第2章-电火花加工.ppt

第2章电火花加工 ElectricalDischargeMachining简称EDM 2 所谓电火花加工 ElectricalDischargeMachine简称EDM 是指在介质中 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 使零件的尺寸 形状和表面质量达到预定要求的加工方法 2 1电火花加工的概念及分类 2 1 1电火花加工的概念 3 在火花放电时 火花通道内瞬时产生的大量热致使电极表面的金属产生局部熔化甚至气化而被蚀除下来 4 电火花加工表面不同于普通金属切削表面具有规则的切削痕迹 其表面是由无数个不规则的放电凹坑组成 5 2 1 2电火花加工的特点 1 优点 1 适合于加工任何难切削导电材料材料的可加工性主要取决于材料导电性及热学特性 与其力学性能 硬度 强度等 无关 2 可以加工特殊及复杂形状的表面和零件没有机械加工的切削力 适宜加工低刚度工件及进行微细加工 3 易于实现加工过程自动化直接利用电能加工 而电能 电参数较机械量易于实现数字控制 适应控制 智能化控制和无人化操作等 4 通过改进结构设计 改善零件结构的加工工艺性 6 2 局限性 1 一般只能加工金属等导电材料 2 加工速度一般较慢 3 存在电极损耗 4 最小角部半径有限制 5 加工表面有变质层甚至微裂纹 7 电火花加工系统原理示意图 8 实现电火花加工的必要条件 1 工具电极与工件保持一定的放电间隙 一般是几个微米至数百微米 加工中必须用自动进给调节机构来保证加工间隙随加工状态而变化 2 火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 如火花油 水溶性工作液或去离子水等 液体介质有压缩放电通道的作用 同时液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属蚀除产物 碳黑等从放电间隙中排出去 并对电极和工件起到较好的冷却作用 2 1 3电火花加工应具备的条件 9 3 放电点局部区域的功率密度足够高 一般为105 106A cm2 放电时所产生的热量 足以使放电通道内金属局部产生瞬时熔化甚至气化 4 火花放电是瞬时的脉冲性放电 放电的持续时间一般为10 7 10 3秒 由于放电时间短 放电时产生的热量来不及扩散到工件材料内部 能量集中 温度高 放电点集中在很小范围内 5 在先后两次脉冲放电之间 需要有足够的停歇时间 排除电蚀产物 使极间介质充分消电离 恢复介电性能 以保证下次脉冲放电不在同一点进行 避免形成电弧放电 使重复性脉冲放电顺利进行 10 脉冲电源的放电电压及电流波形 极间放电电压和电流波形a 电压波形b 电流波形 11 按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同 电火花加工大致可分为 1 电火花穿孔成形加工2 电火花线切割3 电火花同步共扼回转加工4 电火花高速小孔加工5 电火花表面强化与刻字 2 1 4电火花加工的类型及适用范围 12 适用范围 1 电火花穿孔成形加工 1 穿孔加工 各种冲模 挤压模 粉末冶金模 异形孔及微孔等 2 型腔加工 加工各类型腔模及各种复杂的型腔工件 2 电火花线切割 1 切割各种冲模和具有直纹面的零件 2 下料 截割和窄缝加工 13 适用范围 3 电火花同步共扼回转加工以同步回转 展成回转 倍角速度回转等不同方式 加工各种复杂型面的零件 如高精度的异形齿轮 精密螺纹环规 高精度 高对称度 表面粗糙度值小的内 外回转体表面等 4 电火花高速小孔加工 1 线切割预穿丝孔 2 深径比很大的小孔 如喷嘴等 5 电火花表面强化与刻字 1 模具刃口 刀 量具刃口表面强化和镀覆 2 电火花刻字 打印记 14 2 2电火花放电的微观过程 电场强度畸变最大 介电强度最薄弱处产生雪崩式电离过程 导致介质击穿 放电通道建立 高电流密度 带电粒子高速运动 通道中心产生高温 高压 2 2 1极间介质的电离 击穿 形成放电通道 15 极间未施加放电脉冲时的情况 16 极间施加放电脉冲形成放电通道 17 通道内形成电子流与离子流 电能 动能 热能 极间介质一旦被电离 击穿 形成放电通道后 脉冲电源使通道内的电子高速奔向正极 正离子奔向负极 使电能变成动能 动能通过带电粒子对相应电极材料的高速碰撞转变为热能 使正负极表面产生高温 高温除使工作液气化 热分解外 也使金属材料熔化甚至气化 2 2 2介质热分解 电极材料熔化 气化 热膨胀 18 2 2 3电极材料的抛出 通道内的正负电极表面放电点瞬时高温使工作液汽化并使得两电极对应表面金属材料产生熔化 气化 形成一个扩张的 气泡 从而将熔化或气化的金属材料推挤 抛出而使其进入工作液中 抛出的两极带电荷的材料在放电通道内汇集后进行中和及凝聚 最终形成了细小的中性圆球颗粒 成为电火花加工的蚀除产物 19 电极表面产生熔化甚至气化 20 2 2 4极间介质的消电离 一次脉冲放电结束 此后还应有一段间隔时间 使间隙介质消电离 即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子 恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度 以免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电 这样可以保证按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道 21 陨石撞击地球示意图 22 电火花加工表面的放电凹坑 23 2 3电火花加工的基本规律 2 3 1电火花加工的极性效应1 极性效应极性 工件或电极接入电源回路的正极或负极 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叫做极性效应 对极性的规定 以工件所接为准 电子流 离子流 长脉宽与短脉宽 工作液和电极对等都影响极性效应 24 极性效应是火花放电过程中一种重要现象 产生这一现象的原因很复杂 通常对这一问题的解释是 在火花放电过程中 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的作用 在两极表面所分配到的能量不一样 因而熔化 气化抛出的电蚀量也不一样 极性效应 25 这是因为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 使电极材料迅速熔化和气化 而正离子则由于质量和惯性较大 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 到达负极表面并传递能量的只有一小部分离子 26 在用短脉冲加工时 电子的轰击作用大于离子的轰击作用 正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度 这时工件应接正极 当采用长脉冲加工时质量和惯性大的正离子将有足够的时间加速 到达并轰击负极表面的离子数将随放电时间的增长而增多 由于正离子的质量大 对负极表面的轰击破坏作用强 这时工件应接负极 因此 当采用窄脉冲精加工时 应选用正极性加工 当采用长脉冲粗加工时 应采用负极性加工 以得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗 27 除了充分地利用极性效应 正确地选用极性 最大限度地降低工具电极的损耗外 还应合理选用工具电极的材料 根据电极对材料的物理性能和加工要求选用最佳的电参数 使工件的蚀除速度最大 工具损耗尽可能小 28 2 3 2影响加工蚀除速度的因素 1 电参数的影响在电火花加工过程中 无论正极或负极 单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比的关系 而工艺系数与电极材料 脉冲参数 工作介质等有关 某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和 故正 负极的蚀除速度与单个脉冲能量 脉冲频率成正比 单个脉冲放电所释放的能量取决于极间放电电压 放电电流和放电持续时间 所以单个脉冲放电能量为 WM 式中te 单个脉冲实际放电时间 s WM 单个脉冲放电能量 J 放电间隙中随时间而变化的电压 V 放电间隙中随时间而变化的电流 A 30 放电凹坑形状与放电参数示例 31 近期的研究还发现放电的蚀除量不仅与能量的大小有关 还与蚀除的形式有关 对于窄脉宽高峰值电流放电的情况产生的蚀除形式主要是以材料的气化为主 而大脉宽低峰值电流主要产生的蚀除形式是熔化方式 气化形式的蚀除效率比熔化的要高30 50 并且表面残留的金属及表面质量有明显差异 32 放电蚀除形式的不同产生的表面质量及蚀除凹坑形状差异 33 由上述分析可知 如果要提高蚀除速度 可以采用提高脉冲频率 增加单个脉冲能量 或者说增加平均放电电流 或峰值电流 和脉冲宽度 减小脉间的方式获得 此外还可以通过增加峰值电流 采用小脉宽 高峰值电流的放电方式 以获得气化的蚀除方式 从而达到既提高蚀除速度 同时又改善表面质量的目的 34 金属材料热学常数的影响 金属热学常数是指熔点 沸点 气化点 热导率 比热容 熔化热 气化热等 显然当脉冲放电能量相同时 金属的熔点 沸点 比热容 熔化热 气化热愈高 电蚀量将愈少 愈难加工 另一方面 热导率愈大 瞬时产生的热量容易传导到材料基体内部 因而也会降低放电点本身的蚀除量 钨 钼 硬质合金等熔点 沸点较高 所以难以蚀除 纯铜的熔点虽然比铁 钢 的低 但因导热性好 所以耐蚀性也比铁好 铝的导热系数虽然比铁 钢 的大好几倍 但其熔点较低 所以耐蚀性比铁 钢 差 石墨的熔点 沸点相当高 导热系数也不太低 故耐蚀性好 适合于制作电极 35 3 工作介质对电蚀量的影响在电火花加工过程中 工作介质的作用是 形成火花击穿放电通道 并在放电结束后迅速恢复级间的绝缘状态 对放电通道产生压缩作用 帮助电蚀产物的抛出和排除 对工具 工件起到冷却作用 介电性能好 密度和黏粘度大的工作液有利于压缩放电通道 提高放电的能量密度 强化电蚀产物的抛出效果 但粘度大 不利于电蚀产物的排出 影响正常放电 36 目前电火花成形加工主要采用油类作为工作液 粗加工时采用的脉冲能量大 加工间隙也较大 爆炸排屑抛出能力强 往往选用介电性能 粘度较大的机油 且机油的燃点较高 大能量加工时着火燃烧的可能性小 而在中 精加工时放电间隙比较小 排屑比较困难 故一般均选用粘度小 流动性好 渗透性好的煤油作为工作液 但考虑到实际加工的方便性 一般均采用火花油或煤油做为工作介质 37 4 影响电蚀量的一些其他因素首先是加工过程的稳定性 加工过程不稳定将干扰以致破坏正常的火花放电 使有效脉冲利用率降低 降低加工速度 严重时将产生结碳拉弧 使加工难以进行 其次如果加工面积较小 而采用的加工电流较大 也会使局部电蚀产物浓度过高 放电点不能分散转移 放电后的余热来不及扩散而积累起来 造成过热 形成电弧 破坏加工的稳定性 38 2 3 3蚀除速度和电极损耗的关系 1 加工速度体积加工速度mm3 min 质量加工速度g min 2 工具电极相对损耗速度和相对损耗比电极相对损耗 衡量工具电极是否耐损耗 不能只看工具损耗速度Ve 还要看同时能达到的加工速度Vw 即以相对损耗或损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标 即 Ve Vw 100 39 为了降低工具电极的相对损耗 必须充分利用好电火花加工过程中的各种效应 这些效应主要包括 1 正确选择极性 2 利用吸附效应 3 利用传热效应 4 选用合适的材料 40 2 3 4影响加工精度的主要因素 1 放电间隙的大小及一致性 2 工具电极的损耗及稳定程度 3 二次放电 4 边角损耗 41 电火花加工时 如果加工过程中放电间隙能保持不变 则可以通过修正工具电极的尺寸对放电间隙进行补偿 以获得较高的加工精度 然而 放电间隙的大小实际上是变化的 影响着加工精度 除了间隙能否保持一致性外 间隙大小对加工精度也有影响 尤其是对复杂形状的加工表面 棱角部位电场强度分布不均 间隙越大 影响越严重 另外 还必须尽可能使加工过程稳定 1 放电间隙的大小及其一致性 42 2 工具电极的损耗及其稳定性 电火花穿孔加工时 电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗 型腔加工时则无法采用这一方法 精密型腔加工时一般可采用更换电极的方法保障加工精度 43 3 二次放电 二次放电是指在已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电 集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝等方面 加工过程中 由于工具电极下端部加工时间长 绝对损耗大 而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在 二次放电 的机率大而扩大 因而产生了加工斜度 44 电火花加工时的加工斜度 45 4 边角损耗 电火花加工时 工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上 这是因为当工具为凹角时 工件上对应的尖角处放电蚀除的机率大 容易遭受电蚀而成为圆角 当工具为尖角时 一是由于放电间隙的等距性 工件上只能加工出以尖角顶点为圆心 放电间隙为半径的圆弧 二是工具上的尖角本身因尖端放电蚀除的机率大而损耗成圆角 46 电火花加工时尖角变圆 47 1 表面粗糙度影响表面粗糙度的因素有单个脉冲能量 工件材料 2 表面变质层熔化层 热影响层 基体金属 表面层的显微裂纹 2 3 5电火花加工的表面质量 48 电火花加工表面显微裂纹 49 3 表面机械性能1 显微硬度及耐磨性 2 残余应力 3 抗拉疲劳性能 常用的后置处理手段 手工抛磨 电抛磨 超声抛光 磨料喷射加工 磨料流动加工 化学抛光 50 电火花加工表面抛光处理 51 2 4电火花成形加工机床 2 4 1电火花成形加工机床的结构及组成电火花成形加工设备一般由机床本体 脉冲电源 自动控制系统三部分组成 机床的结构形式有 龙门式 框形立柱式 台式 滑枕式 悬臂式 便携式等多种结构 52 几种典型的电火花成形加工机床 53 2 4 2主机各部分的结构及其作用 1 床身 立柱及数控轴床身 立柱是基础结构件 其作用是保证电极与工作台 工件之间的相互位置 立柱上承载的横向 X 纵向 Y 及垂直方向 Z 轴的运动对加工精度起到至关重要的作用 这种C型结构使得机床的稳定性 精度保持性 刚性及承载能力较高 工作台固定工作台结构使工件及工作液的重量对加工过程没有影响 加工更加稳定 同时方便大型工件的安装固定及操作者的观察 54 工作台工作台用来支承及装夹工件 通过坐标调整找正工件对电极的相对位置 作纵横向移动的工作台一般都带有坐标装置 常用的是靠刻度手轮来调整位置 随着加工精度要求的提高 通常采用光学坐标读数装置 磁尺数显等装置 置于工作台上的工作液箱 加工时容纳工作液 放电蚀除过程在其中进行 大型机床一般采用固定工作台 固定工作台结构使工件及工作液的重量对加工过程没有影响 加工更加稳定 同时方便大型工件的安装固定及操作者的观察 55 C型三轴数控机床主机 56 数控机床工作台导向及驱动部件 57 主轴头主轴头是电火花成形加工机床的一个最为关键的部件 可实现上 下方向的Z轴运动 它的结构是由伺服进给机构 导向和防扭机构 辅助机构三部分组成 它控制工件与工具电极之间的放电间隙 主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标 如加工效率 几何精度以及表面粗糙度 58 直线电机与普通电机驱动 59 直线电机最大的优点 首先是避免了把旋转变换成直线进给的滚珠丝杆所引起的诸多问题 如间隙等 其次就是传递效率较高 在电机驱动系统中驱动滚珠丝杠与电机本身的旋转运动中 因有摩擦阻力而使能量损失 而直线电机加速所需要的电能 能全部被转换成动能 60 数控电火花成形机床C轴功能 61 工作液循环及过滤系统工作液循环系统一般包括工作液箱 电动机 泵 过滤器 管道 阀 仪表等 工作液箱可以放入机床内部成为整体 也可以与机床分开 单独放置 对工作液进行强迫循环 是加速电蚀产物的排除 改善极间加工状态的有效手段 62 工作液循环系统原理图 63 电火花成形机床纸质过滤芯 64 2 4 3脉冲电源 电火花加工脉冲电源的作用是在电火花加工过程中提供能量 它的功能是把工频正弦交流电转变为适应电火花加工需要的脉冲电源 脉冲电源输出的各种电参数对电火花加工的加工速度 表面粗糙度 工具电极损耗以及加工精度等各项工艺指标都具有重要的影响 65 1 对脉冲电源的要求及其分类 1 脉冲电压波形的前后沿应该很陡 即脉冲电流及脉冲能量的变化较小 减小因电极间隙的变化或极间介质污染程度等引起工艺过程的波动 2 脉冲是单向的 即没有负半波或负半波很小 这样才能最大限度地利用极性效应 实现高效低耗的加工 3 脉冲电流的主要参数如电流幅值 脉冲宽度 脉冲间隔等应能在很宽的范围内调节 以满足粗 中 精加工的不同要求 4 工作稳定可靠 操作维修方便 成本低 寿命长 体积小 66 按主要元件分类包括 弛张式脉冲电源 电子管式脉冲电源 闸流管式脉冲电源 脉冲发电机式脉冲电源 可控硅式脉冲电源和晶体管式脉冲电源 按输出波形分类包括 矩形波脉冲电源 矩形波派生脉冲电源和非矩形波脉冲电源 例如正弦波 三角波等 按受间隙状态影响分类包括 非独立式脉冲电源 独立式脉冲电源和半独立式脉冲电源 按工作回路数目分类包括 单回路脉冲电源和多回路脉冲电源 67 弛张式脉冲电源 RC脉冲电源 这类脉冲电源的工作原理是利用电容器充电储存电能 而后瞬时放出 形成火花放电来蚀除金属 因为电容器时而充电 时而放电 一弛一张 故称 弛张式 脉冲电源 2 4电火花加工机床 2 4 3 脉冲电源 1 非独立式脉冲电源 1 RC线路脉冲电源 当直流电源接通后 电流经限流电阻R向电容C充电 电容C两端的电压按指数曲线上升 此时 电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电压 当电容C两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压Ud时 间隙就被击穿 此时电阻变得很小 电容器上储存的能量瞬时放出 形成较大的脉冲电流 图RC线路脉冲电源1 工具电极2 工件电极 电容上的能量释放后 电压下降到接近于零 间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态 完成一次循环 此后电容器再次充电 又重复前述过程 如右图所示 2 4电火花加工机床 2 4 3 脉冲电源 1 非独立式脉冲电源 1 RC线路脉冲电源 RC线路脉冲电源的最大优点为 RC线路脉冲电源的缺点是 结构简单 工作可靠 成本低 在小功率时可以获得很窄的脉宽 小于0 1 s 和很小的单个脉冲能量 可用作光整加工和精微加工 电能利用效率很低 最大不超过36 生产效率低 图4 15RC线路脉冲电压电流波形图a 电压b 电流 工艺参数不稳定 因大部分电能经过电阻R时转化为热能损失掉了 这在大功率加工时是很不经济的 因为电容器的充电时间tc比放电时间te长50倍以上 见图4 15 脉冲间歇系数太大 因为这类电源本身并不 独立 形成和发生脉冲 而是靠电极间隙中工作液的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断 所以间隙大小 间隙中电蚀产物的污染程度及排出情况等都影响脉冲参数 因此脉冲频率 宽度 单个脉冲能量都不稳定 70 3 晶体管脉冲电源 2 4电火花加工机床 2 4 3 脉冲电源 2 独立式脉冲电源 1 晶闸管式脉冲电源 晶闸管式脉冲电源是利用晶闸管作为开关元件而获得单向脉冲的 晶体管式脉冲电源是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的 它具有脉冲频率高 脉冲参数容易调节 脉冲波形较好 易于实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点 所以应用非常广泛 特别在中 小型脉冲电源中 都采用晶体管式电源 由于晶闸管的功率较大 脉冲电源所采用的功率管数目可大大减少 因此 100 200A以上的大功率粗加工脉冲电源 一般采用晶闸管 2 晶体管式脉冲电源 2 4电火花加工机床 2 4 3 脉冲电源 2 独立式脉冲电源 图为自振式晶体管脉冲电源原理图 为了加大功率 并可调节粗 中 精加工规准 整个功率级由几十只大功率高频晶体管分为若干路并联 精加工只用其中一路或二路 近年来随着电火花加工技术的发展 为进一步提高有效脉冲利用率 达到高速 低耗 稳定加工以及一些特殊需要 在晶闸管式或晶体管式脉冲电源的基础上 派生出高 低压复合脉冲电源 多回路脉冲电源 等脉冲电源 自适应控制脉冲电源以及多功能电源等 为了在放电间隙短路时不致损坏晶体管 每只晶体管均串联有限流电阻R 并可以在各管之间起均流作用 2 晶体管式脉冲电源 图自振式晶体管脉冲电源框图 主振级Z为一不对称多谐振荡器 它发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号 以后经放大级F放大 最后推动末级功率晶体管导通或截止 末级晶体管起着 开 关 的作用 它导通时 直流电源电压U即加在加工间隙上 击穿工作液进行火花放电 当晶体管截止时 脉冲即行结束 工作液恢复绝缘 准备下一脉冲的到来 73 4 高低压复合脉冲电源 放电间隙并联两个供电回路 一个为高压脉冲回路 主要起击穿间隙的作用 另一个低压脉冲回路 起着蚀除金属的作用 所以称之为加工回路 二极管用以阻止高压脉冲进入低压回路 高低压复合脉冲电源 74 5 多回路脉冲电源 在加工电源的功率级并联分割出相互隔离绝缘的多个输出端 可以同时供给多个回路进行放电加工 这样不依靠增大单个脉冲放电能量 即不使表面粗糙度值变大而可以提高生产率 适用于大面积 多工具和多孔加工 多回路脉冲电源 75 6 等 能量 脉冲电源 等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等 等脉冲电源能自动保持脉冲电流宽度相等 用相同的脉冲能量进行加工 从而可以在保证一定表面粗糙度情况下 进一步提高加工速度 等能量脉冲电源电压和电流波形 76 2 4 4自动进给机构 为保持恒定的间隙 电极的进给速度应与该方向上材料的蚀除速度相等 由于材料的去除速度常受加工面积 排屑 排气条件等的影响而不可能为定值 因此采用恒速进给系统是不合适的 必须通过自动进给调节机构来控制电极的进给 77 自动进给调节系统方框图 78 1 测量环节加工间隙 及变化 的不可测间隙间接测量方法 平均间隙电压测量法 利用稳压管来测量脉冲电压的峰值 79 平均间隙电压检测电路 80 用稳压管测量脉冲电压峰值信号 81 2 比较环节比较环节用以根据 设定值 来调节进给速度 以适应粗 中 精不同的加工规准 实质上是把从测量环节得来的信号和 设定值 的信号进行比较 再按此差值来控制加工过程 大多数比较环节包含或合并在测量环节之中 82 3 放大驱动器由测量环节获得的信号 一般都很小 难于驱动执行元件 必须要有一个放大环节 通常称它为放大器 为了获得足够的驱动功率 放大器要有一定的放大倍数 然而 放大倍数过高也不好 它将会使系统产生过大的超调 即出现自激现象 使工具电极时进时退 调节不稳定 83 4 执行环节根据控制信号的大小及时地调节工具电极的进给量 以保持合适的放电间隙 从而保证电火花加工正常进行 目前电火花加工自动进给调节机构的执行机构的种类很多 大致可分为 1 电液压式 喷嘴 挡板式 2 步进电动机 3 宽调速力矩电动机直流伺服电动机 4 交流伺服电动机 84 2 4 7电火花加工过程中的参数控制 电火花加工中经常有各种各样的干扰 有短路 拉弧和空载等 这类干扰经常会大大加剧电极损耗或使加工速度降到零 而且常常会烧伤工件和电极 单靠伺服进给系统常常不能避免这类情况的出现 因此需要对加工过程不断地检测和在干扰严重时作出极快速的响应 不安全的加工情况主要表现为拉弧和短路两种方式 85 拉弧现象 所谓 拉弧 就是放电连续地发生在电极表面的同一位置上 形成稳定电弧放电 其脉冲电压波形的特征通常是没有击穿延时或放电维持电压稍低且高频分量少 拉弧在最初几秒钟就表现出很大的危害性 电极和工件上会烧蚀出一个深坑 产生严重的热影响区 可深达几毫米 并可能以1mm min以上的速度增长 使工件和工具电极报废 短路虽然本身既不产生材料蚀除 也不损伤电极 但在短路处会造成一个热点 而在短路多次后 自动调节系统使工具电极回退消除短路时 易引发拉弧 86 拉弧问题的处理 拉弧是对加工表面质量与电极最严重的一种破坏的放电方式 应竭力避免 但一旦出现拉弧现象后 可采用以下步骤给予补救 1 增大脉冲间隔 2 调大伺服参考电压 加工间隙 3 引入周期抬刀运动 加大电极上抬和加工的时间比 4 减小放电电流 峰值电流 5 暂停加工 清理电极和工件 例如用细砂纸轻轻研磨 后再重新加工 6 试用反极性加工一段时间 使积碳表面加速损耗掉 87 2 5电火花成形加工工艺 电火花成形加工的基本工艺包括 电极的制作 工件准备及装夹定位 冲抽油方式的选择 加工规准的选择 电极缩放量的确定及平动 摇动 量的分配等 88 2 5 1电极的制作 1 电极材料的选择在电火花加工中工具电极材料应满足高熔点 低热胀系数 良好的导电导热性能和力学性能等基本要求 从而在使用过程中具有较低的损耗率和抵抗变形的能力 目前在研究和生产中已经使用的工具电极材料主要有紫铜 铜钨合金 银钨合金以及石墨电极等 由于铜钨合金和银钨合金的价格高 机械加工比较困难 故选用的较少 常用的为紫铜和石墨 这两种材料的共同特点是在大脉冲粗加工时都能实现低损耗 89 2 电极的设计 1 穿孔加工穿孔加工时 由于凹模的精度主要决定于工具电极的精度 因而对它有较为严格的要求 工具电极应有足够的长度 要考虑端部损耗后仍有足够的修光长度 若加工硬质合金时 由于电极损耗较大 电极还应适当加长 工具电极的截面轮廓尺寸除考虑配合间隙外 还要考虑比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一个加工的火花放电间隙 90 2 型腔模电极设计加工型腔模时的工具电极尺寸 一方面与模具的大小 形状 复杂程度有关 而且与电极材料 加工电流 深度 余量及间隙等因素有关 当采用平动法加工时 还应考虑所选用的平动量 91 3 电极制造紫铜电极可采用电火花线切割 电火花磨削 一般机械加工 数控铣 电铸等方式来制造 石墨电极应采用质细 致密 颗粒均匀 气孔率小 灰粉少 强度高的高纯石墨制造 92 石墨材料的致密程度 93 4 电极的装夹与校正 电极装夹与校正的目的是使电极正确 牢固地装夹在机床主轴的电极夹具上 使电极轴线和机床主轴轴线一致 保持电极与工件的垂直和相对位置 电极的装夹主要由电极夹头来完成 94 2 5 2工件的准备及装夹定位 电火花加工前 工件型腔部分要进行预加工 并留适当的电火花加工余量 电火花加工时将工件安装于工作台 并要对工件进行校正 以保证工件的坐标系方向与机床的坐标系方向一致 当工件和电极装夹 校正完成后 就需要将电极对准工件的加工位置 才能在工件上加工出准确的型腔 95 2 5 4加工规准的选择 电规准是指电火花加工过程中一组电参数 如电压 电流 脉宽 脉间等 电规准选择正确与否 将直接影响着型腔加工工艺指标 应根据工件的要求 电极和工件的材料 加工工艺指标和经济效果等因素来确定电规准 并在加工过程中及时地转换 96 在粗加工时 要求较高的加工速度和低电极损耗 这时可选用宽脉冲 高峰值电流的粗规准进行加工 电流要根据工件而定 刚开始加工时 接触面积小 电流不宜过大 随着加工面积的增大 可逐步加大电流 当粗加工进行到接近的尺寸时 应逐步减小电流 改善表面质量 以尽量减少中加工的修整量 精加工时 采用窄脉宽 小电流的精规准 将表面粗糙度改善到优于Ra2 5 m的范围 这种规准下的电极相对损耗相当大 可达10 25 但因加工量很少 所以绝对损耗并不大 97 2 6电火花加工方法 98 WEDG 99 100 2 6电火花加工方法 2 6 1电火花穿孔加工方法1 直接加工法这种方法是将凸模直接作为电极加工凹模形孔的工艺方法 2 间接加工法这种方法是将凸模与加工凹模的电极分开制造 即根据凹模尺寸设计电极 并加工制造电极 然后对凹模进行放电加工 再按冲裁间隙配制凸模 3 混合加工法这种方法是电极与凸模选用的材料不同 通过焊锡或其他粘合剂 将电极与凸模粘接在一起加工成形 然后对凹模进行加工 加工后 将电极与凸模分开 4 5电火花成形加工的应用 4 5 4型腔模的电火花加工 型腔模包括锻模 压铸模 胶木膜 塑料模 挤压模等 1 单电极平动法 1 型腔模电火花加工的工艺方法 它的加工比较困难 由于均是盲孔加工 工作液循环和电蚀产物排除条件差 工具电极损耗后无法靠主轴进给补偿精度 金属蚀除量大 其次是加工面积变化大 加工过程中电规准的变化范围也较大 又因型腔模形状复杂 电极损耗不均匀 对加工精度影响也很大 因此 对型腔模的电火花加工 既要求蚀除量大 加工速度高 又要求电极损耗低 并保证所要求的精度和表面粗糙度 它是采用一个电极完成型腔的粗 中 精加工的 在型腔模电火花加工中应用最广泛 4 5电火花成形加工的应用 4 5 4型腔模的电火花加工 1 型腔模电火花加工的工艺方法 平动头的动作原理是 1 单电极平动法 图平动头扩大间隙原理图 如图示 利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动 许多小圆的外包络线就形成加工型腔 从而进行 仿形 加工 其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量 其大小可以由零逐渐调大 以补偿粗 中 精加工的电火花放电间隙之差 从而达到修光型腔的目的 103 机械平动头和数控平动头 机械平动头数控平动头 4 5电火花成形加工的应用 4 5 4型腔模的电火花加工 1 型腔模电火花加工的工艺方法 首先采用低损耗 1 高生产率的粗规准进行加工 然后按照粗 中 精的顺序逐级改变电规准 与此同时 依次加大电极的平动量 以补偿前后两个加工规准之间型腔侧面放电间隙差和表面微观不平度差 完成整个型腔模的加工 1 单电极平动法 单电极平动法的最大优点是只需一个电极 一次装夹定位 便可达到 0 05mm的加工精度 并利于排除电蚀产物 它的缺点是难以获得高精度的型腔模 特别是难以加工出清棱 清角的型腔 采用数控电火花加工机床时 是利用工作台按一定轨迹做微量移动来修光侧面的 为区别于夹持在主轴头上的平动头的运动 通常将其称作摇动 4 5电火花成形加工的应用 4 5 4型腔模的电火花加工 1 型腔模电火花加工的工艺方法 1 单电极平动法 近年来出现的用简单电极展成法加工复杂表面技术 就是靠转动的电极工具和工件间的数控运动及正确的编程来实现的 不必制造复杂的电极工具 就可以加工复杂的模具或零件 大大缩短了生产周期和展示出数控技术的 柔性 及适应能力 由于摇动轨迹是靠数控系统产生的 所以具有更灵活多样的模式 除了小圆轨迹运动外 还有方形 十字形运动 因此更能适应复杂型状的侧面修光的需要 尤其可以做到尖角处的 清根 这是平动头所无法做到的 如右图所示 图4 33几种典型的摇动模式和加工实例a 基本摇动模式b 锥度摇动模式c 数控联动加工实例R1 起始半径R2 终了半径R 球面半径 图4 33a为基本摇动模式 图4 33b为工作台变半径圆形摇动 主轴上下数控联动 可以修光或加工出锥面 球面 可以利用数控功能加工出以往普通机床难以或不能实现的零件 如利用简单电极配合侧向 x y向 移动 转动 分度等进行多轴控制 可加工复杂曲面 螺旋面 坐标孔 槽等 106 数控摇动加工摇动加工的作用是 1 可以逐步修光侧面和底面的表面 2 可以精确控制加工尺寸精度 3 可以加工出清棱 清角的侧壁和底边 4 变全面加工为局部面积加工 有利于排屑和稳定加工 107 数控摇动加工功能示意图 4 5电火花成形加工的应用 4 5 4型腔模的电火花加工 1 型腔模电火花加工的工艺方法 2 多电极更换法 一般用两个电极进行粗 精加工就可满足要求 当型腔模的精度和表面质量要求很高时 才采用三个或更多个电极进行加工 但要求多个电极的一致性好 制造精度高 多电极更换法是采用多个电极依次更换加工同一个型腔 每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉 另外 更换电极时要求定位装夹精度高 因此一般只用于精密型腔的加工 例如盒式磁带 收录机 电视机等机壳的模具 都是用多个电极加工出来的 4 5电火花成形加工的应用 4 5 4型腔模的电火花加工 1 型腔模电火花加工的工艺方法 3 分解电极法 根据型腔的几何形状 把电极分解成主型腔和副型腔电极分别制造 先加工出主型腔 后用副型腔电极加工尖角 窄缝等部位的副型腔 分解电极法是单电极平动加工法和多电极更换加工法的综合应用 它工艺灵活性强 仿形精度高 适用于尖角窄缝 沉孔 深槽多的复杂型腔模具加工 近年来国外已广泛采用像加工中心那样具有电极库的3 5坐标数控电火花机床 事先把复杂型腔分解为简单表面和相应的简单电极 编制好程序 加工过程中自动更换电极和转换规准 实现复杂型腔的加工 此方法的优点是可以根据主 副型腔不同的加工条件 选择不同