第五章 特种加工.ppt

第五章模具的特种加工 第一节电火花成形加工第二节电火花线切割加工第三节电化学加工第四节超声波和激光加工 特种加工概述 一 特种加工的产生 第一阶段 第二次世界大战以前 一直局限在自古以来传统的用机械能量和切削力来除去多余的金属 以达到加工要求 第二阶段 直到1943年 前苏联拉扎林柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因 发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化 气化而被蚀除掉 开创和发明了电火花加工方法 第三阶段 各种特种加工相继出现并迅速发展解决各种难切削材料的加工问题解决各种特殊复杂表面的加工问题解决各种超精 光整或具有特殊要求的零件的加工问题 二 特种加工的优点 1 不是主要依靠机械能 而是主要用其它能量 如电 化学 光 声 热能等 去除金属材料2 加工情况与工件的硬度无关 可以实现以柔克刚 工具 电火花成形工具电极 电解加工阴极工具 超声波加工工具等 硬度可以低于被加工材料的硬度 3 属于非接触式加工 加工过程中工具与工件之间不存在显著的机械切削力 4 易于实现加工过程自动化 三 特种加工的内容 因此 特种加工技术是模具制造技术中的重要组成部分 四 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材料的可加工性不再与硬度 强度 韧性 脆性等成直接正比关系 对电火花 线切割加工而言 淬火钢比未淬火钢更易加工 2 改变了零件的典型工艺路线特种加工的出现 由于它基本上不受工件硬度的影响 而且为了免除加工后再引起淬火热处理变形 一般都先淬火而后加工 最为典型的是电火花线切割加工 电火花成形加工和电解加工等都必须先淬火 后加工 3 试制新产品方面采用光电 数控电火花线切割 可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮 包括非圆齿轮 非渐开线齿轮 微电机定子 转子硅钢片 各种变压器铁心 各种特殊 复杂的二次曲面体零件 这样可以省去设计和制造相应刀 夹 量具 模具及二次工具 大大缩短了试制周期 4 特种加工对产品零件的结构设计带来的影响采用电火花 线切割加工后 即使是硬质合金的模具或刀具 也可做成整体结构 5 对传统的结构工艺性的好与坏 需要重新衡量过去对方孔 小孔 弯孔 窄缝等被认为是工艺性很 坏 的典型 对工艺设计人员的非常 忌讳 的 有的甚至是 禁区 特种加工的采用改变了这种现象 第一节电火花成形加工 一 电火花加工概述二 型孔的电火花加工三 型腔的电火花加工 一 电火花加工概述 一 基本原理1 原理 基于工具电极和工件电极 正极和负极 之间脉冲放电时的电腐蚀现象来对工件进行加工 以达到一定形状 尺寸和表面粗糙度的要求 2 加工过程 电火花加工是在液体介质中 机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的间隙 当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压并达到介质的击穿电压时 会使介质在绝缘强度最低处被击穿 由于放电时间短且放电区域小 所以能量高度集中 使放电区温度高达10000 12000度 工件表面和工具电极表面金属局部熔化甚至汽化 局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液冷却为金属小颗粒 被循环的工作液冲离工作区 从而使工件表面形成一个微小的凹坑 一次放电后 介质的绝缘强度恢复等待下一次放电 如此反复 使工件表面不断蚀除 并在工件上复制出工具电极的形状 从而达到成形的目的 3 特点 1 火花放电产生的高温足以熔化和汽化任何导电材料 一次可以加工任何硬 脆 软 粘或高熔点的金属材料 包括热处理后的钢和合金 2 零件材料不是靠机械力去除 加工时无切削力作用 不受任何工艺因素的限制 因此可以加工小孔 窄槽及各种复杂的型孔及型腔 3 电脉冲参数的大小可以调节 故在一台机床上可完成粗 中 精连续加工 4 直接利用电能加工 便于实现自动控制和自动化 操作方便 5 电火花加工的局限性 A 一般加工速度较慢 因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量 然后再进行电火花加工以求提高生产率 但最近已有新的研究成果表明 采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工 其生产率甚至可不亚于切削加工 B 存在电极损耗 由于电极损耗多集中在尖角或底面 影响成形精度 但近年来粗加工时已能将电极相对损耗比降至0 1 以下 甚至更小 4 电火花加工的应用 由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点 因此其应用领域日益扩大 目前已广泛应用于机械 特别是模具制造 宇航 航空 电子 电机电器 精密机械 仪器仪表 汽车拖拉机 轻工等行业 以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题 加工范围已达到小至几微米的小轴 孔 缝 大到几米的超大型模具和零件 二 火花放电进行零件尺寸加工须具备的条件1 放电间隙 一般在数微米至数百微米之间 与脉冲电压和介质绝缘强度有关 由机床的间隙自动调节装置控制 2 脉冲电源电压波形 放电持续的时间短 先后两次脉冲放电之间 有足够的停歇时间使极间介质充分消电离 恢复其介电性能 以保证每次放电不在同一点重复进行 避免发生局部烧伤的现象 3 工作介质 形成火花放电条件 排除电蚀产物 冷却工件表面 多采用煤油 4 单个脉冲的放电能量足够 局部集中的电流密度足够 三 电火花放电的基本过程 物理本质 1 电离 在电场强度大的介质处开始电离 2 放电 电离后会形成放电通道 3 热膨胀 放电形成的电子和离子高速运动且互相碰撞产生热能 两极之间形成瞬时热源 工件表面金属熔化和汽化 介质则部分被分解 产生气体而膨胀 4 抛出电蚀金属 热膨胀而使蚀除产物进入附近介质而形成金属固态颗粒 5 消电离 在脉冲间隔 带电离子复合成中性粒子 介质恢复绝缘强度 四 电火花加工的基本规律主要讨论加工速度 加工精度 加工表面质量和工具电极的损耗等四个工艺指标的影响因素 1 影响加工速度的主要因素加工速度 体积加工速度和质量加工速度 指在一定的电规准下单位时间内工件被蚀除的体积或质量 1 电参数 电规准 电火花加工的每个脉冲放电都会在工件表面形成一个高温热源而使一定的工件材料蚀除 而且脉冲能量W愈大 被蚀除的材料也愈多 并近似于正比例关系 设单个脉冲蚀除的材料量为Vi 则有 Vi KW根据叠加原理 一分钟重复脉冲放电的蚀除量 即加工速度或称生产率 Vv为 Vv Vv 60f k w Vv Vv 60f k w Vi 单个脉冲放电的蚀除量 mm3 f 重复脉冲放电频率K 与电极材料 脉冲参数 加工极性及排屑有关的系数 mm3 J 有效脉冲利用率 W 单个脉冲放电释放的能量 取决于极间电压u t 放电电流i t 以及脉冲放电时间ton 结论 电火花成形加工的速度 正比于单个脉冲能量和脉冲放电频率用矩形波脉冲加工时 加工速度正比与脉冲电流幅值Im和脉冲放电持续时间ton 即正比于平均放电电流 Vv Vv 60f k w 2 极性效应概念 在电火花加工过程中 由于极性不同而发生蚀除速度不一样的现象 按工件所连接的极性分为 正极性 加工和 负极性 加工 原因 正负两极表面分别受到电子和正离子的轰击 由于电子和正离子在质量和惯性上的差异 所以在短脉冲加工时 电子的轰击作用要大于正离子的轰击作用 而长脉冲加工时 效果则相反 极性效应的应用 必须使用单向脉冲电源进行加工正确选择加工极性 当ton小于20微妙的短脉冲进行精加工时 应采用正极性加工 当ton大于50微妙的长脉冲进行粗 中加工时 应采用负极性加工 用导热性好 熔点高的材料作工具电极 以利于降低其损耗根据不同的脉冲放电能量 合理选择脉冲放电持续时间 3 工件材料的热学常数金属的熔点 沸点 比热容 熔化热 汽化热 导热系数 4 工作液A 工作液的作用 形成火花击穿放电通道 并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态 对放电通道产生压缩作用 帮助电蚀产物的抛出和排除 对工具 工件的冷却作用 B 工作液对加工速度的影响 介电性能好 密度和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生的抛出效应 但粘度在大不利于电蚀产物的排出 影响正常放电 工作液的种类 油类 机油 粗加工时采用脉冲能量大 加工间隙也较大 爆炸排屑抛也能力强 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 煤油 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 由于油类工作液有味 容易燃烧 尤其在大能量粗加工时工作液高温分解产生的烟气很大 故寻找一种象水那样的流动性好 不产生炭黑 不燃烧 无色无味 价廉的工作液介质一直是努力的目标 水类 水的绝缘性能和粘度较低 在同样加工条件下 和煤油相比 水的放电间隙较大 对通道的压缩作用差 蚀除量较少 且易锈蚀机床 但经过采用各种添加剂 可以改善其性能 且最新的研究成果表明 水基工作液在粗加工时的加工速度可大大高于煤油 甚至高于切削加工 但在大面积精加工中取代煤油还有一段距离 5 排屑条件 要保证良好的排屑条件在电火花加工过程中 极间局部区域电蚀产物 蚀除的金属微粒 热分解而形成的气泡和碳粒等 浓度过高 加之放电引起的局部温度升高 常常会影响加工过程的稳定性 以致破坏正常的火花放电 使加工过程降低甚至无法继续加工 为此 常采用冲油 将工具电极周期性地自动抬起 增大脉冲停歇时间Toff来降低平均加工电流等措施 改善排屑条件 保证加工稳定进行 随着加工深度和加工面积增大 加工型面复杂程度增加 或是工作液粘度增加 都会不利于排屑而影响加工稳定性 降低起加工速度 严重时还会造成碳 拉弧 使加工难于继续进行 甚至把工件烧伤 2 影响加工精度的因素 1 尺寸精度 电火花加工时工具电极与工件之间都存在一定的放电间隙 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尺寸来进行补偿 也能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 并可用下述经验公式来表示式中S 放电间隙 指单面放电间隙 m ui 开路电压 V Ku 与工作液介电强度有关的常数 纯煤油时为5 10 2 含有电蚀产物后Ku增大 KR 常数 与加工材料有关 一般易熔金属的值较大 对铁 KR 2 5 102 对硬质合金 KR 1 4 102 对铜 KR 2 3 102 WM 单个脉冲能量 J Sm 考虑热膨胀 收缩 振动等影响的机械间隙 约为3 m 由上式不难看出 加工条件的变化必然会引起放电间隙的变化 直接影响加工精度 实际上 放电间隙的绝对值大小也会影响加工精度 因为间隙愈大 其变化的绝对值也愈大 特别是在加工复杂形状的工件时 间隙愈大 棱角部位的圆角半径也愈大 电参数对放电间隙影响很大 用粗规准进行加工时 放电间隙可达0 5mm以上 而精规准加工时的单面间隙不到0 01mm 此外 工具电极损耗大小 也会直接影响加工尺寸精度 2 形状精度斜度 电火花加工时 通常会产生侧面斜度 即上端的尺寸比下端的尺寸大一些 产生侧面斜度的原因是由于 二次放电 和电极损耗引起的 二次放电 是指已加工过的表面 由于电蚀产物的混入而使极间实际距离减小或是极间工作液介电性能降低 而再次发生脉冲放电现象 使间隙扩大 在进行深度加工时 上端入口处加工的时间长 产生二次放电的机会多 间隙扩大量也大 而接近底端的侧面 因加工时间短 二次放电的机会少 间隙扩大量也小 因而加工时侧面会产生斜度 精规准加工时放电间隙小 侧面斜度也小 工具电极损耗也会产生斜度 因为工具电极的下端加工时间长 绝对损耗大 而上端加工时间短 绝对损耗量小 使电极形成一个有斜度的锥形电极 加工冲裁模凹模时 可以有效地利用电火花加工形成的斜度 即电火花成形的凹模下端为冲模刃口 而斜度正是冲裁模所需的落料斜度 圆角电火花加工时 工具电极上的尖角和凹角 很难精确地复制在工件上 而是形成一个小圆角 这是因为 工具电极为凹角时 在放电加工时工件上所对应的尖角处放电蚀除的机率大 容易遭到电腐蚀而形成圆角 如右图a所示 当工具电极为尖角时 一方面由于放电间隙的等距离特性 工件上只能加工出以电极尖角顶点为圆心 以放电间隙 为半径的小圆角 另一方面工具电极尖角处电场集中 放电融除的机率大而损耗成小圆角 如右图b所示 由此可知 采用高频率窄脉冲进行精加工 由于其放电间隙很小 圆角半径也就很小 一般可以获得圆角半径小于0 01mm的尖棱 3 影响加工表面质量的主要因素 1 表面粗糙度对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量 因为脉冲能量大 每次脉冲放电凹坑既大又深 从而使表面粗糙度恶化 表面粗糙度和脉冲能量之间的关系 可用如下实验公式来表示式中Ramax 实测的表面粗糙度 m KR 常数 铜加工钢时常取2 3 te 脉冲放电时间 s ie 峰值电流 A 电火花加工的表面粗糙度和加工速度之间存在着很大的矛盾 例如从Ra2 5 m提高到Ra1 5 m 加工速度要下降十多倍 工件材料对加工表面粗糙度也有影响 熔点高的材料 如硬质合金 在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料 如钢 好 当然 加工速度会相应下降 2 加工表面层的组织变化电火花加工过程中 在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下 材料的表面层发生了很大的变化 粗略地可把它分为熔化凝固层和热影响层 如图所示 熔化凝固层 位于工件表面最上层 它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来 受工作液快速冷却而凝固 对于碳钢来说 熔化层在金相照片上呈现白色 故又称之为白层 它与基体金属完全不同 是一种树枝状的淬火铸造组织 与内层的结合也不甚牢固 它由马氏体大量晶粒极细的残余奥氏体和某些碳化物组成 熔化层的厚度随脉冲能量增大而变厚 大约为1 2倍的Ramax 但一般不超过0 1mm 2 热影响层 它介于熔化层和基体之间 热影响层的金属材料并没有熔化 只是受到高温的影响 使材料的金相组织发生了变化 它和基体之间并没有明显的界限 3 显微裂纹 电火花加工表面由于受到瞬时高温作用并迅速冷却而产生拉应力 往往出现显微裂纹 4 工具电极的相对损耗在生产实际中用来衡量工具电极是否耐损耗 不只是看工具损耗速度VE 还要看同时能达到的加工速度Vw 因此 采用相对损耗或称损耗比 作为衡量工具电极耐损耗的指标 即 式中 当VE和Vw用mm3 min为单位计算时 为其体积相对损耗 VE和Vw用g min为单位计算时 为质量相对损耗 1 正确选择加工极性根据电火花加工的极性效应可知 采用窄脉冲进行精加工时 应选用正极性加工 即工件接脉冲电源正极 而采用较长脉冲进行粗 中加工时则应选用负极性加工 2 选用合适的材料作工具电极要选用加工稳定性好 损耗又小的材料作工具电极 同时兼顾材料的可加工性 以利于电极成形 如紫铜的导热性好 损耗较小 又易加工成形 石墨不仅导热性好 而且气化点高 特别耐电腐蚀 都是做电极的好材料 3 建立炭黑保护层创造必要的条件 正极性加工 形成炭黑保护层 以保护和弥补电极损耗 实现低损耗或无损耗加工 4 利用电喷镀现象 5 利用电化学现象 五 电火花加工设备和附件1 设备由脉冲电源 自动控制系统机床本体 工作液循环过滤系统四部分组成 1 脉冲电源电火花加工用脉冲电源的作用 把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流 以供给电极放电间隙所需要的能量来蚀除金属 脉冲电源对电火花加工的生产率 表面质量 加工精度 加工过程稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响 应给予足够的重视 电火花加工脉冲电源的具体要求 所产生的脉冲应该是单向的 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 提高生产率和减少工具电极的损耗 脉冲电压波形的前后沿应该较陡 这样才能减少电极间隙的变化及油污程度等对脉冲放电宽度和能量等参数的影响 使工艺过程较稳定 因此一般常采用矩形波脉冲电源 脉冲的主要参数 如峰值电流 脉冲宽度 脉冲间隔等应能在很宽的范围内可以调节 以满足粗 中 精加工的要求 脉冲电源不仅要考虑工作稳定可靠 成本低 寿命长 操作维修方便和体积小等问题 还要考虑节省电能 电火花加工脉冲电源包括非独立式弛张式脉冲电源和独立式脉冲电源 非独立式弛张式脉冲电源 RC RLC等 的脉冲参数与放电间隙大小及其物理状态有关 独立式脉冲电源 电子管式 晶体管式 的脉冲参数由电源内部决定 RC线路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 故又称 弛张式 脉冲电源 RC线路脉冲电源的最大优点为 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 电容器瞬时放电可达很大的峰值电流 能量密度高 放电爆炸 抛出能力强 金属在气化状态下被蚀除的百分比大 不易产生表面裂纹 加工稳定 RC线路脉冲电源的缺点是 电容器放电速度很快 无法获得较大的脉宽 例如大于100 s 因此无法实现长脉宽 低损耗的加工 很难在型腔加工中获得应用 电能利用效率很低 最大不超过36 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 生产效率低 因为电容器的充电时间比放电时间长50倍以上脉冲间歇系数太大 工艺参数不稳定 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 而且放电隙经过限流电阻始终和直流电源直接联通 没有开关元件使之隔离开来 所以随时都有放电的可能 并容易转为电弧放电 新型的电火花加工电源 高低压复合脉冲电源 在每个工作电压 60 80V 波形叠加一个小能量的高压脉冲 高压击穿 低压加工 等脉冲电源 每个脉冲能量相同 可获得较好的表面质量 自适应控制脉冲电源 利用完善的控制系统 根据某一给定的目标来连续检测放电加工状态 与最佳模型比较 然后将其结果控制各脉冲参数 以获得最佳加工效果 晶体管微精加工电路 实际是用晶体管控制RC电路 该电源加工稳定性好 而且在小脉冲能量的情况下 由于电容瞬时放电 可以获得很高的能量密度 使极小的表面金属熔化和汽化 2 自动控制系统 自动进给调节系统的任务在于维持一定的 平均 放电间隙S 保证电火花加工正常而稳定地进行 以获得较好的加工效果 这可以用间隙蚀除特性曲线和进给调节特性曲线来说明 图中 横坐标为放电间隙S值或对应的放电间隙平均电压ue 它与纵坐标的蚀除速度vw有密切关系 对自动进给调节系统的一般要求如下 1 有较广的速度调节跟踪范围在电火花加工过程中 加工规准 加工面积等条件的变化 都会影响其进给速度 调节系统应有较宽的调节范围 以适应加工的需要 2 有足够的灵敏度和快速性放电加工的频率很高 放电间隙的状态瞬息万变 要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节 为此整个系统的不灵敏区 时间常数 可动部分的质量惯性要求要小 放大倍数应足够 过渡过程应短 3 有必要的稳定性电蚀速度一般不高 加工进给量也不必过大 所以应有很好的低速性能 均匀 稳定地进给 避免低速爬行 超调量要小 传动刚度应高 传动链中不得有明显间隙 抗干扰能力要强 3 机床本体 包括主轴头 床身 立柱 工作台及工作液槽 技术规格 机床本体部分 主机主要包括 主轴头 床身 立柱 工作台及工作液槽几部分 机床的整体布局 按机床型号的大小 可采用如图所示结构 图2 27a为分离式 图2 27b为整体式 油箱与电源箱放入机床内部成为整体 一般以分离式的较多 主轴头 主轴头是电火花成型机床中最关键的部件 是自动调节系统中的执行机构 对加工工艺指标的影响极大 对主轴头的要求是 结构简单 传动链短 传动间隙小 热变形小 具有足够的精度和刚度 以适应自动调节系统的惯性小 灵敏度好 能承受一定负载的要求 主轴头主要由进给系统 导向防扭机构 电极装夹及其调节环节组成 主要附件 工具电极夹具 常用附件 多采用通用夹具 特殊情况才设计专用夹具电极装夹与校正的目的 是把电极牢固地装夹在主轴的电极夹具上 并使电极轴线与主轴进给轴线一致 保证电极与工作台面及工件垂直 电极水平面的X轴轴线与工作台和工件的X轴轴线平行 平动头 在半精 精加工中采用单电极加工时需要的附件 4 工作液循环过滤系统为了不使工作液越用越脏 影响加工性能 必须加以净化 过滤 按极间电蚀产物的排除方式 循环过滤系统分为 冲油式 将清洁的工作液强迫冲入放电间隙 使工作液连同电蚀产物一起从电极侧面排出 间隙小时冲油压力大 侧面易形成斜度 抽油式 从电极间隙抽出工作液 使用过的工作液连同电蚀产物一起经工件的待加工面而排出 其压力要求较小 加工精度较高 但排屑能力比冲油小 二 凹模型孔的电火花加工 电火花穿孔加工 1 电火花穿孔加工的工艺路线 分析图样选择加工方法 电极的准备 工件的准备 加工参数选择电参数和非电参数 电极装夹 工件装夹 校正定位 加工 检验 2 凹模加工方法的选择 1 直接法概念 用加长的钢凸模作电极加工凹模的型孔 加工后凸模上的损耗部分去除 优点 凸 凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙来保证 可获得均匀的配合间隙 模具质量高 不需要另外制造电极 工艺简单 缺点 钢凸模作电极加工速度低 且易磁化 使电蚀产物被吸附在电极放电间隙的磁场中形成不稳定的二次放电 应用 形状复杂的凹模或多型孔的凹模 如 电机定子 转子的冲模 2 混合法 间接法 概念 将凸模的加长部分选用与凸模不同的材料 粘接或钎焊在凸模上 以粘接或钎焊部分作穿孔加工的电极的工作部分 加工后 将电极部分去除 优点 电极材料可选择 电加工性能好 电极和凸模连接在一起加工 电极的形状 尺寸与凸模一致 加工后凸 凹模配合间隙均匀 当凸 凹模配合间隙很小时 可将电极的工作部分用化学浸蚀法蚀除一层金属 使端面尺寸均匀缩小 Z 2 Z为凸 凹模双边配合间隙 为单边放电间隙 以利用放电间隙的控制 反之 当凸 凹模配合间隙较大 则可用电镀法将电极的工作部位的尺寸均匀扩大 Z 2 以满足加工时的要求 缺点 电极的制造工艺较复杂 应用 使用较广泛 3 修配凸模法概念 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 达到所需的凸 凹模配合间隙 优点 电极可以选择电加工性能好的材料 不论凸 凹模配合间隙的大小均可采用此方法 缺点 增加了制造电极和钳工修配的工作量 而且不容易获得均匀的配合间隙 应用 适合于加工形状简单的冲模 4 二次电极法概念 利用一次电极和二次电极分别加工出凹模和凸模 并保证凸 凹模配合间隙 加工过程 若二次电极为凹型 其工艺过程为 根据模具尺寸要求设计并制造一次凸型电极用一次电极加工出凹模用一次电极加工出凹型二次电极用二次电极加工出凸模凸 凹模配合 保证配合间隙 优点 能通过合理调整放电间隙 可加工无间隙或间隙极小的精冲模 缺点 由于操作过程复杂 一般不常用 应用 加工无间隙或间隙极小的精冲模 对于硬质合金模具 在无成形磨削设备时可采用此法 3 电极设计及制造 1 电极材料的选择要求 选择损耗小 加工过程稳定 生产率高 机械加工性能好 来源丰富 价格低廉的材料来作为电极材料 依据 根据加工对象 工艺方法 脉冲电源类型等因素来确定 选择方法 加工淬火或未淬火钢件黄铜或铸铁加工硬质合金零件灰铸铁 黄铜或紫铜加工黄铜零件钢制电极加工小孔或窄缝钨丝 钼铬丝加工表面质量及尺寸要求高的零件黄铜 紫铜 2 电极的结构形式整体式电极 当尺寸较大时 可采用空心结构 同时开设通气孔 组合式电极 加工多孔时 采用该结构形式 用焊接法焊牢 并保证相对位置精度 镶拼式电极 由几块组成 采用螺钉 焊接或粘接的方法固定成凹模孔相应的形状 3 电极的技术要求几何形状 与凹模型孔的几何形状相适应尺寸精度 精度等级不低于IT6表面粗糙度 Ra1 60 0 8微米 表面不允许有砂眼形位公差 在100mm长度范围内平行度允差为0 01 0 02mm强度要求 强度足够 加工过程中不变形 不扭曲 4 电极尺寸的确定电极长度尺寸 取决与模具的结构形式 模板厚度 电极材料 型孔的复杂程度 装夹形式 使用次数等因素 计算公式 L KH H1 H2 0 4 0 8 n 1 KH其中 H 凹模的有效厚度 即要求加工的厚度H1 一些模板后部挖空时电极需加长的部分H2 电极的装夹长度 约10 20毫米n 电极的使用次数K 校孔系数 当电极材料损耗小 型孔简单 电极轮廓无尖角要求时 K取小值 反之取大值 K的一些经验数据 黄铜3 3 5 紫铜2 2 5 石墨1 7 2 钢3 3 5 铸铁2 5 3 电极截面尺寸 以凹模为设计基准 电极截面尺寸在凹模型孔的尺寸上均匀缩小或放大一个单面放电间隙 基本公式 a A 或 K 其中 a 电极的名义尺寸A 凹模的名义尺寸 单面放电间隙 或 电极轮廓凸起部分取 凹部分为 K 单边 半径 为1 双边 直径 为2 无缩放的为0 电极的尺寸公差通常取凹模型孔相应尺寸公差的1 2 1 3 以凸模尺寸和公差为设计基准 分三种情况 凹 凸模的配合间隙等于放电间隙 电极截面尺寸和凸模截面尺寸完全相同 凹 凸模的配合间隙大于放电间隙 电极的轮廓应比凸模的轮廓均匀放大一个数值 但形状相似 凹 凸模的配合间隙小于放电间隙 电极的轮廓应比凸模的轮廓均匀缩小一个数值 但形状相似 电极每边放大或缩小量为 a1 1 2 2 其中 为凹 凸模的双面配合间隙a1为单边放大或缩小量电极的尺寸公差取凸模尺寸公差的1 2 1 3 5 阶梯电极结构特点 将原来的电极适当加长 而加长部分的截面尺寸适当减小 呈阶梯形状 d1 L1 L2 a d2 阶梯电极加工型孔的过程 先用加长部分的电极在粗规准下加工 然后用原来的电极在精规准下进行精修 优点 采用阶梯电极可充分发挥粗规准加工速度高 电极损耗低的优点 减少电规准的转换次数 又能使精加工余量降低到最小值 获得精度高 刃口高度均匀 表面质量好的模具 阶梯电极的尺寸的确定 L2 L0 h L0为电极长度损耗 h为刃口高度 d2 d1 2aa 中 精 h1 中 中规准的放电间隙 精 精规准的放电间隙h1 系数 0 02 0 04 6 电极的制造采用线切割或机械加工方法获得电极 4 电规准的选择与转换 1 概念电规准 电火花加工过程中的一组电参数 包括 电流幅值 电压 脉冲宽度 脉冲间隔等 按参数不同分为三类 粗规准 中规准 精规准 在每一类规准中按参数强弱分为若干档 电规准的转换 从一个规准转到另一个规准 2 粗 中 精规准的特征粗规准 主要用于蚀除加工余量大的部分 要求加工速度高 电极损耗小 整个加工过程稳定 因此 粗规准主要采用较大的电流 较长的脉冲宽度 ton 20 60微妙 采用钢电极时的相对损耗应低于10 它主要用于粗加工阶段 采用与凸模截面尺寸相同的电极时 粗规准是形成漏 落 料斜度的主要规准 中规准 由粗规准转为精规准加工时的过渡性加工规准 目的是减少精加工的余量 促进加工稳定性和提高加工速度 采用的脉冲宽度为ton 6 20微妙 精规准 最终加工规准 是用来保证模具的配合要求 表面粗糙度 刃口高度等各项指标 脉宽一般为2 6微妙 3 电规准的转换目的 保证一定的凹模刃口高度和型孔的精度 意义 通过粗 精规准的配合 能适当解决电火花加工时的质量和速度之间的矛盾 获得较好的加工工艺指标和经济效果 依据 电极端部的损耗情况以及型孔的周长和型孔的复杂程度 电规准转换的原则 电极材料损耗大的比损耗小的提前转换 模具刃口部分要求长的比刃口要求短的提前转换 形状复杂且带尖角和狭槽的应提前转换 凹模加工余量小的比余量大的要提前转换 采用阶梯电极加工时 直接使用粗规准加工到刃口处 然后用精规准修出刃口 型孔加工规准的选择要点 5 电火花穿孔加工工艺 1 各类冲模电火花加工的特点单工序模的凹模加工 方法 混合法 即电极和凸模粘接加工成形后 将电极进行化学腐蚀成阶梯电极 并达到所需尺寸 加工过程 粗规准加工到刃口处后 用放电间隙等于配合间隙的精规准进行加工 保证模具的配合间隙值和刃口高度 复合模的凸凹模的加工结构特点 外形尺寸和凹模孔的尺寸要求高 同时两者的相对位置精度也要求高 加工过程 首先用电火花加工出凹模型孔 然后用机加工或线切割加工外形 加工时注意保证相对位置的准确性 在凸凹模的结构设计时 应尽量将高度设计尺寸小些 以利于加工和质量的保证 连续模 级进模 的凹模加工 多用组合式电极加工出多个凹模型孔 能较好保证模具的精度 2 凹模坯的准备常用凹模坯的准备工序见P124页表3 5 3 电极和工件的装夹和定位电极装夹 整体式电极多采用通用夹具直接将电极装在机床主轴下端 多电极则用夹具加定位块装夹 或用专用夹具装夹 镶拼式电极一般采用一块连接板 将几块电极连接成所需的整体 装夹后安装在机床上校正 工件装夹 一般工件被安装在工作台上的油杯和垫块上 与电极互相定位后 再用压板和螺钉压紧 校正 电极装夹后进行校正 使其轴心线垂直于机床的工作台面 或凹模上平面 校正方法采用精密角尺或百分表校正 定位 确定电极和工件之间的相对位置 以达到一定的精度要求 通常采用划线法和块规角尺法 4 电火花穿孔加工工艺过程加工方法的选择电极的设计和制造 采用修配凸模法和二次电极法 凹模坯的准备 零件上下面划出对应的型孔线 去掉中间余量 留单边加工余量0 25 1mm 电极和工件的装夹与定位 检查电极尺寸及形状的准确性 并进行退磁处理 电极和工件装夹及定位正确 选择加工参数 电规准的选择 加工极性的选择 进给速度的确定 加工深度装置的调整 冲 抽 油压力的确定 开机加工 注意加工过程的连续性 中间检查和规准的转换 加工完毕卸下零件并检验 6 电火花型孔加工常见故障及消除 三 型腔的电火花加工1 电火花加工型腔的要求和特点 1 要求电极损耗小 否则直接影响加工精度 2 要求蚀除量大 否则生产率太低 3 需要的附件多 如平动头 深度测量装置和重复定位装置等 4 排屑困难 加工难度大 5 突出优点 提高了模具的制造精度和刚度 简化了模具的结构 缩短了模具的制造周期 延长了模具的使用寿命 2 加工工艺方法的选择 1 单电极平动法概念 利用机床的平动头 用一个电极完成粗 中 精加工 加工过程 加工时先采用低损耗 电极相对损耗小于1 高生产率的电规准 对型腔进行粗加工 然后启动平动头作平面圆周运动 按照中 精的顺序逐级转换电规准并相应加大电极的平动量 将型腔加工到所要求的尺寸和表面粗糙度 特点 单电极平动法的一次装夹定位达到 0 05mm的加工误差 其缺点是难以获得高精度的型腔 特别是难加工清棱 清角的型腔 此外 电极在粗加工中容易引起表面不平的龟裂状的积碳层 影响型腔的表面粗糙度 其优点是只需设计和制造一个工具电极 2 多电极更换法概念 采用多个电极依次更换加工同一个型腔的方法 加工过程 每个电极都对型腔的全部被加工表面进行加工 但可采用不同的电规准 特点 在电极设计时必须根据每个电极所使用电规准的放电间隙确定电极的尺寸 每个电极加工时必须把前一个的电极产生的电蚀痕迹完全蚀除 一般采用两个电极进行粗 精加工即可满足要求 当型腔的精度和质量很高时 才采用更多的电极加工 多电极更换法加工型腔的仿形精度高 尤其适用于加工尖角及窄缝多的型腔 但其要求多个电极的一致性好 制造精度高 更换电极时要求定位精度高 一般用于精密型腔的加工 3 分解电极法概念 该方法是单电极平动法和多电极更换法的综合应用 它是根据型腔的几何形状把电极分解成主型腔电极 副型腔电极 分别加工制造后 先加工出主型腔后用副电极加工型腔的尖角及窄缝等部位 特点 加工时可根据主 副型腔不同的加工条件 选择不同的电规准 有利于提高加工速度和改善加工质量 同时电极易于制造和修整 但电极在更换时主 副型腔电极之间的装夹精度要高 4 单电极 修正 平动加工法用一个电极对型腔进行粗 中加工 然后卸下电极并对其表面进行修正 再重新装夹定位进行精加工 可获得表面质量要求高的型腔 但需要一套高精度的重复定位装置 5 电极 零件相对移动修光法利用机床工作台精密坐标或在主轴头上装一个微动十字滑板 使零件与电极产生微量的相对位移 从而达到逐档修整型腔的目的 6 电火花铣削加工电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术 这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术 它是用高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工 像数控铣一样 因此不再需要制造复杂的成型电极 这显然是电火花成形加工领域的重大发展 国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用 预计这一技术将得到发展 3 电极设计及制造 1 电极材料的选择 参考穿孔加工电极材料 石墨 应选用质细 致密 颗粒均匀 气孔小 强度高的石墨 其主要特点 易成形 大型电极可采用拼块组成 具有良好的加工性能 电极损耗小 一般采用机械加工或烧结成形 适合于大 中 小型腔的电极材料 紫铜 一般要选用无杂质 经锻造后的电解铜 紫铜的电加工性能好 但加工较困难 一般采用电铸成形 适用于加工小型 高精度的型腔的电极材料 2 电极的结构形式包括 整体式电极 镶块式电极 组合式电极 3 电极尺寸的确定 单电极平动法加工的电极 1 电极水平尺寸 基本公式 a A Kb其中 a 电极名义尺寸A 型腔名义尺寸b 修正量 或 电极轮廓凸起部分取 凹部分为 K 单边 半径 为1 双边 直径 为2 无缩放的为0 b 精 0 r侧损 0 精加工的平动量 或b 粗 Rmax r侧 2 电极垂直方向尺寸 基本公式 L l K 其中 L 有效加工尺寸l 型腔深度方向的尺寸 加工时放电间隙和电极损耗要求电极端面的修正量 r 精 r为电极端面的损耗总量 电极总高度HH L L1 L2L1 当加工型腔位于另一个型腔中时需增加的高度L2 考虑加工结束后 电极夹具和固定板不与模块或压板发生碰撞而增加的高度 上述电极尺寸的确定 均考虑了型腔的抛光余量 电极各尺寸的公差范围 取型腔相应尺寸允许公差的1 2 1 3 图4 1所示的模具型腔 要求用一个工具电极进行粗 精加工 已知模具材料为CrWMn 硬度为HRC50 电极侧损不计 粗加工时 0 15mm Ra 15 m 损耗1 精加工时 0 02mm Ra 1 5 m 损耗10 要求 1 设计工具电极 并绘制电极零件图 2 标注工具电极的尺寸及其制造公差 3 计算精加工时所用的平动量 参考答案 1 工具电极设计 选用损耗小的紫铜材料 并采用整体电极 缩放量 b 粗 Rmax r侧 粗 1 5x5xRa 0 15 1 5x5x0 015 0 2625mm取b 0 3mm 电极零件图 2 精加工时平动量R平 b 精 0 3 0 02 0 28mm 4 排气孔和冲油孔设计 孔的大小和位置 1 冲油孔设计在难以排屑 窄缝等处2 排气孔设计在蚀除面积较大的位置 5 电极的制造 以石墨为例 P129 4 电规准的选择和平动量的分配 1 型腔加工的电规准设置原则 2 平动量的分配决定因素 主要取决于被加工表面修光余量的大小 电极损耗情况 主轴进给运动的精度等因素 例如 加工形状复杂 较浅深度 尺寸小的型腔 平动量应小些 反之要大些 平动量的计算 平动量 粗加工放电间隙 电极损耗 精加工放电间隙 平动量分配的原则 因为粗 中 精各档电规准加工产生的放电凹坑深浅不同 所以平动量不能按电规准档数平均分配 一般中规准加工的平动量为75 80 端面进给量为余量的75 80 中规准留很小的余量用精规准来修光 考虑到中规准加工时电极损耗 主轴进给和平动头运动有误差以及电极本身的制造精度和装夹精度的影响 中规准加工到最后一档结束时必须测量实际的型腔尺寸 并按测量结果调整平动头偏心量的大小 以补偿电极损耗及其它误差的影响 提高型腔尺寸精度 调节平动量需注意的方面 每档平动量宜采用微量调节 多次调整的方法 才能获得较好的工艺效果 每增加一次平动量 必须使电极在型腔内上下多次往复修整 平动速度不宜太快 使型腔各面充分放电 同时型腔表面不与电极发生碰撞 短路 待充分蚀除后在继续加大平动量 直至修整到型腔各面均匀 达到所用规准的表面粗糙度之后再转入到下一规准加工 5 电极及工件的装夹与定位 1 电极的装夹及校正目的 把电极牢固地装夹在机床主轴的电极夹具上 并使电极轴线与主轴进给轴线一致 保证电极与工作台面和工件垂直 电极水平面的X轴与工作台和工件的X轴轴线平行 校正方法 按电极的侧面校正电极 侧面为较大的直壁面 用千分表校正电极的上下 左右移动时的位置 按电极 固定板 的上端面作辅助基准面校正的垂直度 按它们的平直侧面校正电极的水平位置 按电极端面火花放电校正 如果电极端面为平面 可用精规准使电极与模块平面进行火花放电 通过调节使四周均匀地出现放电火花 2 工件的装夹与校正 将工件直接装夹在垫块或工作台上 通过工作台的移动 使工件的中心与十字滑板移动方向一致 以便于电极和工件间的校正 注意在型腔模的上 下模加工后应不出现错位现象 具体方法有 十字线定位法定位板定位法块规角尺定位法以基准面进行数控定位 6 型腔电火花加工的典型工艺 第二节电火花线切割加工 一 概述二 线切割数控程序的编制三 间隙补偿和斜度切割的控制原理四 电火花线切割加工工艺过程五 影响电火花线切割加工工艺效果的主要因素 一 概述1 基本原理 通过电极和工件之间的脉冲放电的电腐蚀作用对工件进行加工 电火花线切割是采用金属丝作电极 脉冲电源的正极接工件 负极接电极丝 电极丝以一定的速度沿长度方向连续运动 工作台 工件 相对电极丝按预定的要求运动 从而使电极丝按所要求的切割路线进行电腐蚀 实现切割加工 2 特点 1 不需要制造电极 可节约电极设计 制造费用 缩短生产周期 2 一般不需中途转换电规准 3 电极丝沿其长度方向运动 电极丝损耗小对加工精度影响小 并且有利于电蚀物的排除 4 便于加工复杂形状的内 外成型面 微孔及窄缝等 加工下来的材料还可再利用 5 自动化程度高 操作方便 加工周期短 成本低 3 线切割加工为新产品试制 精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途径 主要应用于以下几个方面 1 加工模具使用于各种形状的冲模 2 加工电火花成形加工用的电极3 加工零件4 加工微细槽 任意曲面窄缝 其它应用 应用 4 设备数控电火花线切割设备 主要由机械装置 脉冲电源 工作液供给装置及数控装置等四大部分组成 根据它们的电极丝运动方式不同 数控电火花线切割设备又可分成慢速走丝和快速走丝两大类别 它们的结构形式及工艺特点均有明显不同 高速走丝电火花线切割机床 WEDM HS 这类机床的电极丝作高速往复运动 一般走丝速度为8 10m s 这是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 低速走丝电火花切割机床 WEDM LS 这类机床的电极丝作低速单向运动 一般走丝速度低于0 2m s 这是国外生产和使用的主要机种 快 慢走丝机床的切割工艺效果见表P134 1 机床床身 支撑和固定坐标工作台 运丝机构等的基体 坐标工作台 通过坐标工作台与丝架的相对运动对零件进行加工 坐标工作台具有很高的坐标精度和运动精度 而且要求运动灵敏 轻巧 一般都采用 十 字滑板 滚柱导轨 传动丝杆和螺母之间必须消除间隙 以保证滑板的运动精度和灵敏度 锥度切割装置为了切割有落料斜度的冲模和某些有锥度 斜度 的内外表面 有些线切割机床具有的锥度切割功能 实现锥度切割的方法有多种 下面只介绍两种 1 偏移式丝架主要用在高速走丝线切割机床上实现锥度切割 其工作原理如图所示 a为上 下 丝臂平动法 上 下 丝臂沿x y方向平移 此法锥度不宜过大 b为上 下丝臂同时绕一定中心移动的方法 此法锥度也不宜过大 c为上 下丝臂分别沿导轮径向平动和轴向摆动的方法 此法锥度可达5 2 双坐标联动装置在低速走丝线切割机床上广泛采用 主要依靠上导向器亦能做纵横两轴 称u v轴 驱动 与工作台的x y轴在一起构成NC四轴同时控制 图3 6 这种方式的自由度很大 依靠功能丰富的软件 可以实现上下异形截面形状的加工 最大的倾斜角度一般为 5 有的甚至可达30 与工件厚度有关 在锥度加工时 保持导向间距 上下导向器与电极丝接触点之间的直线距离 一定 是获得高精度的主要因素 为此有的机床具有Z轴设置功能 并且一般采用圆孔方式的无方向性导向器 运丝机构 加工时 通过它使电极丝不断移动 据走丝速度的快慢分为快走丝和慢走丝机床 工作液及循环系统 工作液的要求 具有一定的介电能力 较好的消电离能力和灭弧能力 渗透性好 生产效率高 稳定性好 对电极丝寿命影响小 较好的防腐蚀能力和润滑性能 使用安全等 现主要使用乳化油水溶液 工作液及循环系统的作用 及时从加工区域中排除电蚀产物 并连续充分供给清洁的工作液 以保证脉冲放电过程稳定而顺利地进行 循环装置一般由工作液泵 液箱 过滤器 管道和流量控制阀等组成 2 高频脉冲电源电火花线切割脉冲电源与电火花成形加工所用的在原理上相同 不过受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制 线切割加工脉冲电源的脉宽较窄 2 60 s 单个脉冲能量 平均电流 1 5A 一般较小 所以线切割加工总是采用正电容型电源和低损耗电流等 a 晶体管矩形波脉冲电源b 高频分组脉冲电源c 并联电容型脉冲电源d 低损耗电源 3 数字程序控制系统控制系统是进行电火花线切割加工的重要环节 控制系统的稳定性 可靠性 控制精度及自动化程度都直接影响到加工工艺指标和工人的劳动强度 控制系统的主要作用 切割轨迹控制 按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹 来实现对工件的形状和尺寸加工 靠数控编程和数控系统来控制 进给控制 当控制系统使电极丝相对于工件按一定轨迹运动时 同时还应该对进给速度的自动控制 以维持正常的稳定切割加工 能根据放电间隙大小与放电状态自动控制 使进给速度与工件材料的蚀除速度相平衡 数字程序轨迹控制 NC控制 电火花线切割的控制原理是把图样上工件的形状和尺寸编制成程序指令 一般通过键盘或使用穿孔纸带或磁带 输给电子计算机 计算机根据输入指令控制驱动电动机 由驱动电机带动精密丝杆 使工件相对电极丝作轨迹运动 如图所示为数字程序控制过程框图 轨迹控制原理 第一拍 偏差判别 判别加工坐标点对规定的几何轨迹的偏离距离 然后决定拖板的走向 如用F表示偏离值 当F 0时 加工点正好在线上 F 0时加工点在线的上方或左方 F 0则相反 第二拍 进给 根据F值控制坐标工作台走向 第三拍 偏差计算 计算进给一步后的F值 根据该F值判别下一步走向 第四拍 终点判断 根据计数长度判别是否达到规定程序的加工终点 逐点比较法快速走丝电火花线切割机普遍采用的是逐点比较法 逐点比较法加工斜线的原理如图所示 OA为需要加工的斜线 坐标原点在斜线的起点O上 加工开始时 因起始点在OA上 先从O点沿 x方向走一步到 1 由图可见 加工点 1 是在oA的下方 己偏离预定的加工斜线OA 产生了偏差 第二步应沿 y方向走到 2 位置 这时 因为点 2 己处在OA斜线的上方 也偏离了OA斜线 又产生了偏差 为了纠正这个偏差 应向OA靠拢并沿 x方向走第三步至点 3 如此继续不断的下去 直到A点 只要每步距离很小 所走的折线就近似于一条光滑的斜线 同理 沿逆时针方向切割圆弧时 坐标原点取在圆心上 从A点开始 每走一步都由数控装置进行运算比较 然后发出向圆弧靠拢的步进命令 若加工点处在圆弧内 应控制下一步向 Y方向进给 若加工点处在圆外或圆弧上 则下一步应沿 X方向进给 如此逐点比较逼近于预定的圆弧AB