电火花加工特种加工专题培训课件

电火花加电火花加工特种加工特种加工工2 电火花加工2.1 电火花加工原理基础2.2 电火花加工设备2.3 电火花加工工艺规律2.4 电火花加工工艺2.5 电火花加工操作实例2.6 特殊材料的电火花加工2.7 电火花加工中应该注意的一些问题2.1电火花加工原理基础v电火花加工（Electrical Discharge Machining:EDM）w原理：在一定介质中，利用两极（工具电极与工件电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对侵蚀多余的金属，以使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定要求的加工方法。v电火花腐蚀w电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被腐蚀掉，形成放电凹坑。2.1电火花加工原理基础电火花加工原理(a)单个脉冲放个脉冲放电后的后的电蚀坑坑(b)多次脉冲放多次脉冲放电后形成的后形成的电极表面极表面2.1电火花加工原理基础v实验结果表明，电火花加工的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的结果。这一过程大致可分为以下几个连续的阶段:w极间介质的电离、击穿，形成放电通道 w介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀 w电极材料的抛出 w极间介质的消电离13242.1电火花加工原理基础1 1 极间介质的电离、击穿形成放电通道极间介质的电离、击穿形成放电通道极极间电压间电压升高或极升高或极间间距离减小距离减小极极间电场间电场强强度增大度增大101055V/mmV/mm即即100V/m100V/m左右左右时时产产生生场场致致电电子子发发射射雪崩雪崩电电离离小小于于0.1s0.1s建立放建立放电电通道通道（电电流密度达流密度达101055101066A/cmA/cm22（101033101044A/mmA/mm22）2.1电火花加工原理基础2 2 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀放放电电通道形成后通道形成后电电子、正离子运子、正离子运动动动动能能转热转热能能电电极表面高温极表面高温工作液气化、工作液气化、热热分解分解电电极材料熔化、气化极材料熔化、气化迅迅速速热热膨膨胀胀2.1电火花加工原理基础3 3 电极材料的抛出电极材料的抛出热热热膨膨膨胀产胀产胀产生微爆炸生微爆炸生微爆炸电电电极材料抛出极材料抛出极材料抛出大部分抛入工大部分抛入工大部分抛入工作液中收作液中收作液中收缩缩缩成小成小成小颗颗颗粒，一小部分粒，一小部分粒，一小部分飞溅飞溅飞溅、镀镀镀覆、吸附覆、吸附覆、吸附在在在对对对面的面的面的电电电极表面上极表面上极表面上（这这这种互相种互相种互相飞溅飞溅飞溅、镀镀镀覆以及吸附的覆以及吸附的覆以及吸附的现现现象，象，象，在某些条件下可以用来减少或在某些条件下可以用来减少或在某些条件下可以用来减少或补偿补偿补偿工具工具工具电电电极在加工极在加工极在加工过过过程中的程中的程中的损损损耗耗耗 ）2.1电火花加工原理基础4 4 极间介质的消电离极间介质的消电离随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，标志着一次脉冲放电结束。但此随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，标志着一次脉冲放电结束。但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中后仍应有一段间隔时间，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，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免总是重复在同一处发生性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一放电而导致电弧放电，这样可以保证按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道（放电点转移原则）。另外，在加工过程中形成的电蚀产物以及热击穿放电通道（放电点转移原则）。另外，在加工过程中形成的电蚀产物以及热量等都需要在此阶段排出。由此，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次量等都需要在此阶段排出。由此，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都应有足够的脉冲间隔时间脉冲放电之间一般都应有足够的脉冲间隔时间tt00。2.1电火花加工原理基础2.1.电火花成形v动画演示2.1.电火花成形v利用电腐蚀技术对材料进行尺寸加工的必要条件w火花放电必须是瞬时性的脉冲放电ti为脉冲宽度 to为脉冲间隔 tp为脉冲周期 ui为空载电压或脉冲幅值电压脉冲电源电压波形tp i ti tot12.1电火花加工原理基础v利用电腐蚀进行尺寸加工的必要条件（续）w火花放电必须在有较高绝缘强度的液体介质中进行（利于脉冲放电、利于电蚀产物从电极间隙中悬浮排出、冷却电极和工件表面）w工具电极和工件表面间必须保持一定的放电间隙（几微米到几百微米）232.1电火花加工原理基础v电火花加工的特点w优点适合于任何难切削材料的加工可以加工特殊及复杂形状的表面和零件w局限性主要用于加工金属等导电材料加工速度较慢存在电极损耗2.1电火花加工原理基础2 电火花加工2.1 电火花加工原理基础2.2 电火花加工设备2.3 电火花加工工艺规律2.4 电火花加工工艺2.5 电火花加工操作实例2.6 特殊材料的电火花加工2.7 电火花加工中应该注意的一些问题名称：机电一体电火名称：机电一体电火 花成型机床花成型机床 型号：D7125ND、32ND 名称：数控屏显成型机床名称：数控屏显成型机床 型号：DK7132D、40D、50D、63D2.2 电火花加工设备v电火花穿加工机床主要由主体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液净化及循环系统、数控系统几部分组成。v机床总体部分2.2 电火花加工设备v机床主体：机床主体：w主主轴头：关：关键部件，要求部件，要求较高的精度和高的精度和刚度，度，较好的运好的运动特性特性w床身床身w立柱立柱w工作台工作台w工作液槽工作液槽2.2 电火花加工设备 平动头扩大间隙原理图平动头扩大间隙原理图2.2 电火花加工设备(a)机械式平动头 (b)数控平动头图2-8 平动头外形v工作液循环过滤系统由工作液箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门、测量仪表等部分组成。2.2 电火花加工设备2.工作介工作介质循循环过滤系系统图2-9 工作液循环系统油路图v工作液的过滤方法w自然沉淀法w介质过滤法使用黄沙、木屑、棉纱头、过滤纸、活性炭等过滤介质去除金属粉屑和高温分解碳黑等电蚀产物。具有结构简单、造价低等优点。2.2 电火花加工设备3.电火花加工用的脉冲火花加工用的脉冲电源源v电火花加工用脉冲电源需要满足的条件：w有较高的加工速度w工具电极损耗低w加工过程稳定w工艺范围广1324v对电火花加工用脉冲电源的具体要求w单向脉冲w脉冲电压前后沿较陡（一般采用矩形波脉冲电源）w脉冲主要参数具有很宽的调节范围w综合性能（工作稳定可靠、成本低、寿命长、体积小、维修方便、节能）1324v电火花加工过程中的间隙调整v自动进给调节系统的作用是维持一定的“平均”放电间隙S，保证火花加工正常稳定进行。vS过大，调节系统使工具电极向下进给；vS减小到某一值，开始火花放电；v若工件蚀除速度vw工具电极进给速度vd，则S减小，需要减小vd；v若出现短路（S0），则工具电极需要以较大速度回退。13244.自自动进给调节系系统间 隙参考值增益设定控制装置进给系统自动进给调节系统比较器放大器间 隙传感器脉冲电源床 身工作液循环过 滤 系 统(a)原理图(b)实物v对自动进给系统的一般要求w较广的速度调节跟踪范围；w足够的灵敏度和快速性；w必要的稳定性，避免低速爬行；w体积小、结构简单、维修方便。v自动进给调节系统按照执行元件分类如下：w电液压式w步进电机式w宽调速力矩电动机w直流伺服电动机w交流伺服电动机w直线电机v电液自动进给调节系统w通过电机械转换器将反映放电间隙大小的电流信号转变为液压缸挡板的机械信号，从而调节液压缸上下油腔压力的大小，带动主轴移动，实现进给的自动调节。v自动进给调节系统包括测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行环节和调节对象几个主要环节。v测量环节w一般情况下，采用测量与放电间隙成比例关系的电参量（平均间隙电压或峰值电压），实现间接测量放电间隙。w 检测放电状态作为自动进给调节系统的测量环节更加合理。v比较环节w把测量环节得到的信号与“给定值”的信号进行比较，再按此差值控制加工过程。v放大驱动器w由于测量环节得到的信号一般都很小，难以驱动执行元件，必须通过放大环节进行放大。v执行环节w采用不同的伺服电动机，根据控制信号的大小及时调节工具电极的进给速度，保持合适的放电间隙。v调节对象w工具电极和工件之间的间隙。5.数控系数控系统 半径半径补偿：G92G54X0Y0；G00 X20.Y30.；G92G55X0Y0；G80:含义：接触感知。格式：G80 轴方向如：G80 X；/电极将沿X轴的负方向前进，直到接触到工件，然后停在那里M05含义：忽略接触感知，只在本段程序起作用。具体用法是：当电极与工件接触感知并停在此处后，若要移走电极，请用此代码。如：G80 X；/X轴负方向接触感知G90 G92 X0 Y0；/设置当前点坐标为(0，0)M05 G00 X10.；/忽略接触感知且把电极向X轴正方向移动10 mm若去掉上面代码中的M05，则电极往往不动作，G00不执行。图2-15 工件找正图 如图2-15所示，ABCD为矩形工件，AB、BC边为设计基准，现欲用电火花加工一圆形图案，图案的中心为O点，O到AB边、BC边的距离如图中所标。已知圆形电极的直径为20 mm，请写出电极定位于O点的具体过程。G80 X+;G90 G92 X0;M05 G00 X-10.；G91 G00 Y-38.；/38.为一估计值，主要目的是保证电极在BC边下方G90 G00 X50.；G80 Y+；G92 Y0；M05 G00 Y-2.；/电极与工件分开，2 mm表示为一小段距离G91 G00 Z10.；/将电极底面移到工件上面G90 G00 X50.Y28.；2 电火花加工2.1 电火花加工原理基础2.2 电火花加工设备2.3 电火花加工工艺规律2.4 电火花加工工艺2.5 电火花加工操作实例2.6 特殊材料的电火花加工2.7 电火花加工中应该注意的一些问题2.3 电火花加工工艺规律2.3.1 影响材料电蚀量的因素2.3.2 影响加工速度与工具损耗速度的因素2.3.3 影响加工精度的主要因素2.3.4 电火花加工的表面质量2.3.1 影响材料电蚀量的因素v影响材料电蚀量的主要因素：w极性效应w电参数w金属材料热学常数w工作液w其他因素v极性效应w在电火花加工过程中，正极和负极都会受到不同程度的电腐蚀，即使相同材料，正、负极的电蚀量也不相同，这种单纯由极性不同而电蚀量不同的现象称为“极性效应”。w“正极性”加工工件接脉冲电源的正极w“负极性”加工工件接脉冲电源的负极2.3.1 影响材料电蚀量的因素v产生极性效应的原因w火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源作用，正、负极表面分配到的能量不一样是极性效应的根本原因。2.3.1 影响材料电蚀量的因素v引起极性效应的因素w电子的质量和惯性均小，容易获得很高的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给正极表面，使得电极材料迅速熔化和气化。w正离子质量和惯性较大，起动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面，只有小部分正离子能够到达负极表面并传递能量。2.3.1 影响材料电蚀量的因素窄（短）脉冲加工（即放电持续时间较短）时，电子轰击作用强于正离子，工件接正极，是正极性加工；宽（长）脉冲加工（即放电持续时间较长）时，正离子轰击作用强于电子，工件接负极，是负极性加工。2.3.1 影响材料电蚀量的因素正极性加工接线负极性加工接线2.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素w碳黑膜现象碳氢化合物类的工作液在放电过程发生热分解，形成带负电的碳胶粒，吸附在正极表面，如果电极表面的瞬时温度为400度左右，且保持一定时间，则形成一定强度和厚度的化学吸附层，称为“碳黑膜”，由于碳的熔点和气化点很高，从而减小电极蚀除量。v电参数w电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、峰值电流、峰值电压和极性v电参数对电蚀量的影响w在连续的电火花加工过程中，一定范围内，工件或工具的单个脉冲蚀除量与单个脉冲能量成正比。正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比：2.3.1 影响材料电蚀量的因素v提高电蚀量和生产率的途径w提高脉冲频率fw增加单个脉冲能量WMw减小脉冲间隙tow提高工艺系数K几个因素之间相互制约2.3.1 影响材料电蚀量的因素v金属材料热学常数w熔点、沸点（气化点）、热导率、比热容、熔化热、气化热2.3.1 影响材料电蚀量的因素v金属材料金属材料热学常数学常数对电蚀量的影响量的影响w脉冲放电能量相同时，熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热越高，电蚀量越少；w热传导率越大，电蚀量越少；w单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值越小，则脉宽越长，散失的热量越多。电蚀量越少2.3.1 影响材料电蚀量的因素v工作液对电蚀量的影响w粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电能量密度，强化电蚀产物的抛出效应；但不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。v工作液的选择w粗加工机油：粘度大、介电性能好w精加工煤油：粘度小、流动性好2.3.1 影响材料电蚀量的因素2.3 电火花加工工艺规律2.3.1 影响材料电蚀量的因素2.3.2 影响加工速度与工具损耗速度的因素2.3.3 影响加工精度的主要因素2.3.4 电火花加工的表面质量 2.3.2影响加工速度与工具损耗速度的因素v加工速度vWw单位时间内工件的电蚀量称为加工速度w体积加工速度和质量加工速度v提高加工速度的途径w提高脉冲频率w增加单个脉冲能量w提高工艺系数 图中图中 t ti i为脉冲为脉冲宽度宽度，t to o为脉冲为脉冲间隔间隔，t tp p为脉冲为脉冲周期周期，u ui i为脉冲为脉冲峰值电压峰值电压或空载电压或空载电压 2.3.2影响加工速度与工具损耗速度的因素 脉冲宽度与加工速度的关系曲线脉冲间隔与加工速度的关系曲线 峰值电流与加工速度的关系曲线 2 2 非非电参数的影响参数的影响_ _(1)(1)加工面加工面积的影响的影响加工面积与加工速度的关系曲线 冲油压力和加工速度的关系曲线抬刀方式对加工速度的影响 电极损耗长度说明图影响电极损耗的因素v工具损耗速度vEw单位时间内工具的电蚀量v工具损耗比w工具损耗速度与加工速度的比值，称为损耗比。w体积相对损耗影响电极损耗的因素v1.电参数对电极损耗的影响v2.非电参数对电极损耗的影响影响电极损耗的因素1.电参数对电极损耗的影响脉冲宽度与电极相对损耗的关系脉冲间隔对电极相对损耗的影响峰值电流与电极相对损耗的关系 加工极性对电极相对损耗的影响加工面积对电极相对损耗的影响 冲油压力对电极相对损耗的影响冲/抽油方式对电极端部损耗的影响 2.3.2 加工速度与工具损耗速度v降低工具损耗的措施w正确选择极性和脉宽一般情况下，短脉冲精加工采用正极性加工；长脉冲粗加工采用负极性加工。1 2.3.2 加工速度与工具损耗速度v降低工具损耗的措施（续）w利用吸附效应负极性加工时，在一定条件下，工具表面可以形成一定强度和厚度的化学吸附层（碳黑膜），对电极起到保护和补偿作用，实现“低损耗”加工。2 2.3.2 加工速度与工具损耗速度v降低工具损耗的措施（续）w利用传热效应选择导热性能比工件好的工具电极。限制脉冲电流的增长率，减少热冲击波作用下易脆裂工具电极（石墨）的损耗。3 2.3.2 加工速度与工具损耗速度v降低工具损耗的措施（续）w选择合适的材料铜：熔点低，但导热性好，因此损耗小，又能制成各种精密、复杂电极石墨：热学性能好，长脉冲粗加工中可以吸附游离的碳来补偿电极损耗，目前用来制成型腔加工的电极钨、钼：熔点和沸点较高，损耗小；机械加工性能差，一般在线切割中使用铜碳、铜钨、银钼：熔点高，导热性好；价格昂贵，制造成形困难，一般只用在精密电火花加工中。4 2.3.3 影响加工精度的主要因素v除电火花加工机床结构、机床传动、装夹定位误差之外，影响电火花加工精度的因素主要有以下几个方面：w放电间隙（大小及其一致性）w加工斜度w工具电极的损耗工具斜度图形3工具电极的损耗 2.3.4 电火花加工的表面质量v影响表面粗糙度的因素w表面粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单个脉冲能量越大，表面粗糙度越大；w熔点高的材料（硬质合金）在相同能量下加工表面粗糙度比熔点低（钢）的材料好；w精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响加工表面的粗糙度；w电极面积也对表面粗糙度有影响；w表面粗糙度和加工速度存在很大的矛盾。2.表面变化层电火花加工表面变化层 2.3.4 电火花加工的表面质量v表面变质层w在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表层发生了很大变化，粗略的分为熔化凝固层和热影响层。w熔化层容易出现显微裂纹，脉冲能量越大，显微裂纹越宽越深，过大的脉冲能量将会使裂纹扩展到热影响层。2.3.4 电火花加工的表面质量v表面力学性能w电火花加工表面最外层的硬度较高，耐磨性好。w电火花加工表面存在残余应力，较大的加工规准引起的残余应力越大。w较大的残余拉应力和显微裂纹的存在使电火花加工表面比机械加工表面的耐疲劳性低许多倍。2 电火花加工2.1 电火花加工原理基础2.2 电火花加工设备2.3 电火花加工工艺规律2.4 电火花加工工艺2.5 电火花加工操作实例2.6 特殊材料的电火花加工2.7 电火花加工中应该注意的一些问题电火花加工常用电极材料的性能电火花加工常用电极材料的性能（1）电极的结构形式A、整体电极 整体式电极由一整块材料制成。若电极尺寸较大，则在内部设置减轻孔及多个冲油孔。整体电极整体电极阶梯式整体电极阶梯式整体电极组合电极组合电极 B、组合电极镶拼式电极镶拼式电极 C、镶拼式电极电极补偿图电极补偿图电极垂直尺寸图电极垂直尺寸图B、水平尺寸。电极的水平尺寸是指与机床主轴轴线相垂直的横截面尺寸(如图所示)。电极水平截面尺寸示意图电极的水平尺寸由下式确定：a=AKb 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（右图）电极单边缩放量原理图电极单边缩放量原理图电极型腔水平尺寸对比图电极型腔水平尺寸对比图工件电极a1=A1-2b;a2=A2+2b;r1=R1-b电极开孔示意图电极开孔示意图 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：（1）小型整体式电极：采用通用夹具直接装夹在机床主轴下端，如采用标准套筒、钻夹头装夹。（2）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4、电极的装夹标准套筒形夹具标准套筒形夹具 钻夹头夹具钻夹头夹具 当电极采用石墨材料时，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。石墨电极的装夹石墨电极的装夹 用千分表校正电极垂直度用千分表校正电极垂直度型腔加工用电极校正型腔加工用电极校正