特种加工2010第1讲——概论和电火花Ⅰ

特种加工第1讲概论和电火花,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,1.作业；2.文献翻译综述训练：特种加工领域（自选）；,特种加工考试成绩评定,第1章概论,本课程的基本思路、机械工程发展的方向和参考教材特种加工概论1.1特种加工的产生和发展1.2特种加工的分类和综合比较1.3对材料可加工性和结构工艺性影响(应用),第1章概论,课程的基本思路：了解机械制造领域的另一个层面非传统加工(NTM，Non-TraditionalMachining)。它是对常规的切削和磨削加工的重要补充，是实现创新设计和解决工艺难题的重要手段，是实现精密和微细加工的新方法。重点：电加工、电解加工、激光加工、超声波加工等特种加工技术涉及机械、电子、信息、控制和物理等专业领域，本课程主要从制造工艺的层面来拓宽知识视野，并掌握不同方法的加工原理、特点和应用。,制造业发展的方向：当前，制造业正朝着全球化、敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化的方向发展。总结：从非数字制造到数字制造（数字化制造）；从非精密制造到精密制造（精密制造）；从替代体力的机械制造到替代脑力的机械制造（智能制造）；从宏观制造到微观制造（微纳制造）；从非生态化制造到生态化制造（绿色制造）；从无生命制造到有生命制造（生物制造）。,参考教材1）特种加工技术，赵万生主编，傅水根策划，高教出版社出版，2001年6月。参考资料：2）特种加工（第4版），刘晋春等主编，机械工业出版社，2004年1月。3）数控电火花线切割加工技术，张学仁主编，哈尔滨工业出版社，2000年。4）学生自行查阅相关中、英文资料。,1.1.1常规加工特点1.1.2.特种加工的特点与发展拉扎连柯创造了一个领域逆向思维随着社会生产的需要和科学技术的进步，各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。这些新加工方法从广义上定义为特种加工(NTM)，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。,1.1特种加工的产生和发展,1.特种加工特点a.不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（电、化学、光、声、热等）去除材料（包括金属与非金属）；b.加工过程中工具（有时没有工具）硬度可以低于被加工材料的硬度；c.加工过程不存在明显的机械切削力。d.各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工(ECDM)、电解电弧加工(ECAM)。e.一般加工的效率不高。,2.特种加工的发展正因为特种加工工艺具有上述特点，所以就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件，目前，国内外对特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：(1)微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究正方兴未艾，特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术。,(2)特种加工的应用领域正在拓宽例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。(3)广泛采用自动化技术充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花加工的发展方向。目前已出现用5轴联动的线切割机床。随着设备自动化程度的提高，实现特种加工柔性制造系统已成为各工业国家追求的目标。,3.国内对特种加工技术的研究主要表现我国的特种加工技术起步较早。20世纪50年代中期我国工厂已设计研制出电火花穿孔机床，60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极机械切割的基础上发明了我国独创的快走丝线切割机床，上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。但是由于我国原有的工业基础薄弱，特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平有不少差距，现在，每年还需从国外进口300台以上高档电加工机床。,第九届中国国际机床展览会（2005年北京）特种加工机床行业的38家企业展出了88台展品。其中国内企业26家(含台湾地区)，展品66台；国外企业12家，展品22台。展品中电火花加工机床（电火花成形机、电火花线切割机、电火花小孔加工机、电火花金属蚀除机）的数量最多，共66台。,第十届中国国际机床展览会(CIMT2007)于2007年4月915日在北京举行,特种加工机床行业有54家企业参加,共展出特种加工机床102台。国内展品70台,其中电火花加工机床占81%;国外企业17家,展品32台,其中电火花加工机床占63%。,第十一届中国国际机床展览会(CIMT2009)于2009年4月6-11日在北京举行，特种加工机床的国内外参展厂商49家，展出机床共99台。其中国内参展厂商34家，展出机床69台，国外参厂商15家，展出机床30台，电火花加工机床数量最多。,总结：以第十一届中国国际机床展览会为例，其展出面积达10万m2，共有来自28个国家和地区的1200多台机床参加展出。展览会上所展示的特种加工设备，充分显示了在这个领域的数字化制造技术的发展。展示与介绍了最有代表性、最先进的新机床、新工艺、新技术。国内厂家更是踊跃参展，这反映了中国在由制造大国向制造强国进军的过程中，作为装备工业的基础产业机床制造业举足轻重的地位以及兴旺发达的市场，特种加工机床行业也获得了大好的发展机遇。,1.2.1特种加工分类；特种加工方法综合比较；1.2.2过渡性工艺（主体属于切削加工）；表面抛光与改性工艺；纳米级超精微加工（原子、分子单位加工）,1.2特种加工的分类和综合比较,1.2.1特种加工分类：分类目的是为了解特种加工种类（宏观了解）和.掌握大体的分类方法。目前尚没有明确规定，一般按能量来源、作用形式和加工原理分类：,常用特种加工方法分类表,各个加工方法的用途等综合比较,1.2.2过渡性工艺（主体属于切削加工）在特种加工的发展过程中，形成了一些介于常规机械加工和特种加工工艺之间的工艺方法。1.超声波振动或低频振动切削；2.导电切削（低电压大电流）；3.高温（加热）切削；4.低温（液氮）切削等。,表面抛光与改性工艺在特种加工领域还有属于改善工件表面形貌和表面性能的工艺方法。如：表面抛光：电解抛光；化学抛光；离子束抛光；超声波抛光。表面改性：电火花表面强化；激光表面强化；离子束注入；电子束曝光。纳米级超精微加工（原子、分子单位加工）1.电子束加工2.离子铣削,由于特种加工工艺的特点与常规切削和磨削加工不同，因而对材料的可加工性和结构工艺性产生重要影响：1.3.1改变了零件加工的典型工艺1.一般先加工，后淬火；但电火花成型加工、电火花线切割加工和电解加工经常是先淬火，后加工。2.主要采用工序集中原则：如齿轮、连杆的锻模加工。,1.3对材料可加工性和结构工艺性影响,1.3.2提高了材料的可加工性：专门对付难加工材料。1.3.3缩短产品试制周期如电火花线切割，可以直接加工出各种标准和非标准齿轮，其他复杂形状零件，可省去相应刀具、量具、模具以及二次工具，大大缩短试制周期。1.3.4大大影响产品结构设计如硅钢片冲模和喷气发动机涡轮转子，原来只能制成镶拼结构，目前可以做成整体结构。,1.3.5重新衡量某些结构工艺性的好坏对盲孔、方孔、小孔窄缝等。对于机械切削加工，是工艺性差的坏典型；但对于电加工和其他特种加工，情况并非如此。归纳：第一部分属于宏观介绍，对特种加工有综合性了解。,尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各种特种加工的能量来源、作用形式、工艺特点却不尽相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各自还都具有一定的局限性。为了更好地应用和发挥各种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析，区别对待，合理选择特种加工方法。下面通过本课程介绍几种应用广泛的特种加工方法。,第2章电火花加工,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,电火花的基本概念(a)电火花为脉冲式的瞬时放电如：雷电放电、静电放电、电磁感应放电等等。电火花一般是尖端放电现象，持续时间短，并伴随自由电荷的转移，发光发热，不同于一般的燃烧现象。,(b)电弧为连续放电，并发出强烈的光辉。应用之一：HID（HighIntensityDischarge）中文翻译：“高强度气体放电灯”，是依据电弧放电原理，激活灯内的氙气来发光，取代传统的钨丝燃烧发光。应用之二：电焊,2.1.1电火花加工基本原理2.1.2电火花加工的特点2.1.3电火花加工方法的分类2.1.4电火花加工的适用范围,2.1加工基本原理、特点、分类和适用范围,2.1.1电火花加工基本原理基于在绝缘的工作介质中，工具电极和工件电极之间，通过脉冲放电局部产生的瞬时高温，使工件表层的金属熔化、气化和抛离工件表面的原理。电火花加工也称为电蚀现象。这一现象在19世纪初就已经被发现，例如早期的刀闸在开合和关闭时，产生的火花就会腐蚀接触表面。后来，人们利用这种电腐蚀现象对导电材料进行尺寸加工。电火花加工也称：电脉冲加工、电蚀加工、放电加工或电加工等。,图2-1电火花加工原理,电火花加工的3个基本条件要有一个完整的工艺系统保证，才能驾驭电火花，使之有益:(a)必须有脉冲电源，提供脉冲式的瞬时放电（图2-1，注意：存在许多其他波形）on-time：脉宽，指放电延续时间：107103秒；off-time：脉间，指放电停歇时间这样才不至于使放电局域产生的热量传扩到其余部分，也可避免因短路造成烧伤，才能做尺寸加工。,(b)必须有放电间隙工具电极和工件电极之间：间隙太大，不能产生放电；（？）间隙太小，也不能产生正常放电（？）如何解决这一问题？需要有工具电极的自动进给和调节装置，维持放电间隙。,(c)工作液和工作液循环系统（如煤油、皂化液、去离子水等）绝缘介质又称为工作液，必须具有较高的绝缘强度(103107.cm)，以产生脉冲式的火花放电。绝缘介质（dielectric）的作用：绝缘、冷却、冲走屑末。,1工件2脉冲电源3自动进给调节系统4工具5工作液6过滤器7工作液泵,如何同时具备以上3个条件？必须有一个符合这3个条件的电火花加工系统。设计时必须周密策划，否则只能浪费资金和劳力。,2.1.2电火花加工的特点（尝试归纳）1属于非接触式加工加工过程无宏观切削力。2.使用电能和热能，而不是普通切削加工的机械能利用放电产生的高热、高温来加工金属，温度可达近万度，与材料的强度和硬度关系不大。因此可以实现“以柔克刚”。3.加工表面质量存在缺陷。4.加工速度较低,图螺旋线聚晶金刚石刀具加工,局部宏观,2.1.3电火花加工方法的分类考察一下与特种加工的分类有什么不同？从能源、原理、功能、应用等角度，尽可能不重复。表中第二栏的电火花线切割的应用非常广泛，专门介绍。,电火花磨床电火花穿孔成形机床电火花高速小孔机床,2.1.4电火花加工的适用范围1.可以加工任何难加工的导电(或非导电)材料;2.可以加工形状复杂的表面；3.可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细孔、异形小孔、深小孔等特殊件。,电火花同步共轭回转加工机床,电火花强化机,2.2.1国产电火花穿孔、成形加工机床的型号规格2.2.2机床基本组成2.2.2.1机床各部名称2.2.2.2主轴头2.2.2.3电源2.2.2.4伺服进给、控制系统2.2.2.5数控工作台2.2.2.6工作液循环过滤系统,2.2电火花加工系统（典型机床）,2.2.1国产电火花穿孔、成形加工机床的型号规格国家标准，（GB/T52901985）1985年：规定为D71系列为电火花穿孔、成形机床。例1：型号及参数D7132D电加工机床71电火花穿孔、成形加工机床32机床工作台面宽度（320mm）的1/10对于数控电加工机床：符号为DK(汉语拼音：电控)，也有加上厂名的汉语拼音的，如汉川：HC；北京凝华：NH。,其中，D7125以下为小型，D7125D7163为中型，D7163以上为大型。,例2型号及参数DK7725D类别（电加工机床)K特征（数控机床）7组别（电火花类机床）7型别（线切割）25基本参数（工作台横向行程250）,2.2.2机床基本组成2.2.2.1机床各部名称2.2.2.2主轴头2.2.2.3电源2.2.2.4伺服进给、控制系统2.2.2.5数控工作台,2.2.2.1机床各部名称组成：床身、立柱、主轴头、电源箱、工作液槽、工作台等等。,床身,立柱,工作台,主轴头,工作液槽,电源,2.2.2.2主轴头电火花成形、穿孔加工机床的关键部件。它本身也是一个较为复杂的系统。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。直接影响生产率、几何精度和表面粗糙度。,图4-30垂直和水平转角调节装置的夹头,(,b,)实物,绝缘主轴怎样绝缘？,如何调节？,对主轴头的技术要求：1）有一定的轴向和侧向刚度及精度；2）有足够的进给和回升速度；3）主轴运动的直线性和防扭转性能好；4）灵敏度高，无爬行现象；5）具备足够的承载能力（工具电极质量）。主轴头移动位置显示：1）初级靠大量程百分表；2）中级用数显表；3）高级的既有数显，又有数控；采用转速传感器作速度反馈、用光栅传感器作位置反馈对主轴头进行闭环控制。注意：建立闭环控制的关键是信息的适时反馈。,2.2.2.3电源（关键部件）1.脉冲电源的作用：将工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给火花放电蚀除金属所需要的能量。提供可供选择的放电参数：电流（平均或峰值）、电压（平均或峰值，不同的波形）、脉宽、脉间。2.脉冲电源的发展概况：（1）普及型(经济型)的电火花加工机床一般都采用高低压复合的晶体管脉冲电源。（2）中、高档电火花加工机床都采用计算机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准参数。,（3）电火花加工机床的发展方向微细化、高精度化、高效率化。随着电力电子技术、计算机控制技术的成熟以及现代控制理论的不断丰富。传统的电火花加工脉冲电源已经不能的要求，由此出现了节能型脉冲电源；无电解脉冲电源；微能脉冲电源；智能化脉冲电源；纳秒级大峰值电流脉冲电源以及各种专用辅助脉冲电源等。在国外，瑞士阿奇公司开发的HSS型脉冲电源，日本沙迪克公司开发的无电阻节能型数控脉冲电源，都是高效低损耗节能电源。在我国，台湾科研人员于2000年申请了慢走丝线切割节能电源专利，它可以将存储在电感中的电能释放到引燃回路和加工回路中，可以显著的节约电能。,3.脉冲电源种类（根据需要选用）1）RC线路脉冲电源（弛张式）；2）晶体管式脉冲电源（独立式）；3）晶体管式高低压复合脉冲电源4）晶体管式多回路脉冲电源5）晶体管式等脉冲电源6）晶体管式高频分组和梳形波脉冲电源7）晶体管式自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源,弛张式脉冲电源是最早使用的电源，它是利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属的。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(如图所示)。电源结构简单，使用维修方便，加工精度较高，粗糙度值较小，但生产率低，电能利用率低，加工稳定性差等。,1）RC线路脉冲电源（弛张式）,图RC线路脉冲电源,改进的可控RC微能脉冲电源由下图可以看出，由限流电阻、开关晶体管及并联在可控晶体管Q与放电间隙之间的充电电容组成。其工作原理为直流源接通，在晶体管Q关断时，直流源E向电容器C充电，当电容器两端的电压超过间隙的击穿电压之后，晶体管Q开通，脉冲电源进入脉宽阶段，此时电容C向间隙放电，当晶体管Q重新关断时，脉宽结束，脉冲电源重新进入脉间阶段。在脉宽阶段，脉宽时间的长短是由晶体管Q的开通时间决定的，由此，可以改进传统RC电源的缺点。,由于这种电源的电参数与加工间隙无关，故又称为独立式电源。晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉冲电源，其输出功率大，电规准调节范围广，电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上。,2）晶体管式脉冲电源（独立式）,3）高低压复合脉冲电源,复合回路脉冲电源如图所示，高压（300V）脉冲回路电压较高，但电流较小，起击穿间隙的作用；另一个为低压（80V）脉冲回路电压较低，但电流较大，起蚀除金属的作用。高压脉冲比低压脉冲提前一段时间，效果最好。,多回路脉冲电源如图所示，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。不依靠增大单个脉冲的放电能量，既可以在不使得表面粗糙度值变大又可以提高生产率。这对大面积、多工具、多孔加工时很有必要，但回路需要选取得当，一般2-4个。,4）多回路脉冲电源,研究表明，在电火花加工过程中，单个放电脉冲能量的一致性越好，则可达到工艺指标也越高，特别是对于使用线电极的电火花加工，其加工效率等指标的提高越明显。等脉冲电源(ISOPULSEGENERATOR)即释放的每个脉冲的能量相等（如图所示）。则可以提高加工速度和效率。,5）等脉冲电源,6）高频分组和梳形波脉冲电源,这两种脉冲电源在一定程度上具有高频脉冲加工表面粗糙度值小和低频脉冲加工速度高，电极损耗低的双重优点。,根据某一给定的目标（如保证一定表面粗糙度下提高生产率）连续不断地检测放电加工状态，当加工条件改变时，自适应控制系统都能自动地、连续不断地调节有关脉冲参数，防止电弧放电，以达到最佳稳定的放电状态。,7）自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源,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,数控系统Numericalcontrolsystem,1.单轴数控系统1)单