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第5章模具电加工技术5.1电火花加工的基本原理与特点5.2电火花加工机床简介5.3电火花加工工艺与实例5.4线切割编程5.5典型模具零件的电加工•电火花加工（ElectricalDischargeMachining）是利用电腐蚀原理，对工件进行加工的一种工艺方法。它既可以加工一般材料的工件，也可以加工用传统的切削方法难于加工的各种高熔点、高硬度、高强度、高韧性的金属材料及精度要求高的工件，因此特别适合模具零件的加工。电火花加工形式很多，其中以电火花成形加工（简称电火花加工）和电火花线切割加工（WireCutEDM，简称WEDM）应用最为广泛。电火花成形加工主要用于形状复杂的型腔、凸模、凹模的加工，电火花线切割加工主要用于冲模、挤压模的加工。•5.1电火花加工的基本原理与特点•5.1.1电火花加工的基本原理•研究结果表明，要想利用火花放电产生的电蚀现象对工件进行加工，必须具备以下基本条件。•5.1.1电火花加工的基本原理•如图5-1所示:•电压脉冲的持续时间ti称为脉冲宽度（单位为μs），在精加工时要选用较小的脉冲宽度，以提高加工精度和表面质量；在粗加工时应选用较大的脉冲宽度，以保证加工速度，但是不能过大，一般应小于10s~30s。这样可以使每一个放点局限在很小的范围内，使放电产生的热量来不及传导和扩散到加工表面以外的部位，防止将工件表面烧伤而无法加工。两个电压脉冲之间的间隔时间t0称为脉冲间隙（单位为μs），脉冲间隙的大小也应合理选用，如果间隔时间过短，会使绝缘介质来不及恢复绝缘状态，容易产生电弧放电，烧伤工件和工具；脉冲间隔时间过长，又会降低加工生产率。一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之间的时间T称为脉冲周期（单位为μs），显然T=ti+t0。图5-1脉冲电压波形ti-脉冲宽度;t0-脉冲间隔;T-脉冲周期;Ie-脉冲高度•2.脉冲放电要有足够的能量，也就是说放电通道要有很大的电流密度（一般为105A/cm2~106A/cm2）。这样可以保证在火花放电时产生较高的温度将工件表面的金属融化或气化，以达到加工的目的。•3.保证有合理的放电间隙。放电间隙指利用火花放电进行加工时工具表面和工件表面之间的距离，用S表示。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关，一般在几微米到几百微米之间合理选用。间隙过大，会使工作电压不能击穿绝缘介质；而间隙过小，易形成短路，都将导致电极间电流为零，不能产生火花放电，从而不能对工件进行加工。•4.火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。绝缘介质的作用有4点：一是在达到要求的击穿电压之前，应保持电学上的非导电性，即起到绝缘作用；二是在达到击穿电压后，绝缘介质要尽可能地压缩放电通道的横截面积，从而提高单位面积上的电流强度；三是在放电完成后，迅速熄灭火花，使火花间隙消除电离从而恢复绝缘；四是要求介质具有较好的冷却作用，并将电蚀产物从放电间隙中带走。•目前大多数电火花机床均采用煤油作为工作液。但是对大型复杂零件的加工时，功率较大，可能引起煤油着火，这时可以采用燃点较高的机油或者是煤油与机油混合物等作为工作液。另外，新开发的水基工作液也逐渐应用在电火花加工中，这种工作液可使粗加工效率大幅度提高，并且降低了因加工功率大而引起着火的隐患。图5-2电火花加工原理图1-脉冲电源2-工件3-自动进给调节装置4-工具5-工作液6-过滤器7-工作液泵•电火花加工原理如图5-2所示。脉冲电源1的两个输出端分别与工件2和工具4连接。自动进给装置3（此处为液压缸及活塞）使工件与工具之间经常保持一个很小的放电间隙，当加在两极间的脉冲电压足够大时，便使两极间隙最小处或绝缘强度最低处的介质被击穿，在该处形成火花放电，瞬时达到高温使工具和工件表面都蚀掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图5-3（a）所示，表示单个脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔（即脉冲间隔t0），使工作液恢复绝缘并清除电蚀产物后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会使两极间隙最小处或绝缘强度最低处的介质被击穿，从而又形成小凹坑。这样随着相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，从而保持一定的放电间隙，就可将工具端面和横截面的形状复制在工件上，加工出所需形状的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所形成。图5-3（b）所示为多次脉冲放电后的电极表面。图5-3电火花加工表面局部放大图5.1.2电火花加工的特点1.电火花加工的优点•⑴能加工用切削的方法难于加工或无法加工的高硬度导电材料。•在电火花加工过程中，主要是靠电、热能进行加工，几乎与力学性能（硬度、强度等）无关。从而使工件的加工不受工具硬度、强度的限制，实现了用软质的材料（如石墨、铜等）加工硬质的材料（如淬火钢、硬质合金和超硬材料等）。•⑵便于加工细长、薄、脆性零件和形状复杂的零件。•由于加工过程中，工具与工件没有直接接触，这样就使工件与工具之间没有机械加工的切削力，机械变形小，因此可以加工复杂形状和进行微细加工。•⑶工件变形小，加工精度高。•目前，电火花加工的精度可达0.01~0.05mm，在精密光整加工时可小于0.005mm。•⑷易于实现加工过程的自动化。•电火花加工主要利用电能进行加工，而电能、电参数较机械量易于实现自动化控制。目前我国电火花加工机床大多都是数字控制。•2.电火花加工的不足•⑴只能对导电材料进行加工。•通过电火花加工原理的分析，我们可以看出，电火花加工所用的工具和工件必须是导体，所以塑料、陶瓷等绝缘的非导体材料不能用电火花进行加工。•⑵加工精度受到电极损耗的限制。•由于加工过程中，工具电极同样会受到电、热的作用而被蚀除，特别是在尖角和底面部分，蚀除量较大，又造成了电极损耗不均匀的现象，所以电火花加工的精度受到限制。•⑶加工速度慢。•由于火花放电时产生的热量只局限在电极表面，而且又很快被介质冷却，所以加工速度要比机械加工慢。•⑷最小圆角半径受到放电间隙的限制。•虽然电火花加工具有一定的局限性，但与传统的切削加工相比仍有巨大的优势，因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械（特别是模具制造）、航空航天、电子、电器和仪器仪表的行业，用来解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。5.2电火花加工机床简介•电火花加工机床狭义上指能完成穿孔和成型加工的机床，而在广义上讲，电火花加工机床应该包括电火花穿孔机，成型加工机床，电火花线切割加工机床和电火花磨削机床，以及各种专门用途的电火花加工机床，如加工小孔，螺纹环规和异形孔纺丝板等的电火花加工机床。这几种机床的工作原理都是用电火花放电加工来蚀除金属，但在工艺形式，机床结构和操作方法上存在很大差别。本节主要介绍电火花成型机床，电火花穿孔机。•5.2.1电火花机床名称、型号与分类•我国早期生产的电火花机床按其用途分为两类，一类是采用RC，RLC和电子管，闸流管脉冲电源，主要用于穿孔加工的电火花穿孔加工机床，被命名为D61系列（如D6125、D6140型等）；另一类是采用长脉冲发电动机电源，主要用于成型加工的电火花成型加工机床，被命名为D55系列（如D5540、D5570等）。从20世纪80年代开始，电火花加工机床大多采用晶体管脉冲电源，这样就使同一台电火花加工机床既能用做穿孔加工，也可用做成型加工。因此我国把电火花穿孔，成型加工定名为D71系列，统称为电火花成型加工机床，或简称为电火花加工机床，其型号表示如图5-4所示。图5-4•我国电火花成型加工机床的参数标准如表5-1所示。•电火花加工机床和其他加工机床一样，有很多分类方法:•1.按照机床的数控程度可分为：非数控（手动型）、单轴数控及多轴数控型等。•2.按照机床的规格大小可分为：小型（工作台宽度小于25厘米）、中型（工作台宽度为25厘米~63厘米）和大型（工作台宽度大于63厘米）。•3.按精度等级分为：标准、精密和高精度电火花成型机床。•4.按工具电极的伺服进给系统的类型分为：液压进给、步进电动机进给、直流或交流伺服电动机进给驱动等类型。•5.按应用范围分为：通用机床、专用机床（例如：航空叶片零件加工机床、螺纹加工机床和轮胎橡胶模加工机床等）。•6.根据机床结构分为：•龙门式、滑枕式、悬臂式、框形立柱式和台式电火花成型机床，其中立柱式应用最为广泛。图5-5（a）所示为龙门式大型电火花加工机床，工作台固定在床身上，主轴头可做横向坐标移动，根据加工的需要，可在机床的横梁上装设几个主轴头，以满足同时加工出几个型孔的需要。这种机床刚性好，可以做成大、中型电火花加工机床。图5-5（b）所示为滑枕式结构电火花加工机床。它的主要特点是工件安装在床身工作台上不动，两主轴头安装在x、y两个滑枕上运动，这样可以避免重大的工件和油槽中煤油工作液在x、y方向快速运动时产生很大的惯性力。其缺点是行程大时机床刚度变差，电极装夹找正也因油箱体积大而不太方便。•随着机床工业的发展，模具行业对电火花加工机床的需求不断增加，电火花加工机床将朝着高精度，高稳定性和高自动化程度等方向发展。国外已经研制出带工具电极库能按程序自动更换电极的电火花加工中心。图5-5典型电火花机床结构示意图5.2.2电火花加工机床结构•电火花加工机床主要由机床主体，脉冲电源，自动进给调节系统和工作液净化及循环系统几部分组成。•随着时代的进步，电加工事业的发展，尤其数控技术在电火花成型加工机床上的广泛使用，更显示出电火花加工在模具制造中的重要性。为了适应模具工业的需要，已经批量生产计算机三坐标数字控制的电火花成型加工机床，以及带工具电极库能按程序自动更换的电火花加工中心。•图5-6（a）所示为立柱式电火花加工机床结构图，图5-6(b)所示为其外观图。•1．机床主体•机床主体部分主要包括主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽几部分。其作用主要是支承、固定工件和工具电极，并通过传动机构实现工具电极相对于工件的进给运动。图5-6立柱式电火花加工机床1-床身2-液压油箱3-工作液槽4-主轴头5-工作液箱6-电源箱7-控制柜•2.脉冲电源•脉冲电源的作用是把交流电转换成单向脉冲电源，以提供能量来蚀除金属。脉冲电源的输出分别接电极和制件，在加工过程中向间隙不断输出脉冲电源。当电极与制件之间的间隙达到一定值时，工作液被击穿而形成脉冲火花放电，同时使制件材料被气化而蚀除。电极向制件的不断进给，使制件被加工成所需形状。•脉冲电源对电火花加工的生产率，工件的表面质量、加工精度，加工过程中的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。常用的有张弛式、闸流管式、电子管式、可控硅式和晶体管式脉冲电源，目前以晶体管式脉冲电源使用最广。•3.自动进给调节系统•自动进给调节系统由自动调节器和自适应控制装置组成。其主要作用是在电火花加工过程中维持一定的火花放电间隙，保证加工过程正常、稳定地进行，主要体现在两个方面，一是在放电过程中，工具电极和工件电极不断被蚀除，造成两极间的间隙不断增大，当间隙过大时，则不会产生放电，此时自动进给调节装置将自动调节工具进行补偿进给，以维持所需的放电间隙；另一方面是当工具电极和工件电极距离太近或发生短路时，自动进给调节装置自动调节工具反向离开工件，再重新进给调节放电间隙。•图5-7所示为步进电动机自动调节系统原理框图。其工作原理是：检测环节对放电间隙进行检测后，输出一个反映间隙状态的电压信号。变频电路则将该信号加以放大，并转换成不同频率的脉冲，为环行分配器提供进给触发脉冲。同时，多谐震荡器发出恒频率的回退触发脉冲。根据放电间隙的物理状态，两种触发脉冲由判别电路选其一种送至环行分配器，决定进给或是回退。当极间放电状态正常时，判别电路通过单稳电路打开进给与门1；当极间放电状态异常（短路或形成有害的电弧）时，则判别电路通过单稳电路打开回退与门2，分别驱动相对应的环形分配器的相序，使步进电极正向或反向转动，使主轴进给或退回。图5-7步进电动机自动调节系统原理图•4.工作液净化及循环系统•电火花加工用的工作液净化及循环过滤系统由储液箱、过滤器和泵和控制阀等部件组成。工作液循环的方式很多，主要有以下几种。•⑴非强迫循环•工作液仅