第二章 电火花加工.ppt

第二章电火花成型加工 又称放电加工或电蚀加工指在一定的介质中 通过工具电极和工件之间脉冲放电时的电腐蚀作用对工件进行加工的一种工艺方法电火花成型可加工多种高熔点 高强度 高纯度 高韧性材料 可加工特殊及复杂形状的零件 广泛用于各类模具加工中2 1电火花成型加工原理及特点2 2电火花成型加工机床2 3电火花成型加工的基本规律2 4影响电火花成型加工质量的因素2 5电火花成型加工的电极 2 1电火花成型加工原理及特点 一 电火花成型加工原理 利用两电极的火花放电对电极材料进行蚀除 1工件2脉冲电源3自动进给装置4工具电极5工作液6过滤器7泵 二 电火花成型加工的条件 1 脉冲电源2 足够的放电能量3 放电间隙4 绝缘介质 1 脉冲电源 电火花成型时必须具有脉冲波形为单向的脉冲电源 脉冲电源参数 脉冲宽度ti 放电延续时间 ti应小于0 001s 以使放电气化产生的热量不会传导扩散到其它部位 只是在极小范围内使金属局部熔化 直至气化脉冲间隔t0 相邻脉冲之间的间隙时间 使放电介质有足够的时间恢复绝缘状态 称为消电离 脉冲周期T ti t0 峰值电压 工件和电极间隙开路时电极间的最高电压ui峰值电流 工件和电极间隙火花放电时脉冲电流瞬间的最大值i 2 足够的放电能量 放电能量的大小应能使放电部位的金属融化或气化 3 放电间隙 加工时 工件和电极间的距离 一般为0 01 0 1mm左右 间隙过大 极间电压不能击穿介质 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 4 绝缘介质 煤油工作液 为避免起火可采用燃点较高的机油或煤油与机油的混合物水基工作液 可大幅度提高粗加工效率 二 电火花成型加工的条件 三 电火花成型加工的特点及应用 1 可加工用机械加工方法难于或无法加工的材料如淬火钢 硬质合金钢 耐热合金钢等2 可加工小孔 深孔 窄缝零件加工时不接触 不必担心工具或工件刚度问题3 电极加工容易电极材料不必比工件材料硬 不存在机械加工时由于刀具硬度而无法加工的问题4 直接利用电能 热能进行加工 便于实现加工过程自动控制5 只能加工导电材料6 加工速度慢7 电极有损耗 四 电火花加工方法分类 表2 1 2 2电火花加工的机理 包括 电离 放电 热膨胀 抛出金属和消电离等几个连续的阶段 放电状态微观图1阳极2阳极气化 熔化区3熔化的金属微粒4工作介质5凝固的金属微粒6阴极气化 熔化区7阴极8放电通道9气泡10覆盖层11新的凸边 2 2电火花加工的机理 1电离 当脉冲电压施加于工件与电极之间时 突出点或尖端处附近的工作液首先被电离为电子和正离子2放电 在电场的作用下 电子高速奔向阳极 正离子奔向阴极 产生火花放电 形成放电通道 2 2电火花加工的机理 3热膨胀 放电通道中电子和离子高速运动时相互碰撞 动能转化成热能 在两极之间沿通道形成一个高达1000 1200 的瞬时高温热源 在热源作用区的电极和工件表面金属会很快熔化 甚至气化周围的工作液除一部分气化外 另一部分被高温分解为游离的碳黑和H2 C2H2 C2H4 CnH2n等气体 使工作液变黑 在极间冒出小气泡 2 2电火花加工的机理 4抛出金属 由于热膨胀爆炸 爆炸力将熔化的金属抛入附近的液体介质中冷却 凝固成细小的圆球状颗粒即电蚀物 其直径视脉冲能量而异 一般为0 1 500 m 5消电离 使放电区的带电粒子复合为中性粒子的过程在一次的脉冲放电后 应有一段间隔时间 使间隙内的介质消电离而恢复绝缘强度 以实现下次脉冲击穿放电如果电蚀产物和气泡来不及很快排除 就会改变间隙内介质的成份和绝缘强度 破坏消电离过程 易使脉冲放电转变为连续电弧放电 影响加工 2 3电火花成型加工的基本规律 一 影响材料放电腐蚀的主要因素 1 极性效应 2 电规准 3 金属材料热学常数 1 极性效应 定义 在电火花加工过程中 工件和电极因所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度正极性加工 工件接在脉冲电源正极 负极性加工 工件接在脉冲电源负极极性效应基本原因 两极间电离后 正离子和电子质量不等影响的主要原因 脉冲宽度电极及工件材料加工介质电源种类单个脉冲能量等 1 极性效应 短脉冲进行加工 电子质量小 惯性也小 能迅速地到阳极 轰击阳极表面 正离子质量大 惯性大 大部分正离子尚未到达负极表面 脉冲便结束 负极的蚀除量小于正极 长脉冲加工 正离子对负极的轰击作用大于电子对正极的轰击 负极的蚀除量大于正极应用 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 正确选择加工极性 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 极性的选择主要靠经验或实验确定 指脉冲电源的脉冲宽度 脉冲间隔和峰值电流提高蚀除量和生产率的途径 提高脉冲频率增加峰值电流和脉冲宽度ti减少脉冲间隔t0 2 电规准 金属的热学常数指材料的熔点 沸点 热导率 比热容 熔化热 气化热等在脉冲能量一定时 材料的热学常数和脉冲宽度综合影响电蚀量脉冲宽度ti愈长 散失热量也愈多 使电蚀量减少脉冲宽度ti愈短 热量过于集中而来不及扩散 虽使散失的热量减少 但抛出的金属中气化部份比例增加 多耗用不少气化热 电蚀量也会降低 3 金属材料热学常数 二 影响加工精度的主要因素 主要因素 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电花火成型加工精度可达0 01 0 05mm左右 1 放电间隙大小及其一致性 工件型孔 或型腔 尺寸与电极尺寸相比 沿加工轮廓要相差一个放电间隙 单边间隙 放电间隙的大小是变化的 影响到加工精度的提高 与电火花加工工艺有关的因素 2 电极的损耗 电极的损耗对工件尺寸精度和形状精度都有很大的影响 电火花穿孔 电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗精密型腔加工时可采用更换电极的方法以提高其精度 3 二次放电 在加工深度方向上产生斜度和加工棱边变钝两方面 影响电火花加工形状精度为提高加工精度 可通过电极平动 即电极在水平面内作圆周平移运动 以补偿电极的损耗及放电间隙误差引起的工件尺寸误差 与电火花加工工艺有关的因素 三 影响加工表面质量的主要因素 1 表面粗糙度 电火花加工后的表面 是由脉冲放电时所形成的大量凹坑排列重叠而形成的电蚀表面粗糙度随脉冲宽度和电流峰值增大而增大 粗加工一般Ra 12 5 2 5 m精加工Ra 3 2 0 8 m微细加工Ra 0 8 0 2 m 加工熔点高的硬质合金等可获得比钢更低一些的表面粗糙度侧壁表面粗糙度比底面要小 2 表面变化层 凝固层 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出 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 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对未淬火钢 热影响层就是淬火层 对经过淬火的钢 热影响层是重新淬火层 表面变化层的厚度与工件材料及脉冲电源的电参数有关 它随着脉冲能量的增加而增厚粗加工时变化层一般为0 1 0 5mm精加工时一般为0 01 0 05mm 一 自动进给调节系统的作用1 原因1 工件与电极之间发生火花放电时要保持一定的放电间隙2 放电间隙在粗 精加工时不同3 工件和电极都有一定的损耗 使得放电间隙逐渐增大 当间隙大到不足以维持放电时 加工即告停止 为使加工能继续进行 电极必须不断地 及时地进给 以维持放电所需间隙4 当外来的干扰使放电间隙发生变化 如排屑不良造成短路 时 电极的进给也应随之相应变化 以保持最佳放电间隙 2 5自调节进给系统 一 自动进给调节系统的作用 2 作用 自动进给调节系统的任务即通过改变 调节主轴头 电极 进给速度 使进给速度接近并等于蚀除速度 以维持一定的 平均 放电间隙 保证电火花加工正常又稳定地进行 二 自动进给调节系统的基本组成 1 测量环节2 比较环节3 放大驱动环节将测量信号放大4 执行环节伺服电机根据信号调节进给速度5 调节环节 调节放电间隙 加工时 检测环节对放电间隙进行检测 输出一个反映间隙状态的电压信号 将信号放大后转换成不同频率的脉冲信号 经过比较判断后 决定是进给或是后退 并使电动机正转或反转 使电极和工件间始终保持最佳放电间隙 电动机自动调节系统 电液自动进给调节系统 2 6电火花成型加工机床 按控制形式可分为普通 非数控 电火花成型加工机床数控电火花成型加工机床 加工精度 加工自动化程度 加工工艺的适应性 多样性提高 在生产中得到广泛应用 数控电火花成型加工机床组成 主要由主机 脉冲电源和机床电气 数控系统和工作液循环系统等部份 1床身2 5手柄3 4 10丝杠6纵 横工作台7立柱8主轴头9主轴座11齿轮系统12电动机 1 机床主机 2 工作液循环过滤系统 工作液的作用 形成电火花放电通道 并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态对放电通道起压缩作用 使放电能量集中 将电蚀产物从放电间隙中带出来在加工中冷却电极和工件表面 4 工作液循环过滤系统工作方式 冲油式 将一定压力的清洁工作液冲向加工表面 迫使工作液连同电蚀产物从电极四周流出排屑效果好 但电蚀产物从已加工面流出时易造成二次放电 影响加工精度抽油式 从待加工表面将工作液连同电蚀产物一起抽出获得较高的精度和较小表面粗糙度 但排屑能力不如冲油式 第七节电火花穿孔成形机床 电火花穿孔成形加工的概念 利用电火花放电腐蚀金属的原理 用工具电极对工件进行复制加工 一 冲模的电火花加工优点 1 工件可以在淬火后进行 避免了热变性 2 冲模配合间隙均匀 刃口耐磨 3 不受材料硬度限制 扩大了磨具材料选用范围4 对于中小型复杂程度的凹模 可以不用镶拼结构 采用整体式 1 冲模电火花加工工艺方法L2 L1 2SL近年来 由于线切割技术的发展 凹凸模多采用线切割加工2 工具电极 1 电极材料的选择 凸模 T8A T10A等高碳钢 铬钢Cr12 GCr15 硬质合金 注意 凹凸模不要选用同一材料 否则电火花加工不稳定 工具电极的设计工具电极的截面轮廓尺寸 配合尺寸 火花放电间隙工具电极的尺寸精度及表面粗糙度 比凹模高一级 不低于IT7级 3 电极的制造 机械加工 成形研磨3 工件的准备予加工凹模型孔 并留有电火花加工余量 单边余量0 5 1 5mm 4 电规的选择及转换电规的概念 一组电参数 如 电压 电流 脉宽 脉间等 冲模加工中 常采用粗 50 500uS 中 10 100uS 精 2 6uS 三种电规 二 型腔的电火花加工1 型腔模电火花加工的工艺方法 1 型腔模加工的难点 盲孔 工作液循环和电蚀产物排出条件差 加工面积大 加工过程中电规准的变化范围大 电极损耗不均匀 影响加工精度 2 型腔加工的主要方法单电极平动法 用一个电极完成型腔的粗 中 精加工加工过程 利用平动头 作平面小圆运动 按照粗 中 精的顺序 逐级改变电规准 依次加大电极的平动量 优点 只需一个电极 一次定位装夹 缺点 难以达到高精度的型腔模 难以加工出清棱 清角的型腔 多电极更换法 采用多个电极 依次更换加工同一型腔 一般用粗 精两个电极即可 要求 1 多个电极一致性要好2 更换电极时 要求定位装夹精度高分解电极加工法 它是单电极平动法和多电极更换法的综合运用 先加工主型腔 然后用副型腔电极加工棱角等 2 型腔模加工用电极 1 电极材料的选择选用耐腐蚀性高的材料作电极 如 纯铜 铜钨合金 银钨合金 石墨 常用 纯铜 石墨 特点 采用宽脉冲粗加工时 损耗低 A 纯铜电极的优点 不宜产生电弧 精加工时比石墨电极损耗小精微加工时 粗糙度高电极用过后 经锻造 可制作加工其他型腔的电极 材料利用率高 B 石墨电极的特点容易成形及修正 在宽脉冲大电流的情况下 具有更小的电极消耗缺点 容易产生电弧烧伤 电极材料 选择损耗小 加工过程稳定 生产率高 机械加工性能良好 资源丰富 价格低廉的材料作电极材料 2 电极设计a A Kb式中a 电极水平方向尺寸 A 型腔图纸上名义尺寸K 直径方向 双边 K 2 半径方向 单边 K 1 b 电极单边缩放量 包括平动头偏心量 一般取0 5 0 9mm H l Ll 型腔在垂直方向上的有效高度 L 电极夹具和工件压板不接触时 需要增加的高度 电极损耗 影响加工精度的一个重要因素 采取措施尽量减少电极损耗受电极材料的热学物理常数的综合影响材料的熔点 沸点 比热容 熔化潜热 气化潜热愈高 则电极耐腐蚀的性能愈高 损耗愈小导热系数大的材料 能及时把瞬间产生的热量从放电区传导出去 电极损耗也小受脉冲电源的电参数 加工面积等因素的综合影响 电极结构 注 电极的尖角 棱边等凸起部位易形成尖端放电 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份 再用副电极加工尖角窄缝等部位 a整体式电极 b组合式电极 c镶拼式电极 电极尺寸 电极尺寸 横截面尺寸长度尺寸1 加工型孔用电极尺寸的确定2 加工型腔用电极尺寸的确定 1 加工型孔用电极尺寸的确定 1 横截面尺寸 一般是根据所加工模具的凸模或凹模图样尺寸确定 按凹模型孔尺寸及公差确定电极横截面尺寸 电极的轮廓应比型孔均匀的缩小一个放电间隙值例 单边放电间隙 按凸模尺寸和公差确定电极的截面尺寸 根据凸模 凹模配合间隙Z 双面 的不同 分为三种情况 配合间隙等于放电间隙 Z 2 时 电极与凸模截面基本尺寸完全相同 配合间隙小于放电间隙 Z2 时 电极轮廓应比凸模轮廓均匀的放大一个数值a1 但形状相似 电极单边缩小或放大的数值可用下式计算 2 电极的长度 取决于凹模结构形式 型孔的复杂程度 加工深度 电极使用次数 装夹形式及电极制造工艺等因素L KH H1 H2 0 4 0 8 n 1 KH 式中H 凹模的有效厚度 加工深度 H1 凹模挖空时 需加长的长度H2 夹持长度 约为10 20mm n 使用次数K 电极材料 型腔复杂程度等因素有关的系数 经验数据 紫铜为2 2 5 黄铜为3 3 5 石墨为1 7 2 铸铁为2 5 3 钢为3 3 5 2 加工型腔用电极尺寸的确定 电极的水平尺寸 型腔经过预加工 采用单电极进行电火花精加工时 其电极的尺寸确定与型孔加工相同 只需考虑放电间隙即可型腔采用单电极平动加工时 需考虑的因素较多 其计算公式为 a A Kb式中a电极水平方向上的基本尺寸 mmA型腔的基本尺寸 mm K与型腔尺寸标注有关的系数 b电极单边缩放量 mm 号确定原则 凡图样上型腔凸出部分 其相对应的电极凹入部分的尺寸要放大 即用 号 反之 则要缩小 用 号 当图样上型腔尺寸完全注在轮廓线上时 K 2一端在中心线或非轮廓线上时 K 1型腔中心线之间的位置尺寸以及角度数值 电极上相对应的尺寸不缩放 K 0 K值选取原则 e 平动量 一般取0 5 0 6mm j 精加工最后一档规准的单边放电间隙 最后一档规准通常指粗糙度Ra 0 8 m时的 j值 一般为0 02 0 03 m j 精加工时的电极侧面耗损 单边 通常忽略不计 电极单边缩放量b H1 垂直方向有效工作尺寸H1 型腔垂直方向的尺寸 型腔深度 C1 粗规准加工时 电极端面相对损耗率 其值小于1 C1H1只适用于未加工的型腔C2 中 精规准加工时电极端面相对损耗率 其值一般为20 25 S 中 精规准加工时端面总的进给量 一般为0 4 0 5mm j 最后一档精规准加工时端面的放电间隙 一般为0 02 0 03mm可忽略不计H2 考虑加工结束时 为避免电极固定板和模块相碰 同一电极多次使用等因素而增加的高度 一般取5 20mm 电极垂直方向的总高度h 3 排气孔和冲油孔的设计在不易排屑的拐角 窄缝处 应开有冲油孔 在蚀除面积大 电极表面有凹入的地方 设有排气孔 3 工作液强迫循环的应用由于型腔加工属于盲孔加工 当型腔较浅时 可设计上排气孔 以避免 放炮 现象的发生 当型腔小而深时 往往采用强迫冲油的方式 电极上应开有冲油孔 冲油的不利影响 冲油速度过高 使电蚀产物不容易反粘到电极表面 游离碳弄度降低 影响了黑膜的生成 流畅不均 使电极造成局部冲刷 使反粘及黑膜厚度不均 影响工件的加工精度 4 电规准的选择 转换 平动量的分配粗加工时 采用较宽的脉冲 脉宽400微秒以上 半精加工时 脉宽20 400微妙 精加工时 采用较窄的脉冲 脉宽2 20微妙 平动量的分配 原则上 每次平动量的扩大量 应等于或稍小于上次遗留下来的Rmax值 至少应为 1 2 Rmax 5 电火花加工工艺参数表正确的选择电火花加工规准 可跟据书中介绍的各工艺参数曲线图 进行选择 图2 35说明了表面粗糙度与脉宽 电流峰值之间的关系 图2 36单边放电间隙与脉宽 电流风制止建的关系 图2 37说明了工件蚀除速度与脉宽 电流峰值之间的关系图2 38说明了电极损耗率与脉宽 电流峰值之间的关系粗加工型腔模具时 电极损耗率必须低于1 5 电火花加工工艺参数曲线 根据主要矛盾来选择电规准 加工型腔模具 电极的低损耗型腔精加工 考虑粗糙度冲模加工 考虑粗糙度与放电间隙加工预孔 考虑生产率脉冲间隔 粗加工取脉宽的1 5 1 10 精加工脉宽的2 5峰值电流 加工面积小时 不宜选择过大的峰值电流 小孔的特点 加工面积小 深度大 盲孔加工 排屑难 小孔加工时 为避免空心管造成的 留有毛刺料心 采用专业厂特制冷拔双孔管状电极 管中通入1 5MPa的高压工作液 钻孔速度比普通钻孔快 在工具电极上 加电磁振动头 可显著改善排屑条件 电火花 超声波复合加工 三 小孔电火花加工 高速小孔加工工艺 管状电极回转并沿轴向进给 1 5MPa高压工作液 去离子水 乳化液等 排屑 加工速度达60mm min左右 孔深径比可超过100 国外公司样