精密制造和特种加工技术 课件 ch03 数控电火花加工

第三章数控电火花加工职业教育机械类专业精密制造和特种加工技术01数控电火花加工概述PARTONE数控电火花加工的定义数控电火花加工（以下简称“电火花加工”）又称放电加工，是利用工具和工件之间脉冲放电时局部瞬时产生的高温腐蚀现象对材料进行尺寸加工或表面强化的一种方法。在进行电火花加工时，工件与加工所用的工具称为电极，不同的电极或电极对之间多充满工作液，主要起恢复电极间的绝缘状态及带走放电时产生的热量的作用，以维持电火花加工的持续放电。在一般的电火花加工过程中，工件与工具电极并不接触，而是保持一定的距离（称为间隙），在工件与工具电极间施加一定的脉冲电压，当工具电极向工件进给至某一距离时，两电极间的工作液介质被击穿，局部产生火花放电，放电产生的瞬时高温使电极对的材料表面熔化甚至汽化，使材料表面形成电腐蚀的坑穴。如果能适当控制这一过程，就能准确地加工出所需的工件形状。因为在放电过程中常伴有火花，所以称为电火花加工。电火花加工的特点适用于难切削材料的加工1可以加工特殊及复杂形状的零件2易于实现加工过程自动化3可以改进工件的结构设计，改善工件的结构的工艺性４电火花加工的工艺类型及适用范围随着电火花加工工艺技术的发展及应用范围的扩大，目前电火花加工装备和电火花加工工艺已逐步形成清晰的分类，以适应不同的零件的加工特点。按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同可分为：电火花成型加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化、电火花研磨和珩磨等。其中前5类属电火花成型、尺寸加工，是用于改变工作形状和尺寸的加工方法；后者则属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。电火花加工对材料的可加工性和结构工艺性的影响电火花加工工艺的特点及逐渐广泛的应用，引发了机械制造工艺技术领域内的许多变革。提高了材料的可加工性1改变了零件的典型工艺路线2改变了试制新产品的工序和工艺3对产品零件的结构设计带来了巨大的影响４改变了传统的结构工艺性好与坏的衡量标准５电火花加工的发展概况和应用

20世纪40年代后期，苏联科学家鲍•拉扎连科针对插头或电器开关在闭合与断开时经常发生电火花烧蚀这一现象，经过反复的试验研究，终于发明了电火花加工技术，把对人类有害的电火花烧蚀转化为对人类有益的一种全新工艺方法。20世纪50年代初，研制出的电火花加工装置，采用双继电器作为控制元件，控制电动机的正转、反转，以达到调节电极与工件间隙的目的，但这台装置只能加工出简单形状的工件，自动化程度很低。我国是国际上开展电火花加工技术研究较早的国家之一，由中国科学院电工研究所牵头，到20世纪50年代后期先后研制出电火花穿孔机床和电火花线切割机床。一些先进工业国，如瑞士、日本也加入了电火花加工技术研究行列，使电火花加工工艺在世界范围取得了巨大的发展，应用范围也日益广泛。电火花加工的应用范围已从单纯的穿孔加工冷冲模具、取出折断的丝锥与钻头，逐步扩展到加工汽车与拖拉机零件的锻模、压铸模及注塑模具，近几年又大规模应用于精密微细加工技术领域，为航空、航天及电子、交通、无线电通信等行业解决难切削加工及复杂形状的工件的加工问题。02电火花加工的基本原理PARTTWO常用的电火花加工术语和符号我国参照相关国际组织的电火花加工术语、定义和符号，制定了我国电火花加工的术语、定义和符号。１．工具电极２．放电间隙３．脉冲电源４．伺服进给系统５．工作液介质６．电蚀产物７．电规准８．脉冲宽度ti（μs）９．脉冲间隔to（μs）10．放电时间te（μs）11．击穿延时td（μs）12．脉冲周期tp（μs）13．开路电压（空载电压）或峰值电压ûi（V）14．加工电流I（A）15．峰值电流îe（A）16．正极性、负极性加工17．放电状态实现电火花加工的条件电火花加工是基于工具电极和工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余金属的，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定加工要求。电腐蚀现象的主要原因是：在电火花放电时，火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化或汽化而被蚀除掉，形成放电凹坑。相对于传统加工方式，电火花加工具有其特殊性。电火花加工系统电火花加工系统示意图。浸在工作液介质中的工具电极和工件分别与脉冲电源的两输出端连接；自动进给调节装置（此处为电动机及丝杆螺母机构）使工具电极和工件间常保持一个很小的放电间隙，当脉冲电压加到两电极之间时，便在当时的条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具电极和工件表面都蚀除一小部分金属，各自形成一个小凹坑；当脉冲放电结束后，经过一段间隔时间，使工作液恢复绝缘，之后第二个脉冲电压又加到两电极上，又会在当时两电极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，同样电蚀出一个小凹坑。就这样以相当高的频率连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制到工件上，加工出需要的零件。整个工件的金属表面将由无数个小凹坑组成。电火花加工机理电火花加工机理是在火花放电时，电极表面的材料被蚀除的物理过程。了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工的基本规律，这样才能对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求。电极间介质被电离、击穿，形成放电通道1电极材料的熔化、汽化热膨胀2电极材料的抛出3两电极间介质的消电离４03电火花加工的基本规律PARTTHREE电火花加工的工艺指标电火花加工的工艺性能是通过电火花加工的工艺指标来表现和衡量的。电火花加工的工艺指标包括加工速度、工具电极损耗、表面粗糙度、加工精度和表层状态等。加工速度1工具电极损耗2表面粗糙度3加工精度４表层状态５影响材料放电腐蚀的主要因素电火花加工的整个过程，实质上就是不断重复的单个脉冲能量作用的积累。因此，电火花加工的一般工艺规律与单个脉冲的作用密切相关。在研究电火花加工的一般工艺规律前，有必要了解在单个脉冲的作用下，材料被放电腐蚀的一些基本现象。极性效应1覆盖效应2电火花加工的电参数3传热效应４材料的热学物理常数５电火花加工的工艺规律１．影响加工速度的主要因素２．影响电极损耗的主要因素电参数对加工速度的影响非电参数对加工速度的影响电参数对电极损耗的影响非电参数对电极损耗的影响电火花加工的工艺规律３．影响表面粗糙度的主要因素4．影响电火花成型加工精度的因素电火花加工表面粗糙度与切削加工表面粗糙度不同，它是由若干电蚀小凹坑组成的，能存润滑油，其耐磨性比同样表面粗糙度的切削加工表面要好。在相同表面粗糙度的情况下，电火花加工表面比切削加工表面亮度低。由于电火花加工表面粗糙度直接影响工件的使用性能和使用寿命，因此掌握电火花加工表面粗糙度的变化规律就显得非常重要。电火花成型加工精度包括尺寸精度和仿形精度两项工艺指标。在进行电火花成型加工时，既要求规则的几何形状部位尺寸精确、满足设计要求，又对异形冲压模、异形型腔模等不规则的几何形状及尖角、尖棱、窄筋、窄槽、图案等保证较高的仿形精度。因此，要完成合格的加工，必须对影响加工精度的各因素有较全面的理解。５．合理选择电火花加工工艺前面我们详细阐述了电火花加工的工艺规律，不难看到，加工速度、电极损耗、表面粗糙度、加工精度往往相互矛盾。04电火花加工设备PARTFOUR电火花成型加工机床概述电火花成型加工机床的分类1电火花成型加工机床的结构形式2国产电火花成型加工机床的型号规格3电火花成型加工机床各主要部件名称的定义4电火花成型加工机床各传动轴名称与方向定义5电火花成型加工机床的组成及其部分功能电火花加工系统一般由电火花成型加工机床主体、工作液过滤和循环系统、伺服进给系统、脉冲电源等组成。电火花成型加工机床主体1工作液过滤和循环系统2伺服进给系统3脉冲电源４电火花成型加工机床专用附件５电火花成型加工机床随机附件605电火花成型加工的工艺流程PARTFIVE工具电极的设计制造工具电极设计制造的技术要求01工具电极材料的选择02工具电极的结构形式03工具电极的尺寸设计04电极制造方法05电极缩放量的选取06电极的装夹与校正07加工规准的选择加工规准的选择依据与顺序01加工规准选择的基本规则02在采用电火花加工零件时，先在分析工件的特点和技术要求（如表面粗糙度、尺寸、形位精度）等工艺技术指标的基础上，根据工件材料选择工具电极的材料。然后选择工艺参数规准（如电压、电流、脉宽、脉间等）。一般大部分工件要分成粗、中、精几种规准依次转换，既保证工件的技术要求，又保证尽可能高的总的生产效率。平动量的分配平动量的分配是单电极平动加工法的一个关键问题。粗加工时，电极不平动；使用中间各档加工时，平动量的分配主要取决于加工表面由粗变细的修光量。此外，平动量的分配还和电极损耗、平动头原始偏心量、主轴进给运动的精度等有关。工作液的选择１．液体介质的作用液体介质可压缩放电通道，使放电能量高度集中在极小的区域内，加强蚀除效果，提高放电仿形的精确度。液体介质可加速电极间隙的冷却，有助于防止金属表面局部热量积累，防止烧伤和电弧放电的产生。液体介质可加速放电的流体动力过程，加速蚀除产物的排出。液体介质有助于加强电极表面的覆盖效应和改变工件表层的物理化学性能。工作液的选择２．对液体介质的要求具有一定的绝缘强度能够较快地恢复绝缘强度，有较好的流动性。燃点、闪点要高，不会爆炸，不容易燃烧。无毒、无刺激性，放电时的分解物对加工妨碍小，对人体无害。加工稳定性要好，工艺指标要高。价格便宜，容易获得。工作液的选择３．常用液体介质的种类及应用电火花成型加工工作液有油基、水基及专用工作液等。其中煤油由于黏度低，排屑方便，击穿间隙小，对提高电火花加工精度有利，广泛应用于电火花穿孔、成型，以及电火花磨削。06电火花成型加工的工艺方法及实例PARTSIX型腔的加工方法型腔的加工比较困难，由于均是盲孔加工，因此工作液循环和蚀除产物排出条件差，工具电极损耗后无法靠主轴进给补偿精度，金属蚀除量大。其次是加工面积变化大，在加工过程中，电规准的变化范围也较大，因为型腔形状复杂，电极损耗不均匀，所以对加工精度影响也很大。因此，对型腔的电火花加工，既要求蚀除量大，加工速度高，又要求电极损耗低，并保证加工精度和表面粗糙度。型腔的电火花加工主要有单电极平动加工法"多电极更换加工法、分解电极加工法和集束电极加工法等。单电极平动加工法01多电极更换加工法02分解电极加工法03集束电极加工法0407电火花穿孔加工的工艺方法及实例PARTSEVEN电火花穿孔加工的应用范围１．电火花穿孔加工的应用模具加工：粉末冶金模的直壁深型孔加工；挤压模、拉丝模的型孔加工；冲裁模的凹凸模、卸料板及固定板的加工。小孔及异形孔加工：直径较小的圆孔或异形小孔加工，如喷丝头、异形喷丝板等。螺纹加工：淬硬材料的螺孔加工。特殊零件加工：高硬度、高韧性、易变形、易破碎的零件、耐热合金及特殊形状的型孔加工。电火花穿孔加工的应用范围２．电火花穿孔加工的特点电火花穿孔加工能完成一般机械加工难以完成的复杂型孔加工，且型孔形状越复杂，越能显示出电火花穿孔加工的优越性。当电火花穿孔加工用于冲模加工时，间隙均匀，刃口平直，提高了模具的质量。由于电火花穿孔加工将产生一定厚度的变质层，而有些模具不允许变质层存在，所以必