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1、第二章：电火花加工 2-1.电火花加工原理和设备,原理：在一定的介质中，利用两个电极之间产生火花放电时的电蚀效应来蚀除部分金属材料的加工方法。电火花加工的基本原理如图：,1,电极：铜、钢、石墨加工介质：煤油、煤油和机油、水基工作液脉冲电源,电火花加工应具备的条件,1）必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙；2）脉冲波形基本是单向的；具有合适的脉间和脉宽；3）放电必须在具有一定绝缘性的液体介质中进行；4）有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属溶化或气化。,2,加工条件：,脉冲电流波形,电火花加工,电火花加工的特点1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料；2）电
2、极和工件在加工过程中不接触，便于加工小孔、深孔、窄缝零件；3）电极材料不必比工件材料硬；4）直接利用电能、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制；5)广泛应用于凹模型孔、型腔加工。,3,电火花加工方法的分类,电火花加工,普通电火花加工,电火花磨削,线电极电火花加工,电火花展成加工,电火花平面磨,电火花成形磨,电火花线切割,电火花小孔加工,电火花内外圆磨,电火花成形,电极电火花加工,电火花共扼展成,其他展成加工,电火花表面强化,电 火 花 穿 孔,2-2.电火花加工的机理,1）电离:电场强度大,液体介质电子、离子2）放电：电子阴离子 阳介质绝缘形成电通道3）热膨胀：电子、离子碰撞，阴、阳极碰撞
3、,10000左右，工件表面熔化、汽化介质汽化、分离碳黑4）抛处金属：爆炸力使工件表面抛出金属，形成凹坑。5）消电离：带电粒子转变成中性粒子，介质恢复成绝缘状态，为下一次准备。,5,加工过程,火花放电产生高温的特性：.局部：结果使金属材料局部熔化、汽化。.瞬时：热量集中，来不及扩散，能量密度大，最后蚀除掉金属形成放电坑。虽然在正负电极之间加上电源可以实现火花放电这一物理现象进行实际加工，还要满足一定的条件才行。,2-3.电火花加工中的一些基本规律,影响材料放电腐蚀量的主要因素.极性效应的影响，由于正负极不同而彼此电蚀量不一样的现象，称极性效应。.电参数对电蚀量的影响,式中，qa、qc正负极的总蚀
4、除量 Va、Vc正负极的蚀除速度 WM单个脉冲能量 f脉冲频率 t脉冲时间 Ka、Kc与电极材料、脉冲参数、工作液有关的工艺参数。有效脉冲利用率,单个脉冲所释放的能量,取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间，因此单个脉冲放电能量为：,由于火花放电间隙电阻的非线性特性，击穿后间隙的火花维持电压是一个与电极对材料及工作液种类有关的数值。,正、负极的电蚀量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽。,提高电蚀量和生产率的主要途径在于：提高脉冲频率f；提高单个脉冲能量Wm；增加脉冲电流的幅值i；减少脉冲间隔te；设法提高系数Ka、Kc等。,图中 ti为脉冲宽度，to为脉冲间隔，tp为脉冲周期，ui为脉冲峰
5、值电压或空载电压,.金属材料热学物理常数对电蚀量的影响热学物理常数：熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，则电蚀量越小，其加工的难度越大。.工作液对电蚀量的影响 介电性能好、密度、粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效果。,.影响电蚀量的一些其它因素 加工过程的稳定性 采用加工的电流过大 电极材料 脉冲波形 碳黑膜的形成 工作液,电火花加工速度和工具的损耗速度,单位时间内工件的电蚀量称加工速度，也叫生产率。单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。：加工速度指体积加工速度VW，单位：mm
6、3/min为了测量方便，有事也用质量加工速度Vm来表示，单位：g/min。提高途径：.提高脉冲频率提高脉冲频率，可缩短脉冲停歇时间，但要注意脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离，排除电蚀产物及气泡来恢复其介电性能，以致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常进行。,.提高单个脉冲能量 增加单个脉冲能量，主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增加可以提高加工速度，但同时会增加表面粗糙度和降低加工精度，因此一般只用于粗加工和半精加工的场合。.提高工艺系数 提高K的途径有很多，例如合理选择电极材料、电参数、工作液、改善工作液循环过滤方式等。从而提高有效脉冲利用率，达到提
7、高K的目的。电火花成形加工的加工速度，可参考下面来选：粗加工：（Ra：1020um）选：2001000mm3/min半精加工：（Ra：2.510um）选：20100mm3/min精加工：（Ra：0.322.5um）选：10mm3/min随着表面粗糙度值的减小，加工速度显著下降，加工速度与加工电流ie有关。对于电火花成形加工，每安培加工电流的速度约为10mm3/min。,：工具电极相对损耗速度和相对损耗比在工作现场中，用来衡量工具电极是否耐损耗，不单单是提高工具损耗速度VE，还要看同时能达到的加工速度VW。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：式中的VE、VW均以mm3
8、/min为单位，为体积相对损耗，以g/min为单位，表示了质量的相对损耗。为降低工具电极的相对损耗，必须很好地利用电火花加工过程中的各种效应。主要包括：极性效应、吸附效应、传热效应等，这些效应又是相互影响综合作用的。具体做到：.正确选择极性.利用吸附效应.利用传热效应.要减少工具电极损耗选用合适材料,电极损耗放电间隙加工斜度,17,影响电火花加工精度的主要因素,电火花加工时的加工斜度1电极无损耗时工具轮廓线2电极有损耗时而不考虑二次放电时工件轮廓线,放电间隙大小及一致性；工具电极损耗及稳定性。放电间隙大小实际是变化的，影响着加工精度；工具电极损耗对尺寸和形状精度都有影响。,二次放电：已加工表面
9、上，由于电蚀产物等的介入，而再次进行的不必要的放电，使得加工深度方向产生斜度和加工棱角，棱边变钝。,图2-10 电火花加工时尖角变圆,图2-9 电火花加工时的加工斜度,二次放电,加工斜度,电极损耗,棱角变钝,电火花加工的表面质量,表面粗糙度表面变化层表面机械性能,20,影响表面质量主要因素,电火花加工表面质量,表面粗糙度、表面变质层、表面机械性能,单个脉冲能量加工速度,熔化凝固层热影响层显微裂纹,显微硬度及耐磨性残余应力耐疲劳性能,2-4.电火花加工用脉冲电源,脉冲电源的作用：将工频交流电流转换一定频率的单向脉冲电流，以供火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质
10、量、加工速度、加工过程稳定性、工具电极损耗有很大影响。一.电火花加工脉冲电源分类,二.RC线路脉冲电源 主要工作原理：利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出形成火花放电来蚀除金属。它有二个回路，.充电回路：ERC组成.放电回路：C工具电极放电间隙工件组成。,电源接通，电容二端电压按指数曲线逐步上升，Vc=Vg.继续上升，间隙被击穿，电阻变的很小，C上储存能量瞬间放出，形成较大的脉冲电流Ie。,当电容的能量释放后,电压瞬时下降到接近零,间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态,电流也为零。,RC线路脉冲电源的最大优点：.结构简单、成本低、可靠.可获窄脉冲、小脉冲能量.瞬时放电有很大峰值电流主要缺点：.放电
11、速度快，无法获大脉宽.脉冲间歇系数大，生产率低.工艺参数不稳定,主要应用于小功率的精微加工或简易电火花加工机床,三.RLC线路脉冲电源方法：把充电电阻一分为二，其中一部分用于限流电阻，另一部分用电感代替，组成RLC线路脉冲电源。,单纯的电感对直流电阻力很小,对交流或脉冲电流却具有感抗阻力,起限流作用。主要优点：1.缩短充电、脉冲间歇时间、提高频率2.电压可充至电源电压，提高单脉冲能量*RCL线路，当短路后断开，电感产生过电压*并联数个CL回路，可增大脉宽,R,C,L,工件,RLC线路脉冲电源,四：晶闸管式、晶体管式脉冲电源1.晶闸管式脉冲电源的原理：晶闸管（可控硅）式脉冲电源是利用晶闸管作为开
12、关元件而获得单向脉冲。特点：一经触发导通，就不会自行截止，要截止需要外加反向电压或使其小于维持电流。为适应加工精度要求，可控硅的脉冲电源还必须具有精加工高频特性，一般采用高频可控硅通过倍频的办法提高脉冲频率。,2.晶体管式脉冲电源的原理：利用大功率晶体管作为开关元件，而获得单向脉冲。主振级Z为一个不对称多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间矩形脉冲信号，后经F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。末级晶体管起着开关的作用。为保证放电间隙短路时不至于损坏晶体管，每只管子均串联一个限流电阻，同时起到在各管子之间均流作用。,五：各种派生脉冲电源.高低压复合脉冲电源.高压脉冲回路.低压脉冲回路2.
13、多回路脉冲电源 多回路电源总的生产率并不与回路数目完全成正比增加3.等脉冲电源 是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。每次的脉冲电流宽度都相等，但电压宽度则不一定相等。4.高频分组和梳形波脉冲电源5.自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源,2-5.电火花加工自动进给调节系统,一.自动进给调节系统的作用、技术要求和分类 由于火花放电间隙s很小，而且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等有关，因此很难靠人工进给，必须采用自动进给调节系统。系统的主要任务：通过改变调节进给速度，使进给速度接近和等于蚀除速度，以维持一定的放电间隙s，保证电火花加工正常而稳定的进行。实际火花加工时，整个系统力
14、图自动趋向处于两条曲线的交点。,对自动进给调节系统的一般要求：1.有较广的速度调节跟踪范围 在电火花加工过程中，加工规准、加工面积等条件的变化，都会影响其进给速度，调节系统应有较宽的调节范围，以适应加工的需要。2.有足够的灵敏度和快速性 放电加工频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应的快速调节。3.有必要的稳定性 电蚀速度一般不高，加工进给量也不必过大，所以应有很好的低速性能，能均匀、稳定的进给，避免低速爬行，超调量要小，传动刚度要高，抗干扰能力要强。此外，自动进给装置要求体积小，结构简单可靠及维修造作方便等。,目前电火花加工用的自动进给调节系统的种类很
15、多，按执行元件大致可分为：.电液压式（喷嘴挡板式）.步进电机式.宽调速力矩电机式.直流伺服电机式.交流伺服电机式。虽然这些类型、构造有很大差别，但其基本组成环节是一致的,二.自动进给调节系统的基本组成部分,调节对象 测量环节基本组成环节 比较环节 放大驱动器 执行环节,平均间隙电压测量法峰值电压检测法,三.电液自动进给调节系统,电液式自动进给调节系统以油缸、活塞为执行机构。分为喷嘴挡板式和伺服阀式。,液体的不可压缩性,活塞与油缸间摩擦很小,系统的不灵敏区很小,四.电机械式自动调节系统,电机械式自动进给调节系统经常采用的形式是步进电机和力矩式电机,2-6.电火花加工机床,电火花加工机床设备类型较
16、多,按工艺过程、工具与工件相对运动的特点与用途划分，一般分为：1.电火花成形机.整体式.分离式.油缸固定.活塞固定2.电火花线切割.快速走丝.慢速走丝3.电火花磨削、电火花螺纹加工机床,2-7.电火花加工 一:电火花穿孔成型加工,凹模型孔加工,35,直接配合加工法混合法修配凸模(冲头)法二次电极法,电火花加工,电极设计,36,整体式,组合式,镶拼式,电极尺寸设计：横截面尺寸、长度尺寸、公差；电极材料：损耗小、加工稳定性好；其中：铜：稳定性好、损耗大；钢：稳定性差、损耗中；石墨：稳定性好、损耗小；,电火花加工,37,凹模型孔电火花加工实例：下图为冲裁电机定子片的凸凹模，凹模型孔有24个槽，冲件厚
17、度为0.5mm，配合间隙为0.030.07mm（双边），模具材料为Cr12MoV,电火花加工,电极(凸模)的制造加工工艺:锻造退火粗、精刨淬火与回火成形磨削。或：锻造退火刨(或铣)淬火与回火磨上、下平面线切割加工。凸模长度应加长一段，作为电火花加工的电极，长度值根据凹模刃口高度而定。凸凹模加工工艺:锻造退火粗车、精车(上、下面)样板划线加工螺钉孔、粗加工各槽孔淬火与回火磨平面退磁用组合后的凸模作电极，电火花加工槽孔。,38,电规准的选择及转换,电规准的选择,39,根据工件的要求电极和工件的材料加工工艺指标经济因素,电规准的转换：粗规准一般选择l档；中规准和精规准一般选择24档。型腔的侧面修光，
18、是靠调节电极的平动量来实现的。当采用单电极平动加工时，应相应调节电极的平动量。,电极材料：采用石墨与紫铜（黄铜、铸铁、钢不适于型腔加工，原因是加工时损耗较大）,通常分为粗规准、中规准、精规准。,型腔模的电火花加工,凹模型腔电火花加工,40,单电极平动法多电极更换法分解电极法,电极设计,紫铜石墨,电极尺寸的确定：,41,水平截面尺寸垂直尺寸排气孔冲油孔,电火花加工,42,凹模型腔电火花加工实例：,注射模镶块，材料为40Cr，硬度为3840HRC，表面粗糙度Ra=0.8m,侧面棱角清晰。,三.小孔的电火花加工1.小圆孔的加工:特点：直径小、深径比大、盲孔排屑困难。2.异形小孔加工：加工相似、主要是
19、异形电极的制造及装夹。、冷拔整体电极法。、电火花切割加工整体电极法。、电火花反拷加工整体电极法。,高速小孔加工工艺,管状电极回转并沿轴向进给，15MPa高压工作液（去离子水、乳化液等）排屑,加工速度达60mm/min左右，孔深径比可超过100。国外公司样品直径为3mm,深度达330mm。,四、其他电火花加工主要分类：、电极相对工件采用不同组合运动方式的电火花加工方法。、电极和工件在气体介质中进行放电的电火花加工方法。、工件为非金属材料的加工方法。、电火花小孔的磨削。、电火花铲磨硬质合金小模数齿轮滚刀。、电火花共轭回转加工内螺纹。、电火花金属表面强化和刻字,非接触加工,特种加工,思考与练习1、举例说明典型零件的电火花加工工艺；2、简述电火花加工原理、特点和应用范围；,53,
