数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径

电火花加工的主要工艺指标及其提高途径•目标•一、影响加工速度的主要因素•二、影响电极损耗的主要因素•三、影响加工精度的主要因素•四、加工表面质量及其影响因素一、影响加工速度的主要因素•1加工速度VWA：用以反映加工效率的重要指标，通常所说的加工快慢。(mm2/min)•影响加工速度的因素分电参数和非电参数两大类。电参数主要是脉冲电源输出波形与参数；非电参数包括加工面积、深度、工作液种类、冲油方式、排屑条件及电极的材料、形状等。电规准的影响所谓电规准，是指电火花加工时选用的电加工参数，主要有脉冲宽度ti(μs)、脉冲间隙to(μs)及峰值电流Ip等参数。•一．脉冲宽度对加工速度的影响脉冲宽度增加，加工速度随之增加，因为随着脉冲宽度的增加，单个脉冲能量增大，使加工速度提高。但若脉冲宽度过大，加工速度反而下降(如图1)。这是因为单个脉冲能量虽然增大，但转换的热能有较大部分散失在电极与工件之中，不起蚀除作用。同时，在其它加工条件相同时，随着脉冲能量过分增大，蚀除产物增多，排气排屑条件恶化，间隙消电离时间不足导致拉弧，加工稳定性变差等。因此加工速度反而降低。01101001000ti/s101001000ie＝30A^ie＝40A^ie＝80A^ie＝150A^电极—纯铜工件—钢加工极性—正vw/(mm3/min)图1脉冲宽度与加工速度的关系曲线•2．脉冲间隔对加工速度的影响在脉冲宽度一定的条件下，若脉冲间隔减小，则加工速度提高(如图2)。但若脉冲间隔过小，会因放电间隙来不及消电离引起加工稳定性变差，导致加工速度降低。to/s电极—纯铜工件—钢加工极性—正vw/(mm3/min)0100200300400500600100200300ti＝1200s图2脉冲间隔与加工速度的关系曲线•3．峰值电流的影响当脉冲宽度和脉冲间隔一定时，随着峰值电流的增加，加工速度也增加(如图3)。因为加大峰值电流，等于加大单个脉冲能量，所以加工速度也就提高了。但若峰值电流过大(即单个脉冲放电能量很大)，加工速度反而下降。此外，峰值电流增大将降低工件表面粗糙度和增加电极损耗。在生产中，应根据不同的要求，选择合适的峰值电流。0102030405060100200300400ti＝50svw/(mm3/min)ti＝200sti＝1000sie/A^图3峰值电流与加工速度的关系曲线•2非电参数的影响（1）加工面积的影响从图4可看出，峰值电流不同，最小临界加工面积也不同。因此，确定一个具体加工对象的电参数时，首先必须根据加工面积确定工作电流，并估算所需的峰值电流。ti＝1200svw/(mm3/min)ie＝30A^ie＝48A^010002000300040005000A/mm3100200300工件—CrWMn电极—Cu加工极性—负图4加工面积与加工速度的关系曲线•（2）排屑条件的影响在电火花加工过程中会不断产生气体、金属屑末和碳黑等，如不及时排除，则加工很难稳定地进行。加工稳定性不好，会使脉冲利用率降低，加工速度降低。为便于排屑，一般都采用冲油(或抽油)和电极抬起的办法。图5冲油压力和加工速度的关系曲线00.010.030.050.070.09100200300ti＝1200sto＝400svw/(mm3/min)P/(kg/cm3)电极—Cu工件—T10A加工极性—负冲(抽)油压力的影响度的关系曲线在加工中对于工件型腔较浅或易于排屑的型腔，可以不采取任何辅助排屑措施。但对于较难排屑的加工，不冲(抽)油或冲(抽)油压力过小，则因排屑不良产生的二次放电的机会明显增多，从而导致加工速度下降；但若冲油压力过大，加工速度同样会降低。这是因为冲油压力过大，产生干扰，使加工稳定性变差，故加工速度反而会降低。图5是冲油压力和加工速度关系曲线。图6电极材料和加工极性对加工速度的影响0101001000ti/s2050100200500Cu－3Gr－3Cu－1Gr－1Gr＋1工件材料—钢vw/(mm3/min)Gr＋1—石墨正极性ie＝42AGr－1—石墨负极性ie＝42ACu－1—紫铜负极性ie＝42AGr－3—石墨负极性ie＝14ACu－3—紫铜负极性ie＝14A^^^^^•（3）电极材料的影响•在加工中选择极性，不能只考虑加工速度，还必须考虑电极损耗。如用石墨做电极时，正极性加工比负极性加工速度高，但在粗加工中，电极损耗会很大。故在不计电极损耗的通孔加工、取折断工具等情况，用正极性加工；而在用石墨电极加工型腔的过程中，常采用负极性加工。•从图6还可看出，在同样加工条件和加工极性情况下，采用不同的电极材料，加工速度也不相同。例如，中等脉冲宽度、负极件加工时，石墨电极的加工速度高于铜电极的加工速度。在脉冲宽度较窄或很宽时，铜电极加工速度高于石墨电极。此外，采用石墨电极加工的最大加工速度，比用铜电极加工的最大加工速度的脉冲宽度要窄。•由上所述，电极材料对电火花加工非常重要，正确选择电极材料是电火花加工首要考虑的问题。•4)工件材料的影响•在同样加工条件下，选用不同工件材料，加工速度也不同。这主要取决于工件材料的物理性能(熔点、沸点、比热、导热系数、熔化热和汽化热等)。•一般说来，工件材料的熔点、沸点越高，比热、熔化潜热和气化潜热越大，加工速度越低，即越难加工。如加工硬质合金钢比加工碳素钢的速度要低40～60％。对于导热系数很高的工件，虽然熔点、沸点、熔化热和气化热不高，但因热传导性好，热量散失快，加工速度也会降低。•5)．工作液的影响•在电火花加工中，工作液的种类、粘度、清洁度对加工速度有影响。就工作液的种类来说，大致顺序是：高压水(煤油＋机油)煤油酒精水溶液。在电火花成形加工中，应用最多的工作液是煤油。电极损耗是电火花成型加工中的重要工艺指标。在生产中，衡量某种工具电极是否耐损耗，不只是看工具电极损耗速度VE的绝对值大小，还要看同时达到的加工速度VW，即每蚀除单位重量金属工件时，工具相对损耗多少。因此，常用相对损耗或损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标，即VW/VE电火花加工中，电极的相对损耗小于1%，称为低损耗电火花加工。二、影响电极损耗的主要因素图7电极损耗长度说明图hjhchdhj—角部损耗长度hc—侧面损耗长度hd—端面损耗长度在加工中，同一电极的长度相对损耗大小顺序为：角损耗边损耗端面损耗。图7脉冲宽度与电极相对损耗的关系02004006008001000ti/s5101520/%电极—纯铜工件—钢加工极性—负2.电参数对电极损耗的影响1)脉冲宽度的影响在峰值电流一定的情况下，随着脉冲宽度的减小，电极损耗增大。脉冲宽度越窄，电极损耗θ上升的趋势越明显(如图7所示)。所以精加工时的电极损耗比粗加工时的电极损耗大。•脉冲宽度增大，电极相对损耗降低的原因总结如下：•(1)脉冲宽度增大，极性效应比较明显。•(2)脉冲宽度增大，电极“覆盖效应”增加，也减少了电极损耗。•2)峰值电流的影响对于一定的脉冲宽度，加工时的峰值电流不同，电极损耗也不同。由上可见，脉冲宽度和峰值电流对电极损耗的影响效果是综合性的。只有脉冲宽度和峰值电流保持一定关系，才能实现低损耗加工。0102030405060246810/%电极—纯铜工件—钢加工极性—负A/ˆeiti＝1000sti＝200sti＝50s峰值电流与电极相对损耗的关系脉冲间隔对电极相对损耗的影响01002003004005006000.20.40.60.8to/s/%电极—铜工件—T10A加工极性—负ti＝1200s3)脉冲间隔的影响在脉冲宽度不变时，随着脉冲间隔的增加，电极损耗增大(如右图所示)。因为脉冲间隔加大，引起放电间隙中介质消电离状态的变化，使电极上的“覆盖效应”减少。加工极性对电极相对损耗的影响151020502005001000ti/s0.11.03.05.0103050100负极性正极性电极—Cu工件—T10A/%A48ˆei＝0•4)加工极性的影响一般情况下，采用石墨电极和铜电极加工钢时，粗加工用负极性，精加工用正极性。但在钢电极加工钢时，无论粗加工或精加工都要用负极性，否则电极损耗将大大增加。•2.非电参数对电极损耗的影响•1)加工面积的影响在脉冲宽度和峰值电流一定的条件下，加工面积对电极损耗影响不大，是非线性的01000200030004000A/mm2/%123电极—Cu工件—CrWMnti＝1200s＝48Aeˆi加工面积对电极相对损耗的影响•2)冲油或抽油的影响(如图所示)冲油或抽油压力过大反而会加大电极的损耗。因为强迫冲油或抽油会使减弱了电极上的“覆盖效应”。00.050.112/%紫铜石墨P/(kg/cm2)冲油压力对电极相对损耗的影响•4)工具电极材料的影响•工具电极损耗与其材料有关，损耗的大致顺序如下：银钨合金铜钨合金石墨(粗规准)紫铜钢铸铁黄铜铝。•因素说明减少损耗条件脉冲宽度脉宽愈大，损耗愈小，至一定数值后，损耗可降低至小1%脉宽足够大峰值电流峰值电流增大，电极损耗增加减小峰值电流加工面积影响不大大于最小加工面积极性影响很大。应根据不同电源、不同电规准、不同工作液、不同电极材料、不同工件材料，选择合适的极性一般脉宽大时用正极性，小时用负极性，钢电极用负极性表3-1影响电极损耗的因素电极材料常用电极材料中黄铜的损耗最大，紫铜、铸铁、钢次之，石墨和铜钨、银钨合金较小。紫铜在一定的电规准和工艺条件下，也可以得到低损耗加工石墨做粗加工电极，紫铜做精加工电极工件材料加工硬质合金工件时电极损耗比钢工件大用高压脉冲加工或用水作工作液，在一定条件下可降低损耗工作液常用的煤油、机油获得低损耗加工需具备一定的工艺条件；水和水溶液比煤油容易实现低损耗加工(在一定条件下)，如硬质合金工件的低损耗加工，黄铜和钢电极的低损耗加工排屑条件和二次放电在损耗较小的加工时，排屑条件愈好则损耗愈大，如紫铜，有些电极材料则对此不敏感，如石墨。损耗较大的规准加工时，二次放电会使损耗增加在许可条件下，最好不采用强迫冲(抽)油表3-1影响电极损耗的因素电加工精度包括尺寸精度和仿型精度(或形状精度)。影响精度的因素很多，这里重点探讨与电火花加工工艺有关的因素。1．放电间隙•电火花加工中，工具电极与工件间存在着放电间隙，因此工件的尺寸、形状与工具并不一致。间隙大小对形状精度也有影响，间隙越大，则复制精度越差，特别是对复杂形状的加工表面。如电极为尖角时，而由于放电间隙的等距离，工件则为圆角三、影响加工精度的主要因素因此，为了减少加工尺寸误差，应该采用较弱小的加工规准，缩小放电间隙，另外还必须尽可能使加工过程稳定。放电间隙在精加工时一般为0.0l～0.1mm，粗加工时可达0.5mm以上(单边)。2．二次放电电火花加工时，产生斜度的情况如下图所示。由于工具电极下面部分加工时间长，损耗大，因此电极变小，而入口处由于电蚀产物的存在，易发生因电蚀产物的介入而再次进行的非正常放电(即“二次放电”)，因而产生加工斜度。冲油方式对电极端部损耗的影响工件123工具x1—电极无损耗时的工具轮廓线；2—电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线；3—实际工件轮廓线•3．工具电极的损耗•在电火花加工中，随着加工深度的不断增加，工具电极进入放电区域的时间是从端部向上逐渐减少的。实际上，工件侧壁主要是靠工具电极底部端面的周边加工出来的。因此，电极的损耗也必然从端面底部向上逐渐减少，从而形成了损耗锥度(如图所示)，工具电极的损耗锥度反映到工件上是加工斜度。工具电极工件工具斜度图形四、加工表面质量及其影响因素•1、表面粗糙度是指加工表面上的微观几何形状误差。电火花加工表面粗糙度的形成与切削加工不同，它是由若干电蚀小凹坑组成的，能存润滑油，其耐磨性比同样粗糙度的机加工表面要好。在相同表面粗糙度的情况下，电加工表面比机加工表面亮度低。•Rmax=KRte0.3ie0.42、表面变化层•在电火花加工过程中，工件在放电瞬时的高温和工作液迅速冷却的作用下，表面层发生了很大变化。这种表面变化层的厚度大约在0.