电火花加工原理

第二章电火花加工 电火花加工 我国 又称为放电加工 日 美 英 或电蚀加工 俄罗斯 第一节电火花加工的基本原理及其分类一 电火花加工原理及设备组成 电火花加工原理 基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余金属 以达到对零件的尺寸 形状及表面质量预定的加工要求 电火花腐蚀的主要原因 利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工必须解决下列问题 1 必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙 这一间隙随加工条件而定 通常越为几微米至几百微米 电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给调节装置 使和工件保持某一放电间隙 2 火花放电必须是瞬时的脉冲性放电 放电延续一段时间后 需停歇一段时间 放电延续时间一般为1 1000 s 电火花加工必须采用脉冲电源图2 1为脉冲电源的电压 电流波形 3 火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 绝缘强度为103 107 cm 例如 煤油 皂化液或去离子水等 电火花加工必须有循环过滤系统 以上这些问题的综合解决 是通过电火花加工系统来实现的 二 电火花加工的特点及其应用 1 主要优点 1 适合任何难切削材料的加工 2 可以加工特殊及复杂形状的表面和零件2 电火花加工的局限性 1 主要用于加工金属等导电材料 但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料 2 一般加工速度较慢 3 存在电极损耗 三 电火花加工工艺方法分类 按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同分类 前五类属电火花成形 尺寸加工 后者属于表面加工方法 用于改善或改变零件表面性质 见表2 1 第二节电火花加工的机理 从大量实验资料来看 每次电火花腐蚀的微观过程是电场力 磁力 热力 流体动力 电化学和胶体化学等综合作用的过程 这一过程大致可分为以下四个阶段 后图放电波形 一 极间介质的电离 击穿形成放电通道 图2 4中0 1段 1 2段 2 3段 二 介质热分解 电极材料熔化 气化热膨胀 图2 4中3 4段 三 电极材料的抛出四 极间介质的消电离 图2 4中4 5段 熔融材料抛出后 在电极表面形成单个脉冲的放电痕如图2 6所示 P12 加工后的表面情况如后图所示 矩形波脉冲放电时的电压与电流波形 第三节电火花加工中的一些基本规律 一 影响材料放电腐蚀的主要因素1 极性效应 极性效应的现象 正极性加工 负极性加工 产生极性效应的原因 笼统解释 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 电子质量小容易加速 质子质量大不易加速 结论 1 短脉冲 放电时间短 加工时 正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度 应采用正极性加工 2 长脉冲 放电时间长 加工时 负极的蚀除速度大于正极的蚀除速度 应采用负极性加工 吸附效应 注意 1 极性效应越明显越好 在电火花加工过程中必须充分利用 电火花加工一般都采用单向脉冲电源 2 极性效应是一个较为复杂的问题 影响极性效应的因素有 脉宽 脉间 脉冲峰值电流 放电电压 工作液及电极对材料等 为了充分利用极性效应 应合理选择工具电极的材料 选用最佳的电参数 正确的选用极性 2 电参数对电蚀量的影响 电参数主要是指 电压脉冲宽度ti 电流脉冲宽度te 脉冲间隔to 脉冲频率f 峰值电流ie 峰值电压u和极性 研究结果表明 在电火花加工过程中 无论正极或负极 都存在单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比关系 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 公式2 1 2 2 2 3 2 4 讨论 提高电蚀量和生产率的途径 提高电蚀量时的注意事项 3 金属材料热学常数对电蚀量的影响 热学常数 是指熔点 沸点 气化点 热导率 比热容 融化热 气化热等几种常见的热学常数见表2 2 每次脉冲放电时 通道内及正 负电极放电点都瞬时获得大量热能 而正 负电极放电点获得的热能被分配为两部分1 由于热传导散失到电极其它部分和工作液中2 使局部金属材料温度升高直至达到熔点 使金属融化 沸腾 气化 并进一步成为过热蒸汽 结论 1 电极的蚀除量与电极材料的热导率以及其它热学常数 放电的持续时间 单个脉冲能量有密切的关系 2 当单个脉冲能量相同时 电极材料的热导率越大 其热学常数越高 结论 电蚀量越少 越难加工 3 当单个脉冲能量相同时 都会各有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽 为什么 金属材料不同 所获得的最佳脉宽不同 各金属材料的热学常数不同 4 工作液对电蚀量的影响 在电火花加工中 工作液的作用 1 帮助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 2 对放电通道产生压缩作用 3 帮助电蚀产物的抛出和排除 4 对工具和工件起冷却作用 影响如下 介电性能好 密度 粘度大的工作液有利于压缩放电通道 可以提高放电的能量密度 有利于电蚀产物的抛出 但不利于电蚀产物从加工间隙中排除 影响以后的正常放电 应用 电火花成形加工目前主要采用油类工作液 粗加工时 使用粘度大 介电性能好的材料 如 机油 另外 机油的燃点较高 在大能量加工时着火燃烧的可能性小 中 精加工时 一般使用粘度小 流动性好 渗透性好的煤油作为工作液 讨论 1 油类工作液的缺点 有味 容易燃烧 加工时容易产生烟气 2 奋斗目标 寻找一种无色无味 不然烧 流动性好 不产生碳黑 价廉 3 最新研究成果 水基工作液 在水中加入各种添加剂 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还不能代替煤油 1 加工过程的稳定性 加工过程不稳定 会影响正常的放电加工 降低有效的脉冲利用率对稳定性影响最大的是电火花加工的自动进给和调节系统 以及正确加工参数的选择和调节 2 影响电蚀量的一些其它因素 其它影响加工稳定性的因素 A 随着加工深度及加工面积的增加 加工复杂程度的增大 B 加工面积较小 而采用的加工电流较大 以上因素都不利于电蚀产物的排出 影响加工稳定性 降低加工速度 严重时将造成结碳拉弧 使加工难以进行 措施 采用强迫冲油工作电极定时抬刀 C 电极材料措施 用铜加工钢 2 其它影响因素 脉冲电源的波形及其前后沿陡度 影响能量的集中 分散程度 电蚀产物抛出的速度 过快会冲击另一个电极 过慢会粘在另一个电极上 碳黑膜的形成 二 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度 加工速度 单位时间内工件的蚀除量 也称生产率 损耗速度 单位时间内工具的蚀除量1 加工速度 Vw V t或Vm m tVw 体积加工速度 mm3 min Vm 质量加工速度 g min V 被加工掉的体积 mm3 m 被加工掉的质量 g t 加工时间 min 提高加工速度的途径 提高蚀除量 1 提高脉冲频率 f 缩小脉冲间歇时间 可以提高脉冲频率 但脉冲间歇时间不能过短2 增加单个脉冲的能量途径 增大电流增大脉宽 放电时间 说明 增加单个脉冲的能量 可以提高加工速度 但会降低零件加工精度和使表面粗糙度变坏 3 提高工艺系数K及有效脉冲利用率途径 合理选择电极材料 参数 工作液 改善工作液的循环过滤方式 2 工具相对损耗生产实际中用工具相对损耗或称损耗比 作为工具电极耐损耗的指标 即 VE VW 100 损耗速度VE的单位也为mm3 min或g min相应的损耗比 也为体积相对损耗或质量相对损耗 电火花加工中降低工具电极损耗具有重大意义 一直是人们努力追求的目标 要降低工具电极损耗必须充分利用极性效应 吸附效应 传热效应等 这些效应又相互影响 综合作用 具体如下 正确选择极性和脉宽一般 短脉宽精加工时采用正极性加工 长脉宽粗加工时采用负极性加工 如图 另外 实验表明 增大脉宽可降低工具电极的损耗 当脉宽增大到一定程度时 且为负极性加工时 电极损耗率小于 可以实现低损耗加工 利用吸附效应 什么是吸附效应 煤油 热分解 大量碳微粒 碳和金属结合 胶团 胶团外层脱落 带负电荷的碳胶粒 吸附在正极当正极表面温度在 00度左右 并能维持一段时间时 就能形成一定强度和厚度的化学吸附膜 碳黑膜 由于碳的熔点 气化点很高 所以 碳黑膜可对电极起到保护和补偿作用 从而实现低损耗加工 结论 碳黑膜只能在正极表面形成 若利用吸附效应的补偿作用来实现电极的低损耗 就必须采用负极性加工 电参数的影响 当峰值电流和脉冲