现代加工技术-02电火花加工

第4章电火花加工贾宝贤

5687026ElectricalDischargeMachining

EDM1课程内容大纲♥1绪论♥2电火花加工♥3电火花线切割加工♥4电化学加工♥5超声波加工♥6磨料与水喷射加工♥7激光加工♥8快速原型制造♥9电子束、离子束加工♥10化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨2编辑ppt本章内容♥1放电现象♥2电火花加工的根本原理和特点♥3电火花加工的根本规律♥4电火花加工机床♥5电火花加工自动进给调节系统♥6电火花穿孔成型加工♥7其他电火花加工3编辑ppt电火花的根本概念

(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。

4编辑ppt电火花的根本概念(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：电焊应用之三：电火花加工，又称为放电加工，ElectricalDischargeMachining，简称EDM。5编辑ppt放电现象当两电极接近时，也会发生放电，例如电灯开关在合上和拉开时，产生局部放电，可看到电弧光。使开关的接触部位烧蚀，这种现象称为电蚀。这种现象早在1870年，就被英国科学家普里斯特利发现了。6编辑ppt放电现象的利用1934年，前苏联科学家拉扎连柯夫妇，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、气化而被腐蚀掉，于是，开创和创造了新的加工方法——电火花加工。该方法就是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来。从而使零件的尺寸、形状和外表质量到达预定技术要求的一种加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛。视频：电火花高清6-52.flv7编辑ppt4.1电火花加工的根本原理和特点一、电火花加工原理8编辑ppt电火花加工机理视频：电火花加工机理.wmv9编辑ppt一次电火花腐蚀的微观过程1.极间介质的电离、击穿、形成放电通道

极间电压升高或极间距离减小→极间电场强度增大105V/mm即100V/μm左右时→产生场致电子发射→雪崩电离小于0.1μs→建立放电通道〔电流密度达105－106A/cm2〔103－104A/mm2〕〕10编辑ppt一次电火花腐蚀的微观过程2.介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀

放电通道形成后电子、正离子运动→动能转热能电极外表高温→工作液气化、热分解→电极材料熔化、气化→迅速热膨胀11编辑ppt3.电极材料抛出存在下面三种作用热爆炸力

瞬时膨胀电动力正负离子对电极的冲击压力流体动力蒸发、分解气体热膨胀产生微爆炸→电极材料抛出→大局部抛入工作液中收缩成小颗粒，一小局部飞溅、镀覆、吸附在对面的电极外表上〔这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗〕12编辑ppt一次电火花腐蚀的微观过程放电影响区域

气化区熔化区热影响区无变化区13编辑ppt4.极间介质消电离

带电离子

→

中性粒子介质恢复绝缘电蚀物排除热能排除14编辑ppt电蚀坑由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中〔106~107W/mm2)，放电区域产生的瞬时高温,可达10000℃以上，足以使材料溶化甚至蒸发，灼热的金属蒸气具有很大的压力,引起剧烈的暴炸,而将熔融的金属抛出,以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束后，经过很短的时间间隔，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地重复地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工外表。15编辑ppt二、电火花加工的条件1.极间保持一定放电间隙→自动进给调节系统间隙过大：不能击穿间隙过小：短路接触2.瞬时的脉冲放电〔10-7~10-3s〕→脉冲电源连续放电：电弧放电，无法控制尺寸3.两电极之间必须充入介质→工作液循环过滤系统工作液：煤油、皂化液、去离子水工作液的作用有利于火花放电排除电蚀产物冷却电极和工件视频：电火花条件-成形-穿孔.flv16编辑ppt三、电火花加工设备的组成如以下图，加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件。两极均浸入具有绝缘性的液体介质中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙〔0.01-0.05mm〕。17编辑ppt四、电火花加工的特点(1)可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及时高纯度的导电材料。如不锈钢、钛合金、工业纯铁、淬火钢、硬质合金、导电陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石等；(2)在加工过程中．工具与工件不直接接触，所以工件无机械变形，方法可加工细长、薄、脆性零件；(3)虽然该方法是利用热效应来切除金属，但大局部材料不变热；18编辑ppt四、电火花加工的特点(4)可以在硬度高的材料上，加工出精度高，外表质量好的复杂模具；(5)用电火花加工的外表，是由许多小的弧坑组成，有助于油的保存和较好的润滑；(6)这种方法易于实现自动化。局限性主要用于加工金属等导电材料加工速度较慢存在电极损耗，影响加工精度19编辑ppt4.2电火花加工的根本规律一、影响材料电蚀量的主要因素极性效应电参数(单个脉冲能量WM和脉冲频率)金属材料热学常数工作液其他因素20编辑ppt1.极性效应对电蚀量的影响极性效应电火花加工过程中，由于正、负极性不同而电蚀量不同的现象。产生极性效应的原因应用正极性加工：工件接在脉冲电源的正极负极性加工：工件接在脉冲电源的负极＋

－－＋

－＋电子的质量<正离子的质量电子的惯性小窄脉冲：正极性加工长脉冲：负极性加工

21编辑ppt2.单个脉冲能量WM和脉冲频率在连续的电火花加工过程中，一定范围内，工件或工具的单个脉冲蚀除量与单个脉冲能量成正比。正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比：提高电蚀量和生产率的途径提高脉冲频率f增加单个脉冲能量WM减小脉冲间隙to提高工艺系数K22编辑ppt3.金属材料热学常数金属材料热学常数对电蚀量的影响脉冲放电能量相同时，熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热越高，电蚀量越少；热传导率越大，电蚀量越少；单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值越小，那么脉宽越长，散失的热量越多。电蚀量越少；脉冲电流幅值过大，那么损耗能量使得材料气化，电蚀量也将减少。23编辑ppt4.工作液工作液对电蚀量的影响粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电能量密度，强化电蚀产物的抛出效应；但不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。工作液的选择粗加工——机油：粘度大、介电性能好精加工——煤油：粘度小、流动性好24编辑ppt其他因素其他因素对电蚀量的影响碳黑膜现象碳氢化合物类的工作液在放电过程发生热分解，形成带负电的碳胶粒，吸附在正极外表，形成一定强度和厚度的化学吸附层，称为“碳黑膜〞，由于碳的熔点和气化点很高，从而减小电极蚀除量。加工前的电极

加工后的电极25编辑ppt其他因素其他因素对电蚀量的影响碳黑膜现象碳氢化合物类的工作液在放电过程发生热分解，形成带负电的碳胶粒，吸附在正极外表，形成一定强度和厚度的化学吸附层，称为“碳黑膜〞，由于碳的熔点和气化点很高，从而减小电极蚀除量。加工过程的稳定性〔加工深度、加工面积的增加，加工型面复杂程度的增加，电极材料的选择〕脉冲电源波形及前后沿陡度电蚀物抛出速度26编辑ppt二、加工速度与工具损耗速度1.加工速度vW单位时间内工件的电蚀量称为加工速度体积加工速度和重量加工速度提高加工速度的途径提高脉冲频率增加单个脉冲能量提高工艺系数27编辑ppt2.工具相对损耗工具损耗速度vE单位时间内工具的电蚀量工具损耗比工具损耗速度与加工速度的比值，称为损耗比。体积相对损耗28编辑ppt降低工具损耗的措施(1)正确选择极性和脉宽一般情况下，短脉冲精加工采用正极性加工；长脉冲粗加工采用负极性加工。(2)利用吸附效应负极性加工时，在一定条件下，工具外表可以形成一定强度和厚度的化学吸附层〔碳黑膜〕，对电极起到保护和补偿作用，实现“低损耗〞加工。29编辑ppt降低工具损耗的措施(3)利用传热效应选择导热性能比工件好的工具电极。(4)选择适宜的材料铜：熔点低，但导热性好，因此损耗小，又能制成各种精密、复杂电极石墨：热学性能好，长脉冲粗加工中可以吸附游离的碳来补偿电极损耗，目前用来制成型腔加工的电极钨、钼：熔点和沸点较高，损耗小；机械加工性能差，一般在线切割中使用铜碳、铜钨、银钼：熔点高，导热性好；价格昂贵，制造成形困难，一般只用在精密电火花加工中。30编辑ppt三、影响加工精度的主要因素除电火花加工机床结构、机床传动、装夹定位误差之外，影响电火花加工精度的因素主要有以下几个方面：放电间隙〔大小及其一致性〕工具电极的损耗尖角与棱边倒角31编辑ppt放电间隙对加工精度的影响一般在0.01~0.5mm之间，精加工时间隙较小，粗加工时间隙较大。从减小加工误差的角度考虑，应该采用较小的加工规准，缩小放电间隙，从而提高仿形精度和间隙的一致性。“二次放电〞会造成侧向间隙不均匀，形成斜度，影响加工的形状精度。32编辑ppt工具电极的损耗对加工精度的影响电极入口处的放电间隙由于电蚀产物的存在，“二次放电〞的几率大而扩大，因而产生了加工斜度；工具电极下端加工时间长，绝对损耗大。工具电极的损耗直接影响加工精度，损耗越小，精度越高。33编辑ppt尖角与棱边倒角对加工精度的影响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陈的机率大，容易遭受腐蚀而成为圆角。

尖角变圆现象a)加工外表面b)加工内表面1-工件电极2-工具电极34编辑ppt四、电火花加工的外表质量影响外表粗糙度的因素外表粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单个脉冲能量越大，外表粗糙度越大；熔点高的材料〔硬质合金〕在相同能量下加工外表粗糙度比熔点低〔钢〕的材料好；精加工时，工具电极的外表粗糙度也将影响加工外表的粗糙度；电极面积也对外表粗糙度有影响；外表粗糙度和加工速度存在很大的矛盾。35编辑ppt外表变质层在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表层发生了很大变化，粗略的分为熔化凝固层和热影响层。熔化层容易出现显微裂纹，脉冲能量越大，显微裂纹越宽越深，过大的脉冲能量将会使裂纹扩展到热影响层。放电痕剖面显示的表面变质层36编辑ppt外表力学性能电火花加工外表最外层的硬度较高，耐磨性好。电火花加工外表存在剩余应力，较大的加工规准引起的剩余应力越大。较大的剩余拉应力和显微裂纹的存在使电火花加工外表比机械加工外表的耐疲劳性低许多倍。37编辑ppt电火花加工分类38编辑ppt4.3电火花加工机床电火花成型加工机床电火花小孔加工机床电火花成形加工机床的组成床身和立柱工作台主轴头附件电火花加工机床的工作液和循环过滤系统电火花成型机床的脉冲电源电火花加工机床的伺服进给39编辑ppt一、电火花成型加工机床40编辑ppt电火花加工机床41编辑ppt电火花机床结构图42编辑ppt1.机床本体机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等局部组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。43编辑ppt2.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。

主轴头主要由进给系统、上下移动导向和水平面内防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。我国早在20世纪60~70年代曾广泛采用液压伺服进给的主轴头，随着步进电动机、力矩电动机和数控直流、交流伺服电动机的出现和技术进步，电火花机床中已越来越多地采用电—机械式主轴头。44编辑ppt2.主轴头主轴头45编辑ppt3.脉冲电源在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、外表质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足如下要求：(1)要有一定的脉冲放电能量，否那么不能使工件金属气化。 46编辑ppt47编辑ppt3.脉冲电源(2)火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他局部，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。(3)脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。(4)脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。(5)有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。 48编辑ppt电路简单、可靠、本钱低、单脉冲功率小、适应于精密加工。效率低。将电阻阻抗值一分为二1.RC和RLC电源49编辑ppt２闸流管式和电子管式电源３晶闸管式、晶体管式和MOS管式电源4各种派生电源：如等脉冲电源、自适应控制电源等其他电源50编辑ppt4.4电火花加工自动进给调节系统在放电过程中，电极工具工件不断被蚀除．间隙逐渐增大，必须使工具补偿进给，以维持所需的放电间隙；当工具工件间短路时，必须使工具反向离开，随即再重新进给调节到所需的放电间隙，这是正常加工所必需解决的问题。由于电火花加工放电间隙很小(0.01一0.2mm)，而且电蚀量、放电间隙在瞬时都不是常值而在一定范围内动乱，因此人工进给或恒速的“机动〞进给很难满足要求，必须采用自动进给和调节装置。自动进给调节系统的任务在于维持一定的放电间隙，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。51编辑ppt一、自动进给调节系统的作用、技术要求和分类早期采用液压伺服进给；后来采用步进电机；目前普遍采用交、直流伺服电机;先进的采用直线电机进给。52编辑ppt二、自动进给调节系统的根本组成局部1〕调节对象：极间放电间隙2〕测量环节：测量脉冲电压的信号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：伺服进给机构53编辑ppt4.5电火花穿孔成型加工电火花成形穿孔加工是用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法，可归纳为视频：电火花成形加工.flv54编辑ppt一、冲模的电火花加工利用电火花加工的优点便于加工硬脆的冲模可在淬火后加工可采用整体式硬质合金冲模，不用镶嵌结构配合间隙均匀、刃口耐磨55编辑ppt电火花穿孔加工的工艺方法1.直接配合法直接配合法是用加长的钢凸模作电极加工凹模的型孔，加工后将凸模上损耗的局部去除。凸、凹模的冲裁间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。2.修配凸模法凸模和工具电极分别制造，在凸模上留有一定的修配余量，钳工按电火花加工好的凹模型孔修配凸模，到达所要求的凸、凹模冲裁间隙。3.配作电极法工具电极和凸模分别制造，但电极的断面尺寸根据凸、凹模冲裁间隙的要求，以及所选电规准的放电间隙进行配作，使电火花加工后的凹模与凸模配合后能获得所要求的冲裁间隙。这种加工方法的缺点与修配凸模法类似。56编辑ppt二、型腔模的电火花加工57编辑ppt热流道模具热嘴孔锥面的电火花加工58编辑ppt模具型腔的电火花59编辑ppt模具型腔的电火花60编辑ppt61编辑ppt62编辑ppt三、小孔电火花加工小孔加工特点：1〕加工面积小，深度大，直径一般Φ0.05～2mm，深径比达20以上；2〕小孔加工均为盲孔加工，排屑困难。常规机加工最新小孔钻进展〔日本〕：Φ1mm钻深达150mm；Φ12mm钻深可达2500mm以上。视频：电火花高速小孔机高清.flv63编辑ppt采用特制冷拔双孔管状电极，转动加工消除毛刺芯，管孔通1～5MPa高压工作液。适合加工直径0.3～3mm深300mm。范例1mm深1000mm。喷丝板65四、异形小孔的电火花加工66编辑ppt反拷加工67编辑ppt4.6其他电火花加工表4-168编辑ppt4.6其他电火花加工〔续〕69编辑ppt一、电火花小孔磨削70编辑ppt二、电火花铲磨硬质合金小模数齿轮滚刀采用电火花铲磨硬质合金小模数齿轮滚刀的齿形，已开始用于齿形的粗加工和半精加工，提高生产率3—5倍，本钱降低80％左右。电火花铲磨时，工作液是浇注到加工间隙中去的，所以要考虑油雾所引起的燃烧问题，因此一般采用粘度较大，燃点较高的油。单纯的煤抽由于燃点低，容易燃烧，不能采用。5号锭子油的电火花磨削性能与煤油相近，加工外表粗糙度略好而生产率稍低，但能防止油．雾所引起的燃烧问题，所以比较平安。工具电极采用纯铜磨轮时，具有磨削性能好、损耗较小、生产率、外表粗糙度也较好等优点。但纯铜磨轮用梳刀修正时很困难，故也有一定局限性。从电火花磨削性能来看，采用石墨磨轮比较合理。用梳刀修正石墨磨轮时，梳刀磨损较小，进行电火花磨削，时损耗小，生产率较高，但外表粗糙度稍差些。71编辑ppt三、电火花共轭同步回转加工螺纹72编辑ppt四、聚晶金刚石等高阻抗材料电火花加工聚晶金刚石被广泛用作拉丝模、刀具、磨轮等材料，它的硬度仅稍次于天然金刚石。金刚石虽是碳的同素异构体，但天然金刚石几乎不导电，聚晶金刚石是将人造金刚石微粉用铜、铁粉等导电材料作为粘结剂，搅拌、混合后加压烧结而成。因此整体仍有一定的导电性能，可以用电火花加工。电火花加工聚晶金刚石的原理是靠火花放电时的高温将导电的粘结剂熔化、气化蚀除掉，同时电火花高温使金刚石微粉“碳化〞为可加工的石墨，也可能因粘结剂被蚀除掉后而整个金刚石微粒自行脱落下来。有些导电的工程陶瓷及立方氮化硼材料也可用类似的原理进行电火花加工。73编辑ppt五、金属电火花外表强化和刻字74编辑ppt五、金属电火花外表强化和刻字75编