第十章 第一节 电火花加工

第十章特种加工方法及先进制造技术01【概述】一二特种加工的基本概念及其分类特种加工的特点概述一、特种加工的基本概念及其分类1.特种加工的概念传统的切削加工方法都是采用比工件材料硬的刀具或砂轮，依靠机械能进行加工的。20世纪40年代发明的电火花加工，开始出现了用硬度低于工件的工具，不依靠机械力来加工硬工件的方法。50年代后又先后出现了电子束加工、等离子弧加工、激光加工等等，逐步形成了特种加工的新领域。特种加工是指除车、铣、刨、磨、钻等传统的切削加工方法之外的新加工方法，它是直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能等能源及其复合加工技术对工件进行加工的方法。特种加工技术在加工高强度、高硬度、高韧性等机械、物理、化学性能特殊的难加工材料和形状复杂、精密、微细的特殊零件中，愈来愈显示出它的神威。近年来，计算机技术和控制技术等新技术对特种加工的渗透，使特种加工技术有了长足的发展。同样，特种加工技术又积极地推动着制造业向前发展。2.特种加工方法的分类特种加工方法的分类尚没有明确的规定，一般是根据使用的能量和作用原理可分为表9-1所示的几种类型。不同的特种加工方法都有其特定的应用范围和规律，选择不当就不能发挥出特种加工的特长。因此，必须根据加工对象的材料、结构特点和经济性来合理选择。概述一、特种加工的基本概念及其分类加工方法主要能量形式表示符号适用范围电火花加工电、热能EDM任何导电材料电火花线切割WEDM电子束加工EBM任何材料等离子弧加工PAM（C）电解加工电、化学能ECM任何导电材料电解磨削电、化学、机械能ECG电解珩磨ECH离子束加工电、机械能IBM任何材料激光加工光、热能LBM超声加工声、机械能USM任何硬脆材料化学加工（铣削）化学能CHM与化学溶济作用的材料光化学光、化学能PCM水射流切割（水刀）液流、机械能WJC任何材料磨料喷射加工AJM表9-1常用特种加工方法分类概述二、特种加工的特点由于新材料的不断涌现，工件加工表面越来越复杂，经常出现用传统的切削加工难以进行甚至无法加工的情况，而采用特种加工则可以顺利地进行加工，并收到良好的经济效果。特种加工与传统的切削加工相比具有以下特点：概述二、特种加工的特点1.切除材料的能量不单纯是靠机械能，还可以用其它形式的能量。2.特种加工可以有工具，但工具材料的硬度一般低于被加工材料，也可以无工具。3.在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力，工件很少产生机械变形和热变形，有助于提高工件的加工精度和表面质量。因此，特种加工特别适合于难加工材料（如硬、脆、软、韧的材料）的加工、复杂的零件表面（如异形型腔、小孔、深孔、窄缝等）的加工以及一些特殊的精密微细加工。它广泛地应用于模具、刀具、量具、微电子元器件、生物医疗、仪器仪表、纺织、汽车、航空航天等生产领域。随着社会需求的增长，新材料的不断涌现，目前国内外已采用的特种加工技术有数十种。下面仅介绍在机械制造中应用较广泛的一些特种加工的工作原理、主要特点及其应用。01【电火花加工】一二三电火花加工的工作原理电火花加工的特点电火花加工的基本规律四电火花加工的类型电火花加工一、电火花加工的工作原理电火花加工的工作原理就是指利用在工具电极和工件之间产生脉冲性火花放电，产生局部高温将金属材料逐步蚀除下来，以达到零件尺寸、形状及表面质量等加工要求的方法称为电火花加工，又称电蚀加工。其工作原理如图9-1所示。当工具电极与工件在绝缘介质（工作液）中靠近时，极间某处（相对最靠近点）的电场强度，将会超过极间介电液的介电强度，极间电压使介电液在两极间“相对靠近点”处发生雪崩式的电离击穿。此时，在两极间的绝缘状态将在极短的时间内（一般为10-7～10-5s）发展成为低阻值的放电通道，放电电流随即急剧上升达104～107A/mm2，能量密度高度集中达106～107w/mm，使放电区的温度将达到1000～10000℃，工件上的一小部分金属材料被迅速熔化和汽化。由于熔化和汽化的速度很快，故带有爆炸性质，在爆炸力的作用下，将熔化了的金属材料微粒迅速抛出，被液体介质冷却凝固并被带走。每次放电后，工件表面上形成一个小圆坑，如b)图所示，放电过程多次重复进行，大量的小圆坑重叠在工件的加工表面上。随着工具电极的不断进给，工具电极的轮廓尺寸就被精确地复制到工件上，实现零件轮廓的加工，如c)图所示。电火花加工1—脉冲电源；2—送进机构及间隙自动调整器；3—立柱；4—工具电极；5—工作液；6—工件电火花加工二、电火花加工的基本规律1.极性效应在电火花加工过程中，不仅工件材料被蚀除，工具电极也同样遭到蚀除；但阳极和阴极的蚀除速度不相同，这种现象叫“极性效应”。其根本原因是：在加工过程中，阳极和阴极表面分别受到电子和离子的撞击和瞬时热源作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而熔化、汽化和抛出的金属量也就不一样，即两极的蚀除率不同。一般而言，短脉冲（如脉宽小于30μs）加工时，负极的蚀除量小于正极；较长脉冲（如脉宽大于300μs）加工时，负极的蚀除量大于正极。为了减少工具电极的损耗和提高生产效率，总是希望极性效应越显著越好，即工件材料蚀除快，而工具电极的蚀除又慢。因此，电火花加工电源则采用直流脉冲电源。同时还要注意正确选择极性。一般当采用高频电源时，工件应接正极；当采用低频电源时，工件应接负极；当使用钢制工具电极时，不论脉冲电源频率的高低，工件一律接负极。2.脉冲放电在电火花加工过程中，火花放电必须是瞬间的脉冲放电，放电延续时间很短，一般为10-7～10-5s，这样才能使火花放电时所产生的热量来不及传导扩散，从而把每一次放电点分别限制在很小的范围内。电火花加工3.放电间隙在电火花加工过程中，还必须使工具电极与工件被加工表面之间保持一定的放电间隙，通常为几微米至几十微米。如果放电间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，则不会产生火花放电；如果放电间隙过小，很容易形成短路。因此，电火花加工机床必须具有工具电极的自动进给和间隙调节装置，以保证极间正常的火花放电。4.工作液在电火花加工过程中，工作液的作用是：①形成电火花击穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复到极间的绝缘状态；②对放电通道产生压缩作用；③冷却工具电极和工件；④帮助电蚀产物的冷却和排除。因此，工作液的选择对电蚀量的影响较大。介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，但粘度太大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。目前，电火花成型加工主要采用油类工作介质。粗加工时脉冲能量大、加工间隙也较大，爆炸排屑抛出能力强；通常选用粘度较大、燃点较高的机油。而在中、精加工时放电间隙较小，排屑困难，故一般都选用粘度小、流动性好、渗透性好的煤油作工作液。电火花加工三、电火花加工的特点电火花加工去除材料的速度可以与一般机械加工方法相比。其主要特点是：⑴电火花加工是一种非接触式加工，所以工件不受机械切削力的作用，无机械变形，不受工具和工件刚度限制，有利于实现工件的微细加工。如薄壁、深孔、盲孔和窄缝等的加工。⑵电火花加工是利用极间火花放电时产生的电腐蚀现象，靠高温熔化和汽化金属进行蚀除加工的。因此，可以用较软的紫铜等工具电极，对任何导电的难加工材料（如硬质合金、耐热合金、不锈钢、淬火钢等）进行加工，达到“以柔克刚”的效果。⑶电火花加工不需要复杂的切削运动，而工具电极较软，便于制造。因此，有利于异形曲面的加工。⑷尽管放电温度较高，但因放电时间极短，工件的大部分材料不受热。因此，电火花加工适于加工热敏感性很强的材料。⑸易电火花加工于实现自动化。⑹电火花加工时，工具电极的损耗会影响工件的加工精度。因此，电火花加工广泛应用于碳化钨、钨钴类硬质合金或硬钢材料等制造的模具、工具等的加工。

四、电火花加工的类型

电火花加工的类型很多，如图9-2所示。其中电火花成型加工、电火花线切割加工应用较普遍。电火花加工

1.电火花成型加工

⑴电火花成型加工原理电火花成型加工的实质是一种反拷仿形加工，一般在电火花成型机上进行，主要用于加工模具的型孔与型腔。其工作原理如图9-3所示。工具电极与工件分别与脉冲电源的两输出端相连接；工件装夹在由泵、过滤器等组成的工作液循环系统提供的工作液里；工具电极与自动进给调节装置中的主轴相连接，并在主轴的带动下作上下伺服直线运动。当工具电极与工作之间的间隙达到一定值时，施加在工具电极与工件上的脉冲电压将击穿极间间隙处的工作液，产生火花放电，并在工件上蚀除出凹坑。经过多次、反复地脉冲放电，在工件上逐步蚀除出一个与工具电极形状相似、凹凸相反的型腔。电火花成型机主要由主机、电源控制柜、工作液系统以及附件等部分所组成，如图9-4所示。主轴上包括能使工具电极作严格直线伺服运动的自动进给调节装置（主轴头）、能调水平坐标位置的工作台、浸放工件的工作液槽、机床床身和立柱等。实现自动进给调节装置的伺服运动方式有电液伺服和电机伺服两种。电火花加工电火花加工⑵电火花成型加工的特点及其应用电火花成型加工除具有一般电火花加工的特点（详见电火花加工的特点）外，还具有可以加工特殊及复杂形状的零件；如复杂型腔模具、各种型孔、刻花、刻字等的加工。采用数控技术，则可以用简单的电极加工复杂形状的零件。目前，电火花成型加工已广泛应用于机械制造（特别是模具制造）、宇航、航空、电子、电器、精密细微机械、仪器仪表、汽车、轻工等行业。以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几十微米的轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。2.电火花线切割⑴电火花切割的基本原理电火花线切割加工的基本原理是利用轴向移动的细金属丝（铜丝或钼丝）作为工具电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成型的加工方法。其基本原理与电火花加工原理基本相同，不同之处在于电火花线切割的工具电极是一根移动的电极丝（其直径通常为φ0.02～0.05mm），工件靠x、y坐标移动来加工出平面图形。如图9-5所示，电极丝穿过工件上预先钻好的小孔，经导轮由滚丝筒带动作往复交替地走丝。通过绝缘板放置工件的工作台在x、y两个坐标方向上分别安装有步进电动机，按加工要求的轨迹通过数控装置进行控制，将工件切割成所需要的形状。电火花加工⑵电火花线切割的加工特点①不需要成型工具电极，缩短了生产准备时间，大大地降低了生产成本。②由于电极丝比较细，可以加工微细的异形孔、窄缝和复杂形状的工件。③由于切缝很窄，只对工件进行图形的轮廓切割，且切割下的部分余料还可以利用。④由于采用移动的长金属丝进行加工，单位长度电极损耗较小，从而对加工精度的影响小。特别是在慢走丝线切割加工时，电极丝采用铜丝一次性使用，电极损耗很小，可以加工出精度很高的零件。⑤自动化程度高，操作方便，工人劳动强度低，易于实现计算机控制。⑥不能加工盲孔类零件，对阶梯面（立体成形面）等的加工较为困难。电火花加工⑶电火花线切割的应用火花线切割为新产品试制、精密零件及模具制造开辟了一条新的工艺途径，其主要应用如以下：①加工模具

适用于各种形状的冲模的加工；只需要一次编程，调整不同的间隙补偿量就可以切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等。还可以加工挤压模、粉末冶金模、弯曲模、拉丝模、塑料模等带有锥度的模具。②加工电火花成型加工用的电极

适用于一般穿孔用电极以及带锥度型腔加工用电极的加工。对于铜合金、银合金等贵重金属材料的加工，用电火花线切割加工特别经济。同时，也适用于加工复杂形状的微细电极。③零件加工

加工电火花成型加工可以直接在板料上切割出零件；如切割特殊微电机硅钢片定转子、特殊蝶形弹簧片、凸轮、样板、成型刀具、异形槽和标准缺陷的加工等。由于不需另行制造模具，所以大大地缩短了制造周期，降低了生产成本。3.电火花加工的其它应用随着生产的发展，电火花加工领