电火花成形加工.ppt
2.1 电火花成形加工,2.1.1 电火花加工的机理、特点及分类,一 电火花加工的机理,电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。,名称：普通电火花 成型机床 型号：D7132N、40N、50N、60N,名称：机电一体电火 花成型机床 型号：D7125ND、32ND,名称：电火花高速穿孔机,“负极性”接线法,“正极性”接线法图,电火花加工原理示意图,工具负极,工具正极,电火花加工需解决的问题,电极之间始终保持确定的距离；达到足够高的电流密度；脉冲性放电；及时排除电蚀产物,电火花加工表面局部放大图,通过电力、磁力、热力、流体动力等综合作用，分四个阶段完成加工：极间介质的击穿形成放电；介质的热分解、电极材料的融化、气化热膨胀；蚀除产物的抛出；间隙介质消电离。,(1)极间介质的电离、击穿，形成放电通道。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近处电场强度最大。工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。,电火花腐蚀加工的四个阶段：,(2)电极材料的熔化、气化热膨胀 液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。,(3)蚀除材料的抛出 正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。,(4)极间介质的消电离。加工液体流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。,消除上次放电对下次电蚀影响,上述步骤(1)(4)在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成(如图所示)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。,二 电火花加工的特点及分类,1 电火花加工的特点,适用的材料范围广；适于加工特殊及复杂形状的零件；可以在同一台机床连续进行粗、半精及精加工；直接利用电能进行加工，便于实现自动化.,电火花加工的实例,电火花加工的事例,电火花加工方法分类,电火花加工方法分类,成形,三 电火花加工工艺规律,1 影响加工速度的因素,1 极性效应(电极的接法、电极材料);2 电参数的选择（脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流等）;3 加工件材料热学常数（导热系数、比热、密度等）。,加工速度的定义：单位时间蚀除工件的体积。工具电极损耗速度：单位时间电极损耗的体积。损耗比：工具电极损耗速度/加工速度。,2 影响加工精度的因素,主要由机身的精度、工件的安装定位精度、加工工艺等。这里主要讲放电间隙、工具电极的损耗、及二次放电对加工精度的影响。,如果放电间隙稳定可靠，则加工精度可用修正电极来补偿。否则会影响加工精度，特别是圆角和尖角处。,电火花加工的实质：就是将工具电极的部分或全部形状复制到工件上。工具电极的损耗是要影响形状和几何精度复制。一般精度0.010.05mm,二次放电:是一种异常放电，主要是由于蚀除产物等作用再次进行的非正常放电。,电间隙、工具电极的损耗、及二次放电对加工精度的影响,3 影响加工表面质量的因素,表面光洁度：处理好加工速度与表面光洁度的矛盾。工件材料对加工表面粗糙度也有影响:在相同条件下，比热、密度、熔点高的材料加工出的光洁度更高。电参数表面力学性能的影响：工件表面的组织和表面的残余应力等.脉冲宽度、脉冲间隙、脉冲能量和电极间的间隙对加工表面质量有较大影响。,加工材料的物理性能（熔点密度）,表面质量:表面光洁度和表面力学性能,2.1.2 电火花加工机床和工作液,一、机床型号、规格、分类我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。例如D7132中，D表示电加工成型机床(若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK)；71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320 mm。在中国大陆外，电火花加工机床的型号没有采用统一标准，由各个生产企业自行确定，如日本沙迪克(Sodick)公司生产的A3R、A10R，瑞士夏米尔(Charmilles)技术公司的ROBOFORM20/30/35，台湾乔懋机电工业股份有限公司的JM322/430，北京阿奇工业电子有限公司的SF100等。,电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下)、中型(D7125D7163)和大型(D7163以上)；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步，国外已经大批生产三坐标数控电火花机床，以及带有工具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心，我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。,二、电火花加工机床结构 电火花加工机床主要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图 所示。,电火花机床,工件,1.机床本体 机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。主轴头下面装夹的电极是自动调节系统的执行机构，其质量的好坏将影响到进给系统的灵敏度及加工过程的稳定性，进而影响工件的加工精度。机床主轴头和工作台常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头等。,2、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。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：(1)要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。,(2)火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。(3)脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。(4)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。(5)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。,3、常用的脉冲电源,RC和 RLC电源,闸流管式和电子管式电源,晶闸管式、晶体管式和MOS管式电源,4 各种派生电源：如等脉冲电源、自适应控制电源等,电路简单、可靠、成本低、单脉冲功率小、适应于精密加工效率低，有反冲,将电阻阻抗值一分为二,RLCL脉冲电源,MOSFET脉冲电源,提高能量效率提高充放电频率减少反冲,4、自动进给调节系统 在电火花成型加工设备中，自动进给调节系统占有很重要的位置，它的性能直接影响加工稳定性和加工效果。电火花成型加工的自动进给调节系统，主要包含伺服进给系统和参数控制系统。伺服进给系统主要用于控制放电间隙的大小，而参数控制系统主要用于控制电火花成型加工中的各种电参数(如放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔等也叫加工电规准)，以便能够获得最佳的加工工艺指标等。,1)伺服进给系统的作用在电火花成型加工中，电极与工件必须保持一定的放电间隙。由于工件不断被蚀除，电极也不断地损耗，故放电间隙将不断扩大。如果电极不及时进给补偿，放电过程会因间隙过大而停止。反之，间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时电极必须迅速离开工件，待短路消除后再重新调节到适宜的放电间隙。在实际生产中，放电间隙变化范围很小，且与加工的电规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。这种不等速的伺服进给系统也称为自动进给调节系统。,(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。伺服进给系统种类较多，下面介绍液压式伺服进给系统的原理，其他的伺服进给系统可参考其他相关资料。,2)伺服系统要求,3)自动进给调节系统的组成与实现,伺服进给系统,伺服进给系统测量,4)电液压式伺服进给系统 在电液自动进给调节系统中，液压缸、活塞是执行机构。由于传动链及液体的基本不可压缩性，因此传动链中无间隙、刚度大、不灵敏区小；又因为加工时进给速度很低，所以正、反向惯性很小，反应迅速，特别适合于电火花加工的低速进给，故20世纪80年代前得到了广泛的应用，但它有漏油、油泵噪声大、占地面积较大等缺点。图所示为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。,喷嘴挡板式电液压自动调节器工作原理,图所示为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。,与控制的U比较,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。,5、工作液及其循环过滤系统电火花加工中的蚀除产物，一部分以气态形式抛出，其余大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中，直径一般为几微米。随着电火花加工的进行，蚀除产物越来越多，充斥在电极和工件之间，或粘连在电极和工件的表面上。蚀除产物的聚集，会与电极或工件形成二次放电。这就破坏了电火花加工的稳定性，降低了加工速度，影响了加工精度和表面粗糙度。为了改善电火花加工的条件，一种办法是使电极振动，以加强排屑作用；另一种办法是对工作液进行强迫循环过滤，以改善间隙状态。,工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。电火花加工用的工作液过滤系统包括工作液泵、油箱、过滤器及管道等，使工作液强迫循环。图是工作液循环系统油路图，它既能实现冲油，又能实现抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过滤器l，经单向阀2吸入油泵3，这时高压油经过不同形式的精过滤器7输向机床工作液槽，溢流安全阀5使控制系统的压力不超过400 kPa，补油阀 11为快速进油用。待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀10，由阀8来控制工作液循环方式及压力。当阀10在冲油位置时，补油冲油都不通，这时油杯中油的压力由阀8控制；当阀10在抽油位置时，补油和抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管9，利用流体速度产生负压，达到实现抽油的目的。,工作液循环系统油路图,常用工作液:油性和水溶性油性:煤油、变压器油等水溶性：蒸馏水等,2.1.3 电火花穿孔成形加工,加工范围,一、冲模的电火花加工工艺,电火花穿孔加工一般应用于冲裁模具加工、粉末冶金模具加工、拉丝模具加工、螺纹加工等。凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，因此，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1，单边火花间隙值为SL，,1、冲模尺寸,则L2=L1+2SL,2 工具电极,电极材料的选择 电极的设计(几何形状、精度)电极的制造（如何制作电极）,3 工件的准备（毛坯）,4 电规准的选择（加工的一套电参数）,紫铜(纯铜)、石墨,二 型腔模的电火花加工工艺电火花成型加工和穿孔加工相比有下列特点：(1)电火花成型加工为盲孔加工，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差。(2)型腔多由球面、锥面、曲面组成，且在一个型腔内常有各种圆角、凸台或凹槽，有深有浅，还有各种形状的曲面相接，轮廓形状不同，结构复杂。这就使得加工中电极的长度和型面损耗不一，故损耗规律复杂，且电极的损耗不可能由进给实现补偿，因此型腔加工的电极损耗较难进行补偿。(3)材料去除量大，表面粗糙度要求严格。(4)加工面积变化大，要求电规准的调节范围相应也大。,根据电火花成型加工的特点，在实际中通常采用如下方法：1.单电极平动法单电极平动法是指采用同一个工具电极完成模具型腔的粗、中及精加工。对普通的电火花机床，在加工过程中先用无损耗或低损耗电规准进行粗加工，然后采用平动使工具电极做圆周或平移运动，按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准，进行侧面平动修整加工。在加工过程中，借助平动头逐渐加大工具电极的偏心量，可以补偿前后两个加工电规准之间放电间隙的差值，这样就可完成整个型腔的加工。,单电极平动法,2.多电极更换法 对早期的非数控电火花机床，为了加工出高质量的工件，多采用多电极更换法。多电极更换法是指根据一个型腔在粗、中、精加工中放电间隙各不相同的特点，采用几个不同尺寸的工具电极完成一个型腔的粗、中、精加工。在加工时首先用粗加工电极蚀除大量金属，然后更换电极进行中、精加工；对于加工精度高的型腔，往往需要较多的电极来精修型腔。,多电极更换法,3分解电极加工法 分解电极加工法是根据型腔的几何形状，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。,分解电极加工法,4 型腔模加工用工具电极,1）电极材料选择 目前常用的电极材料有紫铜(纯铜)、石墨、银钨合金、铜钨合金等。,紫铜(纯铜)电极的特点(1)加工过程中稳定性好，生产率高。(2)精加工时比石墨电极损耗小。(3)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。(4)因其韧性大，故机械加工性能差，磨削加工困难。(5)适宜于做电火花成型加工的精加工电极材料。,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，图下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。,电极补偿图,电极的水平尺寸可用下式确定(垂直于进给方向)a=AKb式中：a电极水平方向的尺寸；A型腔的水平方向的尺寸；K与型腔尺寸标注法有关的系数；b电极单边缩放量，粗加工时，b=1+2+0(注：1、2、0的意义参见图)。,电极单边缩放量原理图,3）电极的水平尺寸可用下式确定,4)电极的排气孔和冲油孔电火花成型加工时，型腔一般均为盲孔，排气、排屑条件较为困难，这直接影响加工效率与稳定性，精加工时还会影响加工表面粗糙度。为改善排气、排屑条件，大、中型腔加工电极都设计有排气、冲油孔。一般情况下，开孔的位置应尽量保证冲液均匀和气体易于排出。电极开孔示意图如下图所示。,电极开孔示意图,工作液的强迫循环(一般冲油压力20kPa),电规准的选择(主要是电源参数选择),铜电极+,工件电极-,铜电极+,工件电极-,铜电极+,工件电极-,铜电极+,工件电极-,课后习题,课后习题13,
