特种加工2010第2讲----电火花和电火花线切割

特种加工第2讲电火花II和电火花线切割,清华大学基础工业训练中心,徐伟国,内容参考学时（16）第1章概论0.5第2章电火花加工4.0(其中实验1.0)第3章电火花切割加工3.5(其中实验1.0)第4章电化学加工1.0第5章激光加工2.0(其中实验1.0)第6章电子束和离子束加工1.0第7章超声加工2.0(其中实验1.0)第8章快速成型技术、其他特种加工1.0文献评述和课程总结1.0,特种加工课时预计安排,第2章电火花加工穿孔与成形加工,2.1加工基本原理、特点、分类和适用范围2.2电火花加工系统（典型机床）2.3电火花加工工艺及基本规律2.4电火花加工应用实例,2.2.2.4伺服进给、控制系统1）电火花加工伺服进给系统2）间隙蚀除特性曲线和进给调节特性曲线3）自动进给调节系统的基本组成,1）电火花加工伺服进给系统在电火花成型加工中，电极与工件必须保持一定的放电间隙。由于工件蚀除和电极损耗，放电间隙将不断扩大。间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时电极需要重新调节到适宜的放电间隙。,在实际生产中，放电间隙变化与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。这种不等速的伺服进给系统也称为自动进给调节系统。,2）间隙蚀除特性曲线和进给调节特性曲线可根据加工条件变化自动调整放电间隙，取得最佳的加工效果，图中的是自适应控制产生的基础。早期采用液压伺服进给；再采用步进电机；目前普遍采用交、直流伺服电机;先进的采用直线电机进给。,间隙蚀除特性曲线自动进给调节特性曲线纵坐标vw蚀除速度纵坐标vdA空载速度纵坐标vd进给速度横坐标s放电间隙值横坐标Ue与s对应的放电间隙平均电压最佳放电间隙SB最大蚀除速度在B点（理论点）自适应控制系统，自动使曲线交曲线于最高点B或附近，处于最佳放电状态。,3）自动进给调节系统的基本组成,1）调节对象：极间放电间隙2）测量环节：测量间隙电压的信号3）比较环节：比较电压差4）放大驱动器：一般采用晶体管放大5）执行环节：伺服电机,最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在整流器后面，是Uc便通过负载电阻Rfz放电。由于C和Rfz较大，放电速度很慢，在e2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当e2下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻Rfz：两端）便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图5-10（a）（b）中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。,理想情况：进给速度=蚀除速度,图2精密数控电火花加工脉冲电源系统框图,自动保持和维持电极端面放电间隙；自适应系统：可根据加工条件变化自动调整放电间隙，取得最佳的加工效果。,2.2.2.5数控工作台（数控系统Numericalcontrolsystem）1.单轴数控系统2.多轴数控系统,1.单轴数控系统1)单轴数显在主轴导轨上安装磁栅或光栅尺：将主轴、工具电极的位移量数字化显示出来。成为高性能的手工操作机床。控制定位精度为0.01mm。2）步进电机（或带细分电路）：Stepmotor分两路数字化信号，一路控制速度快慢：快慢信号“0”、“1”的变化频率高时，转速就高；反之亦然。另一路控制正、反转（方向）：信号为“0”时，电机正转；信号为“1”时，电机反转。但步进电机的高速和低速性能不太稳定。3）交、直流伺服电机（AC、DC）性能不断提高，价格不断下降，广泛用于各种高、中档电加工机床的数控系统中。每个脉冲的数控分辨率可达1m。,三种数控进给系统的控制方式：1)开环控制（图2-24a）特点：在执行环节之后，没有检测环节，未建立起反馈联系。控制精度不高。2)半闭环控制（图2-4b）特点：在执行环节后设置有测量环节（电机同轴安装有码盘，告知指令系统已转过的转角），建立了反馈联系。有所约束，可减少误差。3)闭环控制（图2-4c）特点：在控制对象上（例如主轴或工作台）安装有光栅等位置测量环节，可随时反馈被控制对象的位置，进行“多退少补”，这就是全闭环系统。全面约束，控制精度高。,步进电机伺服电机直线电机,2.多轴数控系统1）ISO代码：国际通用的标准代码，用于数控编程和控制。代码中分别有G指令和M指令：G指令：准备功能指令M指令：辅助功能指令,数控系统Numericalcontrolsystem,数控摇动加工（对比）平动：主轴头上的平动头使工具电极向外逐步扩张的运动。摇动：工作台使工件电极向外逐步扩张的运动。平动和摇动都属于精加工平动是平面运动主轴运动摇动可以是空间运动工作台运动摇动的作用：可以逐步修光侧面和底面的表面粗糙度Ra值到0.8-0.2m；可加工出清棱清角的侧壁和底边；可以变全面加工为局部面积加工；有利于排屑和稳定加工；,2.2.2.6工作液循环过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，通过泵产生的压力，强迫使工作液循环流动并过滤。,2.3电火花加工工艺及基本规律2.3.1影响金属蚀除率的主要因素2.3.2加工速度和工具电极损耗速度2.3.3影响电火花加工精度的主要因素2.3.4电火花加工的表面质量,机械加工：靠刀具或模具切削时金属的塑性变形或脆性断裂去除表层材料。电火花加工：靠电能的瞬时、局部放电产生的高温来熔化和气化导电材料。由于二者的加工原理不同，因此加工的基本规律也不同。比切削加工复杂得多。,2.3.1影响金属蚀除率的主要因素影响金属蚀除率的因素主要有：极性效应，放电参数，电极材料，工件材料，及其他因素。1.极性效应在放电加工中，无论工具还是工件（正极或负极）都会程度不同地受到电蚀。即使用钢打钢，材料相同与极性不同，电蚀量也不同。因此单纯由正、负极性不同而引起的电蚀量不同的现象称为极性效应。工件接正极：正极性加工（一般采用）工件接负极：负极性加工（反极性加工）,产生极性效应的原因：(1)蚀除能量在两极分配不均匀；(2)大量电子（非常轻）高速轰击工件阳极；离子（重）低速奔向负极。从而导致工件蚀除快，工具蚀除慢。从提高生产率和减少工具损耗来看，极性效应越显著越好。研究表明，当采用负极性加工时，此时工具为正极，可以吸附从煤油中游离出的碳微粒，形成黑膜减少电极损耗。因此在精加工时，有时可利用这点。,2.放电参数指放电加工时人为选择的参数：脉宽、脉间、峰值电压、峰值电流等。期间起最大作用的是脉宽（或放电时间）和放电峰值电流。单个脉冲的放电能量等于脉宽（放电时间）乘以峰值电流。脉冲间隔太大，会影响放电频率，从而降低平均蚀除率;脉冲间隔太小，热量没有充分利用，也会影响平均蚀除率。,3.电极材料（工具与工件）主要受热学常数影响：指熔点、沸点（气化点）、热导率、比热容、熔化热和气化热等。热量消耗如下：（1）工具电极和工作液；（2）使局部金属达到熔点（比热容）；（3）熔化材料所需热量（熔化热）；（4）使熔化的金属升温到沸点（比热容）；（5）使熔融金属气化（气化热）；（6）使金属蒸汽转变为过热蒸汽（比热容）。,4其他因素工作液的种类和性能、选择的冲抽油流速流量、进给是否稳定等。很复杂。避免二次放电,图4-49油杯结构图,2.3.2加工速度和工具电极损耗速度放电加工时，工件和工具同时受蚀。加工速度：单位时间内工件材料的电蚀量称为加工速度；损耗速度：单位时间内工具材料的电蚀量称为损耗速度。它们是一个问题的两个方面。,1.加工速度表示：体积加工速度：单位时间蚀除的体积量vw=V/t（mm3/min）质量加工速度：单位时间蚀除的质量（测量方便）vm=M/t（g/min）电火花成形加工的加工速度：粗加工：2001000mm3/min,Ra：1020m半精加工：20100mm3/min,Ra：2.510m精加工：10mm3/min以下,Ra：0.322.5m规律：随着表面粗糙度数值下降，加工速度明显降低。,2.工具电极相对损耗速度和相对损耗比工具损耗速度vE，工件加工速度vW，相对损耗速度或相对损耗比：=vE/vW100%,表4-2表面粗糙度与最小加工余量的关系,在电火花加工中，降低工具电极损耗意义重大。为了降低其损耗，可采取下列措施：(1)正确选择极性一般短脉冲精加工选用正极性加工，而长脉冲粗加工则选用负极性加工。(2)利用吸附效应电加工的工作液煤油分解的碳微粒一般带负电荷，在电场作用下逐步向正极移动，并吸附在正极表面，形成一层均匀、致密的黑膜，对工具电极起着保护作用。此时工件接负极，采用负极性加工。,(3)选用合适的电极材料：常用：铜、石墨较常用：铜碳、铜钨、银钨合金不常用：纯钨和纯钼（快速走丝线切割常用钼）。当峰值电流与脉宽之比满足下列条件时，可获得低损耗加工：石墨电极加工钢：ie/te0.10.2s铜电极加工钢：ie/te0.060.12s钢电极加工钢：ie/te0.040.08s,电火花加工常用电极材料的性能,2.3.3影响电火花加工精度的主要因素1放电间隙的大小和一致性(间隙变化影响加工精度)2工具电极的损耗及稳定性；3放电参数的影响、加工规准（粗加工、精加工）；4电蚀产物导致的“二次放电”5伺服进给机构工作的稳定性,尖端放电,2.3.4电火花加工的表面质量表面粗糙度、表面变质层、表面力学性能1表面粗糙度主要与单个放电脉冲的能量有关。机械加工表面有刀痕，刀纹有方向性。而电火花加工的表面由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，有利于保存润滑油。,2表面变质层从最表层向里，主要有熔化凝固层和热影响层，还有从表层开始的显微裂纹。1）熔化凝固层：最表层，小于0.1mm2）热影响层：金相组织发生变化，与基体材料无明显界限。3）显微裂纹：与放电能量密切相关。高温急冷导致裂纹。由于存在表面变质层，因此在放电加工之后，如果表面要求高，必须有精加工工序。如果Ra值1.25m，不易出现裂纹。,3表面力学性能主要包括显微硬度和耐磨性、残余应力、抗疲劳性能1）显微硬度和耐磨性：一般高于基体材料，耐磨性好；对某些淬火钢可能稍低。2）残余应力：由于瞬时的热胀冷缩产生残余应力，以拉应力为主。残余应力大小与放电能量有关。,3）抗疲劳性能：存在残余应力和显微裂纹，因此，抗疲劳性能一般较差。采用回火处理和喷丸处理，可使拉应力转化为压应力，提高抗疲劳性能。采用小规准精加工或进行机械抛光去除表面变质层。,手工研磨平面,1.电火花简单穿孔加工2.去除折断在工件中的丝锥、钻头等3.电火花套料加工,2.4电火花加工应用实例,1.电火花简单穿孔加工电火花穿孔加工一般应用于冲裁模具加工、粉末冶金模具加工、拉丝模具加工、螺纹加工等。本节以加工冲裁模具的凹模为例说明电火花穿孔加工的方法。凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，因此，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1(如图4-2所示)，单边火花间隙值为SL，则L2=L1+2SL,图4-2凹模的电火花加工,电火花成型加工方法电火花成型加工和穿孔加工相比有下列特点：(1)电火花成型加工为盲孔加工，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差。(2)型腔多由曲面组成，且在一个型腔内常有各种圆角、凸台或凹槽，结构复杂。这就使得加工中电极的长度和型面损耗不一，故损耗规律复杂，且电极的损耗不可能由进给实现补偿，因此型腔加工的电极损耗较难进行补偿。(3)材料去除量大，表面粗糙度要求严格。(4)加工面积变化大，要求电规准的调节范围相应也大。,2.去除折断在工件中的丝锥、钻头等。插图2-31,3.电火花套料加工插图2-32,图4-40工件的固定,图4-50单电极加工时的加工条件及加工图形,总结：电火花加工的特点及应用优点1.适于难切削材料的加工硬质合金、淬火钢等2.加工复杂形状或特殊零件应用领域日益扩大局限性1.主要加工金属等导电材料2.加工速度较慢3.有电极损耗，影响加工精度,第3章电火花切割加工,第3章电火花切割加工,第一节加工基本原理、特点、分类和适用范围第二节电火花线切割加工系统第三节电火花加线切割工工艺及基本规律第四节电火花线切割加工应用实例,由裴老师和高老师带线切割与电火花成形加工演示实验(各一学时)特种加工实验室联系电话：62784653,线切割也是电火花加工，只不过工具电极是采用线电极而已。工具电极不用自己制造，购买即可，但加工原理更复杂一些。数控线切割，尤其是高速走丝线切割发展迅速，设备造价便宜，使用方便，应用特别广泛，数控技术推广最早，具有中国特色，对普及与推广特种加工起了非常重要的作用，但工艺水平一般。目前，线切割机床已占电加工机床60%以上。,第一节电火花线切割的基本原理、特点、分类和适用范围,一、电火花线切割的基本原理被切割的工件作为工件电极，接脉冲电源正极；电极丝作为工具电极，接脉冲电源负极。当脉冲电源发出一个电脉冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，放电通道中心的温度可达5000以上。瞬时高温可以使金属局部熔化甚至气化。这些气化后的工作液和金属蒸气迅速热膨胀，并具有微爆炸的特性。,然而，由于高丝走丝采用的是乳化液，走丝机构不够精密，其放电加工机理已经超出了传统电火花加工理论的范畴。由于乳化液具有一定的导电率，它与煤油和去离子水相比，具有较高的导电性，所以在两极施加脉冲电压后，会产生弱电解作用，在工件表面生成较薄的电解钝化膜。这一层钝化膜和钼丝表层的氧化膜均有一定的绝缘性，因此钼丝与工件在0.005-0.01mm正常电极间隙和通常100V左右的电源电压下不产生击穿放电。只有当电极丝相对工件进给到两者相接触，钼丝稍微弯曲，轻轻压在工件上，再加上电极丝自身在高速移动，因机械摩擦作用造成钝化膜破坏，使某处绝缘强度急剧下降才引起火花放电。,电极丝运动速度越快（811m/s），工件表面薄膜被机械摩损的点越多，放电点转移的机会就越多，这样就形成了连续的放电加工。甚至在单个脉冲放电时间内，会出现多次瞬时开路和瞬时短路。因此，高速走丝线切割加工属于疏松接触式的轻压放电加工，其加工原理虽然超出了常规电火花放电加工理论的范畴，但是放电的本质还是一致的。只是这种加工机理包括了电火花、电解及机械摩擦几种方式，可以说是一种复合加工过程，涉及几种加工机理。,二、线切割加工的主要特点1加工时不需要制造成形电极，从市场上买来电极丝即可。2电极丝的直径微细，一般为0.06-0.18mm，可加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。3能加工各种冲模、凸轮、样板等复杂精密零件，尺寸精度为0.02-0.01mm，Ra值1.6m。可切割带斜度的模具或工件。主轴带UV轴的机床，可以加工空间曲面。,4切缝很窄，可以节省材料特别是贵重金属。5可以加工任何导电的材料。6自动化程度高，操作方便，劳动强度低。7加工周期短，成本低。8维修需要较高的综合技术。,三、数控线切割加工的分类1按控制方式分：靠模式、光电跟踪式、数控式（数控方式应用最广）2按脉冲电源分：RC电源（已不用）、晶体管电源、分组脉冲电源、自适应控制电源。3按加工特点分：有大、中、小型，直壁切割和锥度切割型等。4按走丝速度分：低速走丝和高速走丝。我国主要发展高速走丝，国外主要发展低速走丝。低速走丝价格贵，但精度高，表面粗糙度好，目前在我国也是发展方向。,四、常用电极丝材料的种类、名称、规格1.高速走丝：钼丝：常用规格：直径为0.1-0.18mm，偶尔采用0.06mm。钨丝：价格昂贵，耐腐蚀，抗拉强度高，但脆而不耐弯曲，仅在特殊情况下使用。2低速走丝：黄铜，单向低速运行，一次通过就回收。常用规格直径为0.1-0.3mm。最小直径可达0.03mm(钼丝或钨丝)。3生产钼丝厂家：山东有“光明牌”；南京有“钻石牌”；苏州有“中学牌”等。,五、关于线切割工艺孔工艺孔（即穿丝孔）在线切割加工中常用。1工艺孔的作用：1）加工凹模时用做穿丝孔；2）用作钼丝自动找中心，起定位作用；2如何提高工艺孔精度（定位作用）？1）提高孔本身的表面质量；2）提高孔的圆度；3）保证孔与端面的垂直度。对要求高的，选择精度高的机床加工；对要求一般的，钻孔即可。,六、线切割的应用范围1.加工各类模具，如冲头和冲模。图3-2，图3-32.加工二维直纹零件，如凸轮。图3-43.加工三维直纹零件图3-5、图3-6、图3-7、图3-84.切断（尤其是贵金属）5.微细槽、任意曲线窄缝,七、高速走丝线切割的问题与改进(一)存在问题由于高速走丝运动及机床结构等特点，使其存在下列问题：1其工艺水平只适合加工中档以下的模具和零件；2.加工精度较低，精度稳定性差；3.表面粗糙度较差；4.自动化程度低（如手工穿丝等）。,(二)改进(创新)核心问题:改进线电极的运动方式：由单一的快速往复移动，改变为慢速往复移动+高速旋转（获发明专利）结果:提高了加工精度;降低的表面粗糙度Ra值。然而：机床的结构发生几乎是根本性的变化。目前还处于继续研究之中。,第二节电火花线切割加工系统(典型设备、组成和实验现场准备）,一.DK7725高速走丝线切割机床的组成图3-9DK7725DK7725高速走丝线切割机床由机床本体、脉冲电源、微机控制装置、工作液循环系统等组成。1机床本体：床身、运丝机构、工作台、丝架（1）床身：用于支承和连接工作台、运丝机构等部件，内部安放机床电器和工作液循环系统。,(2)运丝机构：电动机通过连轴节带动储丝筒交替作正反转转动，将钼丝整齐地排列在储丝筒上，并通过丝架导轮作往复高速运动（9m/s左右）。,(3)工作台：分上下两层，用于安装工件。通过X、Y两个方向的步进电机带动工作台在水平面内运动。步进电机接收到计算机发出的每一个脉冲信号，其输出轴就旋转一个转角，从而使工作台在控制方向上移动0.001mm。(4)丝架：对电极丝起支撑作用，并使电极丝与工作台平面保持一定角度。,2脉冲电源脉冲电源又称为高频电源，它将普通的50Hz的工频交流电转换成高频率的单向脉冲电压。加工时，电极丝接脉冲电源负极，工件接正极。,3.微机控制装置其主要功能是实现加工过程中的轨迹控制和加工控制。目前轨迹控制主要采用数控方式。加工控制包括：进给控制、短路回退、间隙补偿、图形缩放、旋转与平移、适应控制、自动找中心、信息显示，以及故障自动诊断等。(高级软件的重要性)4工作液循环装置其作用与电火花成形加工一样。,二、国外、国内典型低速走丝线切割机床1国外低速走丝线切割机床慢走丝线切割机床的丝架结构非常复杂，一般都安装有恒张力机构，来保证切割时走丝平稳，以得到高精度和低表面粗糙度。国外线切割机床是低速走丝线切割（WEDM-LS）系统。主要产品来自日本和瑞士。电图7-1FA20是日本三菱电机公司生产的普及型产品。电图7-2:低速走丝电火花线切割机床电极丝走行路径,7-1FA20是日本三菱电机公司生产,比高速走丝线切割机床的走丝机构复杂得多、精密得多。,低速走丝线切割主要特点：1）采用伺服电机驱动，性能比步进电机好；2）具有恒张力、恒速度的走丝功能：走丝平稳，抖动少，速度均匀；3）走丝速度低，0.0010.25m/s(高速走丝811m/s)。因此，导向机构可以不用导轮，而采用固定式的金刚石模作为导向块。这样，对