現(xiàn)代加工技術(shù)-02電火花加工

第4章電火花加工賈寶賢

5687026ElectricalDischargeMachining

EDM1課程內(nèi)容大綱?1緒論?2電火花加工?3電火花線切割加工?4電化學(xué)加工?5超聲波加工?6磨料與水噴射加工?7激光加工?8快速原型制造?9電子束、離子束加工?10化學(xué)、等離子體、磁性磨料加工、擠壓珩磨2編輯ppt本章內(nèi)容?1放電現(xiàn)象?2電火花加工的根本原理和特點?3電火花加工的根本規(guī)律?4電火花加工機床?5電火花加工自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)?6電火花穿孔成型加工?7其他電火花加工3編輯ppt電火花的根本概念

(a)電火花為脈沖式的瞬時放電，如：雷電放電、靜電放電、電磁感應(yīng)放電等等。電火花一般是尖端放電現(xiàn)象，持續(xù)時間短，并伴隨自由電荷的轉(zhuǎn)移，發(fā)光發(fā)熱，不同于一般的燃燒現(xiàn)象。

4編輯ppt電火花的根本概念(b)電弧為連續(xù)放電，并發(fā)出強烈的光輝。應(yīng)用之一：HID〔HighIntensityDischarge〕中文翻譯：“高強度氣體放電燈〞，是依據(jù)電弧放電原理，激活燈內(nèi)的氙氣來發(fā)光，取代傳統(tǒng)的鎢絲燃燒發(fā)光。應(yīng)用之二：電焊應(yīng)用之三：電火花加工，又稱為放電加工，ElectricalDischargeMachining，簡稱EDM。5編輯ppt放電現(xiàn)象當兩電極接近時，也會發(fā)生放電，例如電燈開關(guān)在合上和拉開時，產(chǎn)生局部放電，可看到電弧光。使開關(guān)的接觸部位燒蝕，這種現(xiàn)象稱為電蝕。這種現(xiàn)象早在1870年，就被英國科學(xué)家普里斯特利發(fā)現(xiàn)了。6編輯ppt放電現(xiàn)象的利用1934年，前蘇聯(lián)科學(xué)家拉扎連柯夫婦，研究開關(guān)觸點遭受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時高溫可使局部的金屬熔化、氣化而被腐蝕掉，于是，開創(chuàng)和創(chuàng)造了新的加工方法——電火花加工。該方法就是在加工過程中，使工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，放電時局部瞬時產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除下來。從而使零件的尺寸、形狀和外表質(zhì)量到達預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。在特種加工中，電火花加工的應(yīng)用最為廣泛。視頻：電火花高清6-52.flv7編輯ppt4.1電火花加工的根本原理和特點一、電火花加工原理8編輯ppt電火花加工機理視頻：電火花加工機理.wmv9編輯ppt一次電火花腐蝕的微觀過程1.極間介質(zhì)的電離、擊穿、形成放電通道

極間電壓升高或極間距離減小→極間電場強度增大105V/mm即100V/μm左右時→產(chǎn)生場致電子發(fā)射→雪崩電離小于0.1μs→建立放電通道〔電流密度達105－106A/cm2〔103－104A/mm2〕〕10編輯ppt一次電火花腐蝕的微觀過程2.介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、氣化熱膨脹

放電通道形成后電子、正離子運動→動能轉(zhuǎn)熱能電極外表高溫→工作液氣化、熱分解→電極材料熔化、氣化→迅速熱膨脹11編輯ppt3.電極材料拋出存在下面三種作用熱爆炸力

瞬時膨脹電動力正負離子對電極的沖擊壓力流體動力蒸發(fā)、分解氣體熱膨脹產(chǎn)生微爆炸→電極材料拋出→大局部拋入工作液中收縮成小顆粒，一小局部飛濺、鍍覆、吸附在對面的電極外表上〔這種互相飛濺、鍍覆以及吸附的現(xiàn)象，在某些條件下可以用來減少或補償工具電極在加工過程中的損耗〕12編輯ppt一次電火花腐蝕的微觀過程放電影響區(qū)域

氣化區(qū)熔化區(qū)熱影響區(qū)無變化區(qū)13編輯ppt4.極間介質(zhì)消電離

帶電離子

→

中性粒子介質(zhì)恢復(fù)絕緣電蝕物排除熱能排除14編輯ppt電蝕坑由于通道的截面積很小，放電時間極短，致使能量高度集中〔106~107W/mm2)，放電區(qū)域產(chǎn)生的瞬時高溫,可達10000℃以上，足以使材料溶化甚至蒸發(fā)，灼熱的金屬蒸氣具有很大的壓力,引起劇烈的暴炸,而將熔融的金屬拋出,以致形成一個小凹坑。第一次脈沖放電結(jié)束后，經(jīng)過很短的時間間隔，第二個脈沖又在另一極間最近點擊穿放電。如此周而復(fù)始高頻率地重復(fù)地循環(huán)下去，工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復(fù)制在工件上，形成所需要的加工外表。15編輯ppt二、電火花加工的條件1.極間保持一定放電間隙→自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)間隙過大：不能擊穿間隙過?。憾搪方佑|2.瞬時的脈沖放電〔10-7~10-3s〕→脈沖電源連續(xù)放電：電弧放電，無法控制尺寸3.兩電極之間必須充入介質(zhì)→工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)工作液：煤油、皂化液、去離子水工作液的作用有利于火花放電排除電蝕產(chǎn)物冷卻電極和工件視頻：電火花條件-成形-穿孔.flv16編輯ppt三、電火花加工設(shè)備的組成如以下圖，加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件。兩極均浸入具有絕緣性的液體介質(zhì)中。工具電極由自動進給調(diào)節(jié)裝置控制，以保證工具與工件在正常加工時維持一很小的放電間隙〔0.01-0.05mm〕。17編輯ppt四、電火花加工的特點(1)可以加工任何高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及時高純度的導(dǎo)電材料。如不銹鋼、鈦合金、工業(yè)純鐵、淬火鋼、硬質(zhì)合金、導(dǎo)電陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金剛石等；(2)在加工過程中．工具與工件不直接接觸，所以工件無機械變形，方法可加工細長、薄、脆性零件；(3)雖然該方法是利用熱效應(yīng)來切除金屬，但大局部材料不變熱；18編輯ppt四、電火花加工的特點(4)可以在硬度高的材料上，加工出精度高，外表質(zhì)量好的復(fù)雜模具；(5)用電火花加工的外表，是由許多小的弧坑組成，有助于油的保存和較好的潤滑；(6)這種方法易于實現(xiàn)自動化。局限性主要用于加工金屬等導(dǎo)電材料加工速度較慢存在電極損耗，影響加工精度19編輯ppt4.2電火花加工的根本規(guī)律一、影響材料電蝕量的主要因素極性效應(yīng)電參數(shù)(單個脈沖能量WM和脈沖頻率)金屬材料熱學(xué)常數(shù)工作液其他因素20編輯ppt1.極性效應(yīng)對電蝕量的影響極性效應(yīng)電火花加工過程中，由于正、負極性不同而電蝕量不同的現(xiàn)象。產(chǎn)生極性效應(yīng)的原因應(yīng)用正極性加工：工件接在脈沖電源的正極負極性加工：工件接在脈沖電源的負極＋

－－＋

－＋電子的質(zhì)量<正離子的質(zhì)量電子的慣性小窄脈沖：正極性加工長脈沖：負極性加工

21編輯ppt2.單個脈沖能量WM和脈沖頻率在連續(xù)的電火花加工過程中，一定范圍內(nèi)，工件或工具的單個脈沖蝕除量與單個脈沖能量成正比。正、負極的蝕除速度與單個脈沖能量、脈沖頻率成正比：提高電蝕量和生產(chǎn)率的途徑提高脈沖頻率f增加單個脈沖能量WM減小脈沖間隙to提高工藝系數(shù)K22編輯ppt3.金屬材料熱學(xué)常數(shù)金屬材料熱學(xué)常數(shù)對電蝕量的影響脈沖放電能量相同時，熔點、沸點、比熱容、熔化熱、氣化熱越高，電蝕量越少；熱傳導(dǎo)率越大，電蝕量越少；單個脈沖能量一定時，脈沖電流幅值越小，那么脈寬越長，散失的熱量越多。電蝕量越少；脈沖電流幅值過大，那么損耗能量使得材料氣化，電蝕量也將減少。23編輯ppt4.工作液工作液對電蝕量的影響粘度大的工作液有利于壓縮放電通道，提高放電能量密度，強化電蝕產(chǎn)物的拋出效應(yīng)；但不利于電蝕產(chǎn)物的排出，影響正常放電。工作液的選擇粗加工——機油：粘度大、介電性能好精加工——煤油：粘度小、流動性好24編輯ppt其他因素其他因素對電蝕量的影響碳黑膜現(xiàn)象碳氫化合物類的工作液在放電過程發(fā)生熱分解，形成帶負電的碳膠粒，吸附在正極外表，形成一定強度和厚度的化學(xué)吸附層，稱為“碳黑膜〞，由于碳的熔點和氣化點很高，從而減小電極蝕除量。加工前的電極

加工后的電極25編輯ppt其他因素其他因素對電蝕量的影響碳黑膜現(xiàn)象碳氫化合物類的工作液在放電過程發(fā)生熱分解，形成帶負電的碳膠粒，吸附在正極外表，形成一定強度和厚度的化學(xué)吸附層，稱為“碳黑膜〞，由于碳的熔點和氣化點很高，從而減小電極蝕除量。加工過程的穩(wěn)定性〔加工深度、加工面積的增加，加工型面復(fù)雜程度的增加，電極材料的選擇〕脈沖電源波形及前后沿陡度電蝕物拋出速度26編輯ppt二、加工速度與工具損耗速度1.加工速度vW單位時間內(nèi)工件的電蝕量稱為加工速度體積加工速度和重量加工速度提高加工速度的途徑提高脈沖頻率增加單個脈沖能量提高工藝系數(shù)27編輯ppt2.工具相對損耗工具損耗速度vE單位時間內(nèi)工具的電蝕量工具損耗比工具損耗速度與加工速度的比值，稱為損耗比。體積相對損耗28編輯ppt降低工具損耗的措施(1)正確選擇極性和脈寬一般情況下，短脈沖精加工采用正極性加工；長脈沖粗加工采用負極性加工。(2)利用吸附效應(yīng)負極性加工時，在一定條件下，工具外表可以形成一定強度和厚度的化學(xué)吸附層〔碳黑膜〕，對電極起到保護和補償作用，實現(xiàn)“低損耗〞加工。29編輯ppt降低工具損耗的措施(3)利用傳熱效應(yīng)選擇導(dǎo)熱性能比工件好的工具電極。(4)選擇適宜的材料銅：熔點低，但導(dǎo)熱性好，因此損耗小，又能制成各種精密、復(fù)雜電極石墨：熱學(xué)性能好，長脈沖粗加工中可以吸附游離的碳來補償電極損耗，目前用來制成型腔加工的電極鎢、鉬：熔點和沸點較高，損耗??；機械加工性能差，一般在線切割中使用銅碳、銅鎢、銀鉬：熔點高，導(dǎo)熱性好；價格昂貴，制造成形困難，一般只用在精密電火花加工中。30編輯ppt三、影響加工精度的主要因素除電火花加工機床結(jié)構(gòu)、機床傳動、裝夾定位誤差之外，影響電火花加工精度的因素主要有以下幾個方面：放電間隙〔大小及其一致性〕工具電極的損耗尖角與棱邊倒角31編輯ppt放電間隙對加工精度的影響一般在0.01~0.5mm之間，精加工時間隙較小，粗加工時間隙較大。從減小加工誤差的角度考慮，應(yīng)該采用較小的加工規(guī)準，縮小放電間隙，從而提高仿形精度和間隙的一致性。“二次放電〞會造成側(cè)向間隙不均勻，形成斜度，影響加工的形狀精度。32編輯ppt工具電極的損耗對加工精度的影響電極入口處的放電間隙由于電蝕產(chǎn)物的存在，“二次放電〞的幾率大而擴大，因而產(chǎn)生了加工斜度；工具電極下端加工時間長，絕對損耗大。工具電極的損耗直接影響加工精度，損耗越小，精度越高。33編輯ppt尖角與棱邊倒角對加工精度的影響工具的尖角或凹角很難精確地復(fù)制在工件上，這是因為當工具為凹角時，工件上對應(yīng)的尖角處放電蝕陳的機率大，容易遭受腐蝕而成為圓角。

尖角變圓現(xiàn)象a)加工外表面b)加工內(nèi)表面1-工件電極2-工具電極34編輯ppt四、電火花加工的外表質(zhì)量影響外表粗糙度的因素外表粗糙度主要決定于單個脈沖能量，單個脈沖能量越大，外表粗糙度越大；熔點高的材料〔硬質(zhì)合金〕在相同能量下加工外表粗糙度比熔點低〔鋼〕的材料好；精加工時，工具電極的外表粗糙度也將影響加工外表的粗糙度；電極面積也對外表粗糙度有影響；外表粗糙度和加工速度存在很大的矛盾。35編輯ppt外表變質(zhì)層在火花放電的瞬時高溫和工作液的快速冷卻作用下，材料的表層發(fā)生了很大變化，粗略的分為熔化凝固層和熱影響層。熔化層容易出現(xiàn)顯微裂紋，脈沖能量越大，顯微裂紋越寬越深，過大的脈沖能量將會使裂紋擴展到熱影響層。放電痕剖面顯示的表面變質(zhì)層36編輯ppt外表力學(xué)性能電火花加工外表最外層的硬度較高，耐磨性好。電火花加工外表存在剩余應(yīng)力，較大的加工規(guī)準引起的剩余應(yīng)力越大。較大的剩余拉應(yīng)力和顯微裂紋的存在使電火花加工外表比機械加工外表的耐疲勞性低許多倍。37編輯ppt電火花加工分類38編輯ppt4.3電火花加工機床電火花成型加工機床電火花小孔加工機床電火花成形加工機床的組成床身和立柱工作臺主軸頭附件電火花加工機床的工作液和循環(huán)過濾系統(tǒng)電火花成型機床的脈沖電源電火花加工機床的伺服進給39編輯ppt一、電火花成型加工機床40編輯ppt電火花加工機床41編輯ppt電火花機床結(jié)構(gòu)圖42編輯ppt1.機床本體機床本體主要由床身、立柱、主軸頭及附件、工作臺等局部組成，是用以實現(xiàn)工件和工具電極的裝夾固定和運動的機械系統(tǒng)。床身、支柱、坐標工作臺是電火花機床的骨架，起著支承、定位和便于操作的作用。43編輯ppt2.主軸頭主軸頭是電火花成型機床中最關(guān)鍵的部件，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，對加工工藝指標的影響極大。

對主軸頭的要求是：結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈短、傳動間隙小、熱變形小、具有足夠的精度和剛度，以適應(yīng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的慣性小、靈敏度好、能承受一定負載。

主軸頭主要由進給系統(tǒng)、上下移動導(dǎo)向和水平面內(nèi)防扭機構(gòu)、電極裝夾及其調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)組成。我國早在20世紀60~70年代曾廣泛采用液壓伺服進給的主軸頭，隨著步進電動機、力矩電動機和數(shù)控直流、交流伺服電動機的出現(xiàn)和技術(shù)進步，電火花機床中已越來越多地采用電—機械式主軸頭。44編輯ppt2.主軸頭主軸頭45編輯ppt3.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、外表質(zhì)量、加工精度、工具電極損耗等工藝指標。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，否那么不能使工件金屬氣化。 46編輯ppt47編輯ppt3.脈沖電源(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)生的熱量來不及擴散到其他局部，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?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。 48編輯ppt電路簡單、可靠、本錢低、單脈沖功率小、適應(yīng)于精密加工。效率低。將電阻阻抗值一分為二1.RC和RLC電源49編輯ppt２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)控制電源等其他電源50編輯ppt4.4電火花加工自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)在放電過程中，電極工具工件不斷被蝕除．間隙逐漸增大，必須使工具補償進給，以維持所需的放電間隙；當工具工件間短路時，必須使工具反向離開，隨即再重新進給調(diào)節(jié)到所需的放電間隙，這是正常加工所必需解決的問題。由于電火花加工放電間隙很小(0.01一0.2mm)，而且電蝕量、放電間隙在瞬時都不是常值而在一定范圍內(nèi)動亂，因此人工進給或恒速的“機動〞進給很難滿足要求，必須采用自動進給和調(diào)節(jié)裝置。自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)在于維持一定的放電間隙，保證電火花加工正常而穩(wěn)定地進行，以獲得較好的加工效果。51編輯ppt一、自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用、技術(shù)要求和分類早期采用液壓伺服進給；后來采用步進電機；目前普遍采用交、直流伺服電機;先進的采用直線電機進給。52編輯ppt二、自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的根本組成局部1〕調(diào)節(jié)對象：極間放電間隙2〕測量環(huán)節(jié)：測量脈沖電壓的信號3〕比較環(huán)節(jié)：比較電壓差4〕放大驅(qū)動器：一般采用晶體管放大5〕執(zhí)行環(huán)節(jié)：伺服進給機構(gòu)53編輯ppt4.5電火花穿孔成型加工電火花成形穿孔加工是用工具電極對工件進行復(fù)制加工的工藝方法，可歸納為視頻：電火花成形加工.flv54編輯ppt一、沖模的電火花加工利用電火花加工的優(yōu)點便于加工硬脆的沖?？稍诖慊鸷蠹庸た刹捎谜w式硬質(zhì)合金沖模，不用鑲嵌結(jié)構(gòu)配合間隙均勻、刃口耐磨55編輯ppt電火花穿孔加工的工藝方法1.直接配合法直接配合法是用加長的鋼凸模作電極加工凹模的型孔，加工后將凸模上損耗的局部去除。凸、凹模的沖裁間隙靠控制脈沖放電間隙來保證。2.修配凸模法凸模和工具電極分別制造，在凸模上留有一定的修配余量，鉗工按電火花加工好的凹模型孔修配凸模，到達所要求的凸、凹模沖裁間隙。3.配作電極法工具電極和凸模分別制造，但電極的斷面尺寸根據(jù)凸、凹模沖裁間隙的要求，以及所選電規(guī)準的放電間隙進行配作，使電火花加工后的凹模與凸模配合后能獲得所要求的沖裁間隙。這種加工方法的缺點與修配凸模法類似。56編輯ppt二、型腔模的電火花加工57編輯ppt熱流道模具熱嘴孔錐面的電火花加工58編輯ppt模具型腔的電火花59編輯ppt模具型腔的電火花60編輯ppt61編輯ppt62編輯ppt三、小孔電火花加工小孔加工特點：1〕加工面積小，深度大，直徑一般Φ0.05～2mm，深徑比達20以上；2〕小孔加工均為盲孔加工，排屑困難。常規(guī)機加工最新小孔鉆進展〔日本〕：Φ1mm鉆深達150mm；Φ12mm鉆深可達2500mm以上。視頻：電火花高速小孔機高清.flv63編輯ppt采用特制冷拔雙孔管狀電極，轉(zhuǎn)動加工消除毛刺芯，管孔通1～5MPa高壓工作液。適合加工直徑0.3～3mm深300mm。范例1mm深1000mm。噴絲板65四、異形小孔的電火花加工66編輯ppt反拷加工67編輯ppt4.6其他電火花加工表4-168編輯ppt4.6其他電火花加工〔續(xù)〕69編輯ppt一、電火花小孔磨削70編輯ppt二、電火花鏟磨硬質(zhì)合金小模數(shù)齒輪滾刀采用電火花鏟磨硬質(zhì)合金小模數(shù)齒輪滾刀的齒形，已開始用于齒形的粗加工和半精加工，提高生產(chǎn)率3—5倍，本錢降低80％左右。電火花鏟磨時，工作液是澆注到加工間隙中去的，所以要考慮油霧所引起的燃燒問題，因此一般采用粘度較大，燃點較高的油。單純的煤抽由于燃點低，容易燃燒，不能采用。5號錠子油的電火花磨削性能與煤油相近，加工外表粗糙度略好而生產(chǎn)率稍低，但能防止油．霧所引起的燃燒問題，所以比較平安。工具電極采用純銅磨輪時，具有磨削性能好、損耗較小、生產(chǎn)率、外表粗糙度也較好等優(yōu)點。但純銅磨輪用梳刀修正時很困難，故也有一定局限性。從電火花磨削性能來看，采用石墨磨輪比較合理。用梳刀修正石墨磨輪時，梳刀磨損較小，進行電火花磨削，時損耗小，生產(chǎn)率較高，但外表粗糙度稍差些。71編輯ppt三、電火花共軛同步回轉(zhuǎn)加工螺紋72編輯ppt四、聚晶金剛石等高阻抗材料電火花加工聚晶金剛石被廣泛用作拉絲模、刀具、磨輪等材料，它的硬度僅稍次于天然金剛石。金剛石雖是碳的同素異構(gòu)體，但天然金剛石幾乎不導(dǎo)電，聚晶金剛石是將人造金剛石微粉用銅、鐵粉等導(dǎo)電材料作為粘結(jié)劑，攪拌、混合后加壓燒結(jié)而成。因此整體仍有一定的導(dǎo)電性能，可以用電火花加工。電火花加工聚晶金剛石的原理是靠火花放電時的高溫將導(dǎo)電的粘結(jié)劑熔化、氣化蝕除掉，同時電火花高溫使金剛石微粉“碳化〞為可加工的石墨，也可能因粘結(jié)劑被蝕除掉后而整個金剛石微粒自行脫落下來。有些導(dǎo)電的工程陶瓷及立方氮化硼材料也可用類似的原理進行電火花加工。73編輯ppt五、金屬電火花外表強化和刻字74編輯ppt五、金屬電火花外表強化和刻字75編