電火花加工技術

電火花加工技術第一章緒論1.1電火花加工技術的的發(fā)展歷程電火花加工是利用兩極見脈沖放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，對材料進行加工的方法。早在十九世紀，人們就發(fā)現(xiàn)了電器開關的觸點開閉時，因為放電，使接觸部位燒蝕，造成接觸面的損壞。這種放電引起的電極燒蝕現(xiàn)象叫做電腐蝕。起初，電腐蝕被認為是有害的，為減少和避免這種有害的電腐蝕，人們一直在研究電腐蝕產(chǎn)生的原因和防止的辦法。當人們掌握了它的規(guī)律之后，便創(chuàng)造條件，轉害為益，把電腐蝕用于生產(chǎn)中。研究結果表明，當兩極產(chǎn)生放電的過程中，放電通道瞬時產(chǎn)生大量的熱，足以使電極材料表面局部熔化或汽化，并在一定條件下，熔化或汽化的部分能拋離電極表面，形成放電腐蝕的坑穴。二十世紀四十年代初，人們進一步認識到，在液體介質中進行重復性脈沖放電時，能夠對導電材料進行尺寸加工，因此，創(chuàng)立了“電火花加工法”。電火花加工技術作為特種加工領域的重要技術之一，最早應用于二戰(zhàn)時期折斷絲錐取出時的加工。隨著人類進入信息化時代，電加工技術取得了突飛猛進的發(fā)展，可控性更高，數(shù)字化程度更好。電火花加工技術經(jīng)歷了手動電火花加工、液壓伺服、直流電機、步進電機、交流伺服電機等一系列過程?？刂葡到y(tǒng)也越來越復雜，從單軸數(shù)控到軸數(shù)控、再到多軸聯(lián)動。20世紀90年代初期，3軸電火花機在國內(nèi)還是空白，主要是從日本和瑞士引進。直到90年代中期，北京市電加工研究所才和日本沙迪克公司合作開始制造3軸電火花加工機，也可以說開始步入國內(nèi)電火花加工機的真正快速發(fā)展軌道，后來在此基礎上又生產(chǎn)研發(fā)了4軸4聯(lián)動電火花加工機。以該合作為例，可以看出北京市電加工研究所的消化吸收再創(chuàng)新的道路大概經(jīng)歷了以下幾個階段：首先制造主機，也就是機械部分，相對較為簡單；此后是數(shù)控系統(tǒng)部分，可以理解為引進；之后是整個電源，是消化階段。經(jīng)歷這三個階段之后是吸收，最后是再創(chuàng)新。對電火花加工而言電火花成形機下一步的發(fā)展空間在精密微細和特殊材料兩個方面。特殊材料（如航空航天領域用的材料）專機，窄槽窄縫、異型腔的加工，精密模具等領域都是發(fā)展重點。在精加工方面，曾經(jīng)有過高速銑要代替電火花的傳言，現(xiàn)在證明這是不現(xiàn)實的。現(xiàn)在粗加工、大電流的火花機又有回頭的趨勢，在家電、汽車很多行業(yè)中應用。人類新開發(fā)出來的導電的特殊材料都可進行放電加工，而高速銑通常很難實現(xiàn)。精密微細加工比如噴絲板等微小型零件都離不開電花加工；航空航天領域中很多零部件需要多軸聯(lián)動電火花加工。我們國家在專用機型上有創(chuàng)新的能力，有很大的空間。1.2模具電火花的發(fā)展趨勢模具電火花加工技術正不斷向精密化、自動化、智能化、高效化等方向發(fā)展。如今新型數(shù)控電火花機床層出不窮，如瑞士阿奇、瑞士夏米爾、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等機床在這方面技術都有了全面的提高。第二章電火花加工基本原理電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱EDM。2.1電火花加工條件（1） .工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，產(chǎn)生火花放電，又可以適應在火花通道熄滅后介質消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現(xiàn)電腐蝕加工。（2） .兩電極之間必須充入介質在進行材料電火花尺寸加工時，兩極間為液體介質（專用工作液或工業(yè)煤油）;在進行材料電火花表面強化時，兩極間為氣體介質。（3） .輸送到兩電極間的脈沖能量密度應足夠大在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或氣化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑），實現(xiàn)電火花加工。因而，通道一般必須有105-106A1em｝電流密度。放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。一般情況下，維持通道的峰值電流不小于2A。（4） .放電必須是短時間的脈沖放電脈沖。放電持續(xù)時間一般為10-1A-10-3s。由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)，保持火花放電的冷極特性。（5） .脈沖放電需重復多次進行，并且多次脈沖放電在時間上和空間上是分散的這里包含兩個方面的意義:其一時間上相鄰的兩個脈沖不在同一點上形成通道;其二，若在一定時間范圍內(nèi)脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時間內(nèi)，脈沖放電應轉移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免積碳現(xiàn)象，進而避免發(fā)生電弧和局部燒傷。（6） .脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時排放至放電間隙之外，使重復性放電順利進行在電火花加工的生產(chǎn)實際中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性;蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物〔如介質的氣化物）亦可以促進上述過程;另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等。2.2電火花加工原理進行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或將工作液充入放電間隙。通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極向工件進給，當兩電極間的間隙達到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達一萬攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復絕緣狀態(tài)。緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復上述過程。這樣，雖然每個脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進給，最后便加工出與工具電極形狀相對應的形狀來。因此，只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對運動方式，就能加工出各種復雜的型面。工具電極常用導電性良好、熔點較高、易加工的耐電蝕材料，如銅、石墨、銅鎢合金和鉬等。在加工過程中，工具電極也有損耗，但小于工件金屬的蝕除量，甚至接近于無損耗。工作液作為放電介質，在加工過程中還起著冷卻、排屑等作用。常用的工作液是粘度較低、閃點較高、性能穩(wěn)定的介質，如煤油、去離子水和乳化液等。按照工具電極的形式及其與工件之間相對運動的特征，可將電火花加工方式分為五類：利用成型工具電極，相對工件作簡單進給運動的電火花成形加工；利用軸向移動的金屬絲作工具電極，工件按所需形狀和尺寸作軌跡運動，以切割導電材料的電火花線切割加工；利用金屬絲或成形導電磨輪作工具電極，進行小孔磨削或成形磨削的電火花磨削；用于加工螺紋環(huán)規(guī)、螺紋塞規(guī)、齒輪等的電火花共軛回轉加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面強化等其他種類的加工。電火花加工能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復雜形狀工件；加工時無切削力；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；工具電極材料無須比工件材料硬；直接使用電能加工，便于實現(xiàn)自動化；加工后表面產(chǎn)生變質層，在某些應用中須進一步去除；工作液的凈化和加工中產(chǎn)生的煙霧污染處理比較麻煩。第三章電火花加工的特點3.1電弧火花加工的工藝特點電火花加工是與機械加工完全不同的一種新工藝。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步，具有高熔點、高硬度、高強度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現(xiàn)。具有各種復雜結構與特殊工藝要求的工件越來越多，這就使得傳統(tǒng)的機械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進一步發(fā)展和完善機械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應生產(chǎn)發(fā)展的需要，并在應用中顯示出很多優(yōu)異性能，因此，得到了迅速發(fā)展和日益廣泛的應用。電火花加工的特點如下：脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機械加工方法難于加工或無法加工的特殊材料和復雜形狀的工件。不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響。脈沖放電持續(xù)時間極短，放電時產(chǎn)生的熱量傳導擴散范圍小，材料受熱影響范圍校加工時，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極校工具電極材料不需比工件材料硬，因此，工具電極制造容易。可以改革工件結構，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度?；谏鲜鎏攸c，電火花加工的主要用途有以下幾項1）制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模。2）加工小孔、畸形孔以及在硬質合金上加工螺紋螺孔。3）在金屬板材上切割出零件。4）加工窄縫。5）磨削平面和圓面。6）其它（如強化金屬表面，取出折斷的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面復雜的零件等）。第四章電火花加工工藝流程數(shù)控電火花加工是一門重要的特種加工技術，它在模具制造、航空、電子、核能、儀器、輕工等部門用來解決各種復雜形狀零件和難加工材料的加工問題。電火花加工可以說是一種不可替代的工藝方法，發(fā)揮著重要的作用。4.1模具電火花加工的工藝確定模具零件在制造前，根據(jù)本身的特點、加工要求來確定合理的加工工藝。一般來說，為了使模具零件在盡量短的時間內(nèi)加工出來，減少加工成本，提高加工效率，應盡量選用銑削加工、線切割加工等工藝來加工零件。當在銑削加工、線切割加工等加工不到或工件有特殊要求的情況下才進行電火花加工，如刀具難以夠到的復雜表面，需要深度切削的地方，長徑比特別大的地方，精密小型腔、窄縫、溝槽、拐角，不便于切削加工裝夾，材料硬度很高，規(guī)定了要提供火花紋表面等的加工場合。電火花加工前要對零件圖進行分析，了解工件的結構特點、材料，明確加工要求。根據(jù)加工對象、精度及表面粗糙度等要求和機床功能選擇采用合適的電火花成形工藝方法。4.2對工件輪廓進行預加工一般在電火花加工前，需要對工件輪廓進行預加工，如上圖所示。預加工一般使用機械加工的方法，如加工中心、普通銑床等。預加工的目的是為了減少電火花加工中的材料去除量，可以大幅度提高電火花加工速度，電極的損耗減少，使得電極的數(shù)目減少。粗加工電流可以較小，從而使加工表面受影響小。4.3電極的設計與制造電火花加工首先要進行電極的設計、制造。當前計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術已廣泛應用于模具制造行業(yè)。那些高端的CAD/CAM軟件，像UG、Pro/E、CimatronE、MasterCAM等都提供了強大的電極設計、編程功能，減少了手工拆電極的繁瑣工作，與傳統(tǒng)的電極設計、制造相比，提高效率十幾倍甚至幾十倍。4.4工件、電極的裝夾與校正電火花加工將工件安裝于工作臺，并要對工件進行校正。由于電火花加工中電極與工件并不接觸，宏觀作用力很小，所以工件裝夾一般都比較簡單。通常用永磁吸盤來裝夾工件，為了適應各種不同工件加工的需求，還可以使用其他工具來進行裝夾，如平口鉗、導磁塊、正弦磁臺、角度導磁塊等。工件裝夾后要對其進行校正，以保證工件的坐標系方向與機床的坐標系方向一致。在實際加工中常用校表來校正工件。4.5加工的定位當工件和電極裝夾、校正完成后，就需要將電極對準工件的加工位置，才能在工件上加工出準確的型腔。模具制造電火花加工最常用的定位方式是利用電極基準中心與工件基準中心之間的距離來確定加工位置，稱之為“四面分中”。利用電極基準中心與工件單側之間的距離確定加工位置的定位方式也比較常用，稱之為“單側分中”。另外，還有一些其他的定位方式。4.6電參數(shù)的配置在完成校正、定位等基本操作以后，就要根據(jù)加工要求選擇合理的電參數(shù)。電參數(shù)選擇的好壞，直接影響加工的各項工藝指標。選用電參數(shù)最終目的是為了達到預定的加工尺寸和表面粗糙度要求。選用電參數(shù)時，基本上要考慮：電極數(shù)目、電極損耗、工作液處理、加工表面粗糙度要求、電極縮放量、加工面積、加工深度等因素。粗加工參數(shù)選擇的主要依據(jù)是電極縮放尺寸的大小。粗加工電極的縮放尺寸一般都比較大，可以選用其安全間隙接近電極縮放尺寸的電參數(shù)。精加工參數(shù)選擇的主要依據(jù)是最終的表面粗糙度要求，選用多組電參數(shù)，放電能量從大到小進行平動加工，達到表面粗糙度和加工尺寸的要求。4.7加工過程的監(jiān)控電火花加工一切準備就緒時，就可以起動機床開始進行加工。在加工過程中，要隨時監(jiān)控加工狀態(tài)，對加工中不正常的放電狀態(tài)及時采取相應的處理方法，保證加工的順利進行。主要是防止發(fā)生拉弧現(xiàn)象，一般可通過修改抬刀參數(shù)、清理電極和工件、調(diào)整電規(guī)準參數(shù)等措施來改善放電狀況。目前的數(shù)控電火花加工機床的加工性能已經(jīng)有了全面的提高，一些先進數(shù)控電火花加工機床的智能化控制技術幾乎可以代替人工監(jiān)控。加工中由計算機監(jiān)測、判斷電火花加工間隙的狀態(tài)，在保持穩(wěn)定電弧的范圍內(nèi)自動選擇使加工效率達到最高的加工條件;但機床的智能控制