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1、第4章电火花加工,贾宝贤,5687026,Electrical Discharge MachiningEDM,课程内容大纲,1绪论2电火花加工3电火花线切割加工4电化学加工5超声波加工6磨料与水喷射加工7激光加工8快速原型制造9电子束、离子束加工10化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,本章内容,1放电现象2电火花加工的基本原理和特点3电火花加工的基本规律4电火花加工机床5电火花加工自动进给调节系统6电火花穿孔成型加工7其他电火花加工,电火花的基本概念,(a)电火花为脉冲式的瞬时放电，如：雷电放电、静电放电、电磁感应放电等等。电火花一般是尖端放电现象，持续时间短，并伴随自由电荷的转移，发光发
2、热，不同于一般的燃烧现象。,电火花的基本概念,(b)电弧为连续放电，并发出强烈的光辉。应用之一：HID（High Intensity Discharge）中文翻译：“高强度气体放电灯”，是依据电弧放电原理，激活灯内的氙气来发光，取代传统的钨丝燃烧发光。应用之二：电焊应用之三：电火花加工，又称为放电加工，Electrical Discharge Machining，简称EDM。,放电现象,当两电极接近时，也会发生放电，例如电灯开关在合上和拉开时，产生局部放电，可看到电弧光。使开关的接触部位烧蚀，这种现象称为电蚀。这种现象早在1870年，就被英国科学家普里斯特利发现了。,放电现象的利用,1934年
3、，前苏联科学家拉扎连柯夫妇，研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，于是，开创和发明了新的加工方法电火花加工。该方法就是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来。从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛。,视频：电火花 高清6-52.flv,4.1 电火花加工的基本原理和特点,一、电火花加工原理,电火花加工机理,视频：电火花加工机理.wmv,一次电火花腐蚀的微观过程,1.极间介质的电离、击穿、形成放电通道,极间电压升高
4、或极间距离减小极间电场强度增大105V/mm即100V/m左右时产生场致电子发射雪崩电离小于0.1s建立放电通道（电流密度达105106A/cm2（103104A/mm2）,一次电火花腐蚀的微观过程,2.介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀,放电通道形成后电子、正离子运动动能转热能电极表面高温工作液气化、热分解电极材料熔化、气化迅速热膨胀,3.电极材料抛出,存在下面三种作用热爆炸力 瞬时膨胀电动力正负离子对电极的冲击压力流体动力蒸发、分解气体,热膨胀产生微爆炸电极材料抛出大部分抛入工作液中收缩成小颗粒，一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上（这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可
5、以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗）,一次电火花腐蚀的微观过程,放电影响区域,气化区 熔化区 热影响区 无变化区,4.极间介质消电离,带电离子 中性粒子 介质恢复绝缘 电蚀物排除 热能排除,电蚀坑,由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（106107W/mm2)，放电区域产生的瞬时高温,可达10000以上，足以使材料溶化甚至蒸发，灼热的金属蒸气具有很大的压力,引起剧烈的暴炸,而将熔融的金属抛出,以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束后，经过很短的时间间隔，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地重复地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制
6、在工件上，形成所需要的加工表面。,二、电火花加工的条件,1.极间保持一定放电间隙 自动进给调节系统间隙过大：不能击穿间隙过小：短路接触2.瞬时的脉冲放电（10-7 10-3 s）脉冲电源连续放电：电弧放电，无法控制尺寸3.两电极之间必须充入介质 工作液循环过滤系统工作液：煤油、皂化液、去离子水工作液的作用有利于火花放电排除电蚀产物冷却电极和工件,视频：电火花条件-成形-穿孔.flv,三、电火花加工设备的组成,如图所示，加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件。两极均浸入具有绝缘性的液体介质中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（）。,四、电火
7、花加工的特点,(1)可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及时高纯度的导电材料。如不锈钢、钛合金、工业纯铁、淬火钢、硬质合金、导电陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石等；(2)在加工过程中工具与工件不直接接触，所以工件无机械变形，方法可加工细长、薄、脆性零件；(3)虽然该方法是利用热效应来切除金属，但大部分材料不变热；,四、电火花加工的特点,(4)可以在硬度高的材料上，加工出精度高，表面质量好的复杂模具；(5)用电火花加工的表面，是由许多小的弧坑组成，有助于油的保存和较好的润滑；(6)这种方法易于实现自动化。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，影响加工精度,4.2 电火
8、花加工的基本规律,一、影响材料电蚀量的主要因素极性效应电参数(单个脉冲能量WM和脉冲频率)金属材料热学常数工作液其他因素,1.极性效应对电蚀量的影响,极性效应电火花加工过程中，由于正、负极性不同而电蚀量不同的现象。产生极性效应的原因应用正极性加工：工件接在脉冲电源的正极负极性加工：工件接在脉冲电源的负极,电子的质量正离子的质量电子的惯性小窄脉冲：正极性加工长脉冲：负极性 加工,2.单个脉冲能量WM和脉冲频率,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：,提高电蚀量和生产率的途径提高脉冲频率f增加单个脉冲
9、能量WM减小脉冲间隙to提高工艺系数K,3.金属材料热学常数,金属材料热学常数对电蚀量的影响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；热传导率越大，电蚀量越少；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；脉冲电流幅值过大，则损耗能量使得材料气化，电蚀量也将减少。,4.工作液,工作液对电蚀量的影响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。工作液的选择粗加工机油：粘度大、介电性能好精加工煤油：粘度小、流动性好,其他因素,其他因素对电蚀量的影响碳黑膜现象 碳氢化合物
10、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，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。,其他因素,其他因素对电蚀量的影响碳黑膜现象 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，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。加工过程的稳定性（加工深度、加工面积的增加，加工型面复杂程度的增加，电极材料的选择）脉冲电源波形及前后沿陡度电蚀物抛出速度,二、加工速度与工具损耗速度,1.加工速度vW单位时间内工件的电蚀量称为加工速度体积加工速度和重量
11、加工速度提高加工速度的途径提高脉冲频率增加单个脉冲能量提高工艺系数,2.工具相对损耗,工具损耗速度vE单位时间内工具的电蚀量工具损耗比工具损耗速度与加工速度的比值，称为损耗比。体积相对损耗,降低工具损耗的措施,(1)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。(2)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。,降低工具损耗的措施,(3)利用传热效应选择导热性能比工件好的工具电极。(4)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
12、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。,三、影响加工精度的主要因素,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：放电间隙（大小及其一致性）工具电极的损耗尖角与棱边倒角,放电间隙对加工精度的影响,一般在0.010.5mm之间，精加工时间隙较小，粗加工时间隙较大。从减小加工误差的角度考虑，应该采用较小的加工规准，缩小放电间隙，从而提高仿形精度和
13、间隙的一致性。“二次放电”会造成侧向间隙不均匀，形成斜度，影响加工的形状精度。,工具电极的损耗对加工精度的影响,电极入口处的放电间隙由于电蚀产物的存在，“二次放电”的几率大而扩大，因而产生了加工斜度；工具电极下端加工时间长，绝对损耗大。工具电极的损耗直接影响加工精度，损耗越小，精度越高。,尖角与棱边倒角对加工精度的影响,工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上，这是因为当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀陈的机率大，容易遭受腐蚀而成为圆角。,尖角变圆现象a)加工外表面 b)加工内表面1-工件电极 2-工具电极,四、电火花加工的表面质量,影响表面粗糙度的因素表面粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单
14、个脉冲能量越大，表面粗糙度越大；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；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；电极面积也对表面粗糙度有影响；表面粗糙度和加工速度存在很大的矛盾。,表面变质层,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。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。,放电痕剖面显示的表面变质层,表面力学性能,电火花加工表面最外层的硬度较高，耐磨性好。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。较大的残余
15、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。,电火花加工分类,4.3 电火花加工机床,电火花成型加工机床 电火花小孔加工机床电火花成形加工机床的组成,床身和立柱工作台主轴头 附件电火花加工机床的工作液和循环过滤系统电火花成型机床的脉冲电源 电火花加工机床的伺服进给,一、电火花成型加工机床,电火花加工机床,电火花机床结构图,1.机床本体,机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。,2.主轴头,主轴头是电火花成型机床中最关键的部件
16、，是自动调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。对主轴头的要求是：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载。主轴头主要由进给系统、上下移动导向和水平面内防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。我国早在20世纪6070年代曾广泛采用液压伺服进给的主轴头，随着步进电动机、力矩电动机和数控直流、交流伺服电动机的出现和技术进步，电火花机床中已越来越多地采用电机械式主轴头。,2.主轴头,主轴头,3.脉冲电源,在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所
17、需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。脉冲电源输入为380 V、50 Hz的交流电，其输出应满足如下要求：(1)要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。,3.脉冲电源,(2)火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。(3)脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。(4)脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。(5)有适当的脉冲间隔时间，使放电介
18、质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。,电路简单、可靠、成本低、单脉冲功率小、适应于精密加工。效率低。,将电阻阻抗值一分为二,1.RC和 RLC电源,闸流管式和电子管式电源,晶闸管式、晶体管式和MOS管式电源,4 各种派生电源：如等脉冲电源、自适应控制电源等,其他电源,4.4 电火花加工自动进给调节系统,在放电过程中，电极工具工件不断被蚀除间隙逐渐增大，必须使工具补偿进给，以维持所需的放电间隙；当工具工件间短路时，必须使工具反向离开，随即再重新进给调节到所需的放电间隙，这是正常加工所必需解决的问题。由于电火花加工放电间隙很小(0.01一0.2mm)，而且电蚀量、放电间隙在
19、瞬时都不是常值而在一定范围内动荡，因此人工进给或恒速的“机动”进给很难满足要求，必须采用自动进给和调节装置。自动进给调节系统的任务在于维持一定的放电间隙，保证电火花加工正常而稳定地进行，以获得较好的加工效果。,一、自动进给调节系统的作用、技术要求和分类,早期采用液压伺服进给；后来采用步进电机；目前普遍采用交、直流伺服电机;先进的采用直线电机进给。,二、自动进给调节系统的基本组成部分,1）调节对象：极间放电间隙2）测量环节：测量脉冲电压的信号3）比较环节：比较电压差4）放大驱动器：一般采用晶体管放大5）执行环节：伺服进给机构,4.5 电火花穿孔成型加工,电火花成形穿孔加工是用工具电极对工件进行复
20、制加工的工艺方法，可归纳为,视频：电火花成形加工.flv,一、冲模的电火花加工,利用电火花加工的优点便于加工硬脆的冲模可在淬火后加工可采用整体式硬质合金冲模，不用镶嵌结构 配合间隙均匀、刃口耐磨,电火花穿孔加工的工艺方法,1.直接配合法直接配合法是用加长的钢凸模作电极加工凹模的型孔，加工后将凸模上损耗的部分去除。凸、凹模的冲裁间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。2.修配凸模法凸模和工具电极分别制造，在凸模上留有一定的修配余量，钳工按电火花加工好的凹模型孔修配凸模，达到所要求的凸、凹模冲裁间隙。3.配作电极法工具电极和凸模分别制造，但电极的断面尺寸根据凸、凹模冲裁间隙的要求，以及所选电规准的放电间隙进
21、行配作，使电火花加工后的凹模与凸模配合后能获得所要求的冲裁间隙。这种加工方法的缺点与修配凸模法类似。,二、型腔模的电火花加工,热流道模具热嘴孔锥面的电火花加工,手机模具型腔的电火花,模具型腔的电火花,三、小孔电火花加工,小孔加工特点：1）加工面积小，深度大，直径一般 0.052mm，深径比达20以上；2）小孔加工均为盲孔加工，排屑困难。常规机加工最新小孔钻进展（日本）：1mm钻深达150mm；12mm钻深可达2500mm以上。,视频：电火花高速小孔机 高清.flv,采用特制冷拔双孔管状电极，转动加工消除毛刺芯，管孔通15MPa高压工作液。适合加工直径0.3 3mm深300mm。范例1mm深10
22、00mm。,喷丝板,四、异形小孔的电火花加工,反拷加工,4.6 其他电火花加工,表4-1,4.6 其他电火花加工（续）,一、电火花小孔磨削,二、电火花铲磨硬质合金小模数齿轮滚刀,采用电火花铲磨硬质合金小模数齿轮滚刀的齿形，已开始用于齿形的粗加工和半精 加工，提高生产率35倍，成本降低80左右。电火花铲磨时，工作液是浇注到加工间隙中去的，所以要考虑油雾所引起的燃烧问题，因此一般采用粘度较大，燃点较高的油。单纯的煤抽由于燃点低，容易燃烧，不能采用。5号锭子油的电火花磨削性能与煤油相近，加工表面粗糙度略好而生产率稍低，但能避免油雾所引起的燃烧问题，所以比较安全。工具电极采用纯铜磨轮时，具有磨削性能好
23、、损耗较小、生产率、表面粗糙度也较好等优点。但纯铜磨轮用梳刀修正时很困难，故也有一定局限性。从电火花磨削性能来看，采用石墨磨轮比较合理。用梳刀修正石墨磨轮时，梳刀磨损较小，进行电火花磨削，时损耗小，生产率较高，但表面粗糙度稍差些。,三、电火花共轭同步回转加工螺纹,四、聚晶金刚石等高阻抗材料电火花加工,聚晶金刚石被广泛用作拉丝模、刀具、磨轮等材料，它的硬度仅稍次于天然金刚石。金刚石虽是碳的同素异构体，但天然金刚石几乎不导电，聚晶金刚石是将人造金刚石微粉用铜、铁粉等导电材料作为粘结剂，搅拌、混合后加压烧结而成。因此整体仍有一定的导电性能，可以用电火花加工。电火花加工聚晶金刚石的原理是靠火花放电时的
24、高温将导电的粘结剂熔化、气化蚀除掉，同时电火花高温使金刚石微粉“碳化”为可加工的石墨，也可能因粘结剂被蚀除掉后而整个金刚石微粒自行脱落下来。有些导电的工程陶瓷及立方氮化硼材料也可用类似的原理进行电火花加工。,五、金属电火花表面强化和刻字,五、金属电火花表面强化和刻字,五、金属电火花表面强化和刻字,六、电熔爆加工,电熔爆是一种对难加工材料进行高效加工的电加工技术。它采用低电压大电流分别作用于工具电极和被加工件表面，使被加工面在高密度电子流的轰击下瞬间产生高温而熔化，在工作液的作用下，熔化的金属与基体爆离，从而被去除。这一技术可广泛应用于各种高硬、超黏、特脆、热敏感、表面高低不平等难加工金属材料的
25、加工，加工效率可达l kg/min。,(2)电熔爆的加工特点,电熔爆加工技术是一种新型的金属加工方法。其 加工特点主要表现为如下几点。1)适用于导电材料的高效率粗加工。每小时熔爆切削质量可达10kg以上，提高生产率510倍。2)被加工件的表面变化层深度0.050.33mm。工件表面不产生裂纹、不改变原力学性能。3)非接触式加工，工件不变形，机床受力小，比传统机械加工可提高机床使用寿命5倍。4)加工尺寸可控，精加工尺寸精度可达到0.05mm，精加工表面粗糙度可达到Ra0.4m。5)对工件前期处理要求低。工件可以是锻件、铸件、堆焊和喷焊件等。6)加工时噪声较大。,电熔爆加工设备,电熔爆加工的轧辊,电熔爆加工修造的轧辊,七、电火花混粉加工,研究成果：采用“混粉加工”新工艺，可较大面积地加工出质量很高的光亮面。具体方法：在煤油工作液中加入硅或铝等导电微粉。原因：这样可使工作液的电阻率降低、放电间隙成倍增大，潜布寄生电容成倍减小，放电通道被分割成多个小的火花放电通道，到达工件表面的脉冲能量被分散，相应的电痕就较小，表面较光整。,混粉电火花加工,混粉电火花加工,混粉电火花加工,镜面电火花加工样件照片,面积分别为100100mm2和100mm时加工表面,液中电火花放电表面改性,液中电火花放电表面改性,
