模具制造工艺技术 课件 4.1 模具零件特种加工（任务一）

各种零件的加工任务描述

电机转子凹模是冲压生产电机转子片的重要零件，材料采用GrWMn，硬度要求55～60HRC，凸凹模配合间隙为0.04～0.06mm。因普通加工方法受刀具及加工精度的影响无法进行加工，考虑该零件采用电火花成形的特种加工工艺。试编制该电机转子凹模的加工工艺过程卡。任务一电机转子凹模型孔电火花加工

1．了解特种加工的特点和应用范围；

2．掌握模具各种特种加工的基本原理；

3．了解电火花加工、电火花线切割加工、超声波加工等典型模具的特种加工工艺；4.了解模具加工的新技术、新工艺及国内外模具工业的发展水平。知识目标

1．能够进行电火花成形机床的操作；

2．能够进行线切割加工的数控程序编制和操作；3.具备编制模具电火花加工、电火花线切割加工和超声波加工工艺规程的能力。技能目标素质目标

培养学生创新精神、良好的团队合作、产品质量和安全生产意识。①什么是特种加工？

特种加工是直接利用电能、热能、光能、化学能、电化学能、声能等进行加工的工艺方法。②常用的特种加工方法？

在模具生产中常用的有电火花加工、电铸加工、电解加工、超声加工和化学加工等。

电火花加工：也称放电加工（ElectricalDischargeMachining简称EDM），它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。按加工方式不同电火花加工又分为电火花成形加工，电火花线切割加工、电火花高速小孔加工，电火花磨削、电火花同步共轭回转加工和电火花表面强化与刻字等六种。

一次脉冲放电之后，两极间的电压急剧下降到接近于零，间隙中的电介质立即恢复到绝缘状态。此后，两极间的电压再次升高，又在另一处绝缘强度最小的地方重复上述放电过程。多次脉冲放电的结果，使整个被加工表面由无数小的放电凹坑构成。

工件和工具电极分别与脉冲电源的两输出端相连接，自动进给调节装置能使工件和工具电极保持给定的放电间隙。脉冲电源输出的电压加在液体介质中的工件和工具电极(以下简称电极)上，当电压升高到液体介质的击穿电压时，会使液体介质在绝缘强度最低处被击穿，产生火花放电。

瞬间高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小块材料，形成小的凹坑。1.电火花加工的原理

电火花加工系统电火花成形加工的条件

电火花放电必须具有脉冲性、间歇性；

放电必须在具在有一定绝缘性能的液体介质中进行；

有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属被熔化或气化。。

必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙（0.01—0.5mm)；一、电火花加工的原理、特点、分类及应用一次电火花放电的四个阶段1—阳极；2—阳极汽化、熔化区；3—放电通道熔化的金属微粒；4—热膨胀；5—阴极汽化、熔化区；6—阴极；7—凸起；8—凝固的金属微粒；9—工作介质；10—凹坑一次脉冲放电过程大致可分为以下几个连续的阶段：一、电火花加工的原理、特点、分类及应用2.我国电火花加工常用术语和符号5）覆盖效应6）放电状态

1）工具电极4）正、负极性加工3）电规准

2）放电间隙一、电火花加工的原理、特点、分类及应用放电状态（3）电弧放电（稳定电弧放电）状态。（2）电火花放电（工作脉冲或称为有效脉冲）状态。（4）过渡电弧放电（不稳定电弧放电或称为不稳定电火花放电）状态。（1）开路（空载脉冲）状态。（5）短路（短路脉冲）状态。3.电火花加工的主要特点优点缺点须制作电极，只能加工导电工件。加工速度慢且加工部分形成残留变质层。由于存在电极损耗，加工精度受限制。放电间隙使加工误差增大。

适合于机械加工方法难于加工的材料的加工，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等；

可加工特小孔、深孔、窄缝及复杂形状的零件；

电极材料不必比工件材料硬；

易于实现加工过程的自动化控制；应用：窄缝加工花纹加工电火花穿孔一、电火花加工的原理、特点、分类及应用电火花加工在模具制造中的应用（1）加工各种模具零件的型孔

（3）加工小孔

（6）其他加工（4）电火花磨削（5）强化金属表面（2）加工复杂形状的型腔一、电火花加工的原理、特点、分类及应用4.电火花加工的分类电火花成型加工电火花线切割加工电火花磨削和镗削按工件与电极相对运动的方式和用途不同电火花同步共轭回转加工电火花高速小孔加工电火花表面强化与刻字

1．熟悉电火花加工设备结构、功能作用、技术参数；

2．掌握影响电火花加工的主要因素；知识目标

影响电火花加工的主要因素；教学重点

电火花加工设备结构功能、技术参数教学难点任务二：电火花加工设备、影响电火花加工工艺指标的因素电火花加工设备1.电火花加工机床（a）结构组成(b)外观电火花加工机床1-床身；2-液压油箱；3-工作液槽；4-主轴头；5-立柱；6-工作液过滤箱；7-电源箱电火花加工设备1）主机部分（2）工作台

（3）主轴头

（1）床身和立柱

～是电火花机床的一个关键部件，由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成，用以控制工件与电极之的放电间隙。

用来安装工件，可纵、横向移动，工作台上装有工作液槽。

是基础件，可保证电极与工作台、工件之间的相互位置精度。电火花加工设备2）工作液循环过滤系统

（1）放电结束后使放电间隙消电离，以便下一个脉冲电压再次形成电火花放电。为此，要求工作液有一定的绝缘强度。

（2）使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去，避免放电间隙严重污染，导致电火花放电点不分散而形成有害的电弧放电。作用：电火花加工设备

（3）降低工件表面瞬时放电产生的局部高温和冷却电极，否则工件和电极表面会因局部过热而产生结炭、烧伤并形成电弧放电。

（4）工作液还可压缩电火花放电通道，增加通道中压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力，以抛出更多熔化和汽化了的金属，增加蚀除量。电火花加工设备冲油、抽油方式

工作液循环过滤系统的作用是采用强迫循环的办法把清洁工作液由液压泵加压，强迫冲入工件与电极之间的放电间隙，将放电间隙中的电蚀产物随同工作液一起从放电间隙中排出，以达到稳定加工的目的。方式：冲油、抽油冲油压力：0～0.6MPa抽油压力：0～0.05MPa电火花加工设备3）电源箱（1）

脉冲电源（2）

自动进给调节系统

把交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流。

是保证工件与电极之间的正确放电间隙，并通过伺服机构使主轴头上的电极不断地、及时地调节进给速度，以维持放电间隙，使电火花加工能正常进行。电火花加工设备2.电火花加工机床附件（1）

平动头

是电火花机床最重要的主轴头附件，也是实现单电极型腔电火花加工所必备的工艺装备。

采用平动头加工的特点：用一个电极就能由粗到精直接加工出工件（但无法加工出有直角的型腔）。

平动头包括两部分：

1）由伺服电动机驱动的偏心机构；

2）是平动轨迹保持机构。电火花加工设备2.电火花加工机床附件（2）

电极夹具十字铰链式电极夹具球面铰链式电极夹具按电极固定板基准面校正电火花加工设备3.电火花加工机床的主要技术参数两例电火花加工机床的主要技术参数影响电火花加工工艺指标的因素1.影响加工速度的主要因素1）电参数的影响(1)(2)(3)峰值电流的影响脉冲间隔的影响脉冲宽度的影响电火花加工的主要工艺指标：

加工速度、电极损耗、加工精度、加工质量的机械性能影响电火花加工工艺指标的因素2）非电参数的影响（1）加工面积的影响（2）排屑条件的影响。（3）加工极性和电极材料的影响。（4)工件材料的影响。（5)工作液的影响。1.影响加工速度的主要因素影响电火花加工工艺指标的因素2.影响电极损耗的主要因素衡量电极耐损耗的指标:1）电参数的影响

脉冲宽度的影响。

脉冲间隔的影响。

峰值电流的影响。影响电火花加工工艺指标的因素2）非电参数的影响电极的形状和尺寸的影响冲油或抽油的影响加工极性的影响电极材料的影响加工面积的影响(1)(2)(3)(4)(5)2.影响电极损耗的主要因素影响电火花加工工艺指标的因素3.影响加工精度的主要因素4)3)2)1)机床热变形的影响电极形状的影响加工斜度的影响放电间隙的影响影响电火花加工工艺指标的因素4.影响加工质量的主要因素1）2）3）表面粗糙度的影响4）表面变化层的影响显微裂纹的影响表面变化层力学性能的影响

电火花穿孔加工工艺

1．熟悉电火花穿孔加工方法与相关工艺；

2．掌握影响电火花穿孔加工电极设计；知识目标

电火花穿孔加工电极的设计；教学重点

电火花穿孔加工方法、电火花穿孔加工装、校电极和工件

教学难点

电火花穿孔加工工艺

用电火花加工方法加工通孔称为电火花穿孔加工。它在模具制造中主要用于切削加工方法难于加工的凹模型孔，能获得平直刃口且耐磨、所需的落料斜度、凸、凹模间均匀的配合间隙，可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。电火花穿孔加工工艺过程

分析零件图

拟定工艺路线选配工作液

模坯准备设计电极机械加工基准、螺钉孔、销钉孔等

制造电极

淬火回火

磨削基准面

退磁

电火花加工装、校电极和工件选择电参数四、电火花穿孔加工1.电火花穿孔加工方法直接配合法间接配合法阶梯电极法二次电极法1）2）4）3）

～是利用电火花放电腐蚀金属的原理，通过电极相对于工件做进给运动，而把电极的侧面形状和尺寸反拷贝在工件上，加工所需通孔。四、电火花穿孔加工直接配合法1.电火花穿孔加工方法

特点：能加工型孔复杂的整体式凹模，可直接利用其加工斜度加工凹模的斜度，加工的冲裁模间隙均匀，刃口平直耐磨，寿命长，但对小的棱边及尖角处的加工比较困难。

优点：可以获得均匀的凸、凹模配合间隙，且能节省制造电极的费用和时间。

缺点：加工速度低，易形成不稳定的二次放电。

电火花穿孔加工工艺一次电极为凸型的二次加工法1—一次电极；2—凹模；3—二次电极；4—凸模1.电火花穿孔加工方法3电火花穿孔加工工艺阶梯电极法1.电火花穿孔加工方法无预孔或加工余量较大时加工小间隙、无间隙的冷冲模具时

2、电火花加工过程和电规准1）电火花加工过程

～和普通机械加工同理，电火花穿孔加工也能进行粗、精加工，但实现粗、精加工的方式不同。粗加工时，用电极的前端部分，选用大的脉冲峰值电流和脉冲宽度ti，减小脉冲间隔t0，既可以提高生产率，又可以减少电极损耗。当孔穿通后，电极继续往下穿，用新的表面对型孔进行精加工。此时选用小的脉冲峰值电流和脉冲宽度ti，增大脉冲间隔t0和频率，得到合格的刃口尺寸和表面粗糙度。

注意：在进行规准转换时，由于间隙逐渐减小，应注意电蚀物的排除条件，应适当加大介质液的压力和流动速度。2）电规准的选择与转换

电规准是电火花加工中所选用的一组电脉冲参数。电规准应根据工件的加工要求、电极和工件材料、加工的工艺指标等因素来选择。通常要用几个规准才能完成凹模型孔或型腔模型腔加工的全过程。电规准分为粗、中、精三种，每一种又可分几档。粗规准

粗规准主要用于粗加工。一般采用较大的电流峰值，较长的脉冲宽度（ti=50～500us）。中规准中规准是粗、精加工间过渡性的电规准，中等大小的电流峰值和脉冲宽度（10～100us）。精规准

精规准用来进行精加工，采用小的电流峰值、高频率和短的脉冲宽度（2～6us）。对于脉冲间隔t0，粗加工时取脉宽的1/5～1/10，精加工时取脉宽的2～5倍，脉冲间隔大，生产率低，但过小则加工不稳定易拉弧。电火花穿孔加工工艺3.电火花穿孔加工用电极设计1)电极材料的选择常用电极材料的性能电火花穿孔加工工艺2）电极结构形式（2）组合式电极（1）整体式电极（3）镶拼式电极电火花穿孔加工工艺3）电极尺寸的确定(4)电极技术要求的确定电极的几何形状要和模具型孔或型腔的几何形状完全相同，其尺寸大小根据模具型孔或型腔的尺寸及公差，放电间隙的大小，凸、凹模配合间隙来决定。电极的尺寸精度等级比凹模高一级，一般不低于IT7级。电极的表面粗糙度应在Ra1.25～0.63um以上，表面光洁。电极各表面的平行度误差：100mm／0.01mm；当凹模有圆角要求时，电极上相应部位的内外半径应尽量小；当无圆角要求时，电极应尽量设小圆角。电火花穿孔加工工艺3）电极尺寸的确定电极截面尺寸的确定（1）当按凹模型孔尺寸及公差确定电极的横截面尺寸时：电极的轮廓应比型孔均匀地缩小一个放电间隙值。如右图所示：a＝A－2δb＝B+2δc＝C、r1=R1+δ、r2=R2—δ

当电极轮廓为凹下时，取“+”；当电极轮廓为凸起时，取“—”电火花穿孔加工工艺3）电极尺寸的确定电极截面尺寸的确定（2）当按凸模尺寸和公差确定电极的横截面尺寸时：随凸模、凹模配合间隙Z(双面)的不同,分为三种情况：

a）配合间隙等于放电间隙（δ配=δ电）时，电极与凸模截面基本尺寸完全相同。

c）配合间隙小于放电间隙（δ配<δ电）时，电极轮廓应比凸模轮廓均匀地缩小一个值：δ电－δ配。

b）配合间隙大于放电间隙(δ配>δ电)时，电极轮廓应比凸模轮廓均匀地放大一个δ配－δ电值。电火花穿孔加工工艺3）电极尺寸的确定电极长度尺寸的确定

电极的长度取决于凹模结构形式、型孔的复杂程度、加工深度、电极材料、电极使用次数、装夹形式及电极制造工艺等因素。L＝KH+h1+h2+(0.4－0.8)(n一1)KH说明：

①K值的选取：黄铜为3～3.5；石墨为3～3.5；铸铁为3～3.5；钢为3～3.5。当电极材料损耗小、型孔简单、电极轮廓无尖角时，K取小值；反之取大值。

②当加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极长度应适当加长些，但其总长度不宜过长，否则制造困难。电火花穿孔加工工艺3）电极尺寸的确定阶梯电极尺寸的确定阶梯部分的截面尺寸可由下式计算：阶梯部分的长度可由下式计算：

是电极系数，当材料为铸铁和纯铜时，为1.1～1.5；当电极材料为钢和黄铜时，为1.2～1.6；对于形状简单的电极，值可取得小些，当加工硬质合金模具时，可取大些；h为型孔厚度。电火花穿孔加工工艺3.工件的准备1)

工件的预

加工2)

热处理3)磨光、除锈、

退磁电火花穿孔加工工艺4.电规准的选择与转换1）粗规准2）中规准3）精规准

主要用于粗加工，脉宽为20～60us，表面粗糙度Ra≥6.3um，加工速度为50～100mm3/min,电极损耗低于10%。

是过渡规准，脉宽为6～20us，表面粗糙度Ra6.3～3.2um，用以减小精加工余量，促进加工稳定和提高加工速度。

主要用于精加工，脉宽为2～6us，表面粗糙度Ra1.6～0.8um，加工速度为7～10mm3/min。

电火花型腔加工工艺

1．熟悉电火花型腔加工方法与相关工艺；

2．掌握影响电火花型腔加工电极设计。知识目标

电火花型腔加工电极的设计教学重点

电火花型腔加工方法；电火花型腔加工电极和工件的装校。

教学难点五、电火花型腔加工1.电火花型腔加工方法

1）单电极直接成型法

型腔加工多属盲孔加工，在工艺条件上存在诸多不良因素；与机械加工相比，电火花加工的型腔具有加工质量好、表面粗糙度小，减少了切削加工和手工工作量，缩短模具生产周期。

～是指用一个电极加工出所需型腔。它可以直接加工形状简单、精度要求不高的型腔。

为了提高加工效率，型腔在电火花型腔加工前应先采取机械切削加工方法进行预加工，留出加工余量，待型腔淬火后用一个电极进行精加工。所留余量应均匀，电极侧面单边0.1～0.5mm，底面余量0.2～0.7mm。对于多台阶复杂型腔的加工余量需适当减小。五、电火花型腔加工1.电火花型腔加工方法2）单电极平动法加工（应用最广泛）

用一个电极完成型腔的粗规准、中规准、精规准加工。优点：只需一个电极，一次装夹、定位，便可达到±0.05mm的加工精度，方便电蚀产物排出，加工过程稳定。缺点：难以获得高精度的型腔，特别是难以加工出清棱、清角的型腔。思政元素：纲举目张五、电火花型腔加工几种典型的摇动加工实例R1—起始半径；R2—终止半径；R—球面半径1.电火花型腔加工方法2）单电极摇动法加工（利用数控电火花型腔加工机床工作台按一定轨迹做微量移动来修光侧面）五、电火花型腔加工3.多电极更换法1—粗加工后的型腔；2—精加工前的型腔；3—精加工后的型腔；4—模块1.电火花型腔加工方法

采用多个电极依次更换加工同一个型腔。注意：每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。一般用两个电极进行粗、精加工就可以满足要求，但型腔要求很高时，可采用三个电极进行加工，但要求电极的一致性好、制造精度高；换电极时要求定位、装夹精度高。一般只适用于加工精度高、表面粗糙度小、棱角清晰的型腔。五、电火花型腔加工4.分解电极法1.电火花型腔加工方法

把电极分解为主型腔电极和副型腔电极分别制造、分别使用。

适用于尖角窄缝、沉孔、深槽多的复杂型腔的模具加工。

优点：可根据主、副型腔不同的加工条件，选择不同的电规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量，简化电极制造，便于电极维护。

缺点：更换电极时主、副型腔电极之间要求有精确的定位。五、电火花型腔加工5.创成加工法1.电火花型腔加工方法

用简单形状的圆柱形电极对工件进行加工时，电极按数控程序给出的轨迹移动，对工件进行类铣削加工。

特点：省略了复杂的电极加工，缩短模具制造周期，加工时放电面积小，因而加工稳定性好五、电火花型腔加工2.电火花型腔加工用电极设计1）电极材料的选择

根据电火花型腔加工的特点，电极材料应具有耐电蚀性能好、电极损耗小、加工速度快的特点。常用的电极材料为紫铜和石墨。紫铜电极常用于形状复杂、轮廓清晰、精度要求高的型腔加工。而石墨电极则适用于大、中型模具的型腔加工。铜钨合金和银钨合金是较理想的电极材料，但其成型性能差，价格高，只有在特殊情况下才会使用。五、电火花型腔加工紫铜电极和石墨电极加工工艺比较2.电火花型腔加工用电极设计1）电极材料的选择五、电火花型腔加工2）电极结构的选择整体式电极（1）（2）组合式电极（3）镶拼式电极2.电火花型腔加工用电极设计五、电火花型腔加工3）电极尺寸的确定（1）电极水平方向尺寸的确定2.电火花型腔加工用电极设计

②当使用单电极平动法加工时，还要考虑平动头侧面修光时单边缩放量的影响，

①当使用多电极更换法和分解电极法加工型腔时，电极水平方向尺寸的确定方法与穿孔横截面尺寸的确定方法相同。

为精加工最后一档规准的单边放电间隙，一般指Ra＜0.8um的

值，通常为0.02～0.03mm；

为精加工时的平动量（mm），一般为0.5～0.6mm，为精加工时电极的侧面损耗（mm），一般不超过0.1mm。五、电火花型腔加工3）电极尺寸的确定2.电火花型腔加工用电极设计（2）电极垂直方向尺寸的确定五、电火花型腔加工4）排气孔和冲油孔的设计设冲油孔和排气孔的电极

用单电极平动法加工时，冲油孔和排气孔的直径约为平动量的1～2倍，一般为1～2mm，孔开得过大，容易在加工后形成凸起物，不易清除。

为了便于排屑、排气和便于钻孔加工，通常把冲油孔和排气孔的上端孔径增大到5～8mm，孔距设为20～40mm，以不存在蚀除物堆集为宜。2.电火花型腔加工用电极设计五、电火花型腔加工3.工件的准备

电火花型腔加工的工件准备主要考虑工件的预加工和热处理工序的安排。工件预加工后则可进行热处理淬火，这样可避免热处理变形对电火花型腔加