第7章数控电火花加工工艺

数控加工工艺学第7章数控电加工工艺7.1数控电火花成形加工7.2数控线切割机床的加工工艺一、数控电火花成形加工简介1.数控电火花成形加工原理如图7-1所示，电火花成形加工的原理是基于工件与工具电极（简称电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到零件的加工要求。7.1数控电火花成形加工7.1数控电火花成形加工图7-1数控电火花成形加工电火花成形加工须具备以下条件：（1）自动进给调节系统保证工件与电极之间经常保持一定距离以形成放电间隙。一般为0.01~0.1mm左右,间隙不能过大或过小。间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，无法产生电火花。间隙过小、容易形成短路接触，同样不能产生电火花。（2）加工中工件和电极浸泡在液体介质中，这种液体介质称为工作液。（3）脉冲电源输出单向脉冲电压加在工件和电极上。当电压升高到间隙中工作液的击穿电压时，会使介质在绝缘强度最低处被击穿，产生火花放电，如图7-2(a)所示，瞬间高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小块材料形成小的凹坑，如图7-2(b)所示。脉冲电源提供的脉冲电流波形，如图7-3所示。7.1数控电火花成形加工7.1数控电火花成形加工1-阳极；2-从阳极上抛出金属的区域；3-熔化的金属微粒4-工作液；5-在工作液中凝固的金属微粒；6-在阴极上抛出金属的区域；7-阴极；8-气泡9-放电通道；10-翻边凸起；11-凹坑图7-2放电间隙状况示意图7.1数控电火花成形加工ti-脉冲宽度；t0-脉冲间隔；T-脉冲周期；Ic电流峰值图7-3脉冲电流波形2.电火花加工的特点及适用范围(1)电火花加工的特点。①电火花加工属不接触加工。②加工过程中工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。③电火花加工直接利用电能和热能来去除金属材料，与工件材料的强度和硬度等关系不大，因此可以用软的工具电极加工硬的工件，实现“以柔克刚”。④脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。⑤直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化。7.1数控电火花成形加工(2)电火花加工的适用范围。如图7-4所示为电火花加工的适用范围，具体有以下几方面：①可以加工任何难加工的金属材料和导电材料。②可以加工形状复杂的表面，特别适用于复杂表面形状工件的加工③可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。7.1数控电火花成形加工7.1数控电火花成形加工图7-4电火花加工的适用范围7.1数控电火花成形加工3.数控电火花成形机床的主要组成如图7-1所示，数控电火花成形加工机床主要由主机、脉冲电源、机床电气系统、数控系统和工作液循环过滤系统等部分组成。（1）主机及附件。机床主机由床身、立柱、主轴头、工作台等组成。附件包括用以实现工件和电极的装夹、固定和调整其相对位置的机械装置及电极自动交换装置（ATC或AEC）等。床身和立柱是机床的基础结构，主轴头是数控电火花成形机床的关键部件，电极即安装在其上，主轴头通过自动进给调节系统（伺服电动机、滚珠丝杠螺母副等）带动，在立柱上作升降移动，改变电极和工件之间的间隙。工作台是用来支承和安装工件，工作液槽装在工作台上，工作台可作纵向和横向进给，分别由直流或交流伺服电动机，经滚珠丝杠驱动。运动轨迹是靠数控系统通过数控程序控制实现的。7.1数控电火花成形加工可调节工具电极角度的夹头属机床附件。装夹在主轴头下的电极，在加工前需要调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需要在水平面内调节，转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工的工件型孔或型腔预定位置一致。平动头也属机床附件。平动头是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。平动头的动作原理是利用偏心机构将伺服电动机的旋转运动通过平动轨迹保持机构，转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线就形成加工表面，如图7-5所示。7.1数控电火花成形加工图7-5平动加工时电极的运动轨迹7.1数控电火花成形加工（2）脉冲电源。脉冲电源的作用是将工频交流电转变成一定频率的定向脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。数控化的脉冲电源与数控系统密切相关，但有其相对的自主性，它一般由微处理器和外围接口、脉冲形成和功率放大部分、加工状态检测和自适应控制装置以及自诊断和保护电路等组成。7.1数控电火花成形加工（3）数控系统。①自动进给调节系统。自动进给调节系统的任务是通过改变、调节主轴头（电极）进给速度，使进给速度接近并等于蚀除速度，以维持一定的“平均”放电间隙，保证电火花加工正常而稳定进行，以获得较好的加工效果。常用自动进给调节系统有电液自动控制系统和电—机械式自动进给调节系统，数控电火花机床普遍采用电—机械式自动进给调节系统。根据驱动电机的不同，电—机械式自动进给调节系统可分为步进电动机、直流或交流伺服电机驱动的自动调节系统。7.1数控电火花成形加工②电火花成形加工单轴数控系统。它往往控制Z轴，Z向进给由自动进给调节系统完成。自动进给调节系统一方面始终保持电极和工件间的合理间隙，另一方面沿Z向控制主轴头（电极）相对工件进给，所以自动进给调节系统即为Z向自动进给系统。③电火花成形加工多轴数控系统。它是对机床的多个坐标轴的移动和转动进行数字控制，使之成为数字控制进给或数控伺服进给。由于具有X、Y、Z等多轴控制，电极和工件之间的相对运动复杂，以满足各种复杂型腔和型孔的加工。7.1数控电火花成形加工如图7-6所示为采用X、Z、C多轴联动加工型孔。如图7-6(a)所示为横向X轴伺服进给水平加工圆孔；如图7-6(b)所示为横向X轴和垂直方向Z轴联动加工；如图7-6(c)所示为Z向伺服进给，每加工一个长方孔后，C轴分度转过30°（12等分），加工圆周均布的多个长方形孔。图7-6数控X、Z、C多轴联动加工7.1数控电火花成形加工如图7-7所示为电火花三轴数控摇动加工（指工作台在数控系统控制下向外逐步扩弧运动）型腔。图7-7(a)为摇动加工修光六角型孔侧壁和底面；图7-7(b)为摇动加工修光半圆柱侧壁和底面；图7-7(c)为摇动加工修光半圆球柱的侧壁和球头底面；图7-7(d)为用圆柱形工具电极摇动展成加工出任意角度的内圆锥面。图中箭头线为电极进给和摇动加工轨迹。7.1数控电火花成形加工图7-7电火花三轴数控摇动加工7.1数控电火花成形加工（4）工作液循环过滤系统。工作液循环过滤系统由工作液箱、液压泵、电机、过滤器、工作液分配器、阀门、油杯等组成，它的作用是强迫一定压力的工作液流经放电间隙将电蚀产物排出，并且对使用过的工作液进行过滤和净化。工作液循环过滤系统的工作方式有充油式、抽油式两种，如图7-8所示。7.1数控电火花成形加工图7-8工作液循环方式7.1数控电火花成形加工其中，图7-8(a)和如图7-8(b)所示是充油式，将具有一定压力的干净液体流向加工表面，迫使工作液连同电蚀产物从电极四周间隙流出。如图7-8(c)和图7-8(d)所示是抽油式，从待加工表面，将已使用过的工作液连同电蚀产物一起抽出。工作液过滤装置常用介质（纸质、硅藻土等）过滤器，其过滤精度一般为10μm，微精加工要求1～2μm。使用时应注意滤芯堵塞程度，及时更换。7.1数控电火花成形加工4.加工液的处理（1）电极跃动法。电极跃动法使电极作周期性上下运动（Z轴加工时），使加工屑等从极间排出。（2）喷流法。喷流法主要有电极喷流法如图7-9(a)所示和底孔喷流法如图7-9(b)所示。底孔喷流时还应注意以下几方面。①当加工余量偏向一侧时，注意保持喷流路径平衡或加强夹具刚性，否则会造成电极变位，加工超差。②注意喷流容器和工件是否有泄漏，如有应加以堵塞和密封，否则得不到喷流效果。③要注意不要在容器及电极下部积留气体。7.1数控电火花成形加工图7-9加工液的处理方式7.1数控电火花成形加工（3）吸引法也分为电极吸引法及底孔吸引法。如图7-9(c)和图7-9(d)所示。吸引法常用在深孔的精加工，在数控电火花机床上进行螺纹、斜齿轮加工时，也常使用，但是由于这时加工液的路径较长而且是螺线形，所以最好在电极的侧面加工出像丝锥沟那样的槽，以利于加工液的流通如图7-10所示。7.1数控电火花成形加工图7-10螺纹电极侧面切槽7.1数控电火花成形加工（4）喷射法。喷射法一般采用如图7-11所示方式，主要用于窄小的不通缝隙加工。图7-11喷射法7.1数控电火花成形加工在进行诸如刻字等面积大而深度浅的加工时，若在一个方向进行较强喷射时也会使另一侧产生二次放电，引出不良结果。解决方法是将喷头粘接在电极上，如图7-12(a)和图7-12(b)所示；或在电极上加工出流道和浇口，使加工液尽可能送入电极前部。这种方法能较好地发挥加工液的处理效果，如图7-12(c)所示。图7-12喷射法形式7.1数控电火花成形加工二、数控电火花成形加工的一般工艺规律1.影响材料放电腐蚀的主要因素(1)极性效应。在电火花加工过程中，工件和电极都要受到不同程度的电腐蚀。实践证明，即使工件和电极材料完全相同，也会因为所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度，这一现象称为“极性效应”。(2)电参数。电参数即为脉冲电源提供给电火花成形加工的脉冲宽度、脉冲间隙和峰值电流。研究结果表明，在连续的电火花加工过程中，工件或工具都存在单个脉冲的蚀除量q′与单个脉冲能量WM在一定范围内成正比的关系。某一段时间的总蚀除量q约等于这段时间内单个有效脉冲蚀除量的总和，故正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。7.1数控电火花成形加工实验表明，火花维持电压与脉冲电压幅值、极间距离，以及放电电流大小等的关系不大，因而可以说，单个脉冲能量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽。由上述讨论知，提高电蚀除量和生产率的途径在于提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量WM或者增加单个脉冲平均放电电流ie（对矩形波即为峰值电流Ie）和脉冲宽度ti；减少脉冲间隔t0；设法提高系数Ka、Kc。7.1数控电火花成形加工(3)金属材料热学常数。金属材料热学常数指材料的熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热愈高，电蚀量将愈少，愈难加工；另一方面，热导率愈大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位，因而降低本身的蚀除量。此外，影响加工电蚀量的还有工作液、加工过程的稳定性等因素。7.1数控电火花成形加工2.影响加工精度的主要因素影响电火花加工精度的因素很多，主要有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极的制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等因素，这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。7.1数控电火花成形加工（1）放电间隙大小及其一致性。电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙。由于放电间隙的大小实际是变化的，从而影响加工精度。除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响。在实际加工中应缩小放电间隙，另外，还必须使加工过程稳定。图7-13放电间隙等矩性对尖角加工时的影响7.1数控电火花成形加工（2）电极的损耗。电火花加工时是将电极的形状和尺寸复制到工件上，工具电极的损耗对工件尺寸精度和形状精度都有影响。（3）二次放电。二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等介入而再次引起的一种非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱边棱角变钝等方面，从而影响电火花加工的形状精度。7.1数控电火花成形加工产生加工斜度的情况如图7-14所示图7-14电火花加工时的加工斜度7.1数控电火花成形加工3.影响电火花加工表面质量的工艺因素（1）表面粗糙度。电火花加工后的表面，是由脉冲放电时所形成的大量凹坑和硬凸边排列重叠而形成的。在一定的加工条件下，加工表面的粗糙度可用以下经验公式表示：Ra=KRati0.3Ie0.4式中：Ra——实侧的表面粗糙度评定参数，（μm）；KRa——系数（用铜电极加工淬火钢，按负极性加工时KRa=2.3）；ti——脉冲宽度，（μs）；Ie——电流峰值，（A）。由上式可以看出，电蚀表面粗糙度的评定参数Ra随脉