電火花成形加工

電火花成形加工第1頁/共62頁名稱：普通電火花成型機(jī)床

型號：D7132N、40N、

50N、60N

第2頁/共62頁名稱：機(jī)電一體電火花成型機(jī)床

型號：D7125ND、32ND

第3頁/共62頁名稱：電火花高速穿孔機(jī)第4頁/共62頁

“負(fù)極性”接線法

“正極性”接線法圖

電火花加工原理示意圖工具負(fù)極工具正極第5頁/共62頁電火花加工需解決的問題電極之間始終保持確定的距離；達(dá)到足夠高的電流密度；脈沖性放電；及時排除電蝕產(chǎn)物第6頁/共62頁

電火花加工表面局部放大圖通過電力、磁力、熱力、流體動力等綜合作用，分四個階段完成加工：極間介質(zhì)的擊穿形成放電；介質(zhì)的熱分解、電極材料的融化、氣化熱膨脹；蝕除產(chǎn)物的拋出；間隙介質(zhì)消電離。第7頁/共62頁

(1)極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。工具電極與工件電極緩緩靠近，極間的電場強(qiáng)度增大，由于兩電極的微觀表面是凹凸不平的，因此在兩極間距離最近處電場強(qiáng)度最大。工具電極與工件電極之間充滿著液體介質(zhì)，液體介質(zhì)中不可避免地含有雜質(zhì)及自由電子，它們在強(qiáng)大的電場作用下，形成了帶負(fù)電的粒子和帶正電的粒子，電場強(qiáng)度越大，帶電粒子就越多，最終導(dǎo)致液體介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道。電火花腐蝕加工的四個階段：第8頁/共62頁

(2)電極材料的熔化、氣化熱膨脹

液體介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負(fù)電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負(fù)極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。通道高溫首先使工作液汽化，進(jìn)而氣化，然后高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化直至沸騰氣化。氣化后的工作液和金屬蒸氣瞬間體積猛增，形成了爆炸的特性。所以在觀察電火花加工時，可以看到工件與工具電極間有冒煙現(xiàn)象，并聽到輕微的爆炸聲。第9頁/共62頁

(3)蝕除材料的拋出正負(fù)電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。通道中心的壓力最高，工作液和金屬氣化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸汽被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作液中。仔細(xì)觀察電火花加工，可以看到桔紅色的火花四濺，這就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。

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(4)極間介質(zhì)的消電離。加工液體流入放電間隙，將電蝕產(chǎn)物及殘余的熱量帶走，并恢復(fù)絕緣狀態(tài)。若電火花放電過程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物來不及排除和擴(kuò)散，產(chǎn)生的熱量將不能及時傳出，使該處介質(zhì)局部過熱，局部過熱的工作液高溫分解、積炭，使加工無法繼續(xù)進(jìn)行，并燒壞電極。因此，為了保證電火花加工過程的正常進(jìn)行，在兩次放電之間必須有足夠的時間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排出，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作液介質(zhì)消電離。消除上次放電對下次電蝕影響第11頁/共62頁

上述步驟(1)～(4)在一秒內(nèi)約數(shù)千次甚至數(shù)萬次地往復(fù)式進(jìn)行，即單個脈沖放電結(jié)束，經(jīng)過一段時間間隔(即脈沖間隔)使工作液恢復(fù)絕緣后，第二個脈沖又作用到工具電極和工件上，又會在當(dāng)時極間距離相對最近或絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿放電，蝕出另一個小凹坑。這樣以相當(dāng)高的頻率連續(xù)不斷地放電，工件不斷地被蝕除，故工件加工表面將由無數(shù)個相互重疊的小凹坑組成(如圖所示)。所以電火花加工是大量的微小放電痕跡逐漸累積而成的去除金屬的加工方式。第12頁/共62頁二電火花加工的特點及分類1電火花加工的特點適用的材料范圍廣；適于加工特殊及復(fù)雜形狀的零件；可以在同一臺機(jī)床連續(xù)進(jìn)行粗、半精及精加工；直接利用電能進(jìn)行加工，便于實現(xiàn)自動化.第13頁/共62頁電火花加工的實例第14頁/共62頁電火花加工的事例第15頁/共62頁電火花加工方法分類第16頁/共62頁電火花加工方法分類成形第17頁/共62頁三電火花加工工藝規(guī)律1

影響加工速度的因素1極性效應(yīng)(電極的接法、電極材料);2電參數(shù)的選擇（脈沖寬度、脈沖間隙、峰值電流等）;3加工件材料熱學(xué)常數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度等）。加工速度的定義：單位時間蝕除工件的體積。工具電極損耗速度：單位時間電極損耗的體積。損耗比：工具電極損耗速度/加工速度。第18頁/共62頁2影響加工精度的因素主要由機(jī)身的精度、工件的安裝定位精度、加工工藝等。這里主要講放電間隙、工具電極的損耗、及二次放電對加工精度的影響。如果放電間隙穩(wěn)定可靠，則加工精度可用修正電極來補(bǔ)償。否則會影響加工精度，特別是圓角和尖角處。電火花加工的實質(zhì)：就是將工具電極的部分或全部形狀復(fù)制到工件上。工具電極的損耗是要影響形狀和幾何精度復(fù)制。一般精度0.01~0.05mm二次放電:是一種異常放電，主要是由于蝕除產(chǎn)物等作用再次進(jìn)行的非正常放電。電間隙、工具電極的損耗、及二次放電對加工精度的影響第19頁/共62頁3影響加工表面質(zhì)量的因素表面光潔度：處理好加工速度與表面光潔度的矛盾。工件材料對加工表面粗糙度也有影響:在相同條件下，比熱、密度、熔點高的材料加工出的光潔度更高。電參數(shù)表面力學(xué)性能的影響：工件表面的組織和表面的殘余應(yīng)力等.脈沖寬度、脈沖間隙、脈沖能量和電極間的間隙對加工表面質(zhì)量有較大影響。加工材料的物理性能（熔點密度）表面質(zhì)量:表面光潔度和表面力學(xué)性能第20頁/共62頁2.1.2電火花加工機(jī)床和工作液一、機(jī)床型號、規(guī)格、分類

我國國標(biāo)規(guī)定，電火花成型機(jī)床均用D71加上機(jī)床工作臺面寬度的1/10表示。例如D7132中，D表示電加工成型機(jī)床(若該機(jī)床為數(shù)控電加工機(jī)床，則在D后加K，即DK)；71表示電火花成型機(jī)床；32表示機(jī)床工作臺的寬度為320mm。 在中國大陸外，電火花加工機(jī)床的型號沒有采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由各個生產(chǎn)企業(yè)自行確定，如日本沙迪克(Sodick)公司生產(chǎn)的A3R、A10R，瑞士夏米爾(Charmilles)技術(shù)公司的ROBOFORM20/30/35，臺灣喬懋機(jī)電工業(yè)股份有限公司的JM322/430，北京阿奇工業(yè)電子有限公司的SF100等。第21頁/共62頁電火花加工機(jī)床按其大小可分為小型(D7125以下)、中型(D7125～D7163)和大型(D7163以上)；按數(shù)控程度分為非數(shù)控、單軸數(shù)控和三軸數(shù)控。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國外已經(jīng)大批生產(chǎn)三坐標(biāo)數(shù)控電火花機(jī)床，以及帶有工具電極庫、能按程序自動更換電極的電火花加工中心，我國的大部分電加工機(jī)床廠現(xiàn)在也正開始研制生產(chǎn)三坐標(biāo)數(shù)控電火花加工機(jī)床。第22頁/共62頁二、電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

電火花加工機(jī)床主要由機(jī)床本體、脈沖電源、自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等部分組成，如圖所示。第23頁/共62頁電火花機(jī)床間隙參考值增益設(shè)定控制裝置進(jìn)給系統(tǒng)自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較器放大器間隙傳感器脈沖電源床身工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)(a)原理圖(b)實物工件第24頁/共62頁

1.機(jī)床本體

機(jī)床本體主要由床身、立柱、主軸頭及附件、工作臺等部分組成，是用以實現(xiàn)工件和工具電極的裝夾固定和運(yùn)動的機(jī)械系統(tǒng)。床身、支柱、坐標(biāo)工作臺是電火花機(jī)床的骨架，起著支承、定位和便于操作的作用。主軸頭下面裝夾的電極是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其質(zhì)量的好壞將影響到進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度及加工過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響工件的加工精度。

機(jī)床主軸頭和工作臺常有一些附件，如可調(diào)節(jié)工具電極角度的夾頭、平動頭等。第25頁/共62頁

2、脈沖電源

在電火花加工過程中，脈沖電源的作用是把工頻正弦交流電流轉(zhuǎn)變成頻率較高的單向脈沖電流，向工件和工具電極間的加工間隙提供所需要的放電能量以蝕除金屬。脈沖電源的性能直接關(guān)系到電火花加工的加工速度、表面質(zhì)量、加工精度、工具電極損耗等工藝指標(biāo)。脈沖電源輸入為380V、50Hz的交流電，其輸出應(yīng)滿足如下要求：

(1)要有一定的脈沖放電能量，否則不能使工件金屬氣化。

第26頁/共62頁(2) 火花放電必須是短時間的脈沖性放電，這樣才能使放電產(chǎn)生的熱量來不及擴(kuò)散到其他部分，從而有效地蝕除金屬，提高成型性和加工精度。(3) 脈沖波形是單向的，以便充分利用極性效應(yīng)，提高加工速度和降低工具電極損耗。(4) 脈沖波形的主要參數(shù)(峰值電流、脈沖寬度、脈沖間歇等)有較寬的調(diào)節(jié)范圍，以滿足粗、中、精加工的要求。(5) 有適當(dāng)?shù)拿}沖間隔時間，使放電介質(zhì)有足夠時間消除電離并沖去金屬顆粒，以免引起電弧而燒傷工件。

第27頁/共62頁3、常用的脈沖電源１RC和RLC電源２閘流管式和電子管式電源３晶閘管式、晶體管式和MOS管式電源4各種派生電源：如等脈沖電源、自適應(yīng)控制電源等電路簡單、可靠、成本低、單脈沖功率小、適應(yīng)于精密加工效率低，有反沖將電阻阻抗值一分為二第28頁/共62頁RLCL脈沖電源MOSFET脈沖電源提高能量效率提高充放電頻率減少反沖第29頁/共62頁4、自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在電火花成型加工設(shè)備中，自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)占有很重要的位置，它的性能直接影響加工穩(wěn)定性和加工效果。 電火花成型加工的自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要包含伺服進(jìn)給系統(tǒng)和參數(shù)控制系統(tǒng)。伺服進(jìn)給系統(tǒng)主要用于控制放電間隙的大小，而參數(shù)控制系統(tǒng)主要用于控制電火花成型加工中的各種電參數(shù)(如放電電流、脈沖寬度、脈沖間隔等也叫加工電規(guī)準(zhǔn))，以便能夠獲得最佳的加工工藝指標(biāo)等。第30頁/共62頁1)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用

在電火花成型加工中，電極與工件必須保持一定的放電間隙。由于工件不斷被蝕除，電極也不斷地?fù)p耗，故放電間隙將不斷擴(kuò)大。如果電極不及時進(jìn)給補(bǔ)償，放電過程會因間隙過大而停止。反之，間隙過小又會引起拉弧燒傷或短路，這時電極必須迅速離開工件，待短路消除后再重新調(diào)節(jié)到適宜的放電間隙。在實際生產(chǎn)中，放電間隙變化范圍很小，且與加工的電規(guī)準(zhǔn)、加工面積、工件蝕除速度等因素有關(guān)，因此很難靠人工進(jìn)給，也不能像鉆削那樣采用“機(jī)動”、等速進(jìn)給，而必須采用伺服進(jìn)給系統(tǒng)。這種不等速的伺服進(jìn)給系統(tǒng)也稱為自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)。第31頁/共62頁

(1)有較廣的速度調(diào)節(jié)跟蹤范圍；

(2)有足夠的靈敏度和快速性；

(3)有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。 伺服進(jìn)給系統(tǒng)種類較多，下面介紹液壓式伺服進(jìn)給系統(tǒng)的原理，其他的伺服進(jìn)給系統(tǒng)可參考其他相關(guān)資料。2)伺服系統(tǒng)要求第32頁/共62頁3)自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)測量第33頁/共62頁4)電液壓式伺服進(jìn)給系統(tǒng)

在電液自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，液壓缸、活塞是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于傳動鏈及液體的基本不可壓縮性，因此傳動鏈中無間隙、剛度大、不靈敏區(qū)?。挥忠驗榧庸r進(jìn)給速度很低，所以正、反向慣性很小，反應(yīng)迅速，特別適合于電火花加工的低速進(jìn)給，故20世紀(jì)80年代前得到了廣泛的應(yīng)用，但它有漏油、油泵噪聲大、占地面積較大等缺點。圖所示為DYT-2型液壓主軸頭的噴嘴—擋板式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理圖。電動機(jī)4驅(qū)動葉片液壓泵3從油箱中壓出壓力油，由溢流閥2保持恒定壓力P0，經(jīng)過濾油器6后分兩路，一路進(jìn)入下油腔，另一路經(jīng)節(jié)流閥7進(jìn)入上油腔。進(jìn)入上油腔的壓力油從噴嘴8與擋板12的間隙中流回油箱，使上油腔的壓力P1隨此間隙的大小而變化。第34頁/共62頁噴嘴—擋板式電液壓自動調(diào)節(jié)器工作原理圖所示為DYT-2型液壓主軸頭的噴嘴—擋板式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理圖。電動機(jī)4驅(qū)動葉片液壓泵3從油箱中壓出壓力油，由溢流閥2保持恒定壓力P0，經(jīng)過濾油器6后分兩路，一路進(jìn)入下油腔，另一路經(jīng)節(jié)流閥7進(jìn)入上油腔。進(jìn)入上油腔的壓力油從噴嘴8與擋板12的間隙中流回油箱，使上油腔的壓力P1隨此間隙的大小而變化。與控制的U比較第35頁/共62頁

電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器9主要由動圈(控制線圈)10與靜圈(勵磁線圈)11等組成。動圈處在勵磁線圈的磁路中，與擋板12連成一體。改變輸入動圈的電流，可使擋板隨動圈動作，從而改變擋板與噴嘴間的間隙。當(dāng)放電間隙短路時，動圈兩端電壓為零，此時動圈不受電磁力的作用，擋板受彈簧力處于最高位置Ⅰ，噴嘴與擋板門開口為最大，使工作液流經(jīng)噴嘴的流量為最大，上油腔的壓力下降到最小值，致使上油腔壓力小于下油腔壓力，故活塞桿帶動工具電極上升。當(dāng)放電間隙開路時，動圈電壓最大，擋板被磁力吸引下移到最低位置Ⅲ，噴嘴被封閉，上、下油腔壓強(qiáng)相等，但因下油腔工作面積小于上油腔工作面積，活塞上的向下作用力大于向上作用力，活塞桿下降。當(dāng)放電間隙最佳時，電動力使擋板處于平衡位置Ⅱ，活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)。第36頁/共62頁5、工作液及其循環(huán)過濾系統(tǒng)

電火花加工中的蝕除產(chǎn)物，一部分以氣態(tài)形式拋出，其余大部分是以球狀固體微粒分散地懸浮在工作液中，直徑一般為幾微米。隨著電火花加工的進(jìn)行，蝕除產(chǎn)物越來越多，充斥在電極和工件之間，或粘連在電極和工件的表面上。蝕除產(chǎn)物的聚集，會與電極或工件形成二次放電。這就破壞了電火花加工的穩(wěn)定性，降低了加工速度，影響了加工精度和表面粗糙度。為了改善電火花加工的條件，一種辦法是使電極振動，以加強(qiáng)排屑作用；另一種辦法是對工作液進(jìn)行強(qiáng)迫循環(huán)過濾，以改善間隙狀態(tài)。第37頁/共62頁

工作液強(qiáng)迫循環(huán)過濾是由工作液循環(huán)過濾器來完成的。電火花加工用的工作液過濾系統(tǒng)包括工作液泵、油箱、過濾器及管道等，使工作液強(qiáng)迫循環(huán)。圖是工作液循環(huán)系統(tǒng)油路圖，它既能實現(xiàn)沖油，又能實現(xiàn)抽油。其工作過程是：儲油箱的工作液首先經(jīng)過粗過濾器l，經(jīng)單向閥2吸入油泵3，這時高壓油經(jīng)過不同形式的精過濾器7輸向機(jī)床工作液槽，溢流安全閥5使控制系統(tǒng)的壓力不超過400kPa，補(bǔ)油閥11為快速進(jìn)油用。待油注滿油箱時，可及時調(diào)節(jié)沖油選擇閥10，由閥8來控制工作液循環(huán)方式及壓力。當(dāng)閥10在沖油位置時，補(bǔ)油沖油都不通，這時油杯中油的壓力由閥8控制；當(dāng)閥10在抽油位置時，補(bǔ)油和抽油兩路都通，這時壓力工作液穿過射流抽吸管9，利用流體速度產(chǎn)生負(fù)壓，達(dá)到實現(xiàn)抽油的目的。

第38頁/共62頁工作液循環(huán)系統(tǒng)油路圖常用工作液:油性和水溶性油性:煤油、變壓器油等水溶性：蒸餾水等第39頁/共62頁第40頁/共62頁2.1.3電火花穿孔成形加工加工范圍第41頁/共62頁一、沖模的電火花加工工藝

電火花穿孔加工一般應(yīng)用于沖裁模具加工、粉末冶金模具加工、拉絲模具加工、螺紋加工等。凹模的尺寸精度主要靠工具電極來保證，因此，對工具電極的精度和表面粗糙度都應(yīng)有一定的要求。如凹模的尺寸為L2，工具電極相應(yīng)的尺寸為L1，單邊火花間隙值為SL，1、沖模尺寸則L2=L1+2SL第42頁/共62頁2工具電極

電極材料的選擇電極的設(shè)計(幾何形狀、精度)

電極的制造（如何制作電極）3工件的準(zhǔn)備（毛坯）4電規(guī)準(zhǔn)的選擇（加工的一套電參數(shù)）紫銅(純銅)、石墨第43頁/共62頁

二型腔模的電火花加工工藝

電火花成型加工和穿孔加工相比有下列特點：

(1)電火花成型加工為盲孔加工，工作液循環(huán)困難，電蝕產(chǎn)物排除條件差。

(2)型腔多由球面、錐面、曲面組成，且在一個型腔內(nèi)常有各種圓角、凸臺或凹槽，有深有淺，還有各種形狀的曲面相接，輪廓形狀不同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這就使得加工中電極的長度和型面損耗不一，故損耗規(guī)律復(fù)雜，且電極的損耗不可能由進(jìn)給實現(xiàn)補(bǔ)償，因此型腔加工的電極損耗較難進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)材料去除量大，表面粗糙度要求嚴(yán)格。

(4)加工面積變化大，要求電規(guī)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)范圍相應(yīng)也大。

第44頁/共62頁

根據(jù)電火花成型加工的特點，在實際中通常采用如下方法：

1.單電極平動法

單電極平動法是指采用同一個工具電極完成模具型腔的粗、中及精加工。 對普通的電火花機(jī)床，在加工過程中先用無損耗或低損耗電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行粗加工，然后采用平動使工具電極做圓周或平移運(yùn)動，按照粗、中、精的順序逐級改變電規(guī)準(zhǔn)，進(jìn)行側(cè)面平動修整加工。在加工過程中，借助平動頭逐漸加大工具電極的偏心量，可以補(bǔ)償前后兩個加工電規(guī)準(zhǔn)之間放電間隙的差值，這樣就可完成整個型腔的加工。第45頁/共62頁單電極平動法第46頁/共62頁

2.多電極更換法

對早期的非數(shù)控電火花機(jī)床，為了加工出高質(zhì)量的工件，多采用多電極更換法。 多電極更換法是指根據(jù)一個型腔在粗、中、精加工中放電間隙各不相同的特點，采用幾個不同尺寸的工具電極完成一個型腔的粗、中、精加工。在加工時首先用粗加工電極蝕除大量金屬，然后更換電極進(jìn)行中、精加工；對于加工精度高的型腔，往往需要較多的電極來精修型腔。第47頁/共62頁多電極更換法第48頁/共62頁3．分解電極加工法

分解電極加工法是根據(jù)型腔的幾何形狀，把電極分解成主型腔電極和副型腔電極，分別制造。先用主型腔電極加工出主型腔，后用副型腔電極加工尖角、窄縫等部位的副型腔。此方法的優(yōu)點是能根據(jù)主、副型腔不同的加工條件，選擇不同的加工規(guī)準(zhǔn)，有利于提高加工速度和改善加工表面質(zhì)量，同時還可簡化電極制造，便于電極修整。缺點是主型腔和副型腔間的精確定位較難解決。

第49頁/共62頁分解電極加工法第50頁/共62頁4型腔模加工用工具電極1）電極材料選擇 目前常用的電極材料有紫銅(純銅)、石墨、銀鎢合金、銅鎢合金等。

紫銅(純銅)電極的特點

(1)加工過程中穩(wěn)定性好，生產(chǎn)率高。

(2)精加工時比石墨電極損耗小。

(3)易于加工成精密、微細(xì)的花紋,采用精密加工時能達(dá)到優(yōu)于1.25μm的表面粗糙度。

(4)因其韌性大，故機(jī)械加工性能差，磨削加工困難。

(5)適宜于做電火花成型加工的精加工電極材料。第51頁/共62頁

2）