电火花加工综述课件

5电火花加工n5.1电火花加工的机理、特点及分类5.1.1电火花穿孔成形加工5.1.2 电火花线切割加工技术n5.2电火花加工中的基本工艺规律5.1电火花加工的机理、特点及分类n一、电火花加工的机理n二、电火花加工的特点及分类n一、电火花加工的条件1)电极之间始终保持确定的距离(通常为数微米至数百微米)。2)放电点的局部区域达到足够高的电流密度(一般为105106A/cm2)，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。3)必须是脉冲性的放电(脉宽0.11000s，脉间不小于10s)，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、气化而被蚀除。4)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5-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n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5-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、气化热膨胀l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。l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10000以上。.蚀除产物的抛出图5-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l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。l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。n二、电火花加工的特点及分类1.电火花加工的特点2.电火花加工工艺方法分类3.电火花穿孔成形加工1.电火花加工的特点1)适用的材料范围广。2)适于加工特殊及复杂形状的零件。3)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。4)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5.1.1 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5.1.1 电火花穿孔成形加工一、冲模的电火花加工工艺l1.冲模的电火花加工工艺方法l2.工具电极l3.工件的准备l4.电规准的选择及转换l一、冲模的电火花加工工艺图5-5凹模电火花加工l一、冲模的电火花加工工艺图5-5凹模电火花加工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2，工具电极相应的尺寸为1(图5-5)，单面火花间隙值为L，则l一、冲模的电火花加工工艺(5-10)l2.工具电极(1)电极材料的选择凸模一般选优质高碳钢T8A、T10A或铬钢Cr12、GCr15以及硬质合金等。(2)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IT7，表面粗糙度小于Ra1.25m，且直线度、平面度和平行度在100mm长度上不大于0.01mm。(3)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。l2.工具电极l3.工件的准备电火花加工前，工件(凹模)型孔部分要加工预孔，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。l4.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l1.型腔模电火花加工的工艺方法l2.型腔模加工用工具电极l3.工作液强迫循环的应用l4.电规准的选择、转换l5.电火花加工工艺参数曲线图表l1.型腔模电火花加工的工艺方法(1)单电极平动法采用一个电极完成型腔的粗、中、精加工。(2)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。(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。()单电极平动法图5-6平动头加工示意图(1)单电极平动法图5-7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(2)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。(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。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。l2.型腔模加工用工具电极(1)电极材料的选择(2)电极的设计(3)排气孔和冲油孔设计(1)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5-8)，可用下式确定(2)电极的设计(4-11)()电极的设计图5-8电极水平尺寸计算图工具电极工件电极的型腔(3)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。l3.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20kPa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。l.电规准的选择、转换粗加工要求高生产率和低电极损耗，这时应优先考虑采用较宽的脉冲宽度(例如在400s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。l.电火花加工工艺参数曲线图表图5-9铜“+”、钢“”时表面粗糙度与脉宽和峰值电流的关系曲线l.电火花加工工艺参数曲线图表图5-10铜“”、钢“”时单边侧面放电间隙与脉宽和峰值电流的关系曲线l.电火花加工工艺参数曲线图表图5-11铜“”、钢“”时工件蚀除速度与脉宽和峰值电流的关系曲线l.电火花加工工艺参数曲线图表图5-12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l(1)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，然后用该模具拉制成异形截面的电极。l(2)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。l(3)电火花反拷加工整体电极法图5-14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5-13电火花可加工的异形孔的径向断面形状图5-14电火花反拷加工制造异形电极图5-15三叶形异形孔电极及专用夹具示意图5.1.2 电火花线切割加工电火花线切割加工的原理、特点及应用电火花线切割加工的工艺指标和常用工艺参数电火花加工中的基本工艺规律电火花线切割加工的原理、特点及应用l一、基本原理l二、线切割加工的特点l三、线切割加工的应用l一、基本原理图-16电火花线切割加工示意图坐标工作台夹具工件脉冲电源导轮电极丝丝架工作液箱贮丝筒l二、线切割加工的特点)不需要制造复杂的成形电极。)能够方便快捷地加工薄壁、窄槽、异形孔等复杂结构零件。)一般采用精规准一次加工成形，在加工过程中大都不需要转换加工规准。)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，特别是在低速走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，电极丝的损耗对加工精度的影响更小。)工作液多采用水基乳化液，很少使用煤油，不易引燃起火，容易实现安全无人操作运行。)没有稳定的拉弧放电状态。)脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄，属于中、精加工范畴，采用正极性加工方式。l三、线切割加工的应用)适用于各种形式的冲裁模及挤压模、粉末冶金模、塑压模等通常带锥度的模具加工。)高硬度材料零件的加工。)特殊形状零件的加工。)加工电火花成形加工用的铜、铜钨、银钨合金等材料电极。电火花线切割加工的工艺指标和常用工艺参数l一、线切割加工的主要工艺指标l二、线切割加工工艺参数的选择l三维电火花线切割和多次切割加工l一、线切割加工的主要工艺指标.切割速度.加工表面粗糙度.加工精度1.切割速度在一定的切割条件下，单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和称为切割速度，单位为mm2/min，通常高速走丝线切割加工速度为40120mm2/min。2.加工表面粗糙度我国和欧洲通常采用轮廓算术平均偏差Ra(m)来表示，日本则采用Rmax(m)来表示。高速走丝线切割加工的表面粗糙度一般为Ra6.32.5m，最佳也只有Ra1m左右。低速走丝线切割加工的表面粗糙度一般为Ra1.25m，最佳可达Ra0.2m。3.加工精度加工精度是指加工后工件的尺寸精度、几何形状精度(如直线度、平面度、圆度等)和相互位置精度(如平行度、垂直度、倾斜度等)的总称。l二、线切割加工工艺参数的选择1.脉冲宽度2.脉冲间隔3.开路电压4.放电峰值电流1.脉冲宽度通常情况下，放电脉冲宽度加大时，切割速度提高，加工表面粗糙度变差。一般取脉冲宽度为260s。2.脉冲间隔放电脉冲间隔减小时，平均电流增大，切割速度加快。但脉冲间隔过小会引起电弧放电和断丝。一般情况下，取脉冲间隔为10250s。在切割大厚度工件时，应取较大值，以保持加工过程的稳定性。3.开路电压开路电压峰值提高，加工电流和放电间隙增大，可以提高切割速度和加工过程的稳定性。但加工表面质量和加工精度略有降低。.放电峰值电流峰值电流增大，切割加工速度提高，表面粗糙度值增大，电极丝的损耗比加大。一般取峰值电流小于40A，平均电流小于5A。l三维电火花线切割和多次切割加工一、三维电火花线切割加工二、多次切割加工一、三维电火花线切割加工1.三维直纹曲面的电火花线切割加工2.上下异型面切割加工.三维直纹曲面的电火花线切割加工图-17切割直纹曲面示意图2.上下异型面切割加工上下异型面切割加工是线切割加工的通用加工方法，其轨迹控制的主要内容是电极丝中心轨迹计算、上下丝架投影轨迹计算、拖动轴位移增量计算和细插补计算。n线切割加工时，如果取不同的加工余量用同一加工程序加工同一个工件，便是所谓的多次切割。n工件材料的多次去除，可以逐步释放材料的内应力，减小材料变形，从而提高加工精度。二、多次切割加工二、多次切割加工目前减小塌角的方法主要有：)小拐角附近的单个脉冲能量，以减小放电间隙。)改变电极丝的运行轨迹。电火花加工中的基本工艺规律l一、影响放电蚀除量的主要因素l二、电火花加工的加工速度和工具的损耗速度l三、影响加工精度的主要因素l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。2.电参数2.电参数3.金属材料热学常数.金属材料热学常数图5-18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Vw(mm3/min)来表示，即被加工掉的体积V除以加工时间t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VE，还要看同时能达到的加工速度V，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5-19电极相对损耗与极性、脉宽的关系正极性加工负极性加工l三、影响加工精度的主要因素图5-20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l三、影响加工精度的主要因素图5-21电火花加工产生斜度的示意图l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Ra和不平度的最大高度值Rmax，在数值大小上，Rmax约是(45)Ra。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2.表面变质层和表面力学性能变质层：1)熔化凝固层：树枝状的淬火组织，由马氏体、残余奥氏体和碳化物组成；2)热影响层：介于熔化层和基体之间，金相组织不同；3)微观裂纹：一般在熔化层，脉冲能量大、材料硬，裂纹深度大；力学性能：1）显微硬度及耐磨性：最外层一般较基体高，耐磨性好；2）残余应力：一般为残余拉应力，应避免使用较大的加工规准；3）耐疲劳性能：比机加表面弱，需要进行回火、喷丸处理，降低残余应力，提高耐疲劳能力。思考题u什么是电火花加工？加工原理是什么？u电火花加工可分为几类？影响加工精度的主要因素是什么？u电火花线切割有什么特点？u影响电火花加工的表面粗糙度的因素有哪些？