特种加工教案.ppt

1、特种加工,第一章 概论,特种加工就是当传统切削加工方法对产品（或材料）无法实施或保证不了规定的精度要求时而应用物理的（力、热、声、光、电）或化学的方法进行加工的手段。,第一节 特种加工的产生及发展 一、传统加工遇到了哪些问题 1.难切削材料加工问题。如当工具硬度小于被加工材料硬度时，无法进行加工。 2.特殊复杂表面加工。如特殊尺寸的小孔、含有内腔的表面等。 3.各种超精度要求的零件加工。如细长轴、薄壁件等。,二、解决上述问题的契机由电火花现象引出的特种加工 20世纪中期前苏联的拉扎林科夫妇俩在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温使局部金属熔化、气化而被蚀除掉，从

2、而开创和发明了电火花加工方法，并于1943年利用电蚀原理研制出世界上第一台实用化的电火花加工装置。,拉扎林科夫妇的发现，引出了一个新的制造领域特种加工。激光、超声波、电子束、离子束等则是特种加工技术趋于成熟和推广的标志。,三、特种加工与传统加工的区别 1.用机械能以外的其他能量去除工件上多余的材料，以达到图样上全部技术要求。 2.打破传统的硬刀具加工软材料的规律，刀具硬度可低于被加工材料的硬度，可谓“以柔克刚”。 3.在切削加工中，工具与工件不受切削力的作用。,第二节 特种加工的分类 1.电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工、电火花线切割加工、电子束加工和等离子束加工。 2.电能与化学能

3、作用方式有：电解加工、电铸加工和刷镀加工。 3.化学能与机械能作用方式有：电解磨削、电解珩磨。 4.声能与机械能作用方式有：超声波加工 5.光能与热能作用方式有：激光加工。 6.电能与机械能作用方式有：离子束加工。 7.液流能与机械能作用方式有：挤压珩磨和水射流切割。,第三节 特种加工对材料 可加工性和结构工艺性等的影响 1.提高了材料的可加工性。 2.改变了零件典型的加工路线。 3.改变了试制新产品的模式。 4.对零件的结构工艺性带来了革命。 5.成为微细加工和纳米加工的主要手段。,第二章 电火花加工,电火花加工（EDM）利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀材料。 电火花加

4、工也称为放电加工或电蚀加工。,电火花加工中的电蚀现象早在20世纪初就被人们发现，如插头、开关的启闭所产生的电火花对接触表面的损害。但真正将电蚀现象运用到实际生产加工中的是：20世纪中期前苏联的拉扎林科夫妇俩在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温使局部金属熔化、气化而被蚀除掉，从而开创和发明了电火花加工方法，并于1943年利用电蚀原理研制出世界上第一台实用化的电火花加工装置。,我国在20世纪50年代初期开始研究电火花设备，并于60年代初研制出第一台靠模仿形电火花线切割机床，随后研制出具有我国特色的高速走丝线切割机床。,第一、二节 电火花加工机理、原理及设备,一、基

5、本理论 1.对于均匀电场，当电源的正负极接近时，正负极之间哪些参数会变化，如何变化？ 电场强度会发生变化，并且电场强度随着正负极的接近而逐渐增强。,如图所示，匀强电场的电场强度为E，A、B两点在同一条电场线上，但在两个不同的等势面上，它们之间的距离为d，电势差为UAB，求场强与电势差的关系。 电场强度与电压的关系为：,2.当均匀电场强度达到一定时，会产生什么现象？ 当均匀阴极表面某处电场强度超过 时 ，会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。电子在电场作用下高速向阳极运动。,3.电子高速向阳极运动的过程中，如果正负极之间为真空、空气、绝缘液体、导电液体、绝缘固体、导电固体时，会有哪些不同

6、？ （1）高速运动的电子从真空中穿过。直接穿过，形成的电流强度，取决于阴极发射的电子数量。 （2）高速运动的电子从空气中穿过。电子会与O2、N2等分子发生撞击；会使一部分O2、N2等分子发生电离；导致电流强队增加。,（3）高速运动的电子穿过绝缘液体，会撞击工作液体介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（正离子），导致带电粒子“雪崩”式增加，绝缘液体并击穿而变成导体，形成放电通道。 其余几种情况，不再一一分析，由学生完成。,4.形成放电通道后，对绝缘介质有哪些后续影响？ 正负粒子的高速运动使电能转化为动能，通过撞击，又使动能转化为热能。在整个通道内，形

7、成高温。 高温首先是绝缘液体介质气化，然后使介质热裂分解。气化后的工作液，瞬间体积猛增，迅速膨胀，具有爆炸的特性。,5.形成放电通道后，对电极材料有哪些影响？ 在放电通道内，正负极表面由于受到负粒子和正粒子的轰击，称为瞬时热源。出了使前面的绝缘介质汽化、裂解外，也使金属电极表面熔化、沸腾气化。电极材料会被蚀除，脱离电极表面。,6.电极材料被蚀除后，是如何与电极表面脱离（抛出）的？ 工作液体气化及电极材料的熔化、气化，产生高温导致气化材料的热膨胀，使通道内具有很高的压力，通道中心压力最高。压力使气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”，气泡各个部位的瞬时压力并不相同，压力高处的熔融金属液体和

8、蒸气，并排挤到工作液体中。,7.被抛出的材料，几何形状上有何特征？ 被抛出的材料，符合表面能最小原则，呈现球状。 8.被抛出的电极材料，是否都进入到绝缘液体中？ 绝大部分进入到绝缘液体中。还有一部分在抛离电极表面时，向四处飞溅并且镀覆、吸附在对面的电极表面上可以补偿电极材料的消耗。,9.使用普通交流电作为电源，会出现什么情况？使用脉冲电源会如何？ 使用普通交流电做电源，形成放电通道后，电流会始终存在，形成短路，会使电极持续熔化。 使用脉冲电源，则会使放电通道呈现开通-关闭-开通的状态。 10.正负极是否可以无限靠近？无限远呢？ 无限靠近会形成短路。过远会无法形成通道。,综上：当正负极保持合适距

9、离（间隙）、使用脉冲电源以及将正负极置于绝缘液体中时，会形成放电通道，从而使电极材料不断蚀除、抛出。 如果一个电极设计成一定形状，则会在另一个电极上蚀除出相反的形状。 这也是电火花加工的基本机理。通过认为控制电极间隙和形状、脉冲参数以及绝缘介质，从而使作为某一电极的工件被加工。,二、加工机理的实现 （一）机理 由前述可知，如果想利用电火花将工件加工，必须具备如下条件： 1.电极要有一定形状并且两个电极之间要保持一定距离。其中一个电极做工具，一个电极做工件。通过电极的形状，加工出于电极形状反方向的工件（类似于手戳）。 2.必须有脉冲电源。 3.必须使用绝缘液体做工作液体。,（二）实现机理 为了实

10、现上述机理，需要以下几个系统组合： 1.电极移动装置，完成电极的上下移动（调控间隙）、水平移动（调控形状）。使用数控装置。间隙可在几微米至几百微米之间，间隙过大极间电压不能击穿两极间介质而不能产生火花放电，间隙过小则会引起拉弧烧伤或短路。 由于工件不断被蚀除，工具电极也有一定的损耗，间隙将不断扩大。这就要求工具不但要随着工件材料的不断蚀除而进给，形成工件要求的尺寸和形状，而且还要不断地调节进给速度，有时甚至要停止进给或回退以保持恰当的放电间隙。 由于放电间隙很小，且位于工作液中无法观察和直接测量，因此必须要有自动进给调节系统来保持恰当的放电间隙。,2.需要脉冲电源，提供间歇供电。放电延续一段时

11、间（通常10-710-8s）后，需停歇一段时间。解读脉冲电源参数。 3.需要绝缘工作液体，通常选用煤油、水等。其作用有利于产生脉冲性火花放电，并排除放电间隙中的电蚀物，以免间隙中电蚀产物过多而引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度，还可以对电极及工件表面起较好的冷却作用。,（三）系统构成 图2-3电火花加工局部放大图 图2-2 电火花加工原理示意图,人,该系统工作过程：工具和工件与电源的两极相接，均浸在有一定绝缘度的流体介质（通常用煤油或矿物油）中。脉冲电压加到两极之间，在工具电极向工件电极运动中，将极间最近点的液体介质击穿，形成火花放电。由于放电通道截面积很小，通道中的瞬时高温使材

12、料熔化和气化。单个脉冲能使工件表面形成微小凹坑，而无数个脉冲的积累将工件上的高点逐渐熔蚀。随着工具电极不断地向工件作进给运动，工具电极的形状便被复制在工件上。加工过程中所产生的金属微粒，则被流动的工作液流带走。同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上形成一定的工具损耗。,（四）以下和学生一起完成 1.按照图2-2的系统构成，下列过程如何实现？结合图2-4。 （1）放电通道如何形成？都有哪些因素在起作用？ 要点：电压值80V-工具极以及工件表面凸凹不平-两极最近处电场强度最大-达到临界值100V/m-阴极电子发射-轰击工作液体分子或中性原子-电离-雪崩-形成放电通道。 放电通道形成时间0.1s-

13、绝缘液体电阻,认 图2-4 极间放电电压和电流波形,降低到几分之一欧姆-间隙电流达到几安培到几百安培-最大105106A/cm2-间隙电压由击穿电压降低到维持电压（25V）-电流达到峰值。 放电通道物质构成：等离子体（正负带电粒子+中性离子）-相互碰撞-动能转化为热能-通道中心温度高达10000C。 电流产生磁场-磁场对电子流产生向心的磁压缩效应-周围介质对电子流产生惯性动力压缩效应-二者合力导致通道瞬间扩展受到阻力-使放电通道截面积很小-由于瞬时高温产生的热膨胀，通道初始压力很大，达到数十兆帕。,高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体急速扩张，产生强烈冲击波向四周传播。 派生现象：热效

14、应-电磁效应、光效应、生效应-电磁波辐射-局部爆炸等。 （2）介质如何热分解？ 高温使绝缘工作液介质气化-热裂分解。 （3）电极材料如何熔化、气化？ 高温使电极材料熔化-气化-金属蒸汽。,以上（2）、（3）导致放电通道体积迅速膨胀，具有爆炸特性。 （4）电极材料如何抛出？ 通道各处压力不同，导致压力高处的熔融金属液体和蒸气被排挤、抛出到工作液体中，部分由工作液体带走，部分镀覆到电极上，被抛出的材料，符合表面能最小原则，呈现球状。见图2-5。,人,图2-5放电间隙状况示意图 1正极2从正极上熔化并抛出金属的区域3放电通道4气泡5在负极上熔化并抛出金属的区域6负极7翻边凸起8在工作液中凝固的微粒9

15、工作液10放电形成的凹坑,（5）极间介质如何消电离？ 脉冲电压结束，脉冲电流降为零。带电粒子恢复为中性粒子。 2.如何实现电火花加工过程优化？讨论。,人,图2-6单个脉冲放电痕剖面放大示意图1无变化区2热影响层3翻边凸起4放电通道5气化区6熔化区7熔化凝固层,三、电火花加工特点 1.可加工难切削加工的导电材料，如淬火钢、硬质合金、不锈钢、工业纯铁等。 2.工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。 3.加工时无显著机械切削力，有利于小孔、窄槽、型孔、曲线孔及薄壁零件加工，也适合于精密细微加工。 4.脉冲参数可任意调节，加工中只要更换工具电极或采用阶梯形工具电极就可以在同一机床上连续进行粗、半精和精加

16、工。 5.通常效率低于切削加工，可先用切削加工粗加工，再用电火花精加工。 6.放电过程中有一部分能量消耗于工具电极而导致工具电极消耗，对成形精度有一定影响。,四、电火花加工分类 见表2-1。自学。,第三节 电火花加工的一些基本规律,一、影响放电腐蚀的主要因素 1.极性效应 单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象，叫极性效应。 讨论：工件接正极或负极有何不同？长脉冲和短脉冲时，极性如何选择？粗加工和精加工时，极性如何选择？为什么？,2.电参数对电蚀量的影响 电参数： （1）电压脉冲宽度 。 （2）电流脉冲宽度 。 （3）脉冲间隔 。 （4）脉冲频率 。 （5）峰值电流 。 （6）峰值电压

17、 。,正电极的总蚀除量 负电极的总蚀除量 正电极蚀除速度 负电极蚀除速度,请,提高蚀除速度的途径： *提高脉冲频率： 缩小脉冲停歇时间或压窄脉冲宽度。 *增加单个脉冲能量： 加大脉冲电流或增加脉冲宽度，但会影响表面质量和加工精度，通常只用于粗、半精加工之中。 *提高工艺参数 ：如合理选用电极材料、工作液及放电参数，改善工作液循环过滤方式等，来有效地提高脉冲利用率，以达到提高工艺参数的目的。 *正确选择工件的极性： 窄脉冲加工选用正极性加工（工件接脉冲电源的正极），而采用宽脉冲加工时，采用负极性加工（工件接电源的负极）。,3.金属材料热学常数对电蚀量的影响 热学常数：熔点、沸点（气化点）、热导率

18、、比热容、熔化热、气化热等。 讨论： （1）熔点、沸点（气化点）、比热容、熔化热、气化热等越高，材料就越难蚀除。 （2）热导率越高，材料越容易将热量传导，蚀除量就越小。,（3）单个脉冲能量一定时，存在最佳脉宽。讨论图2-7。,4.工作液对电蚀量的影响 （1）工作液的作用 形成放电通道。 消电离。 对放电通道压缩，从而使通道内部和外部压力不同。 帮助电蚀产物抛出。 冷却工具极。,（2）常用工作液 机油。通常用于粗加工。粗加工时，脉冲能量大、加工间隙大、爆炸排屑抛出能力强。机油介电性能好，粘度大燃点高，适合粗加工使用。 煤油。通常用于半精加工、精加工。此时放电间隙小，排屑困难。煤油粘度小、流动性好

19、、渗透性好，比较适合。 水+添加剂。,5.影响电蚀量的其他因素 （1）加工稳定性。 （2）电极材料。 自学。,二、电火花加工的加工速度与工具的消耗速度 加工速度：电火花加工时，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，也称为生产率。 损耗速度：电火花加工时，单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。 1.加工速度（体积加工速度）,2.工具相对损耗 加工中衡量工具电极是否耐损耗，不仅要看工具损耗速度，还要看同时能达到的加工速度，所以采用相对损耗（损耗比）作为衡量工具电极耐损耗之指标。,减少工具消耗的途径： （1）利用极性效应，选择合适脉宽。结合图2-8讲解。 （2）利用吸附效应。如利用没有做工作液，采用负极

20、性加工。煤油产生的炭黑在合适温度下，会吸附在正极表面，形成膜，从而保护正极。 （3）利用传热效应。 （4）选择合适电极材料。,人,图2-7电极相对损耗与极性、脉宽的关系1正极性加工2负极性加工,三、影响加工精度的主要因素 机械加工中，各种影响精度的因素，对电火花加工时精度具有类似影响。 与电火花加工相关的因素有放电间隙和工具极损耗及其稳定性。 1.放电间隙,二次放电：已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行非正常放电，从而导致工件表面被再次非正常加工，使工件表面尺寸减小。 讲解图2-9,2-10。,请,图2-9 加工斜度的产生 a)工具损耗产生加工斜度 b)轮廓对比图 1-工具电极无损耗时的

21、轮廓线;2-工具电极有损耗但不考虑二次放电时的工件轮廓线;1-工具电极有损耗时的轮廓线;2-工具电极有损耗且产生二次放电时的工件轮廓线;3-工件 4-工具电极,另外，工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件的表面上。,图2-10 尖角变圆现象 a)加工外表面 b)加工内表面 1-工件电极 2-工具电极,四、电火花加工的表面质量 主要指：表面粗糙度、表面变质层及表面力学性能。 1.表面粗糙度。微观平面内的算数平均值Ra或平面度的最大高度值Rmax表示。 公式中的各个因素，均能影响到表面粗糙度。但并不是简单影响。加工速度越高，表面粗糙度越差。工件硬度高、熔点高，表面粗糙度相对好。电极表面粗糙度也影响工

22、件的表面粗糙度。,2.表面变质层。包括熔化凝固层、热影响层以及显微裂纹层。 3.表面力学性能 （1）显微硬度及耐磨性。 （2）残余应力。 （3）耐疲劳性能。,第四节 电火花加工的脉冲电源,在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。 一、脉冲电源输入为380 V、50 Hz的交流电，其输出应满足如下要求：,*要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。 *脉冲必须单向、短时，没有负半波或负半波很小。 *

23、脉冲电源前后沿要陡。 *脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。 *有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。,二、脉冲电源基本类型 1.RC线路脉冲电源（讲解工作原理）,图2-11RC线路脉冲电源1工具电极2工件,人,图2-12RC线路脉冲电压电流波形图a) 电压b) 电流,图2-1晶体管脉冲电源电压、电流波形,（1）优点 结构简单，工作可靠，成本低。 在小功率时可以获得很窄的脉宽(小于0.1s)和很小的单个脉冲能量，可用作光整加工和精微加工。 （2）缺点 电能利用效率很低，最大不超过3

24、6%，因大部分电能经过电阻R时转化为热能损失掉了，这在大功率加工时是很不经济的。 生产效率低，因为电容的充电时间tc比放电时间te长50倍以上(见图2-12)，脉冲间歇系数太大。,2.晶体管式脉冲电源（讲解工作原理） 晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉冲电源。其输出功率大，电规准调节范围广，电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上。,人,图2-13自振式晶体管脉冲电源框图,三、各种派生电源 1.高低压复合脉冲电源（讲解工作原理）,图2-14复合回路及高低压复合脉冲,（1）高压引燃回路：脉

25、冲电源300V，但是脉冲电流很小，主要起击穿间隙作用。 （2）低压脉冲回路：脉冲电源6080V，间隙击穿后，起蚀除金属作用。 在低压脉冲回路上叠加一个高压引燃回路，保证先击穿间隙，然后进行加工。二极管VD起防止高压引燃回路脉冲进入低压回路的作用。,人,图2-15高低压复合脉冲的形式,2.多回路脉冲电源（讲解工作原理）,图2-16多回路脉冲电源和分割电极,3.等脉冲电源（讲解工作原理）,图2-17等脉冲电源的电压和电流波形,4.高频分组脉冲和梳行波电源（讲解工作原理）,图2-18高频分组脉冲和梳形波脉冲电源波形a)高频分组脉冲电源波形b)梳形波脉冲电源波形1高频脉冲2分组间隔3低频低压脉冲,5.

26、自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源（自学）,第五节 电火花加工的自动进给调节系统,一、自动进给系统的作用、技术要求和分类 1.自动进给系统作用 保持工件与工具极之间有合适的间隙，从而使加工效率高，工具极损耗小。 2.自动进给系统的技术要求 (1) 有较广的速度调节跟踪范围。 (2) 有足够的灵敏度和快速性。 (3) 有较高的稳定性和抗干扰能力。,3.目前电火花加工用的自动进给调节系统种类 （1）电液压式（喷嘴-挡板式）。 （2）步进电机。 （3）宽调速力矩电机。 （4）直流伺服电机。 （5）交流伺服电机。 （6）直线电机。,二、自动进给系统的基本组成部分,图2-22自动进给调节系统的基本

27、组成方框图,1.测量环节 用测量间隙电压的方法来测量两极之间间隙。事实上，直接测量两极间隙，是非常困难的。但是，可以将开路电压与短路电压之差平均分配在两个电极的理想间距上，通过测量两极间电压信号，来换算出两极间距离。 主要有两种方法：平均间隙电压测量法。脉冲电压峰值信号测量法。 三种状态：空载-有电压，无电流；短路-有电流，无电压；火花-有电压，有电流。,2.比较环节 将测量环节得到的实际间隙电压信号与理想间隙的设定值进行比较，根据差值进行补偿。 3.放大驱动环节 将比较环节得出的信号放大，用于驱动执行元件。 4.执行环节 执行前述环节给出的信号指令。 5.调节对象 执行环节的工作对象，即工具

28、极与工件间的距离，就是调节对象。,人,图2-23平均间隙电压检测电路,人,图2-24峰值电压检测电路,人,图2-25电火花加工时的5种放电状态,讲解图2-20、2-21,图2-20放电间隙、蚀除速度和进给速度,图2-21间隙蚀除特性与调节特性曲线蚀除特性曲线调节特性曲线,三、电液自动进给系统 图2-26所示为DYT-2型液压主轴头的喷嘴挡板式调节系统的工作原理图。电动机4驱动叶片液压泵3从油箱中压出压力油，由溢流阀2保持恒定压力P0，经过滤油器6后分两路，一路进入下油腔，另一路经节流阀7进入上油腔。进入上油腔的压力油从喷嘴8与挡板12的间隙中流回油箱，使上油腔的压力P1随此间隙的大小而变化。,

29、人,图2-26 喷嘴挡板式电液压自动调节器工作原理,电机械转换器9主要由动圈(控制线圈)10与静圈(励磁线圈)11等组成。动圈处在励磁线圈的磁路中，与挡板12连成一体。改变输入动圈的电流，可使挡板随动圈动作，从而改变挡板与喷嘴间的间隙。当放电间隙短路时，动圈两端电压为零，此时动圈不受电磁力的作用，挡板受弹簧力处于最高位置，喷嘴与挡板门开口为最大，使工作液流经喷嘴的流量为最大，上油腔的压力下降到最小值，致使上油腔压力小于下油腔压力，故活塞杆带动工具电极上升。当放电间隙开路时，动圈电压最大，挡板被磁力吸引下移到最低位置，喷嘴被封闭，上、下油腔压强相等，但因下油腔工作面积小于上油腔工作面积，活塞上的

30、向下作用力大于向上作用力，活塞杆下降。当放电间隙最佳时，电动力使挡板处于平衡位置，活塞处于静止状态。,四、电-机械式自动调节系统,图2-27步进电动机自动调节系统的原理框图,第六节 电火花加工机床,一、机床总体部分 1.床身。 2.立柱。 3.主轴头。 4.工作台及工作液箱。 5.电源箱,人,图2-28电火花穿孔成形加工机床a) 组成部分b) 外形1床身2工作液槽3主轴头4立柱5工作液箱6电源箱,二、各个部分功能 1.床身。用来支撑和安装机床的其他部分。需要具有一定强度，一定的减振功能。 2.立柱。用来安装主轴，起支撑作用。 3.主轴头。自动调节系统的执行机构，对加工工艺指标影响大。主要由进给

31、系统、上下移动导向系统、水平面内防扭系统、电极装夹及其调节系统组成。工具电极需要夹具安装在主轴头上。,4.工作台及工作液箱。二者结合在一起，共同构成工件的安装以及水平位移系统。工作液体箱则要完成工作液的强迫循环等工作。,图2-29工作液强迫循环方式a)、b)冲油式c)、d)抽油式,5.电源箱。为机床提供脉冲电压。,第七节 电火花穿孔成形加工,电火花穿孔成形加工：利用电火花放电腐蚀原理，用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法。 电火花穿孔成形加工应用范围：,一、冲模的电火花加工 首先要使学生了解冲模的工作过程，由此根据工程材料或材料科学基础选定材料，根据机械制造技术基础选定传统的加工方法，指出其

32、缺点。从而引出冲模电火花加工。,（一）冲模电火花加工优点 1.可以在工件淬火后进行加工，避免了热处理变形的影响。 2.冲模的配合间隙均匀，刃口耐磨，提高了模具质量。 3.不受材料硬度的限制，可以加工硬质合金等冲模，扩大了模具材料的选用范围。 4.对于中、小型复杂的凹模可以不用镶拼结构，而采用整体式，简化了模具的结构，提高了模具强度。,（二）冲模电火花加工 1.冲模的电火花加工工艺方法 如图2-30，剖面线部分为冲模的凹模。工作时，需要倒过来用。由图2-9可知，电火花在加工时，会出现加工斜度，这个加工斜度正好满足冲模使用要求，但是需要将加工好的冲模倒过来用。,人,图2-30凹模的电火花加工,图5

33、-12凹模结构参数及电火花穿孔加工a)凹模结构参数b)凹模电火花穿孔加工,电极和凹模的材料都可以用钢材，用钢打钢的方法加工。加工完凹模后，可以将电极直接作为凸模来用，这样，可以使凹模和凸模配合良好。但是要注意，二者不能用同型号钢材。,热,表5-1凹模电火花加工工艺方法比较,（1）直接法 直接法适合于加工冲模，是指将凸模长度适当增加，先作为电极加工凹模，然后将端部损耗的部分去除直接成为凸模(具体过程如图4-4所示)。直接法加工的凹模与凸模的配合间隙靠调节脉冲参数、控制火花放电间隙来保证。 直接法的优点是： 可以获得均匀的配合间隙、模具质量高。 无须另外制作电极。 无须修配工作，生产率较高。,热,

34、图补充4-4 直接法,直接法的缺点是： 电极材料不能自由选择，工具电极和工件都是磁性材料，易产生磁性，电蚀下来的金属屑可能被吸附在电极放电间隙的磁场中而形成不稳定的二次放电，使加工过程很不稳定，故电火花加工性能较差。 电极和冲头连在一起，尺寸较长，磨削时较困难。,（2）间接法 间接法是指在模具电火花加工中，凸模与加工凹模用的电极分开制造，首先根据凹模尺寸设计电极，然后制造电极，进行凹模加工，再根据间隙要求来配制凸模。图4-3为间接法加工凹模的过程。,热,图补充4-3 间接法,间接法的优点是： 可以自由选择电极材料，电加工性能好。 因为凸模是根据凹模另外进行配制，所以凸模和凹模的配合间隙与放电间

35、隙无关。 间接法的缺点是：电极与凸模分开制造，配合间隙难以保证均匀。,（3）混合法 混合法也适用于加工冲模，是指将电火花加工性能良好的电极材料与冲头材料粘结在一起，共同用线切割或磨削成型，然后用电火花性能好的一端作为加工端，将工件反置固定，用“反打正用”的方法实行加工。这种方法不仅可以充分发挥加工端材料好的电火花加工工艺性能，还可以达到与直接法相同的加工效果(如图4-5所示)。,热,图补充4-5 混合法,混合法的特点是： 可以自由选择电极材料，电加工性能好。 无须另外制作电极。 无须修配工作，生产率较高。 电极一定要粘结在冲头的非刃口端(见图4-5)。,（4）阶梯工具电极加工法 阶梯工具电极加

36、工法在冷冲模具电火花成型加工中极为普遍，其应用方面有两种： 无预孔或加工余量较大时，可以将工具电极制作为阶梯状，将工具电极分为两段，即缩小了尺寸的粗加工段和保持凸模尺寸的精加工段。粗加工时，采用工具电极相对损耗小、加工速度高的电规准加工，粗加工段加工完成后只剩下较小的加工余量(如图4-6(a)所示)。精加工段即凸模段，可采用类似于直接法的方法进行加工，以达到凸凹模配合的技术要求(如图4-6(b)所示)。,在加工小间隙、无间隙的冷冲模具时，配合间隙小于最小的电火花加工放电间隙，用凸模作为精加工段是不能实现加工的，则可将凸模加长后，再加工或腐蚀成阶梯状，使阶梯的精加工段与凸模有均匀的尺寸差，通过加

37、工规准对放电间隙尺寸的控制，使加工后符合凸凹模配合的技术要求(如图4-6(c)所示)。,热,图补充4-6 用阶梯工具电极加工冲模,除此以外，可根据模具或工件不同的尺寸特点和尺寸，要求采用双阶梯或多阶梯工具电极。阶梯形的工具电极可以由直柄形的工具电极用“王水”酸洗、腐蚀而成。机床操作人员应根据模具工件的技术要求和电火花加工的工艺常识，灵活运用阶梯工具电极的技术，充分发挥穿孔电火花加工工艺的潜力，完善其工艺技术。,2.工具电极 （1）材料 一般用T8A，T10A，Cr12,GCr15等。 （2）电极设计 精度。凸模要比凹模高一级，一般不低于IT7。 表面粗糙度。一般不小于Ra1.25m。 直线度、

38、平面度和平行度不大于0.01mm/mm。,（3）电极的尺寸（选自付建军：模具制造工艺） 电极长度,图补充5-13电极长度计算图,电极截面尺寸 ：按照凹模尺寸和公差来确定电极截面尺寸。,图补充5-14凹模与电极尺寸关系示意图,：按照凸模尺寸和公差来确定电极截面尺寸。一般模具图上只标明凸模尺寸和公差，而凹模则只标注与凸模的配合间隙Z（单边），分为三种情况： a:凸凹模的配合间隙等于放电间隙（Z=），电极尺寸和凸模尺寸完全相同； b:凸凹模的配合间隙大于放电间隙（Z），电极按照凸模截面四周均增大一个值（-Z）； c:凸凹模的配合间隙小于放电间隙（Z），电极按照凸模截面四周均缩小一个值（-Z）。,热,

39、图补充5-15 按照凸模均匀增大电极图,图补充5-16 按照凸模均匀缩小电极图,（4）电极制造 普通机械加工，然后磨削。 普通机械加工，然后钳工精修（难加工材料）。 线切割加工。 电铸加工。,热,表5-2常用电极的制造工序,热,表5-3常用凹模模坯的制造工序,采用车削加工时，石墨电极与凸模用环氧树脂粘结在一起。如图补充4-22所示。,图4-22 电极与凸模粘结,如图补充4-23所示电极，（a）需分成4块加工，然后拼接，精度不好保证。如采用（b）所示线切割加工，则迎刃而解。,图补充4-23 机械加工与线切割加工,（5）电极的装夹与校正 电极装夹的目的是将电极安装在机床的主轴头上，电极校正的目的是

40、使电极的轴线平行于主轴头的轴线，即保证电极与工作台台面垂直，必要时还应保证电极的横截面基准与机床的X、Y轴平行。 电极的装夹 电极在安装时，一般使用通用夹具或专用夹具直接将电极装夹在机床主轴的下端。常用装夹方法有下面几种： 小型的整体式电极多数采用通用夹具直接装夹在机床主轴下端，采用标准套筒、钻夹头装夹(如图补充4-24、图补充4-25所示)；对于尺寸较大的电极，常将电极通过螺纹连接直接装夹在夹具上(如图补充4-26所示)。,热,图补充4-24 标准套筒形夹具,热,图补充4-25 钻夹头夹具,热,图补充4-26 螺纹夹头夹具,镶拼式电极的装夹比较复杂，一般先用连接板将几块电极拼接成所需的整体，

41、然后再用机械方法固定(如图补充4-27(a)所示)；也可用聚氯乙烯醋酸溶液或环氧树脂粘合(如图补充4-27(b)所示)。在拼接时各结合面需平整密合，然后再将连接板连同电极一起装夹在电极柄上。 当电极采用石墨材料时，应注意以下几点： *由于石墨较脆，故不宜攻螺孔，因此可用螺栓或压板将电极固定于连接板上。石墨电极的装夹如图补充4-28所示。 *不论是整体的或拼合的电极，都应使石墨压制时的施压方向与电火花加工时的进给方向垂直。如图补充4-29所示，图(a)箭头所示为石墨压制时的施压方向，图(b)为不合理的拼合，图(c)为合理的拼合。,热,图补充4-27 连接板式夹具,热,图补充4-28 石墨电极的装

42、夹,热,图4-29 石墨电极的方向性与拼合法,电极的校正 电极装夹好后，必须进行校正才能加工，即不仅要调节电极与工件基准面垂直，而且需在水平面内调节、转动一个角度，使工具电极的截面形状与将要加工的工件型孔或型腔定位的位置一致。电极与工件基准面垂直常用球面铰链来实现，工具电极的截面形状与型孔或型腔的定位靠主轴与工具电极安装面相对转动机构来调节，垂直度与水平转角调节正确后，都应用螺钉夹紧，如图补充4-30所示。,热,图补充4-30 垂直和水平转角调节装置的夹头,电极装夹到主轴上后，必须进行校正，一般的校正方法有： *根据电极的侧基准面，采用千分表找正电极的垂直度，如图补充4-31所示。 *电极上无

43、侧面基准时，将电极上端面作辅助基准找正电极的垂直度，如图补充4-32所示。,（6）电极的定位 在电火花加工中，电极与加工工件之间相对定位的准确程度直接决定加工的精度。做好电极的精确定位主要有三方面内容：电极的装夹与校正、工件的装夹与校正、电极相对于工件定位。 电火花加工工件的装夹与机械切削机床相似，但由于电火花加工中的作用力很小，因此工件更容易装夹。在实际生产中，工件常用压板、磁性吸盘(吸盘中的内六角孔中插入扳手可以调节磁力的有无，如图补充4-40所示)、虎钳等来固定在机床工作台上，多数用百分表来校正(如图补充4-41所示)，使工件的基准面分别与机床的X、Y轴平行。,热,图补充4-40 工件的

44、固定,热,图补充4-41 工件的校正,热,图补充4-31 用千分表校正电极垂直度图,热,图补充4-32 型腔加工用电极校正,3.工件准备 预留加工余量。余量要满足定位等加工误差要求。 电火花加工在整个零件的加工中属于最后一道工序或接近最后一道工序，所以在加工前宜认真准备工件，具体内容如下： （1）工件的预加工 一般来说，机械切削的效率比电火花加工的效率高。所以电火花加工前，尽可能用机械加工的方法去除大部分加工余料，即预加工(如图补充4-43所示)。预加工可以节省电火花粗加工时间，提高总的生产效率，但预加工时要注意：,热,图补充4-43 预加工示意图,所留余量要合适，尽量做到余量均匀，否则会影响

45、型腔表面粗糙度和电极不均匀的损耗，破坏型腔的仿型精度。 对一些形状复杂的型腔，顶加工比较困难，可直接进行电火花加工。 在缺少通用夹具的情况下，用常规夹具在预加工中需要将工件多次装夹。 预加工后使用的电极上可能有铣削等机加工痕迹(如图补充4-44所示)，如用这种电极精加工则可能影响到工件的表面粗糙度。 预加工过的工件进行电火花加工时，在起始阶段加工稳定性可能存在问题。,热,图补充4-44 预加工后工件表面,（2）热处理 工件在预加工后，便可以进行淬火、回火等热处理，即热处理工序尽量安排在电火花加工前面，因为这样可避免热处理变形对电火花加工尺寸精度、型腔形状等的影响。 处理安排在电火花加工前也有其

46、缺点，如电火花加工将淬火表层加工掉一部分，影响了热处理的质量和效果。所以有些型腔模安排在热处理前进行电火花加工，这样型腔加工后钳工抛光容易，并且淬火时的淬透性也较好。 （3）其他工序 工件在电火花加工前还必须除锈去磁，否则在加工中工件吸附铁屑，很容易引起拉弧烧伤。,4.电蚀产物的排除 经过前面的学习，大家知道如果电火花加工中电蚀产物不能及时排除，则会对加工产生巨大的影响。 电蚀产物的排除虽然是加工中出现的问题，但为了较好地排除电蚀产物，其准备工作必须在加工前做好。通常采用的方法如下： （1）电极冲油(如图补充4-45所示) 电极上开小孔，并强迫冲油是型腔电加工最常用的方法之一。冲油小孔直径一般

47、为0.52 mm左右，可以根据需要开一个或几个小孔。,热,图补充4-45 电极冲油,（2）工件冲油(如图补充4-46所示) 工件冲油是穿孔电加工最常用的方法之一。由于穿孔加工大多在工件上开有预孔，因而具有冲油的条件。型腔加工时如果允许工件加工部位开孔，则也可采用此法。 图补充4-46 工件冲油,（3）工件抽油(如图补充4-47所示) 工件抽油常用于穿孔加工。由于加工的蚀除物不经过加工区，因而加工斜度很小。抽油时要使放电时产生的气体(大多是易燃气体)及时排放，不能积聚在加工区，否则会引起“放炮”。“放炮”是严重的事故，轻则工件移位，重则工件炸裂，主轴头受到严重损伤。通常在安放工件的油杯上采取措施

48、，将抽油的部位尽量接近加工位置，将产生的气体及时抽走。 抽油的排屑效果不如冲油好。,热,图补充4-47 工件抽油,（4）开排气孔 大型型腔加工时经常在电极上开排气孔。该方法工艺简单，虽然排屑效果不如冲油，但对电极损耗影响较小。开排气孔在粗加工时比较有效，精加工时需采用其他排屑办法。 （5）抬刀 工具电极在加工中边加工边抬刀是最常用的排屑方法之一。通过抬刀，电极与工件间的间隙加大，液体流动加快，有助于电蚀产物的快速排除。,抬刀有两种情况：一种是定时的周期抬刀，目前绝大部分电火花机床具备此功能。另一种是自适应抬刀，可以根据加工的状态自动调节进给的时间和抬起的时间(即抬起高度)，使加工正好一直处于正

49、常状态。自适应抬刀与自适应冲油一样，在加工出现不正常时才抬刀，正常加工时则不抬刀。显然，自适应抬刀对提高加工效率有益，减少了不必要的抬刀。,（6）电极的摇动或平动 电火花加工中电极的平动或摇动加工从客观上改善了排屑条件。排屑的效果与电极平动或摇动的速度有关。 在采用上述方法实现工作液冲油或抽油强迫循环中，往往需要在工作台上装上油杯(如图补充4-49所示)，油杯的侧壁和底边上开有冲油和抽油孔。电火花加工时，工作液会分解产生气体(主要是氢气)。这种气体如不及时排出，就会存积在油杯里，若被电火花放电引燃时，将产生放炮现象，造成电极与工件位移，给加工带来很大麻烦，影响被加工工件的尺寸精度，所以对油杯的

50、应用要注意以下几点：,油杯要有合适的高度，能满足加工较厚工件的电极伸出长度，在结构上应满足加工型孔的形状和尺寸要求。油杯的形状一般有圆形和长方形两种，都应具备冲、抽油的条件。为防止在油杯顶部积聚气泡，抽油的抽气管应紧挨在工件底面。 油杯的刚度和精度要好。根据加工的实际需要，油杯的两端面不平度不能超过0.01 mm，同时密封性要好，防止有漏油现象。 油杯底部的抽油孔，如底部安装不方便，可安置在靠底部侧面，也可省去抽油抽气管4和底板5，而直接安置在油杯侧面的最上部。,热,图补充4-49 油杯结构图,5.电规准的选择及转换 电规准：电火花加工过程中的一组电参数，如电压、电流、脉宽、脉间等。 加工过程

51、中，电规准分为粗、中、精三种。每一种又分为几个档次。 （1）粗规准 生产率高；工具电极损耗小；表面粗糙度小于10m；加工过程稳定。 基于此，一般粗规准采用大电流、长脉宽，一般采用脉宽50500 s 。,（2）中规准 用于粗、精加工之间的过渡加工。为精加工做准备，采用的脉冲宽度一般为10100s。 （3）精规准 用于精加工。保证零件的加工精度，提高生产率。一般采用小电流、高频率，短脉冲，脉宽一般为26 s。,热,图2-35铜“+”、钢“-”时表面粗糙度与脉冲宽度和脉冲峰值电流的关系曲线,热,图2-36铜“+”、钢“-”时单边侧面放电间隙与脉冲宽度和脉冲峰值电流的关系曲线,人,图2-37铜“+”、

52、钢“-”时工件蚀除速度与脉冲宽度和脉冲峰值电流的关系曲线,热,图2-38铜“+”、钢“-”时电极损耗率与脉冲宽度和脉冲峰值电流的关系曲线,二、型腔模的电火花加工 1.型腔模电火花加工工艺方法 型腔模特点：盲孔；加工面积变化大。 型腔模加工要求：工件蚀除量大；加工速度高；电极损耗小；精度保持好。 加工方法：单电极平动法、多电极更换法、分解电极法。,热,图2-31平动头扩大间隙原理图,（1）单电极平动法 用一个电极完成粗、中、精加工。通过改变加工规准的方式实现。 优点：只用一个电极，一次装夹即可。 缺点：精度低。不能清根。积碳容易引起表面粗糙度较低。 实际生产中，可以不用主轴头运动，而是使工件随着

53、工作台运动，称为摇动，可以清根，可加工异形零件。如果平动头和工作台结合，则可以实现多轴数控。,热,图补充4-7 单工具电极直接成型法,（2）多电极更换法 采用多个电极对同一型腔进行加工，一般两个电极进行粗、精加工即可。 优点：精度高。 缺点：对电极质量要求高；更换电极时定位装夹精度要求高。 适用场合：精密型腔加工。,热,图4-8 多电极更换法,（3）分解电极法 分解电极法是单电极平动加工法和多电极更换加工法的综合应用。 优点：工艺灵活；精度高。可以根据主、副型腔不同的加工条件选择不同的加工规准；电极简单；便于维修。 缺点：更换电极时，定位精度要求高。,分解电极加工法是根据型腔的几何形状，把电极

54、分解成主型腔电极和副型腔电极，分别制造。先用主型腔电极加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、窄缝等部位的副型腔。此方法的优点是能根据主、副型腔不同的加工条件，选择不同的加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量，同时还可简化电极制造，便于电极修整。缺点是主型腔和副型腔间的精确定位较难解决。,热,图补充4-9 分解电极加工法,（4）手动侧壁修光法 这种方法主要应用于没有平动头的非数控电火花加工机床。具体方法是利用移动工作台的X和Y坐标，配合转换加工规准，轮流修光各方向的侧壁。如图补充4-10所示，在某型腔粗加工完毕后，采用中加工规准先将底面修出；然后将工作台沿X坐标方向右移一个尺寸d，修光型

55、腔左侧壁(如图补充4-10(a)所示)；然后将电极上移，修光型腔后壁(如图补充4-10(b)所示)；再将电极右移，修光型腔右壁(如图补充4-10(c)所示)；然后将电极下移，修光型腔前壁(如图补充4-10(d)所示)；最后将电极左移，修去缺角(如图补充4-10(e)所示)。完成这样一个周期后，型腔的面积扩大。若尺寸达不到规定的要求，则如上所述再进行一个周期。这样，经过多个周期，型腔可完全修光。,热,图补充4-10 侧壁轮流修光法示意图,在使用手动侧壁修光法时必须注意： (1) 各方向侧壁的修整必须同时依次进行，不可先将一个侧壁完全修光后，再修光另一个侧壁，避免二次放电将已修好的侧壁损伤。 (2

56、) 在修光一个周期后，应仔细测量型腔尺寸，观察型腔表面粗糙度，然后决定是否更换电加工规准，进行下一周期的修光。 这种加工方法的优点是可以采用单电极完成一个型腔的全部加工过程；缺点是操作烦琐，尤其在单面修光侧壁时，加工很难稳定，不易采取冲油措施，延长了中、精加工的周期，而且无法修整圆形轮廓的型腔。,2.型腔模加工用工具电极 电极的材料有纯铜、铜钨合金、银钨合金、石墨等。其中纯铜和石墨电极应用最多。 讲解纯铜和石墨做电极的优缺点。 纯铜更适合做精加工的电极。,表补充4-1 电火花加工常用电极材料的性能,（1）电极材料选择 1) 铸铁电极的特点 来源充足，价格低廉，机械加工性能好，便于采用成型磨削，

57、因此电极的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度等都容易保证。 电极损耗和加工稳定性均较一般，容易起弧，生产率也不及铜电极。 是一种较常用的电极材料，多用于穿孔加工。 2) 钢电极的特点 来源丰富，价格便宜，具有良好的机械加工性能。 加工稳定性较差，电极损耗较大，生产率也较低。 多用于一般的穿孔加工。,3) 紫铜(纯铜)电极的特点 加工过程中稳定性好，生产率高。 精加工时比石墨电极损耗小。 易于加工成精密、微细的花纹，采用精密加工时能达到优于1.25 m的表面粗糙度。 因其韧性大，故机械加工性能差，磨削加工困难。 适宜于做电火花成型加工的精加工电极材料。,4) 黄铜电极的特点 在加工过程中稳定性好

58、，生产率高。 机械加工性能尚好，它可用仿形刨加工，也可用成型磨削加工，但其磨削性能不如钢和铸铁。 电极损耗最大。 5) 石墨电极的特点 机加工成型容易，容易修正。 加工稳定性能较好，生产率高，在长脉宽、大电流加工时电极损耗小。 机械强度差，尖角处易崩裂。 适用于做电火花成型加工的粗加工电极材料。因为石墨的热胀系数小，也可作为穿孔加工的大电极材料。,（2）电极设计 电极设计是电火花加工中的关键点之一。在设计中，首先是详细分析产品图纸，确定电火花加工位置；第二是根据现有设备、材料、拟采用的加工工艺等具体情况确定电极的结构形式；第三是根据不同的电极损耗、放电间隙等工艺要求对照型腔尺寸进行缩放，同时要

59、考虑工具电极各部位投入放电加工的先后顺序不同，工具电极上各点的总加工时间和损耗不同，同一电极上端角、边和面上的损耗值不同等因素来适当补偿电极。例如，图补充4-11是经过损耗预测后对电极尺寸和形状进行补偿修正的示意图。,热,图4-11 电极补偿图,1) 电极的结构形式 电极的结构形式可根据型孔或型腔的尺寸大小、复杂程度及电极的加工工艺性等来确定。常用的电极结构形式如下： 整体电极。整体式电极由一整块材料制成(如图补充4-12(a)所示)。若电极尺寸较大，则在内部设置减轻孔及多个冲油孔(如图补充4-12(b)所示)。,热,图4-12 整体电极,对于穿孔加工，有时为了提高生产率和加工精度及降低表面粗糙度，常采用阶梯式整体电极，即在原有的电极上适当增长，而增长部分的截面尺寸均匀减小，呈阶梯形。如图补充4-13所示，L1