作用于极小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。 利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。 电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。 二、电火花加工的特点 电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。 随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工 件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加工法能够 适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。 电火花加工的特点如下： 1.脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。 2.脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。 3.加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。 4.可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。 基于上述特点，电火花加工的主要用途有以下几项： 1) 制造冲模、塑料模、锻模和压铸模。 2) 加工小孔、畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹螺孔。 3) 在金属板材上切割出零件。 4) 加工窄缝。 5) 磨削平面和圆面。 6) 其它（如强化金属表面，取出折断的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面复杂的零件等）。 三、电火花加工机床的组成及作用从上面所谈的情况可以看到，要实现电火花加工过程，机床必须具备三个要素，即：脉冲电源，机械部分和自动控制系统，工作液过滤与循环系统。下面对这三要素的作用逐一加以简单讨论。 1.脉冲电源 加在放电间隙上的电压必须是脉冲的，否则，放电将成为连续的电弧。所谓脉冲电源，实际就是一种电气线路或装置，它们能发出具有足够能量的脉冲电压来。 2.机械部分和自动控制系统 其作用是维持工具电极和工件之间有一适当的放电间隙，并在线调整。 3.工作液净化与循环系统 工作液的作用是使能量集中，强化加工过程，带走放电时所产生的热量和电蚀产物。工作液系统包括工作液的储存冷却、循环及其调节与保护、过滤以及利用工作液强迫循环系统。 上述三要素，有时也称为电火花加工机床的三大件，它们组成了电火花加工机床这一统一体，以满足加工工艺的要求。四、实现电火花加工的条件 实现电火花加工，应具备如下条件： 1.工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离。在该距离范围内，既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产 生火花放电，又可以适应在火花通道熄灭后介质消电离以及排出蚀除产物的要求。若两电极距离过大，则脉冲电压不能击穿介质、不能产生火花放电，若两电极短 路，则在两电极间没有脉冲能量消耗，也不可能实现电腐蚀加工。 2.两电极之间必须充入介质。在进行材料电火花尺寸加工时，两极间为液体介质（专用工作液或工业煤油）；在进行材料电火花表面强化时，两极间为气体介质。 3. 输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大。在火花通道形成后，脉冲电压变化不大，因此，通道的电流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足够大，才可以使被 加工材料局部熔化或汽化，从而在被加工材料表面形成一个腐蚀痕（凹坑），实现电火花加工。因而，通道一般必须有105-106A/cm2电流密度。 放电通道必须具有足够大的峰值电流，通道才可以在脉冲期间得到维持。一般情况下，维持通道的峰值电流不小于2A。 4.放电必须是短时间的脉冲放电。放电持续时间一般为10-7-10-3s。由于放电时间短，使放电时产生的热能来不及在被加工材料内部扩散，从而把能量作用局限在很小范围内，保持火花放电的冷极特性。 5.脉冲放电需重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的。 这里包含两个方面的意义：其一时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道；其二，若在一定时间范围内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲放电应转移到另一区域。只有如此，才能避免积炭现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。 6.脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行。 在 电火花加工的生产实际中，上述过程通过两个途径完成。一方面，火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性；蚀除物以外的其余放电产物（如介 质的汽化物）亦可以促进上述过程；另一方面，还必须利用一些人为的辅助工艺措施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等等。五、极性效应 电火花加工时，相同材料两电极的被腐蚀量是不同的。其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。如果两电极材料不同，则极性效应更加明显。 六、覆盖效应 在油类介质中放电加工会分解出负极性的游离碳微粒，在合适的脉宽、脉间条件下将在放电的正极上覆盖碳微粒，叫覆盖效应。利用覆盖效应可以降低电极损耗。注意负极性加工才有利做覆盖效应。七、加工速度 对于电火花成形机来说加工速度是指在单位时间内，工件被蚀除的体积或重量。一般用体积表示。若在时间T内，工件被蚀除的体积为V，则加工速 度Vw为： Vw=V/t（mm3/min） 对于线切割机来说，加工速度是指在单位时间内，工件被切面积。即用mm2/min来表示。 在规定表面粗糙度（如Ra=2.5m），相对电极损耗（如1%）时的最大加工速度，是衡量电加工机床工艺性能的重要指标。一般情况下，生产厂给出的是最大加工电流，在最佳加工状态下所能达到的最高加工速度。因此，在实际加工时，由于被加工件尺寸与形状的千变万化，加工条件，排屑条件等与理想状态相差甚远，即使在粗加工时，加工速度也往往大大低于机床的最大加工速度指标。八、工具电极损耗 在电火花成形加工中，工具电极损耗直接影响仿形精度，特别对于型腔加工，电极损耗这一工艺指标较加工速度更为重要。 电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。 绝对损耗最常用的是体积损耗Ve和长度损耗Veh二种方式，它们分别表示在单位时间内，工具电极被蚀除的体积和长度。即 Ve=V/t（mm3/min） Veh=H/t（mm/min） 相 对损耗工具电极绝对损耗与工件加工速度的百分比。通常采用长度相对损耗比较直观，测量也比较方便。在线切割加工中，电极丝的损耗对工件质量的影响不 大，故一般不加以讨论。但快走丝机床使用钼作为电极丝，是重复放电，所以丝的损耗影响到电极丝的使用寿命，在实际加工中应予适当考虑。 在电火花成形加工中，工具电极的不同部位，其损耗速度也不相同。 在精加工时，一般电规准选取较小，放电间隙太小，通道太窄，蚀除物在爆炸与工作液作用下，对电极表面不断撞击，加速了电极损耗，因此，如能适当增大电间隙，改善通道状况，即可降低电极损耗。九、表面粗糙度 表面粗糙度是指加工表面上的微观几何形状误差。对电加工表面来讲，即是加工表面放电痕坑穴的聚集，由于坑穴表面会形成一个加工硬化层，而且能存 润滑油，其耐磨性比同样粗糙度的机加表面要好，所以加工表面允许比要求的粗糙度大些。而且在相同粗糙度的情况下，电加工表面比机加工表面亮度低。 国家标准规定：加工表面粗糙度用Ra（轮廓的平均算术偏差）和Rz（不平度平均高度）之一来评定。 工件的电火花加工表面粗糙度直接影响其使用性能，如耐磨性，配合性质，接触刚度，疲劳强度和抗腐蚀性等。尤其对于高速高洁，高压条件下工作的模具和零件，其表面粗糙度往往是决定其使用性能和使用寿命的关键。 十、放电间隙放电间隙，亦称过切量，加工中是指脉冲放电两极间距，实际效果反映在加工后工件尺寸的单边扩大量。对电火花成形加工放电间隙的定量认识是确定加工方案的基础。其中包括工具电极形状，尺寸设计，加工工艺步骤设计，加工规准的切换以及相应工艺措施的设计。十一、两电极蚀除量之间的矛盾 本篇中，已经明确阐述了脉冲放电时间越长，越有利于降低工具电极相对损耗。在电火花加工的实用过程中，粗加工采用长脉冲时间和高放电电流，既体现了速度高，又体现了损耗小，反映了加工速度和工具电极损耗这一矛盾的缓解。但是，在精加工时，矛盾激化了。为了实现小能量加工，必须大大压缩脉冲放电时间。为达到脉冲放电电流与脉冲放电时间参数组合合理，亦必须大大压缩脉冲放电电流。这样，不仅加大了工具电极相对损耗，又大幅度降低了加工速度。十二、加工速度与加工表面粗糙度之间的矛盾 为了解决电火花加工工艺的这一基本矛盾，人们试图将一个脉冲能量分散为若干个通道同时在多点放电。用这种方法既改善了加工表面粗糙度，又维持了原有的加工速度。 到目前为止，实现人为控制的多点同时放电的有效方法只有一种，即分离工具电极多回路加工。 为了实现整体电极的多通道加工，人们设想了各种方法，并进行了多年的实验摸索。但是迄今为止，尚没有彻底解决。 在 实用过程中，型腔模具的加工采用粗、中、精逐档过渡式加工方法。加工速度的矛盾是通过大功率、低损耗的粗加工规准解决的；而中、精加工虽然工具电极相对损 耗大，但在一般情况下，中、精加工余量仅占全部加工量的极小部分，故工具电极的绝对损耗极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽 略。十三、电火花加工常用名词、术语及符号1、放电间隙：放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙。在加工过程中，则称为加工间隙S，它的大小一般在0.01-0.5mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙SF 和侧面间隙SL 2、脉冲宽度ti（s）：脉冲宽度简称脉宽，它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间,为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲电压波。粗加工可用较大的脉宽ti100s，精加工时只能用较少的脉宽ti500mm3/min，但电火花精加工时，通常vw20mm3/min。 12、相对损耗或损耗比（损耗率）（%） 相对损耗或损耗比是工具电极损耗速度和工件加工速度之比值，并以此来综合合衡量工具电极的耐损耗程度和加工性能。 13、面积效应：面积效应指电火花加工时，随加工面积大小变化而加工速度、电极损耗比和加工稳定性等指标随之变化的现象。一般加工面积过大或过小时，工艺指标通常降低，这是由“电电流密度”过小或过大引起的。 14、深度效应：随着加工深度增加而加工速度和稳定性降低的现象称深度效应。主要是电蚀产物积聚、排屑不良所引起的。线切割 是冲模零件的主要加工方式，然而进行合理的工艺分析，正确计算数控编程中电极丝的设计走丝轨迹，关系到模具的加工精度。通过穿丝孔的确定与切割路线的优化，改善切割工艺，这对于提高切割质量和生产效率，是一条行之有效的重要途径。 2实际轨迹的计算 根据大量的统计数据表明， 线切割 加工后的实际尺寸大部分处于公差带的中位值(或称“中间尺寸”)附近，因此对于冲模零件图样中标注公差的尺寸，应采用中位值尺寸作为实际切割轨迹的编程数据，其计算公式为：中位值尺寸=基本尺寸+(上偏差+下偏差)。 例如：图样尺寸外圆半径R250.04，其中位值尺寸为25+(00.04)/2=24.98(mm)。 由于 线切割 放电加工的特点，工件与电极丝之间始终存在放电间隙。因此，切割加工时，工件的理论轮廓(图样)与电极丝的实际轨迹应保持一定的距离，即电极丝中心轨迹与工件轮廓的垂直距离，称为偏移量f0(或称为补偿值)。 f0=R丝+电 式中R丝电极丝半径 电单边放电间隙 线切割 加工冲模的凸、凹模，应综合考虑电极丝半径R丝、单边放电间隙电以及凸、凹模之间的单边配合间隙配，以确定合理的间隙补偿值f0。 例如：加工冲孔模(即要求保证工件的冲孔尺寸)，以冲孔的凸模为基准，故凸模的间隙补偿值 为：f凸=R丝+电，凹模尺寸应增加配。而加工落料模(即要求保证冲下的工件尺寸)，以落料的凹模为基准，凹模的间隙补偿值f凸=R丝+电，凸模的 尺寸应增加配。见图1。偏移量的大小将直接影响 线切割 的加工精度和表面质量。若偏移量过大，则间隙太大，放电不稳定，影响尺寸精度;偏移量过小，则间隙太小，会影响修切余量。修切加工时的电参数将依次减弱， 非电参数也应作相应调整，以提高加工质量。 图1凸模与凹模的间隙补偿值 (a)凸模(b)凹模 根据实践经验， 线切割 加工冲裁模具的配合间隙应比国际上所流行的“大”间隙冲模(手册推荐值)应小些。因为凸、凹模 线切割 加工中，工件表面会形成一层组织脆松的熔化层，电参数越大，表面粗糙度越差，熔化层较厚。且随着模具冲裁次数的增加，这层脆松的表层会逐渐磨损，使模具的 配合间隙逐渐增大，满足“大”间隙的要求。 3穿丝孔的确定 穿丝孔的位置对于加工精度及切割速度关系甚大。通常，穿丝孔的位置最好选在已知轨迹尺寸的交 点处或便于计算的坐标点上，以简化编程中有关坐标尺寸的计算，减少误差。当切割带有封闭型孔的凹模工件时，穿丝孔应设在型孔的中心，这样既可准确地加工穿 丝孔，又较方便地控制坐标轨迹的计算，但无用的切入行程较长。对于大的型孔切割，穿丝孔可设在*近加工轨迹的边角处，以缩短无用行程。在切割凸模外形时， 应将穿丝孔选在型面外，最好设在*近切割起始点处。切割窄槽时，穿丝孔应设在图形的最宽处，不允许穿丝孔与切割轨迹发生相交现象。此外，在同一块坯件上切 割出两个以上工件时，应设置各自独立的穿丝孔，不可仅设一个穿丝孔一次切割出所有工件。切割大型凸模时，有条件者可沿加工轨迹设置数个穿丝孔，以便切割中 发生断丝时能够就近重新穿丝，继续切割。 穿丝孔的直径大小应适宜，一般为2mm8mm。若孔径过小，既增加钻孔难度又不方便穿 丝;若孔径太大，则会增加钳工工作量。如果要求切割的型孔数较多，孔径太小，排布较为密集，应采用较小的穿丝孔(0.3mm0.5mm)，以避免各 穿丝孔相互打通或发生干涉现象。 4切割路线的优化 切割路线的合理与否将关系到工件变形的大小。 因此，优化切割路线有利于提高切割质量和缩短加工时间。切割路线的安排应有利于工件在加工过程中始终与装夹支撑架保持在同一坐标系内，避免应力变形的影响，并遵循以下原则。 (1)一般情况下，最好将切割起始点安排在*近夹持端，将工件与其夹持部分分离的切割段安排在切割路线的末端，将暂停点设在*近坯件夹持端部位。 (2)切割路线的起始点应选择在工件表面较为平坦、对工作性能影响较小的部位。对于精度要求较高的工件，最好将切割起始点取在坯件上预制的穿丝孔中，不可从坯件外部直接切入，以免引起工件切开处发生变形。 (3)为减小工件变形，切割路线与坯件外形应保持一定的距离，一般不小于5mm。 线切割 加工中对于一些具体工艺要求，应重点关注切割路线的优化。 (1)二次(或多次)切割法对于一些形状复杂、壁厚或截面变化大的凹模型腔零件，为减小变 形，保证加工精度，宜采用二次切割法。通常，精度要求高的部位留2mm3mm余量先进行粗切割，待工件释放较多变形后，再进行精切割至要求尺寸。若为了 进一步提高切割精度，在精切割之前，留0.20mm0.30mm余量进行半精切割，即为3次切割法，第1次为粗切割，第2次为半精切割，第3次为精切 割。这是提高模具 线切割 加工精度的有效方法。 (2)尖角切割法当要求工件切割成“尖角”(或称“清角”)时，可采用方法一，在原路线上增 加一小段超切路程，如图2所示的A0-A1段，使电极丝切割的最大滞后点达到程序A0点，然后再前进到附加点A1，并返回至A0点，接着再执行原程序，便 可切割出尖角。也可采用图3所示的方法二的切割路线，在尖角处增加一段过切的小正方形或小三角形路线作为附加程序，这样便可保证切割出棱边清晰的尖角。 图2尖角切割方法 图3尖角切割方法二 (3)拐角的割法 线切割 放电加工过程中，由于放电的反作用力造成电极丝的实际位置比机床X、Y坐标轴移动位置滞后，从而造成拐角精度较差。 电极丝的滞后移动则会造成工件的外圆弧加工过亏，而内圆弧加工不足，致使工件拐角处精度下降。为此，对于工件精度要求高的拐角处，应自动调慢X、Y轴的驱动速度，使电极丝的实际移动速度与X、Y轴同步。也就是，加工精度要求越高，拐角处的驱动速度应越慢。 (4)小圆角切割法若发现图样要求的内圆角半径小于切割时的偏移量，将会造成圆角处“根切” 现象。为此，应明确图样轮廓中最小圆角必须大于最后一遍修切的偏移量，否则应选择直径更细的电极丝。在主切割加工及初修切割加工中，可根据各遍加工时不同 的