先进制造技术2电火花加工

第二章电火花加工课内习题及答案1．两金属在（1）在真空中火花放电；（2）在空气中；（3）在纯水（蒸馏水或去离子水）中；（4）在线切割乳化液中；（5）在煤油中火花放电时，在宏观和微观过程以及电蚀产物方面有何相同和相异之处？答：（1）两金属在真空中火花放电时，当电压（电位差）超过一定时即产生“击穿”，电子由“－”极逸出飞向“+”极，由于真空中没有物质阻挡电子的运动，所以没有正离子形成，没有发热的放电“通道”的概念，示波器、显像管中电子流的运动与此类似。基本上没有“电蚀产物”成生。（2）两金属在空气中放电的例子是电火花表面强化、涂覆。电焊、等离子切割、等离子焊等，也是在空气中放电，利用电子流在空气中撞击气体原子形成放电通道，在通道中和工件表面产生大量的热能用于强化、涂覆、切割和焊接。（3）在纯水、蒸馏水或去离子水中，两金属间电火花放电与在煤油中类似，只是水分子、原子受电子、正离子撞击发热气化，最后分解为氧原子和氢原子（分子），而不像煤油中会分解出碳原子（碳黑微粒）和氢气等。（4）、（5）在乳化液中和煤油中放电过程，详见教材中有关章节，不再另行论述。2．有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花加工的脉冲直流电源？在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用的脉冲直流电源？（提示：轧辊电火花对磨、齿轮电火花跑合时，不考虑电极相对磨损的情况下，可用工频交流电源；在电火花磨削、切割下料等工具、工件间有高速相对运动时，可用直流电源代替脉冲电源，但为什么？）答：如提示所述，在不需要“极性效应”、不需考虑电极损耗率等的情况下，可以直接用220V的50Hz交流电作为脉冲电源进行轧辊电火花对磨和齿轮电火花跑合等。不过回路中应串接限流电阻，限制放电电流不要过大。如需精规准对磨或跑合，则可在交流工频电源上并联RC电路（R≈500~1000Ω,C≈0.1~0.01μF），再接到两个工件上。在用高速转动的金属轮或圆片作电火花磨削、电火花切断、下料时，如果可以不计电极损耗率，则就可以用全波整流或整流后并联电解电容滤波的直流电源进行电火花磨削。由于工具电极高速转动，所以一般不会产生稳定电弧烧伤工件。最好是经调压变压器降压到5~100V再整流供磨削之用，一则可以调节电压或电流，二则和220V交流电源隔离，以保障人身避免触电的危险。3．电火花加工时的自动进给系统和车、钻、磨削时的自动进给系统，在原理上、本质上有何不同？为什么会引起这种不同？答：电火花加工时工具电极和工件间并不接触，火花放电时需通过自动调节系统保持一定的放电间隙，而车、钻、磨削时是接触加工，靠切削力把多余的金属除去，因此进给系统是刚性的、等速的，一般不需要自动调节。4．电火花共轭同步回转加工和电火花磨削在原理上有何不同？工具电极和工件上的瞬间放电点之间有无相对移动？加工内螺纹时为什么不会“乱扣”？用铜螺杆做工具电极，在内孔中用平动法加工内螺纹，在原理上和共轭同步回转法有何异同？答：不同之处在于电火花共轭同步回转加工时：（1）工具电极和工件的转动方向相同；（2）转速严格相等（或成倍角、比例关系）；（3）工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动。而电火花磨削时工具和工件可以同向或反向转动；工具和工件的转速并不相同，磨削点之间有很大的相对移动。加工内螺纹时，其所以不会“乱扣”，是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等，工具和工件圆周表面上有着“各点对应”的关系，所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会“乱扣”。在内孔中用平动法加工内螺纹，本质上和共轭同步回转法相同，不同之处在于平动法加工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作“公转”行星式运动，其内外圆上“各点对应”的规则仍然存在。5．电火花加工时，什么叫做间隙蚀除特性曲线？粗、中、精加工时，间隙蚀除特性曲线有何不同？脉冲电源的空载电压不一样时（例如80V、100V、300V三种不同的空载电压），间隙曲线有何不同？试定性、半定量地作图分析之。答：间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小（间隙平均电压的大小）之间的关系，此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线。粗、中、精加工时，由于脉宽、峰值电流等电规准不同，同样大小间隙的蚀除速度也就不一样，总的来说，粗加工时蚀除速度较大，上凸的间隙蚀除特性曲线就高于中、精加工的曲线。当脉冲电源的空载电压不一样时，例如电压较高为300V时，其击穿间隙、平均放电间隙都大于100V或80V的放电间隙，因此横坐标上的A点（电火花击穿间隙）将大于100V或80V时的间隙。间隙特征曲线原点不动，整个曲线稍向右移。同理80V空载电压的间隙特征曲线的A点将偏向左边。SS/μmue/Vυw100υdA0A6．在电火花加工机床上用φ10mm的纯铜杆加工φ10mm的铁杆，加工时两杆的中心线偏距5mm，选用t1=200μs，i=5.4A，各用正极性和负极性加工10min，试画出加工后两杆的形状、尺寸，电极侧面间隙大小和表面粗糙度值（提示：利用电火花加工工艺参数曲线图表来测算）。答：加工示意图见图2-1a。设先用正极性加工，加工后的图形见图b，负极损耗较大；负极性加工后的图形见图c，正极工具损耗较小。具体数据请自行在图中标明，并与书中工艺曲线图表进行对照比较。ФCu-Fe+Fe-Cu+ФCu-Fe+Fe-Cu+a)b)c)图2-17．电火花加工一个纪念章浅型腔花纹模具，设花纹模电极的面积为10mm×20mm=200mm2，花纹的深度为0.8mm，要求加工出模具的深度为1mm，表面粗糙度为Ra=0.63μm，分粗、中、精三次加工，试选择每次的加工极性、电规准脉宽t1、峰值电流ie、加工余量及加工时间，并列成一表（提示：用电火花加工工艺参数曲线图表来计算）。答：可按书中电火花加工工艺曲线图表选择粗、中、精加工的规准。例如极性脉宽脉间峰值电流加工余量加工后表面粗糙度时间粗加工（可不加抬刀）负600μs100μs10A0.9mmRa3μm约30min中加工（加抬刀）负100μs50μs4A0.08mmRa1.25μm30min精加工（加抬刀）正20μs50μs2A0.02mmRa0.63μm30min二、课外习题及答案（一）是非题（“√”表示正确，“×”表示错误）1．电火花加工是非接触加工（指工具和工件不接触），所以加工后的工件表面无残余应力。（×）（二）填充题 1．电火花加工按工件和工具电极相对运动的关系可分为：电火花（穿孔和成形加工），（电火花线切割），（电火花磨削），（电火花同步回转共轭加工），（电火花刻字、强化）等类型。2．电火花加工时靠火花放电产生（局部、瞬时的高温）将金属蚀除下来的。3．电火花加工蚀除金属材料的微观物理过程可分为：（介质电离击穿）、（火花放电能量转换）、（蚀除物抛出）和（间隙介质消电离恢复绝缘）四个阶段。4．电火花加工中把（由于正负极接法不同而蚀除量不同）的现象叫极性效应。电火花型腔加工的工艺方法有：（单电极加平动法）、（多次更换电极法）、（分解电极法）、（简单电极数控创成法）等。（三）选择题1．一般来说，精密电火花加工时电极是：a、高损耗；b、低损耗；c、零损耗；d、负损耗。（a）2．用电火花加工冲模时，若加工间隙与配合间隙相同，可选用哪种工艺方法？a、直接配合法；b、修配冲头法；c、修配电极法。（a）（四）名词解释1．极性效应（电火花加工中）答：电火花加工中，把由于正负极接法不同而蚀除量不同的现象叫极性效应。2．电极相对损耗θ（电火花加工中）答：指工具电极损耗速度υe与工件损耗速度υw之百分比。即θ=υe/υw×100%（五）计算题1．用黄铜和石墨两种电极加工钢，已知电极对生产率电极绝对损耗率黄铜加工钢0.936g/min0.225g/min石墨加工钢220mm3/min1.47mm3/min(钢的密度7.8g/cm³；铜8.4g/cm³；石墨2.0g/cm³)试问哪个生产率高？哪个电极绝对损耗小？哪个相对损耗比θ小？解：相对损耗比θ=υe/υw╳100%υe——电极损耗速度（mm³/min）；υw——工件加工速度（mm³/min）。黄铜加工钢时的生产率：υw1=0.936g/min=0.936/7.8cm³/min=0.12cm³/min=120mm³/min；石墨加工钢时的生产率：υw2=220mm³/min。所以石墨加工钢时的生产率υw2大于黄铜加工钢时的生产率υw1。黄铜加工钢时的电极绝对损耗：υe1=0.225g/min=0.225/8.4cm3/min=26.8mm3/min；石墨加工钢时的电极绝对损耗：υe2=1.47mm3/min<υe1。所以石墨加工钢时的电极绝对损耗小。黄铜加工钢时的电极相对损耗：θ1=υe1/υw1×100%=26.3/120×100%=22.3%；石墨加工钢时的电极相对损耗：θ2=υe2/υw2×100%=1.47/120×100%=0.67%。所以石墨加工钢时的电极相对损耗小。（六）问答题1．试述电火花加工中蚀除工件材料(电腐蚀)的微观物理过程。答：由以下四个阶段组成①介质击穿工具电极和工件凸点处电场强度最大，此处工作液绝缘性最低而最先被击穿，形成等离子放电通道。=2\*GB3②能量转换电流通过放电通道时释放能量形成火花放电，把电能转化为热能、磁能、声能、光能等，其中大部分转化成热能，由于通道截面很小，电流密度很大（105~106A/cm2），通道中心温度高达10000℃以上，瞬时压力达几十兆帕，高温使两极放电点局部熔化或气化。=3\*GB3③蚀除产物的抛出材料气化时产生很大的热爆炸力，把熔化状态的材料抛出，抛离的金属大部分在工作液中收缩成球状小颗粒。一小部分飞溅，镀覆在对面电极上。④消电离一次脉冲放电结束后，工件留下带凸边的小凹穴、电场消失，通道中带电粒子复合，恢复介质的绝缘强度，为第二个脉冲火花放电准备条件。如果介质来不及消电离，易使脉冲放电转为电弧放电，加工就无法进行。无数次脉冲放电蚀除金属，使工件达到加工要求。2．电火花加工和机械加工相比有哪些优点和缺点。答：优点：①电火花加工是“以柔克刚”，用较软的电极材料（如纯铜、石墨）加工任何高硬度的导电材料。而机械加工是“以硬克软”，用高硬度、高强度的材料（如高速钢、硬质合金）作刀具加工相对较软的材料。因此很多难加工材料可用电火花加工方法加工。=2\*GB3②电火花加工过程中工具和工件是不接触的，不是靠机械作用力，而是靠电火花局部瞬时产生的高温蚀除金属的，因此不会引起工件变形，可以加工易变形的薄壁零件及弹性零件，可以加工微小孔及窄缝。=3\*GB3③加工能量易于控制和转换，易于实现自动化。缺点：加工设备成本高、生产率低、工具损耗大。3．电火花加工按工件和工具相对运动的关系可分为哪些类型？及各有何特点？答：①电火花穿孔和型腔加工运动：工具电极和工件间只有一个垂直伺服进给基本运动。工具电极和工件有凹凸相反而形状相同的截面。用途：加工各类模具，如冷冲、冷拔、锻压、铸造、塑料型腔模、粉末冶金模；加工曲面零件、异型孔、盲孔、窄缝及取出断丝锥等。②电火花线切割运动：工具为轴向移动的线状电极，称电极丝。电极丝相对工件在水平面内有伺服进给运动。用途：切割冲模，切割空间直纹曲面的各种零件，如凸轮，样板等。=3\*GB3③电火花镗、磨，电火花共轭回转加工，齿轮电火花跑合。运动：工具电极和工件有相对的旋转运动、径向进给运动及轴向补偿运动。用途：加工在尺寸精度、圆度、表面粗糙度方面要求较高的孔、外圆、内外螺纹、齿轮、静压轴承内腔等。=4\*GB3④电火花刻字运动：工具电极在工件表面上一边振动，一边相对移动。用途：在金属上刻字、打印记。4．什么叫电火花加工中的极性效应？如何在生产中利用极性效应？答：在电火花加工中，即使电极材料相同，但正、负电极上的蚀除速度仍是不同的，这种把由于正、负极性接法不同而蚀除速度不同的现象叫极性效应。在短脉宽的脉冲加工时，电子轰击是主要的，正极蚀除量大于负极；在长脉宽的脉冲加工时离子轰击是主要的，负极蚀除量大。从提高生产率和减少工具损耗角度来看，极性效应愈显著愈好。一般在用短脉宽做精加工时，应将工件接正极，称正极性加工；在用长脉宽作粗加工时，应将工件接负极，称负极性加工。5．电火花加工中，工具电极相对损耗的含义是什么？如何降低工具电极相对损耗？答：工具电极体积相对损耗用电极损耗速度υe与工件损耗速度υw之比的百分数来表示。即：θ＝×100%也可用长度相对损耗θL来表示，θL＝×100%式中ΔLE——电极损耗长度；(LE-ΔLE)——电极穿入深度。降低工具电极相对损耗的途径如下：①正确选择电极的极性短脉宽(ti<30μs)精加工时，电极选正极性,工件接正极。长脉宽(ti>30μs)精加工时，电极选负极性,工件接负极。在用短脉宽做精加工时，虽然相对损耗大（20%~40%）但绝对损耗不大，在用长脉宽做粗加工时相对损耗较小，通常可达1%以下。②正确选择电极的材料选用熔点高、沸点高而耐蚀的材料，如石墨、钨、钼等。选用导热性好而耐蚀的材料，如纯铜、银等。常用石墨和纯铜做电极材料。③利用加工过程中电极表面形成的碳镀覆层来补偿和保护电极和减少电极损耗，电极表面如能形成0.01mm厚的黑膜，则电极损耗可降低到1%以下。不过黑膜通常只能在阳极上（正电位时）形成。6．工件经过电火花加工后表面物理力学性能有何变化？影响加工表面质量的主要因素有哪些？答：电火花加工后的工件表面将产生包含熔化层和热影响层两部分在内的表面变质层。熔化层经过快速冷却后，层中的金属晶粒非常细小，有很强的抗化学腐蚀能力，有较高的硬度，耐磨性比机械加工的好，在金相试片上虽经酸腐蚀，但显微镜下观察时仍呈白亮色，故又称之为白层。热影响层位于融化层和工件基体之间，对未淬火钢，热影响层就是淬火层；对淬火钢，热影响层是重新淬火层、高温回火层和低温回火层。由于电火花加工后工件表面经历了从高温熔化到急剧冷却的过程，所以会形成残余拉应力并经常有微细裂纹产生，因而疲劳强度有所下降。当脉冲能量增加，熔化层和热影响层的厚度也增加，而表面粗糙度将变差。7．影响电火花加工精度的因素有哪些？答：除了工件的安装、定位误差和机床的运动误差会影响加工精度外，影响电火花加工精度的因素还有：=1\*GB3①工具电极的形状和尺寸误差直接影响工件的加工精度。=2\*GB3②放电间隙的影响。放电间隙的大小和加工时所选的电规准（电压、峰值电流、脉冲宽度、工作液的绝缘强度等）有关系，同时由于蚀除产物引起的二次放电现象也使入口间隙大于出口间隙。=3\*GB3③加工过程中电极损耗会直接影响到加工精度。8．试述电火花加工用脉冲电源的主要类型及优缺点答：=1\*GB3①驰张式脉冲电源包括RC、RLC、RLCL等脉冲电源，结构简单，使用和维修方便，用于小功率，精加工时。加工表面粗糙度值较小。但脉冲参数受间隙物理状态影响不稳定（又称非独立式脉冲电源）电能利用率低，电极损耗大，加工速度低，目前只用于小功率精微光整加工中。=2\*GB3②电子管及闸流管式脉冲电源（为独立式脉冲电源）能满足中、精加工的要求，但灯丝需预热、线路中有数千伏高压，不利于操作安全，现在很少应用。=3\*GB3③晶体管式脉冲电源（为独立式脉冲电源）脉冲参数调节范围宽，脉冲波形较好，工具电极损耗较