模具电火花加工技术（论文）

江西工业工程职业技术学院毕业论文 1 江西工业工程职业技术学院 毕 业 论 文 题 目 模具电火花加工技术 学生姓名： 指导老师： 院 系： 机电工程系 专 业： 模具设计与制造 级 别： 2007 级 江西工业工程职业技术学院 2009 年 5 月 江西工业工程职业技术学院毕业论文 2 模具电火花加工技术 摘 要 在模具工业技术快速发展的新形势下， 电火花加 工是当前模具加工的重要方法 之一 ， 并有着其它加工方法无可替代的优点 。电火花加工技术已取得了突破性的进展。它是一 种直接利用电能和热能进行加工的新工艺 。 对于为寻求向客户在较短的交货时间以较低的价格提供较高质量的产品的模具生产商来说，电火花加工自动化是一个很有吸引力的 。 选择 电火花加工技术作为特种加工领域的一门重要技术 ，本文从电火花加工技术发展的基本现状、电火花的基本原理、特点、电火花加工的操作过程、电火花加工新技术的发展等五个方面入手如实论述。 关键字 ： 电火花加工的基本现状、基本原理、特点、操作过程、新技术的发展 江西工业工程职业技术学院毕业论文 3 目 录 第一章 引言 1 第二章 模具电火花发展的基本现状 2 2.1 精密化 2 2.2 智能化 2 2.3 自动化 2 2.4 高效化 3 第三章 电火花加工 基本 原理 3 第四章 电火花加工的特点 4 第五章 模具 电火花加工的操作过程 5 第六章 电火花加工新 技术的发展 5 6.1 新工艺的应用 5 6.1.1 标准化夹具实现快速精密定位 6 6.1.2 混粉加工方法实现镜面加工效果 6 6.1.3 摇动加工方法实现高精度加工 6 6.1.4 多轴联动加工方法实现复杂加工 6 6.2 新技术的发展 7 6.3 电火花加工技术的发展趋势 7 第七章 结论 8 致谢 9 参考文献 10 江西工业工程职业技术学院毕业论文 1 第一章 引言 目前， 模具 工业的迅速发展，推动了 模具 制造技术的进步。 电火花 加工作为 模具 制造技术的一个重要分支，被赋予越来越高的加工要求。同时在数控加工技术发展新形势的影响下，促使 电火花 加工技术朝着更深层次、更高水平的数控化方向快速发展。虽然 模具 高速加工技术的迅猛发展使电加工面临着严 峻的挑战，目前放电加工技术部分工序已被高速 加工中心 代替，但电火花 加工仍旧有广阔的前景。如在 模具 的复杂、精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角、冒孔、深度切削等加工领域仍被广泛应用。同时这项技术一直被改进和提升，使放电加工技术在 模具 工业中经久不衰。先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对数控 电火花 加工技术提出了更高要求，同时也为其提供了新的发展动力。 江西工业工程职业技术学院毕业论文 2 第二章 模具电火花发展的基本现状 模具 电火花加工技术正不断向精密化、自动化、智能化、高效化等方向发展。如今新型数控电火花机床层出不穷，如瑞士阿 奇、瑞士夏米尔、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等机床在这方面技术都有了全面的提高。 2.1 精密化 电火花加工的精密核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。时下数控电火花机床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可达 2 -3m 、底面拐角 R 值可小于 0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于 Ra0.3m 。通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、 IC 塑封、手机、 CD 盒等高精密模具部位的电火花加工。从总体来看，现代模具企业在先进数控电火花机床的应 用上，还没能很好地挖掘出机床的精密加工性能。因此有必要全面推动已有数控加工技术的进一步发展，不断提高模具加工精度。 2.2 智能化 智能控制技术的出现把数控电火花加工推向了新的发展高度。新型数控电火花机床采用了智能控制技术。专家系统是数控电火花机床智能化的重要体现，它的智能性体现在精确的检测技术和模糊控制技术两方面。专家系统采用人机对话方式，根据加工的条件、要求，合理输入设定值后便能自动创建加工程序，选用最佳加工条件组合来进行加工。在线自动监测、调整加工过程，实现加工过程的最优化控制。专家系统在 检测加工条件时，只要输入加工形状、电极与工件材质、加工位置、目标粗糙度值、电极缩放量、摇动方式、锥度值等指标，就可自动推算并配置最佳加工条件。模糊控制技术是由计算机监测来判定电火花加工间隙的状态，在保持稳定电弧的范围内自动选择使加工效率达到最高的加工条件；自动监控加工过程，实现最稳定的加工过程的控制技术。专家系统智能技术的应用使机床操作更容易，对操作人员的技术水平要求更低。目前智能化技术不断地升级，使得智能控制技术的应用范围更加的广泛。随着市场对电加工要求的提升，智能化技术将获得更为广阔的发展空间。 2.3 自动化 目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下，只要在加工前将电极装入刀库，编制好加工程序，整个电火花加工过程便能日以赴继地自动运转，几乎无需人工操作。机床的自动化运转降低了操作人员的劳动强度、提高生产效率。但自动装置配件的价格比较昂贵，大多模具企业的数控电火花机床的配置并不齐全。数控电火花机床具备的自动测量找正、自动定位、多工件的连续加工等功能已较好地发挥了它的自动化性能。自动操作过程不需人工干预，可以提高加工精度、效率。普及机床的自动化程度是当前数控电火花机床行业的发展趋势之一。 江西工业工程职业技术学院毕业论文 3 2.4 高效化 现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式，即要求在保证加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手机外壳、家电制品、电器用品、电子仪表等领域，都要求将大面积（例如 100100mm ）工件的放电时间大幅缩短，同时又要降低粗糙度。从原来的Ra0.8m 改进到 Ra0.25m ，使放电后不必再进行手工抛光处理。这不但缩短了加工时间且省却后处理的麻烦，同时提升了模具品质，使用粉末加工设备可达到要求。另外减少辅助时间 (如编程时间、电极与工件定位时间等 )，这就需要增强机床的自动编程功能 ，配置电极与工件定位的夹具、装置。若在大工件的粗加工中选用石墨电极材料也是提高加工效率的好方法。最佳的加工模式是企业扩大市场空间、提升市场竞争力的资本，其开发而成的新产品、新技术亦愈受欢迎。 第三章 电火花加工基本原理 电火花加工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，英文简称 EDM。 实现电火花加工条件： （ 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 （ 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气化，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 105-106A1em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脉冲。放电持续时间一般为 10-1-10-3s。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。 江西工业工程职业技术学院毕业论文 4 （ 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，才能避免积碳现象，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气化物 )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。 进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作 液恢复绝缘状态。 紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。 工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜 钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。 按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨 削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。 电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；加工时无切削力；不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。 第四章 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。 江西工业工程职业技术学院毕业论文 5 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，材料受热影响范围校 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校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）。 第五章 模具电火花加工的操作过程 数控电火花加工技术的发展，使得加工过程的操作更为快捷。使用 ATC（自动电极交换装置）的数控电火花机床的操作过程为：机床在开机后，先回到机械原点；然后装夹工件，将基准球固定在工作台 X、 Y 行程范围内任意位置；把要加工的电极装入 ATC 电极库，将基准电极插入主轴夹头；通过手动控制完成基准电极中心对工件零点的定位；接着完成基准电极对基准球的中心 定位，将基准电极的中心偏移量记忆。 使用自动编程软件制作程序，首先输入使用的电极号、加工深度，执行检索加工条件；再制作测量加工电极中心偏移量的程序与加工程序组合，保存制作好的程序；最后调出程序执行即可开始加工。加工过程中自动装入电极、自动测量加工电极中心偏移量、自动定位、开油加工、监测加工。整个加工过程的重要操作步骤是在编程环节，编程时加工思路一定要清晰，输入的数值一定要准确，才能保证自动加工过程的正确执行。不具备 ATC 电极库的数控电火花加工操作过程与上述是一样的，只是加工中换电极、测量中心偏移量的步骤需 由手动操作完成。可见 ATC 是数控电火花加工自动化的重要工具，它的应用打破了传统加工繁琐的操作模式。 第六章 电火花加工新技术的发展 6.1 新工艺的应用 电火花加工工艺是实现加工目的直接手段。目前已经开发出了多种电火花加工工艺，并在生产中取得了一定的经济效益。下面介绍几种在数控电火花加工中新应用的工艺及其优势。 江西工业工程职业技术学院毕业论文 6 6.1.1 标准化夹具实现快速精密定位 数控电火花加工为保证极高的重复定位精度且不降低加工效率，采用快速装夹的标准化夹具。目前有瑞士的 EROWA 和瑞典的 3R 装置可实现快速 精密定位。这类装置的原理是电极在制造时，是集电极与夹具为一体的组件在装有同数控电火花机床上配备的工艺定位基准附件相同的加工设备上完成的。工艺定位基准附件都统一同心、同位，并且各数控机床都有坐标原点。因此电极在制造完成后，直接取下电极和夹具的组件，装入数控电火花机床的基准附件上，无需再进行纠正调节。加工过程中如需插入一 “ 急件 ” 加工，同样可以将正在加工的半成品卸下，待急件加工完后再继续快速装夹加工。标准化夹具，是一种快速精密定位的工艺方法，它的使用大大减少了数控电火花加工过程中的装夹定位时间，有效地提升了企业的 竞争力。 6.1.2 混粉加工方法实现镜面加工效果 在放电加工液内混入粉末添加剂，以高速获得光泽面的加工方法称之为混粉加工。该方法主要应用于复杂模具型腔，尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工。可降低零件表面粗糙度值，省去手工抛光工序，提高零件的使用性能（如寿命、耐磨性、耐腐蚀性、脱模性等）。其加工原理主要是电火花工作液中加入一定比例的导电粉末，放电间隙增大，电极间的寄生电容和电流密度减少；使放电点分散、放电集中现象减少。混粉方法加工镜面主要技术要求有：电火花机床具有镜面精加工电路（具有 极小的单个脉冲能量）；选择合适的粉末添加剂；进行粉末添加剂的浓度管理；利用扩散装置来消除浓度的误差；采用无冲液处理方式。混粉加工技术的发展，使精密型腔模具镜面加工成为现实。 6.1.3 摇动加工方法实现高精度加工 电火花加工复杂型腔时，在不同方向上的加工难度和加工面积相差很大，会引起加工屑局部集中，触发加工不稳定、放电间隙不均匀等情况。为了保证高效率下放电间隙的一致性、维持高的稳定加工性，可以在加工过程中采用电极不断摇动的方法。加工中采用摇动的方法可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，更 容易控制加工尺寸。摇动加工选用是根据被加工部位的摇动图形、摇动量的形状及精度的要求而定。如果在加工中不采用摇动的方法，则很难实现小间隙放电条件下的稳定加工。在精加工中很容易发现因这个原因造成的不稳定加工现象，不稳定放电使尺寸不能准确地得到控制且粗糙度不均匀。采用摇动的加工方法能能很好解决这些问题且能保证高精度、高质量的加工。 6.1.4 多轴联动加工方法实现复杂加工 近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加工技术的进步。采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动 方式，以适应不同种类工件的加工要求，扩大了数控电火花加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。数控电火 江西工业工程职业技术学院毕业论文 7 花加工机床可利用多轴联动很方便地实现传统电火花机床难以加工的复杂型腔模具或微小零件的加工，如三维螺旋面、微细齿轮、微细齿条等。目前模具企业采用数控电火花加工基本采用成型电极的轴向伺服加工，但也可以巧用多轴联动的方法来提高加工性能，如清角部位在加工可行的情况下采用 X、 Y、 Z 三轴联动的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面积小而发生放电不稳定的现象。模具潜伏式胶口的加工通过对电极斜度装夹定位的设计 ，也可进行斜向多轴联动加工。 6.2 新技术的发展 数控电火花成形机（ NCSEDM 机床）各项工艺指标虽然已达到了很高的水平，可是在高速铣（ HSM）迅速发展的今天，其发展空间仍受到了一定的挤压。但由于 HSM 在加工凹型腔时还存在一定的问题，包括深槽窄缝的加工，内清角的加工，棱边清晰的加工，细微、复杂、精密加工，深型腔（ L/D 5）的加工等，还有超硬材料的加工也不是 HSM 的特长 。从实力来讲 国外几个著名厂商还是处于领先优势。 日本牧野公司第一次展出电极自动交换（ AEC）和工件自动交换（ AWC）的 EDGE2 全 自动 NCSEDM机床。 AEC 采用 EROWA ITS 系统、 3R 宏系统或牧野的 Y 形系统，分直接交换式和旋转式二种。直接交换式电极容量为 4 根，旋转式电极容量为 8 32 根，使用卡盘适配器交换时最大电极重量（含电极夹具） 40 kg， AEC 交换时间一般为 20s； AWC 具有通用性的工件库和工件货盘交换装置，容易确认的平面工件库适合于复杂模具加工。采用辅助工作台，以便于大工件的自动交换，采用工作液快速处理技术，使下一个工件的交换变得更快、更可靠。该机床还具有工作液恒温控制（ 0.5 ）， Ra0.18m 的超精加工技术（电 极：直径 40 mm 铜，工件： NAK80）， R0.015mm的锐角加工技术以及添加剂为 SC 的混粉加工技术等。 日本沙迪克公司展出的 AM45L 同样是全自动的 NCSEDM 机床，具有电极和工件自动交换功能，采用的是 EROWA 系统，也是第一次在国际模展上展出。 瑞士夏米尔公司也开发了混粉加工技术，在国际模展上第一次展出了 ROBOFORM 350 混粉加工机床，该机床采用 1.5 L 罐装 Gamma M150 混粉，可以用混粉工作液进行粗、精加工，并在同一台机床上可实现普通工作液和混粉工作液二种加工方式，从混粉加工 转换到普通工作液加工，约需 2 h 的过滤时间，而从普通工作液转换成混粉加工，只要 30 min 的准备时间。混粉加工时不用过滤器。混粉的使用寿命为 400h，甚至更长一些。混粉可以实现 Ra0.2m 的精加工，即使加工面积的大小变化，也能加工出 Ra0.2m 的工件表面。例如，加工 30mm30mm5mm 的型腔，材料为 W300 钢，用同样的加工工艺，普通工作液 Ra0.5m ，而混粉工作液 Ra0.18m ，而且缩短了加工时间，降低了约 30%的电极损耗 6.3 电火花加工技术的发展趋势 未来数控电火花加工 技术的发展空间是十分广阔的。由于电火花加工过程本身的复杂性，迄今对电火花加工的机理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系统的工艺实验基础上 江西工业工程职业技术学院毕业论文 8 完成的，所以对电火花加工机理的深入研究，并以此直接指导和应用于实践加工是数控电火花加工技术发展的根本。在现有技术水平的基础上，不断开发新工艺将是数控电火花加工技术发展方向。如数控电火花铣削加工是一种还不成熟的技术，值得继续研究的新工艺。数控电火花机床在结构设计、脉冲电源的开发方面将朝更合理、更具优势化的方向全面发展，提高加工性能，同时考虑降低机床制造的成本。数控电火花 加工在控制技术上将朝自动化、智能化