第四章电火花加工课件.pptx

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1、03GDD4,主编,第四章电火花加工,第一节电火花加工的机理、特点及分类第二节电火花加工中的基本工艺规律第三节电火花加工设备和工作液第四节电火花穿孔成形加工第五节电火花加工技术的发展及应用,第一节电火花加工的机理、特点及分类,一、电火花加工的机理二、电火花加工的特点及分类,一、电火花加工的机理,)电极之间始终保持确定的距离(通常为数微米至数百微米)。)放电点的局部区域达到足够高的电流密度(一般为)，以确保被加工材料能在局部熔化、气化，否则只能加热被加工材料。)必须是脉冲性的放电(脉宽.，脉间不小于)，以确保放电所产生的热量来不及传导扩散到被加工材料的其他部分而集中在局部，使局部的材料产生熔化、

2、气化而被蚀除。)及时排除电极间的电蚀产物，以确保电极间介电性能的稳定。,图-电火花加工表面示意图凹坑凸边,.极间介质的击穿和放电通道的形成.介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀.蚀除产物的抛出.极间介质的消电离,一、电火花加工的机理,电火花加工的基本原理决定了工作介质的击穿状态将直接影响电火花加工的规律性。必须掌握其击穿的规律和特征，尤其是击穿通道特性参数(如通道截面尺寸、能量密度等)随击穿状态参数(如电参数、介质特性、电极特性及极间距离等参数)而变化的规律性。,.极间介质的击穿和放电通道的形成,.极间介质的击穿和放电通道的形成,图-矩形波脉冲时极间电压和电流波形,.介质热分解、电极材料熔化、

3、气化热膨胀,放电通道是由数量大体相等的带正电粒子(正离子)和带负电粒子(电子)以及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体。带电粒子高速运动时相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可高达以上。,.蚀除产物的抛出,图-放电过程中放电间隙状态的示意图工件电极工件电极上的相变区气泡中的微粒工作液工具电极工具电极上的相变区放电通道介质气化区液介中的微粒,.极间介质的消电离,两次脉冲放电之间，必须有一定间隔时间，使间隙介质消电离。即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，间隙中电蚀产物排除，介质温度降低，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度。,二、电火

4、花加工的特点及分类,.电火花加工的特点.电火花加工工艺方法分类,.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。)脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。)直接利用电能进行加工，便于实现自动化。,.电火花加工工艺方法分类,.电火花加工工艺方法分类,第二节电火花加工中的基本工艺规律,一、影响放电蚀除量的主要因素二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度三、影响加工精度的主要因素四、电火花加工表面完整性,一、影响放电蚀除量的主要因素,.极性效应.电参数.金属材料热学常数,.极性效应,在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程

5、度的电蚀。即使是两极材料相同，例如钢加工钢，正、负电极的电蚀量也是不同的。,.电参数,(4-1)(4-2),.电参数,(4-3)(4-4),.金属材料热学常数,.金属材料热学常数,图-铜和钢两种材料的脉宽与蚀除量的关系,二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,.加工速度.工具电极损耗速度,.加工速度,一般采用体积加工速度()来表示，即被加工掉的体积除以加工时间,(4-6),在生产实际中，衡量工具电极是否耐损耗，不只是看工具损耗速度，还要看同时能达到的加工速度，因此，采用相对损耗或称损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标。即,.工具电极损耗速度,.工具电极损耗速度,图-电极相对损耗与极性、脉宽的关

6、系正极性加工负极性加工,三、影响加工精度的主要因素,图-电火花成形加工时圆角的形成)工具电极有尖角时)工具电极有凹角时,三、影响加工精度的主要因素,图-电火花加工产生斜度的示意图,四、电火花加工表面完整性,.表面粗糙度.表面变质层和表面力学性能,表面粗糙度评定指标常用微观不平度的平均算术偏差和不平度的最大高度值，在数值大小上，约是()。对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量。因为脉冲能量大，每次脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙度变差。表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用如下实验公式来表示,.表面粗糙度,(4-9),.表面变质层和表面力学性能,电火花加工过程中，在火花放电的瞬

7、时高温和工作液的快速冷却作用下，材料表面层的化学成分、微观结构发生了很大的变化，形成一层通常存在残余应力和微观裂纹的变质层。对于熔化、气化材料，可将变质层分为熔化凝固层和热影响层。,第三节电火花加工设备和工作液,一、电火花加工机床二、脉冲电源三、自动进给调节系统四、工作液及其循环过滤系统,一、电火花加工机床,电火花加工工艺及机床设备的类型较多，按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同可分为六大类，如表-所示。其中应用最广、数量较多的是电火花线切割机床和电火花成形加工机床。本章介绍电火花成形加工机床，电火花线切割机床将在第五章介绍。,二、脉冲电源,.对脉冲电源的要求及其分类. 、线路脉冲电

8、源.闸流管式和电子管式脉冲电源4.晶闸管式、晶体管式、管式脉冲电源5.各种派生脉冲电源,.对脉冲电源的要求及其分类,)影响工艺指标的主要参数可调，如脉宽、脉间(或宽间比)、峰值电流、开路电压等。)通用电源的主要参数的调节范围广，以适应粗、中、精加工的要求，而且适应不同工件材料和不同工具电极材料进行加工的要求。)专用脉冲电源主要参数的调节灵活方便，如高能小脉宽脉冲电源其波形及波形的前后沿变化率要具有灵活方便的可调性。)性能稳定可靠，模块化结构，以便于检测和维修。)无污染、低成本、低能耗、长寿命。,.对脉冲电源的要求及其分类,. 、线路脉冲电源,图-线路的脉冲电源,. 、线路脉冲电源,图-线路的脉

9、冲电源电压、电流波形,. 、线路脉冲电源,图-线路的脉冲电源,. 、线路脉冲电源,图-线路的脉冲电源,.闸流管式和电子管式脉冲电源,闸流管式和电子管式脉冲电源是以闸流管和电子管为末级功率开关器件。闸流管和电子管均为高阻抗开关元件。因此主回路中常为高压小电流，必须采用脉冲变压器变换为大电流的低压脉冲，才能用于电火花加工。,4.晶闸管式、晶体管式、管式脉冲电源,图-自振式脉冲电源框图,5.各种派生脉冲电源,()高低压复合脉冲电源高低压复合脉冲电源是指在放电间隙并联两个供电回路，一个为高压脉冲回路，其脉冲电压较高(300左右)，平均电流很小，主要起击穿间隙的作用，也就是控制低压脉冲的放电击穿点，保证

10、前沿击穿，因而也称之为高压引燃回路。()等脉冲电源等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。()自适应控制脉冲电源自适应控制脉冲电源有一个较完善的控制系统，能不同程度地代替人工监控功能，即能根据某一给定目标(保证一定表面粗糙度下提高生产率)来连续不断地检测放电加工状态，并与最佳模型(数学模型或经验模型)进行比较运算，然后用其计算结果控制有关参数，以获得最佳加工效果。,三、自动进给调节系统,1.自动进给调节系统的作用和分类2.自动进给调节系统的基本组成部分3.电液压式自动进给调节系统4.电机械式自动进给调节系统,1.自动进给调节系统的作用和分类,图-间隙蚀除特性与调节特性蚀除特

11、性曲线调节特性曲线,1.自动进给调节系统的作用和分类,)有较广的速度调节跟踪范围。)有足够的灵敏度和快速性。)有必要的稳定性。)有足够大的空载进给速度和短路回退速度。,2.自动进给调节系统的基本组成部分,图-自动进给调节系统的基本组成,2.自动进给调节系统的基本组成部分,()测量环节测量环节的作用是得到放电间隙大小及变化的信号。()比较环节比较环节的作用是根据“给定值”来调节进给速度。()放大环节放大环节的作用是把测量比较输出的信号放大使之具有足够的驱动功率。()执行环节执行环节也称执行机构，它根据放大环节输出的控制信号的大小及时地调整工具电极的进给，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正

12、常进行。,()测量环节,图-平均值检测电路)平均值检测)带整流桥的检测,()测量环节,图-峰值检测电路)击穿电压检测)击穿延时检测,()比较环节,比较环节的作用是根据“给定值”来调节进给速度。把从测量环节得来的信号和“给定值”的信号进行比较，再按此差值来控制加工过程。大多数比较环节包含或合并在测量环节之中。,()放大环节,放大环节的作用是把测量比较输出的信号放大使之具有足够的驱动功率。测量比较环节获得的信号，一般都很小，难于推动执行元件，必须要有一个放大环节，通常称它为放大器。,()执行环节,执行环节也称执行机构，它根据放大环节输出的控制信号的大小及时地调整工具电极的进给，以保持合适的放电间隙

13、，从而保证电火花加工正常进行。,3.电液压式自动进给调节系统,图-喷嘴挡板式调节系统的工作原理图1油箱2溢流阀3液压泵4电动机5、13压力表6过滤器7节流孔8喷嘴9电机械转换器10动圈11静圈12挡板14液压缸15活塞16工具电极17工件电极,4.电机械式自动进给调节系统,图-步进电动机自动调节系统的原理框图,四、工作液及其循环过滤系统,1.工作液的作用2.常用工作液3.工作液循环过滤系统,1.工作液的作用,)压缩放电通道，提高放电的能量密度，提高蚀除效果。)加速极间介质的冷却和消电离过程，防止电弧放电。)加剧放电时的流体动力过程，以利于蚀除金属的抛出。)通过工作液的流动，加速了蚀除金属的排出

14、，以保持放电工作稳定。)改变工件表面层的理化性质。)减少工具电极损耗，加强电极覆盖效应。,2.常用工作液,2.常用工作液,表-电火花成型加工专用工作液的性能规格,2.常用工作液,)加工中放电间隙明显增大，使放电对工件表面的冲击力减小，从而使放电凹坑中蚀除抛出量减少，形成较浅的放电凹坑。)金属及半导体微粉与被加工表面之间将产生微放电，形成分散式放电状况，有效地防止放电凹坑的多次重叠，使凹坑较浅。)分散极间电容，使极间电容减小，从而有效地减小了放电脉冲能量。)混粉工作液中的微粉对工件表面有抛光、磨料喷射加工等作用。,3.工作液循环过滤系统,图-工作液循环方式)、)冲油式)、)抽油式,3.工作液循环

15、过滤系统,()自然沉淀法这种方法速度太慢，周期太长，只用于单件小用量或精微加工，否则，需要很大体积的工作液槽。()介质过滤法此法常用黄砂，木屑、棉纱头、过滤纸、硅藻土，活性炭等为过滤介质。()高压静电过滤、离心过滤法等这些方法在技术上比较复杂，采用较少。,第四节电火花穿孔成形加工,一、冲模的电火花加工工艺二、型腔模的电火花加工工艺三、小孔电火花加工工艺,第四节电火花穿孔成形加工,一、冲模的电火花加工工艺,1.冲模的电火花加工工艺方法2.工具电极3.工件的准备4.电规准的选择及转换,一、冲模的电火花加工工艺,图-凹模电火花加工,一、冲模的电火花加工工艺,图-凹模电火花加工,凹模的尺寸精度主要靠工

16、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，工具电极相应的尺寸为(图-)，单面火花间隙值为，则,一、冲模的电火花加工工艺,(4-10),2.工具电极,()电极材料的选择凸模一般选优质高碳钢、或铬钢、以及硬质合金等。()电极的设计由于凹模的精度主要决定于工具电极的精度，因而对它有较为严格的要求，要求工具电极的尺寸精度和表面粗糙度比凹模高一级，一般精度不低于，表面粗糙度小于.，且直线度、平面度和平行度在长度上不大于.。()电极的制造冲模电极的制造，一般先经普通机械加工，然后成形磨削。,2.工具电极,3.工件的准备,电火花加工前，工件(凹模)型孔部分要加工预孔，

17、并留适当的电火花加工余量。余量的大小应能补偿电火花加工的定位、找正误差及机械加工误差。,4.电规准的选择及转换,电规准是指电火花加工过程中一组电参数，如电压、电流、脉宽、脉间等。电规准选择正确与否，将直接影响着模具加工工艺指标。,二、型腔模的电火花加工工艺,1.型腔模电火花加工的工艺方法.型腔模加工用工具电极.工作液强迫循环的应用.电规准的选择、转换.电火花加工工艺参数曲线图表,1.型腔模电火花加工的工艺方法,()单电极平动法采用一个电极完成型腔的粗、中、精加工。()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。()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

18、应用。,()单电极平动法,图-平动头加工示意图,()单电极平动法,图-几种典型的摇动模式和加工实例)基本摇动模式)锥度摇动模式)数控联动加工实例起始半径终了半径球面半径,()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。所需电极的数量由型腔的精度要求决定，一般用两个电极进行粗、精加工就可满足要求。,()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。根据型腔的几何形状，把电极分解成主型腔和副型腔电极分别制造。,.型腔模加工用工具电极,()电极材料的选择()电极的设计()排气孔和冲油孔设计,()电极材料的选择,)不容易产生电弧，在较困难的条件下也能稳定地加

19、工；)精加工比石墨电极损耗小；)采用精微加工能获得很高的表面粗糙度；)经锻造后还可做其他型腔加工用的电极，材料利用率高。,与主轴头进给方向垂直的电极尺寸称为水平尺寸(图-)，可用下式确定,()电极的设计,(4-11),()电极的设计,图-电极水平尺寸计算图工具电极工件电极的型腔,()排气孔和冲油孔设计,型腔加工一般均为盲孔加工，排气、排屑状况将直接影响加工速度、稳定性和表面质量。,.工作液强迫循环的应用,型腔加工往往需要采用强迫冲油。冲油压力一般为左右，可随深度的增加而有所增加。冲油对电极损耗有影响。随着冲油压力的增加，电极损耗也增加了。,.电规准的选择、转换,粗加工要求高生产率和低电极损耗，

20、这时应优先考虑采用较宽的脉冲宽度(例如在以上)，然后选择合适的脉冲峰值电流，并应注意加工面积和加工电流之间的配合关系。,.电火花加工工艺参数曲线图表,图-铜“+”、钢“”时表面粗糙度与脉宽和峰值电流的关系曲线,.电火花加工工艺参数曲线图表,图-铜“”、钢“”时单边侧面放电间隙与脉宽和峰值电流的关系曲线,.电火花加工工艺参数曲线图表,图-铜“”、钢“”时工件蚀除速度与脉宽和峰值电流的关系曲线,.电火花加工工艺参数曲线图表,图-铜“”、钢“”时电极损耗率与脉宽和峰值电流的关系曲线,三、小孔电火花加工工艺,()冷拔整体电极法采用电火花线切割加工工艺并配合钳工修磨制成异形电极的硬质合金拉丝模，然后用该

21、模具拉制成异形截面的电极。()电火花线切割加工整体电极法利用精密电火花线切割加工制成整体异形电极。()电火花反拷加工整体电极法图-所示即为电火花反拷加工制造异形电极的示意图。,三、小孔电火花加工工艺,图-电火花可加工的异形孔的径向断面形状,图-三叶形异形孔电极的专用夹具示意图,第五节电火花加工技术的发展及应用,一、电火花加工工艺形式的发展二、电火花加工设备设计理论的发展,一、电火花加工工艺形式的发展,.电火花小孔磨削和镗削加工.电火花共轭回转加工工艺.微观电导率不均匀材料电火花加工工艺.金属电火花表面强化和刻字.微细电火花加工.曲线孔的电火花加工工艺,.电火花小孔磨削和镗削加工,对于精度和表面

22、粗糙度要求较高，工件材料(如磁钢、硬质合金、耐热合金等)的机械加工性能很差的深小孔的加工，采用研磨方法加工时生产率太低，采用内圆磨床磨削也很困难或无法磨削，而采用电火花磨削和镗削加工则是最有效的加工工艺。,.电火花共轭回转加工工艺,电火花共轭回转加工是在加工过程中，工具电极和工件电极之间附加了满足被加工型面要求的共轭回转运动的电火花加工工艺。,.微观电导率不均匀材料电火花加工工艺,)材料颗粒从基体上的分离形式是：升华、熔化、热剥离、整体颗粒移除、气化、再凝固粘附相的热削离，共六种不同方式。)适宜的脉冲电源波形是高能小脉宽，峰值电流，脉宽或更小，峰值电压。)脉冲的后沿变化率直接影响热影响层的厚度

23、和抛出爆炸效应的强弱。,.金属电火花表面强化和刻字,)当采用硬质合金作电极材料时，硬度可达(约以上)或更高。)当使用铬锰、钨铬钴合金、硬质合金作工具电极强化钢时，其耐磨性比原表层提高.倍。)用石墨作电极材料强化钢，用食盐水作腐蚀性试验时，其耐腐蚀性提高。)耐热性大大提高，提高了工件使用寿命。)疲劳强度提高倍左右。)硬化层厚度约为.。,.金属电火花表面强化和刻字,图-金属电火花表面强化的加工原理示意图,.微细电火花加工,微型机械的发展促进了微细加工技术的发展。微细电火花加工技术与其他微细加工技术相比，在三维复杂结构成形方面有明显的优势。,.曲线孔的电火花加工工艺,压铸模、注射模冷却水道的实际加工

24、，一直难以与理论优化设计的结果相符合。因为不同的模具型腔所要求的均匀冷却水道为不同的空间曲线，而传统的机械加工方法无法加工曲线水道。,二、电火花加工设备设计理论的发展,.电极间隙放电状态的识别.放电过程的模型化分析,.电极间隙放电状态的识别,()电火花加工中典型的加工波形及其特征描述()间隙电压信号放大和状态判别逻辑电弧放电电位一般低于正常火花放电电位左右，最大可达。()不可恢复烧伤性稳定电弧出现前的几个特征为能制定出控制策略，必须找出不可恢复烧伤性稳定电弧出现的规律。,()电火花加工中典型的加工波形及其特征描述,)开路。)正常火花放电。)可恢复性不稳定电弧。)不可恢复烧伤性稳定电弧。)短路。

25、,)开路。,图-正常火花放电电压和电流波形图,)正常火花放电。,由图-可见，正常火花放电波形在自持放电期间有高频杂波分量，因而有较强的射频发射和声发射，其击穿延时呈随机特性。,)可恢复性不稳定电弧。,图-可恢复性不稳定电弧放电电压和电流波形图,)不可恢复烧伤性稳定电弧。,图-不可恢复烧伤性稳定电弧放电电压和电流波形图,)短路。,图-短路状态下的电压和电流波形图,()间隙电压信号放大和状态判别逻辑,图-间隙电压信号放大和状态判别逻辑图,()不可恢复烧伤性稳定电弧出现前的几个特征,)由于伺服进给调节不适当，机床伺服进给系统不平稳，往往会出现可恢复性不稳定电弧放电。)可恢复性不稳定电弧放电往往是个连续出现，而不可恢复烧伤性电弧放电经常是数十个和上百个连续出现。,.放电过程的模型化分析,电火花加工过程影响因素众多，几乎不可能用一个模型包含全部因素，适用于所有的电火花加工条件。先后出现了各种各样的适合于某个具体条件的电火花加工模型，如用于热力学分析的各种热源模型，用于蚀除机理分析的阴、阳极腐蚀模型等。,