模具制造工艺学第五章

1、第 5 章模具零件的现代加工与成形方法,5.1 电火花成形加工 5.2 电火花线切割加工 5.3 电化学及化学加工 5.4 超声波加工与激光加工 5.5 模具零件的其他成形方法,第 5 章模具零件的现代加工与成形方法,使用刀具和磨料，利用切削力和机械能加工模具是由来已久的传统加工方法，这种金属切削加工方法尽管不断得到完善和发展，但仍不能满足迅速发展的模具制造业的需要。特别是对于高硬度、高韧性、高强度、高魄性等难加工材料，以及精密细小、形状复杂和结构特殊的模具零件，采用传统的机械切削加工方法根难达到精度、表面粗糙度和生产率的要求，甚至无法加工。因此，近几十年来，人们籍助子现代科学技术的发展，相继

2、开发了一系列有别于传统机械切削加工的现代新型加工方法特种加工。,第 5 章模具零件的现代加工与成形方法,特种加工是以利用热能、电能、声能、光速、化学能、电化学能等机械能以外的其他能量为主去除工件材料的新颖加工方法。现代特种加工与传统机械加工的不同 1 不是主要依靠机械能，而是主要依靠其他能量去除工件材料。 2 不要求工具材料比工件材料更硬； 3 加工过程中工具和工件之间不存在明显的机械切削力。,5.1 电火花成形加工,电火花加工又称放电加工或电蚀加工，它包括电火花成形加工，电火花线切割加工，电火花内孔、外圆和成形磨削，电火花同步回转加工，电火花表面强化和刻字等工艺方法。在模具制造中常用的有电火

3、花成形加工和电火花线切割加工，它是目前模具成形表面的重要加工方法。,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工的基本原理 电火花成形加工的原理是基于工具电极与工件电 极（正极与负极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀 现象来除去多余的金属，以获得规定的尺寸、形状 和表面质量的一种加工方法。,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工的基本原理 早在19世纪初，人们就发现，电器开关的触头在断开或闭合时，会产生放电现象而使其接触部位烧蚀损坏。这种由于放电所引起的电极烧蚀现象，通常被称为电腐蚀现象。长期以来，人们在研究抗电腐蚀办法的同时，也在研究利用电腐蚀现象对金属材料进行

4、尺寸加工，终于在1943年前苏联科学院电工研究所的拉扎连柯夫妇研制出利用电容器反复充电放电原理的世界上第一台实用化的电火花加工穿孔机。,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工的基本原理,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工表面形状示意,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工必须具备以下条件： 1 电火花成形加工必须采用脉冲电源提供瞬间脉冲放电。为防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲放电波。为了形成极小范围内的瞬时高温，以使金属局部熔化，甚至气化，必须保证电火花放电所产生的热量来不及从放电点传导扩散出去，因而，实际脉冲放电时间

5、应小于0 .001s放电之后，为使放电介质有足够时间恢复绝缘状态，以免引起持续电弧放电，烧伤加工表面，还要有一定的脉冲间隔时间。,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工必须具备以下条件： 2 脉冲放电必须有足够的放电能量。脉冲放电的能 量要足够大，电流密度应大，足以使金属局部熔 化和气化，否则只能使金属表面发热。,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工必须具备以下条件： 3 工具电极和工件之间必须保持一定的距离以形成 放电间隙。这一间隙随加工条件而定，通常约为 几微米至几百微米。如果间隙尺寸过大，极间电 压不能击穿极间介质，火花放电就不会产生；如 果间隙

6、尺寸过小，很易形成短路，同样不能产 生火花放电。为此，在电火花成形加工中必须有 专门的调节装置以维持正常的放电间隙。,5.1.1 电火花成形加工的基本原理及特点,电火花成形加工必须具备以下条件： 4 火花放电必须在一定绝缘性能的液体介质中进行。 这种液体介质（如煤油、皂化液、去离子水）不 仅有利于产生脉冲性的火花放电，同时还有排除 放电间隙中的电蚀产物及对电极表面的冷却作用。,电火花成形加工的物理本质,液体介质击穿和通道形成 电火花加工一般都是在液体介质中进行的。当脉冲电压施加在工具电极与工件之间时，将会在极间产生电场。由于极间距离甚小以及电极表面的微观不平，极间电场是不均匀的，一般在两者相距

7、最近的对应点上的电场强度最大。极间介电液中的杂质则会在极间电场作用下，向电场较强的地方聚集，进而引起极间电场的畸变。,电火花成形加工的物理本质,能量的转换和传递 两极间的介质一亘被击穿，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是两极放电点和通道本身温度剧增，使两极放电点的金属材料熔化甚至沸腾气化，并使通道中介质气化或热分解。,电火花成形加工的物理本质,电蚀屑的抛出 在热膨胀压力和爆炸力作用下，电极和工件表面熔化和汽化了的金属被抛入附近的液体介质中冷却，由子表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料冷凝为球状颗粒，大小因脉冲能量而定。,电火花成形加

8、工的物理本质,电火花瞬间放电示意图,电火花成形加工的物理本质,间隙介质的消电离 为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间，使间隙内的介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，并恢复该处液体介质的绝缘强度。如果间隔时间不够，消电离不充分，电蚀产物和气泡来不及很快排除，就会改变间隙内介质的成分和绝缘强度，破坏消电离过程，这些都会使脉冲放电不能顺利转移到其他部位，而始终集中在某一部位，形成连续的电弧放电，使电火花加工不能正常进行。,3 电火花成形加工的特点和适用范围,适合于难切削材料的加工 由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主

9、要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等，而几乎与其力学性能无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制，可以用软的工具加工硬、韧的工件，从而扩大了模具材料的选用范围。,3 电火花成形加工的特点和适用范围,可以加工特殊及复杂形状的零件 由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细工件，如加工细长、薄、脆性零件及微细深孔。由子可以简单地将各工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于加工复杂表面形状的工件。,3 电火花成形加工的特点和适用范围,可以改进结构设计，改善结构的工艺性 例如拼镶结构的硬质合金冲模采用电火花加工后，可

10、以将拼镶结构改为整体结构，既减少了加工工时和装配工时，又延长了使用寿命。又如喷气发动机中的叶轮，采用电火花加工后可以将拼镶，焊接结构改为整体叶轮，既大大提高了工作可靠性，又大大减小了体积和质量。,3 电火花成形加工的特点和适用范围,可使零件的结构设计及工艺设计更加灵活 采用电火花加工的零件，在结构设计时允许方孔、小孔、弯孔、窄缝等结构形式，在工艺设计时可先淬火后加工，以避免淬火热变形对零件精度的影响。,3 电火花成形加工的特点和适用范围,易于实现加工过程自动化 由于是直接利用电能加工，而电能、电参数 比机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制 和无人化操作等。,电火花加工的局限性,只能用于加工

11、金属等导电材料 不像切削加工那样可以加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。但近年来研究表明，在一定条件下也可加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。,电火花加工的局限性,加工速度一般较慢 因此通常安排工艺时多采用切削去除大部分余量，然后再进行电火花加工，以求提高生产率。但最近的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率可不亚于切削加工。,电火花加工的局限性,存在电极损耗 由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。但最近的机床产品在粗加工时已能将电极相对损耗比降至0.1%以下，在半精和精加工时能将损耗比降至1% ，甚至更小。

12、,4 ，电火花加工工艺方法分类,电火花穿孔成形加工 特点：工具和工件间主要只有一个相对的伺服进 给运动，工具为成形电极，与被加工表面 有相同的截面或形状 用途：型腔加工，穿孔加工,4 ，电火花加工工艺方法分类,电火花线切割加工 特点：工具电极为顺电极丝轴线方向移动着的线 状电极，工具和工件在两个水平方向同时 有相对伺服进给运动 用途：切割各种冲模和具有直纹面的零件，下 料、截割和窄缝加工,4 ，电火花加工工艺方法分类,电火花内孔、外圆和成形磨削 特点：工具和工件有相对的旋转运动，工具和工 件间有径向和轴向的进给运动 用途：加工高精度、表面粗糙度值小的小孔，加 工外圆、小模数滚刀等,4 ，电火花

13、加工工艺方法分类,电火花同步共轭回转加工 特点：成形工具和工件均作旋转运动，但二者角 速度相等或成整数倍，相对应接近的放电 点可有切向相对运动速度，工具相对工件 可做纵、横向进给运动 用途：以同步回转、展成回转、倍角速度回转等 不同方式加工各种形状形面的零件。,4 ，电火花加工工艺方法分类,电火花高速小孔 加工 特点：采用细管电极，管内冲入高压水基工作 液；细管电极旋转；穿孔速度极高 用途：线切割预穿丝孔；深径比很大的小孔,4 ，电火花加工工艺方法分类,电火花表面强化、刻字 特点：工具在工件表面上振动；工具相对工件移 动 用途：模具刃口、刀、量具刃口表面强化和镀覆；电火花刻字、打印记,5.1.

14、2 电火花成形加工的基本规律,影响加工速度的主要因素 加工速度（或称生产率）是指在一定的规 准（脉冲电源的脉冲宽度、脉冲间隙和峰值电 流等一组电参数）下单位时间内从工件上蚀除 的金属体积V或质量m。,影响加工速度的主要因素,电规准对加工速度的影响 脉冲电源提供给电火花成形加工的脉冲宽 度、脉冲间隙和峰值电流这一组电参数，称为电 规准。单位时间内的金属工件材料蚀除量 v v等 于该时间内各单个有效脉冲蚀除量v i之和。,影响加工速度的主要因素,极性效应对加工速度的影响 在脉冲放电过程中，工件和电极都要受到电腐蚀，实践证明，即使工件和电极的材料完全相同，也会有不同的蚀除速度。这种单纯由于极性不同而

15、发生蚀除速度不一样的现象叫做极性效应。习惯上常把工件接正极时的电火花加工称为正极性加工，把工件接负极时的加工称为负极性加工。在操作中必须注意极性效应，正确选择极性，使工件的蚀除量大于电极的蚀除量。,影响加工速度的主要因素,工件材料的热学常数对加工速度的影响 所谓热学常数是指熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等，其中前三者对电蚀量影响较大。 每次脉冲放电时，通道内及正、负电极放电点瞬间分别获得大量热能，除了一部分由于热传导散失到电极其他部分和工作液中外，大部分热能消耗在金属的熔化、汽化过程中。,影响加工速度的主要因素,工作液对加工速度的影响 在电火花成形加工时，工作液的作用是： 1 介电

16、作用。工作液一般都具有一定的介电能力，有助子产生脉冲式的火花放电，形成放电通道，放电结束之后又能恢复极间绝缘状态。 2 压缩放电通道，提高火花放电能量密度，强化电蚀产物的抛出效应。 3 冷却工具与工件，并传散放电结束后的极间放电通道余热。,影响加工速度的主要因素,排屑条件对加工速度的影响 在电火花加工过程中，极间局部区域电蚀产物过高，加之放电引起的温度升高，常会影响加工过程的稳定性，以致破坏正常的火花放电，使加工速度降低，甚至无法继续加工。,影响加工精度的主要因素,尺寸精度 电火花加工时，工具电极与工件之间都存在一定的放电间隙，因此工件上被加工型腔或孔的尺寸一定会稍大于工具的尺寸。加工用的脉冲

17、空载电压、击穿电压高，单个脉冲能量大，工作液的绝缘电阻低，则放电间隙就会较大。如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正工具电极尺寸进行补偿，也能获得较高的加工精度。,影响加工精度的主要因素,形状精度 影响形状精度的因素主要是电火花加工时产生斜度和圆角。 1 斜度。电火花加工时侧面产生斜度，使上端尺寸大而底端尺寸小。这是由于二次放电和电极损耗而产生的， 2 圆角。电火花加工时，工具电极上的尖角和凹角，根难精确地复制在工件上，而是形成一个小圆角。,影响加工表面质量的主要因素,表面粗糙度 电火花加工表面和切削加工表面不同，它不存在有方向性的刀痕，而是由无数的电蚀小坑和光滑的硬凸边所组成，特别

18、有利子保存润滑油，在相同的表面粗糙度下其耐磨和耐蚀性能均比切削加工的表面好。,影响加工表面质量的主要因素,表面变质层 由于电火花放电的瞬时高温和液体介质的冷却作用，使工件加工表面产生了一层与原来材料组织不同的变质层。变质层包括表面的熔融再凝固层（熔化层）及热影响层。,影响加工表面质量的主要因素,表面机械性能 电火花加工后表面层的硬度一般均比较高，但对某些淬火钢，也可能稍低于基体硬度。对未淬火钢，特别是原来含碳量低的钢，热影响层的硬度都比基体材料高；对淬火钢，热影响层中的再淬火区硬度稍高或接近于基体硬度，而回火区的硬度比基体低，高温回火区又比低温回火区的硬度低。,影响电极相对损耗的主要因素,电极

19、损耗分为绝对损耗和相对损耗，绝对损耗是指单位时间内工具电极损耗的长度、重量或体积，即长度绝对损耗。重量绝对损耗或体积绝对损耗。相对损耗是指工具电极的绝对损耗与加工速度的百分比，即得到长度相对损耗、重量相对损耗或体积相对损耗。,影响电极相对损耗的主要因素,正确选用电极材料 电极材料不同，工具电极的相对损耗也不同。在选择电极材料时，不仅要考虑电极损耗，还应该考虑其他因索。钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，所以除线切割用钨钼丝外，其他很少采用。,影响电极相对损耗的主要因素,正确选择加工极性 一般来说，在短脉冲精加工时采用正极性加 工（即工件接电源正级），而在长脉冲粗加工

20、时 则采用负极性加工。,影响电极相对损耗的主要因素,利用吸附效应 在用煤油之类的碳氢化合物做工作液时，在放电过程中工作液 将发生热分解，而产生大量的游离碳微粒，还能和金属结合形成金属碳化物的微粒，即胶团。中性的胶团在电场作用下可能与其可动层（胶团的外层）脱离，而成为带电荷的碳胶粒。,影响电极相对损耗的主要因素,利用传热效应 对电极表面温度场分布的研究表明，电极表面放电点的瞬时温度不仅与瞬时放电的总热量（与放电能量成正比）有关，而且与放电通道的截面积有关，与电极材料的导热性能有关。因此，在放电初期限制脉冲电流的增长率对降低电极损耗是有利的，可使电流密度不至于太高，也就使电极表面温度不至于过高而遭

21、受较大的损耗。,影响电极相对损耗的主要因素,利用电喷踱现象 在生产实践中，人们早钱采用电喷镀方法来产生金属镀层，其工艺过程是用电弧放电把作为原料的金属加以熔化，然后通过压缩空气流使其雾化，并喷踱在所要加工的工件表面，形成人们所需的喷镀层。,5.1.3 电火花成形加工的设备及附件,机床本体,机床本体,床身和立柱 床身和立柱是机床的主要基础件，要有足够的刚度，床身工作台与立柱导轨之间有一定的垂直度要求。它们的刚度、精度和耐磨性对电火花成形加工质量有直接的影响。,机床本体,主轴头 主轴头是电火花成形加工机床的一个关键部件，也是间隙自动控制系统的执行机构，用来控制工具电极与工件之间的间隙。主油头性能和

22、质量对电火花成形加工工艺指标起着重要作用。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，有一定的油向和侧向刚度和精度，有足够的进给和回升速度，主油运动的直线性和防扭性能好，灵敏度高、无爬行现象，能承受足够的负载。,机床本体,工作台 工作台是支承和安装工件的，工作液槽安装在工作台上。工作台一般都可做纵向和横向移动，并带有坐标测量装置。常靠刻度手轮来调整位置。随着机床加工精度的提高，也有采用光学读数装置和磁尺数显装置的。,脉冲电源,对脉冲电源的要求 电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电转变成一定频率的单向脉冲电流，以提供电火花加工所需要的放电能量。其性能直接影响加工速度、精度、

23、表面质量、加工过程的稳定性以及工具电极损耗等各项工艺指标。,对脉冲电源的要求,有足够的脉冲放电能量，保持一定的生产效率，否则金属只能发热而不能瞬时熔化和汽化。 所产生的脉冲应该是单向脉冲，以便利用极性效应，提高加工速度，减少工具的电极损耗。,对脉冲电源的要求,3 脉冲主要参数（脉冲电流幅值、脉冲宽度、脉 冲间隙)能在一个较宽的范围内调节，以满足粗、半精、精加工需要。 4 在粗、半精、精加工规准下都有一定的加工速度和较低的电极损耗。,对脉冲电源的要求,5 脉冲电压波形的前后沿应该较陡，这样才能减 少电极间隙的变化及油污程度等对脉冲放电宽度 和能量等参数的影响，使工艺过程较稳定，因 此，一股常采用

24、矩形波脉冲电源。 6 脉冲电源不仅要考虑工作的稳定可靠、成本、寿命、操作维修的方便和体积等问题，还要考虑节省电能。,脉冲电源的种类及其性能特点,非独立式脉冲电源又称为驰张式脉冲电源，这类电源应用最早，结构简单。它是利用电容时而充电时而又通过放电间隙放电（一弛一张）来产生脉冲电流的，它不能独立形成和发生脉冲，其主要脉冲参数（单脉冲能量、脉冲电压、脉冲频率）都与放电间隙大小及其物理状态密切相关。,脉冲电源的种类及其性能特点,独立式脉冲电源能够独立形成和发生脉冲，其重要脉冲参数由电源内部决定，而与放电间隙大小及其物理状态无关，按其功放级所用的开关元件不同，又可以分电子管式，闸流管式、晶体管式和晶闸管

25、式脉冲电源。这类脉冲电源使用电子元件作为开关件而得到脉冲。,间隙自动控制系统,在电火花加工时，工件与电极之间发生火花放电时要保持一定的距离，该距离称为放电间隙。放电间隙随粗、精加工所选用的电参数的不同而有所变化，以满足不同加工的需要。而且，电火花加工是个动态过程，工件和电极都有一定的损耗，使得放电间隙逐渐增大，当间隙大到不足以维持放电时，加工便告停止。,对间隙自动控制系统的一般要求如下,有较广的速度调节跟踪范围 在电火花加工过程中，加工规准、加工面积等条件的变化，都会影响其进给速度，调节系统应有较宽的调节范围，以适应加工的需要。,对间隙自动控制系统的一般要求如下,有足够的灵敏度和快速性 放电加

26、工的频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节。为此，整个系统的不灵敏区及惯性都应较小，遇到瞬间极间短路和开路能以较高的调节速度快速动作。,对间隙自动控制系统的一般要求如下,有必要的稳定性 电蚀速度一般不高，加工进给量也不必过大，所以应有很好的低速性能，均匀、稳定地进给，避免低速爬行，超调量要小，传动刚度应高，传动链中不得有明显间隙，抗干扰能力要强。,间隙自动控制系统,间隙自动控制系统,测量环节 直接测量极间距离大小及其变化是很困难的，通常都是采用测量反映放电间隙大小及其物理状态的电参数（极间电压。放电电流及击穿电压与击穿延时等）来实现。,间隙自动

27、控制系统,比较环节 把从测量环节得来的信号与给定值进行比较，判别间隙大小及其物理状态好坏，并以信号差值控制加工过程。,间隙自动控制系统,放大环节 把经过测量比较所得的信号差值，通过信号放大器（电气或电液压）放大，使之具有一定的功事，以控制和带动执行环节。,间隙自动控制系统,执行环节 执行环节也称执行机构，它根据控制信号的大小及时地进退工具电极，调节放电间隙大小，从而保证电火花加工正常进行。,间隙自动控制系统,电液自动调节系统,间隙自动控制系统,电液自动调节系统工作原理 测量环节从放电间隙检测出电压，与给定值进行比较后输出一个控制信号，再经放大后传输给电机械转换器，该转换器主要由动圈与静圈等组成

28、。动圈处在激磁线圈的磁路中，与挡板连成一体。改变输入动圈的电流，可使挡板随之移动，从而改变挡板与喷嘴间的间隙，进而改变液压系统中喷嘴的出油量，造成液压缸上下油腔压力差的变化，使电极随活塞上下运动，调节放电间隙。,间隙自动控制系统,直流力矩电动机调节系统是用力矩电机作为执行元件直接带动滚珠丝杠，驱动主轴头上下移动的。它反应速度诀，灵敏度高，不灵敏区小，热变形及噪声小，对电火花成形加工十分有利。,间隙自动控制系统,脉冲电源将脉冲能量输送给放电间隙，进行电火花加工。测量环节将检测出反映间隙大小及状态的电压信号，并进行分压和积分，然后传送给比较环节与给定值进行比较，所得出的偏差信号再输向反馈及放大环节

29、，与测速发电机的负反馈信号进行比较，并将差值放大后输向跟随器环节再次放大，再输向差动放大器和功率放大环节，将信号功率放大，以控制力矩电动机进行正转或反转，并带动滚珠丝杠驱动工具电极上下移动，调节极间放电间隙。,工作液循环过滤系统,电火花加工过程中不断产生的电蚀产物（金属微粒、碳粒、气泡及加工余热），如不及时排除，就会因其浓度过大而破坏电蚀过程的稳定性，降低加工速度，增大电极损耗，使加工精度和表面质量恶化。为此，必须对工作液进行循环过滤。,工作液循环过滤系统,。,附件,油杯,附件,电极垂直调整装置,附件,平动头 平动头是在电火花型腔成形加工时，通过平动头使工具电极在水平面内做圆周平移运动，可以根

30、据加工需要调节运动半径，以补偿电极横向损耗满足粗、精加工的需要，以及放电间隙误差引起的工件尺寸误差，修正并达到修光型腔侧面的目的。,5.1.4 模具电火花穿孔加工,模具电火花穿孔加工是利用火花放电时的电腐蚀现象，通过工具电极相对于工件做进给运动，而把成形电极的侧面形状和尺寸反拷在工件上，而加工出所需的通孔模具。,5.1.4 模具电火花穿孔加工,1 工艺方法与机械加工相比较有如下优点： 1 可以在模坯淬火后进行穿孔加工，避免热处理变形影响。 2 冲模的配合间隙均匀，刃口耐磨，提高了模具质量。 3 不受材料硬度限制，可以加工硬质合金等模具，扩大了模具材料的选用范围。 4 对于复杂的凹模可以不用镶拼

31、结构，简化了模具结构，提高了模具强度。,5.1.4 模具电火花穿孔加工,模具电火花穿孔加工工艺流程,2 工具电极的设计与制造,对电极的技术要求 尺寸精度应不低于IT7级，一股可取型孔公差的1/2左右。 各表面平行度在100mm长度上不大于0.01mm。 表面粗糙度小于 1.25um ，一般可取与型孔表面粗糙度相等的值。,2 工具电极的设计与制造,电极材料 根据电火花加工原理，任何导电材料都可作为电极。但因电极材料的来源和性能不同，选择的材料应该是损耗小。加工过程稳定、生产率高、机械加工性能好而且价格低廉的，在实际应用中，应根据加工对象、加工要求及采用的工艺方法、脉冲电源的类型等因索综合考虑。,

32、2 工具电极的设计与制造,电极结构,2 工具电极的设计与制造,电极尺寸 电极尺寸包括电极截面尺寸和电极长度。 电极截面尺寸既可按凹模尺寸和公差设计，也可按凸模尺寸和公差设计。电极长度取决子凹模有效厚度、型孔复杂程度、电极材料形式及制造工艺等一系列因素。,2 工具电极的设计与制造,阶梯电极,2 工具电极的设计与制造,电极制造 目前，一般都用电火花线切割来加工穿孔用的工具电极。但也可以用普通机械加工，然后成形磨削。采用成形磨削法加工电极时，电极材料大多选用铸铁和钢，将铸铁电极与凸模连接在一起，而钢电极则与凸模做成一个整体进行成形磨削。电极与凸模连接在一起成形磨削后，电极的轮廊尺寸与凸模完全相同，这

33、只能适用子凹、凸模的配合间隙等于放电间隙的情况。,凹模模坯准备,所谓凹模模坯准备是指工件在电火花穿孔加工之前的全部工序。为了提高电火花穿孔加工的生产率，模坯必须去除型孔废料，只留下很少的余量作为电火花穿孔余量。为了避免淬火变形的影响，电火花穿孔加工应在淬火之后进行。,电极和工件的装夹与定位,电极装夹 整体式电极大多数用通用夹具直接将电极装夹在机床主轴下端；多电极则用通用夹具加定位块装夹，或用专用夹具装夹；镶拼式电极一般采用一块连接板，将几块电极连接成所需的整体，装夹后再安装在机床上校正。,电极和工件的装夹与定位,工件装夹 在一般情况下，工件被安装在工作台上的油杯或垫块上，与电极互相定位之后，再

34、用压板和螺钉压紧。,电极和工件的装夹与定位,校正 电极装夹后必须进行校正，使其轴心线垂直于机床的工作台面（或凹模上平面）。校正时主要是采用精密角尺校正或百分表校正。,电极和工件的装夹与定位,定位 定位是指确定电极与工件之间的相互位置，以达到一定的精度要求。通常采用划线法和块规角尺法两种方法。,电规准的选择与转换,电规准的选择 电规准一股可分为粗、中、精 3 种，它们的作用分别类似于切削加工中的粗加工、半精加工和精加工。 粗规准主要用来进行粗加工，它的任务是蚀除大量的金属，粗加工后只留下很少的余量给后续加工。一股采用一档到两档规准便可满足粗加工的要求。,电规准的选择与转换,对粗规准的要求如下：

35、1 生产率高，尽可能加大输出功率，充分发挥设备的潜力。 2 粗加工的粗糙度宜小于 10um ，否则会增加精加工的加工余量和加工时间，延长整个加工时间，降低生产率。 3 粗加工的电极损耗不应太大，否则会增加加工时间，尤其会对尖角较多的型孔加工造成困难。,电规准的选择与转换,对粗规准的要求如下： 4 粗加工的放电间隙应尽可能小，其单面间隙 不宜超过 0.1mm ，以减少阶梯电极的腐蚀量。 5 加工过程稳定。,电规准的选择与转换,对精规准的要求如下： 1 在满足模具要求的粗糙度的前提下，有较大的放电间隙范围，以加工不同配合间隙的模具。 2 加工后的刃口斜度应满足凹模的要求。 3 加工过程稳定。 4

36、在保证粗糙度和配合间隙的前提下，应尽可能提高生产率。,电规准的选择与转换,电规准的转换 电规准的转换因不同的加工条件而异，目的是为了较好地解决电火花加工的质量和生产率之间的矛盾。一般冲模加工时电规准的转换程序是：按照选定的规准，选用粗规准加工，当阶梯电极的台阶刚好进入刃口时，换成中规准作过渡，加工 12mm ，再转精规准。精规准着用两档，则依次转换，用末档修穿。,5.1.5 型腔模电火花成形加工,1 型腔模电火花加工的工艺特点 要求电极低损耗。由于型腔形状往往比较复杂，属盲孔加工，电极损耗引起电极的尺寸变化会直接影响型腔的精度，而加工型腔的电极向工件的进给受到限制，其损耗不能像电火花穿孔加工那

37、样可以通过电极进给获得补偿，因此首先要求电极损耗越小越好。,5.1.5 型腔模电火花成形加工,1 型腔模电火花加工的工艺特点 要求电加工蚀除量大。型腔的加工余量一般都较大，尤其是在不预加工的情况下，更需要蚀除大量的金属，因此，型腔加工时对电源粗规准的首要要求是高生产率和低损耗。,5.1.5 型腔模电火花成形加工,1 型腔模电火花加工的工艺特点 型腔属盲孔类，底部凹凸不平，因此电火花加工过程中电蚀产物的排除比较困难，尤其是深型腔加工更是如此，必须在工艺上采取冲、抽油实现强迫排屑。,5.1.5 型腔模电火花成形加工,1 型腔模电火花加工的工艺特点 在加工过程中，为了修光侧面、控制加工深度。更换或修

38、整电极等需要，电火花机床应备有平动头、深度测量装置、电极重复定位装置等附件。,2 型腔模电火花加工的工艺方法,单电极平动法 单电极平动法广泛用于型腔的电火花加工。它是采用一个电极完成形腔的粗、中、精加工的。首先采用低损耗、高生产率的粗规准进行加工，然后利用平动头做平面圆周运动，进行侧面仿形加工，按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准。与此同时，依次加大电极的平动量，以补偿前后两个加工规准之间放电间隙差和表面微观平面度差，完成整个型腔的加工。,2 型腔模电火花加工的工艺方法,多电极更换法 多电极更换法是采用多个电极依次更换加工同一个型腔，每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。一股用两个电极分别

39、进行粗、精加工钱可满足要求，当型腔精度要求高、粗糙度数值要求小时，才采用 3 个或更多个电极进行加工。,2 型腔模电火花加工的工艺方法,分解电极法 分解电极法是单电极平动法和多电极更换法的综合应用。根据型腔的儿何形状，把电极分解成主型腔电极和副型腔电极分别制造。先加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位。,3 电极的设计与制造,电极材料的选择 根据型腔模电火花加工的特点，对电极材料有下列要求： 具有良好的电火花加工性能。主要是电极损耗小，加工速度高，加工稳定性好。 易于加工制造成形。 来源丰富，价格便宜。,3 电极的设计与制造,电极的设计 电极设计主要包括电极结构形式、电极尺寸、排气孔

40、和冲油孔的确定等。,3 电极的设计与制造,电极的制造 制造电极的加工方法很多，主要根据电极材料、模具型腔的形状及制造精度等来决定。 制造紫铜电极主要采用机械加工方法，并配合钳工的修光来达到预定要求。也有采用数控线切割、电铸、精锻、挤压成形等代替机械加工，然后用钳工精修。,4 型腔电火花加工工艺,加工前的准备 首先根据型腔加工要求及本单位的工艺条件及习惯，选择型腔电火花加工的工艺方法。目前，国内普遍采用的是单电极平动法。其次是电极准备，根据所选定的工艺方法及电极缩放量，按型腔要求设计电极图样，并制作成所需的工具电极。然后是工件准备，与冲模电火花穿孔加工类似，主要进行备料、模块机械加工及热处理等各

41、工序,4 型腔电火花加工工艺,电极的装夹与校正 电极装夹与校正的目的，是把电极牢固地装夹在主轴的电极夹具上，并使电极油线与主抽进给油线一致，保证电极与工作台面和工件垂直；电极水平面的刀轴轴线与工作台和工件的刀轴轴线平行。,4 型腔电火花加工工艺,工件的装夹与校正 型腔模加工的工件装夹比较简单，在一股情况下，可将工件直接装夹在垫块或工作台上，然后通过工作台的坐标移动，使工件中心线和十字滑板移动方向一致，以便于电极和工件间的校正。最后用压板压紧。,5 电规准的选择与转换,1 电规准的选择 正确选择和转换电规准，实现低损耗、高生产事加工，对提高型腔的加工精度和经济效益很重要。在选择粗、中、精各档电规

42、准时，应综合考虑各种因素的影响。,1 电规准的选择,粗规准 要求高生产率、低电极损耗、不太粗糙的电 蚀表面，这时应优先考虑采用较宽的脉冲宽度， 然后选择较大的峰值电流，并用负极性进行加工。 同时应注意加工电流和加工面积之间的配合关系。,1 电规准的选择,中规准 中规准和粗规准并无明显界限，其主要作用是减小加工表面的粗糙度，为精加工作准备。要求在保持一定的加工速度的条件下，电极损耗要尽可能小。一般选用较宽的脉冲，较粗加工小的峰值电流。,1 电规准的选择,精规准 用于精修型腔。其任务是进一步减小表面粗糙度，并保持一定的生产率。精规准加工去除的余量根小，不会超过0.10.2mm。因此，常采用窄的脉冲

43、宽度和小的峰值电流进行加工。尽管选用窄脉冲电极损耗率大，但因精加工的余量小，电极的绝对损耗率并不大。,2电规准的转换与平动量的分配,加工规准转换的档数视加工对象而定，一般规律是尺寸小、形状简单的浅型腔，档数可少些；尺寸大、深度深、开关复杂的型腔转换的档数可多一些。一般情况下，粗规准加工时，选定一档，中、精规准加工时，各选24档。,5.2 电火花线切割加工,电火花成形加工模具型孔，离不开成形电极，当被加工的模具零件精密细小、形状复杂时，不仅电极的制作难度大，而且穿孔加工的效率也很低。电火花线切割加工也是直接利用电能加工金属的，但其加工方式与电火花成形加工不同，它能弥补电火花成形加工的不足，不用成

44、形电极钱能实现微细加工，而且比电火花成形机床操作更方便，效率更高。,5.2.1 电火花线切割加工的原理和特点,1 基本原理 电火花线切割加工与电火花成形加工的原理是一样的，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理。所不同的是，电火花线切割加工不需要制作复杂的成形电极，而是用不断移动的电极丝作为工具，工件则按预定的轨迹进行运动而切割出所需的复杂零件。这就像木工用钢线锯锯木板一样，能加工出各种复杂形状的零件。从中也不难理解，电火花线切割加工只能加工以直线为母线的曲面，而不能加工任意空间曲面。,5.2.1 电火花线切割加工的原理和特点,1 基本原理,5.2.1 电火花线切割加工的原理和特点,电火花线

45、切割加工分类 一类是快速走丝电火花线切割机床，这类机床的电极丝做高速往复运动，一般走丝速度为8-10ms ，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式;另一类是慢速走丝电火花线切割机床，这类机床的电极丝做低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s ，这是国外生产和使用的主要机种。,5.2.1 电火花线切割加工的原理和特点,快速走丝电火花线切割机床,2 线切割加工的特点,1 电火花线切割加工与电火花成形加工的共性表 现 线切割加工的电压、电流波形与电火花加工的基本相似。单个脉冲也有多种形式的放电状态，如开路、正常火花放电、短路等。 线切割加工的加工机理、生产率、表面粗糙度等

46、工艺规律、材料的可加工性等也都与电火花加工的基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。,2 线切割加工的特点,2线切割加工与电火花成形加工的不同特点表现 由于电极工具是直径较小的细丝，故脉冲宽度。平均电流等不能太大，加工工艺参数的范围较小，属中。精正极性电火花加工，工件常接电源正极。,2 线切割加工的特点,2线切割加工与电火花成形加工的不同特点表现 采用水或水基工作液，不会引嫩起火，容易实现安全无人运转，但由于工作液的电阻率远比煤油小，因而在开路状态下，仍有明显的电解电流。电解效应稍有益于改善加工表面粗糙度。,2 线切割加工的特点,2线切割加工与电火花成形加工的不同特点表现 一般没有稳定电弧放

47、电状态。因为电极丝与工件始终有相对运动，尤其是诀速走丝电火花线切割加工，因此，线切割加工的间隙状态可以认为是由正常火花放电、开路和短路这 3 种状态组成，但往往在单个脉冲内有多种放电状态，有微开路、微短路现象。,2 线切割加工的特点,2 线切割加工与电火花成形加工的不同特点表现 电极与工件之间存在着疏松接触式轻压放电现象。近年来的研究结果表明，当柔性电极丝与工件接近到通常认为的放电间隙时，并不发生火花放电，甚至当电极丝已接触到工件，从显微镜中已看不到间隙时，也常常看不到火花，只有当工件将电极丝项弯，偏移一定距离时，才发生正常的火花放电。,2 线切割加工的特点,2 线切割加工与电火花成形加工的不

48、同特点表现 省掉了成形的工具电极，大大降低了成形工具电极的设计和制造费用，缩短了生产准备时间，加工周期短，这对新产品的试制是很有意义的。,2 线切割加工的特点,2 线切割加工与电火花成形加工的不同特点表现 由于电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件。由于切缝很窄，且只对工件材料进行套料加工，实际金属去除量很少，材料的利用率很高，这对加工、节约贵重金属有重要意义。,2 线切割加工的特点,2 线切割加工与电火花成形加工的不同特点表现 由于采用移动的长电极丝进行加工，使单位长度电极丝的损耗较少，从而对加工精度的影响比较小，特别在低速走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，电极丝损耗对加工

49、精度的影响更小。,3 线切刻加工的应用范围,加工模具 适用于各种形状的冲模。调整不同的间隙补偿量，只需一次编程钱可以切割凸模。凸模固定板。凹模及卸料板等。模具配合间隙、加工精度通常都能达到要求。此外，还可加工挤压模、粉未冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模具。,3 线切刻加工的应用范围,加工电火花成形加工用的电极 一般穿孔加工用的电极以及带锥度型腔加工用的电极，以及铜钨、银钨合金之类的电极材料，用线切割加工特别经济，同时也适用于加工微细复杂形状的电极。,3 线切刻加工的应用范围,加工零件 在试制新产品时，用线切割在坯料上直接割出零件，例如试制切割特殊微电机硅钢片定转子铁芯，由于不需另行制造模

50、具，可大大缩短制造周期、降低成本。另外修改设计、变更加工程序比较方便，加工薄件时还可多片叠在一起加工。,5.2.2 电火花线切割加工设备,电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统和工作液循环系统等 4 部分组成。,1 机床本体,床身部分 床身一般为铸件，是坐标工作台、绕丝机构及丝架的支承和固定基础。通常采用铸造箱式结构和焊接箱式结构，应有足够的强度和刚度。床身内部安置电源和工作液箱，考虑电源的发热和工作液泵的振动影响，有些机床将电源和工作液箱移出床身外另行安放。,1 机床本体,坐标工作台,1 机床本体,走丝机构,2 脉冲电源,电火花线切割加工脉冲电源与电火花成形加工所用的脉冲电源

51、在原理上相同，不过受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄 ，单个脉冲能量、平均电流一般较小，所以线切割加工总是采用正极性加工。,3 数字程序控制系统,数字程序控制电火花线切割加工是根据工件的形状与尺寸要求，按照一定的格式编写程序，然后按规定的编码把程序制成穿孔纸带，再用输入机送入专用计算机。计算机则按照所输入的加工程序进行计算，并发出进给信号来控制步进电动机驱动坐标工作台滑板移动，从而实现加工过程的自动控制。,3 数字程序控制系统,数字程序控制台的组成 运算器是由贮存器、全加器、变补器、延迟寄存器和若干运算控制门组成。电火花线切割机床在加工过程中，全部运算均通

52、过运算器来完成。在输入时，它借助于3位延迟寄存器对数码进行十翻二运算。变补器主要在执行减法运算时， 将减数变补后与被减数累加。,3 数字程序控制系统,数字程序控制台的组成 控制器由时标脉冲发生器、操作控制、运算判别回路组成。它综合运算器、储存器等部分的有关要求，发出各种控制信息，使运算器、储存器部分按一定顺序自动而协调地工作。,3 数字程序控制系统,数字程序控制台的组成 输入回路的任务是 将数据、指令及某些标志信息等输送到控制器中,3 数字程序控制系统,数字程序控制台的组成 输出回路的任务是将输入的曲线类型及插补 运算判断比较函数符号的结果，综合译成机床滑 板的运动。,4 工作流循环系统,5.

53、2.3 电火花线切割加工工艺,1 工艺路线,5.2.3 电火花线切割加工工艺,1 工艺路线 1）对工件图样进行审核及分析。 2）加工前的准备，包括机床的检查和调整。工作 液的选择与配制。电极丝的选择与垂直度校正。 模坯加工及穿丝孔加工。电参数的选择等，以 及加工程序编制。 3）电火花线切割加工，包括工件的装爽与校正。 电极丝中心位置的确定。加工过程的进给速度 调整等。 4）加工质量检验。,2 影响电火花线切刻加工工艺效果的主要因素,脉冲参数 由于线切割加工一般都选用晶体管高频脉冲电源，用单脉冲能量小、脉宽窄、频率高的脉冲参数进行正极性加工。要求获得较好的表面粗糙度时，所选用的电规准小但加工不易

54、稳定；着要求获得较高的切割速度，脉冲参数要选大一些，但加工电流的增大仍受到排屑条件及电极丝截面积的限制，过大的加工电流易引起断丝。,2 影响电火花线切刻加工工艺效果的主要因素,电极丝及其移动速度 进行电火花线切割加工时，电极丝的材质、直径及走丝速度都对加工有很大影响。 电火花线切割加工要求作为工具的电极丝具有良好的导电性和抗电蚀性，抗拉强度高，材质应均匀。常用的电极丝有钼丝、钨丝、钨钼丝及黄铜丝等。钨丝虽可获得较好的切割效果，但放电加工一定时间后丝质变魄，容易断丝；而黄铜丝切割速度更高，加工也很稳定，但抗拉强度差，损耗也大，只能用子单向移动的慢速走丝机床，而不适宜用在诀速走丝场合。,2 影响电

55、火花线切刻加工工艺效果的主要因素,工件材料及其厚度 在采用快速走丝方式和乳化液介质的情况下，通常切割铜、铝及淬火钢等材料比较稳定，切割速度也快。而切割不锈钢、磁钢、硬质合金等材料时，加工就不太稳定，切割速度也慢。,3 电极丝初始位置的确定,在线切割加工中，需要确定电极丝相对工件的基准面。基准线或基准孔的坐标位置。对加工要求较低的工件，可直接目测来确定电极丝和工件的相互位置，也可借助于 2 8倍的放大镜进行观测。也可采用火花法，即利用电极丝与工件在一定间隙下发生放电的火花，来确定电极丝的坐标位置。,5.3 电化学及化学加工,电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加

56、工两大类。虽然有关的基本理论在19世纪末己经建立，但真正在工业上得到大规模应用，还是2O世纪 30年代以后的事。目前，电化学加工己经成为我国民用、国防工业中的一个不可或缺的加工手段。,5.3.1 电化学加工的基本原理及分类,电化学加工过程,5.3.1 电化学加工的基本原理及分类,电解质溶液 凡溶于水后能导电的物质就叫做电解质，如硫酸、氢氧化钠、氢氧化氨、硝酸钠、氯酸钠等酸、碱、盐都是电解质。电解质与水形成的溶液为电解质溶液，简称为电解液。电解液中所含电解质的多少即为电解液的质量分数。,5.3.1 电化学加工的基本原理及分类,电极电位 因为金属原子都是由外层带负电荷的自由电子和带正电荷的金属阳离

57、子所组成的。即使没有外接电源，当金属和它的盐溶液接触时，经常发生把电子交给溶液中的离子，或从后者得到电子的现象。这样，当金属上有多余的电子而带负电时，溶液中靠近金属表面很薄的一层则有多余的金属离子而带正电。,5.3.1 电化学加工的基本原理及分类,电极的极化 当有电流通过时，电极的平衡状态遭到破坏，使阳极的电极电位向正移、阴极的电极电位向负移，这种现象称为极化。极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位，随着电流密度的增加，超电位也增加。,5.3.1 电化学加工的基本原理及分类,金属的钝化和活化 在电解加工过程中还有一种叫饨化的现象，它使金属阳极溶解过程的超电位升高，使电解速度减慢。例如铁基合

58、金在硝酸钠电解液中电解时，电流密度增加到一定值后，铁的溶解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧下降，使铁成稳定状态不再溶解。电解过程中的这种现象称阳极饨化，简称钝化,5.3.1 电化学加工的基本原理及分类,电化学加工的分类 电化学加工按其作用原理可分为 3 大类。第一类是利用电化学阳极溶解来进行加工，主要有电解加工、电解抛光等；第二类是利用电化学阴极沉积、涂覆进行加工，主要有电镀、涂镀、电铸等；第三类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺，目前主要有电化学加工与机械加工相结合。,5.3.2 电解加工,电解加工是继电火花加工之后发展较快并得到广泛应用的一项新工艺，目前在国内

59、外己成功地用于枪炮、航空发动机、火箭等制造工业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到了应用，并成为模具制造加工方法的一个组成部分。,1 电解加工的基本原理与特点,电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来加工工件的。在工业生产中早己应用这种阳极溶解现象来进行电化学抛光。不过，电化学抛光时，工件与工具电极之间的距离较大，电解液又静止不动，且容易在阳极表面产生饨化贴膜，所以只能对工件表面进行普遍的腐蚀和抛光，而不能进行形状尺寸的加工。,1 电解加工的基本原理与特点,电解加工示意图,1 电解加工的基本原理与特点,电解加工成形原理,1 电解加工的基本原理与特点,电解加工的优点 1）电解加工与被加工材料的硬度、强度、韧性 等无关，故可加工