电火花加工的基本原理及设备

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第二章电火花加工的基本原理及设备1.电火花加工的基本原理电火花加工基于电火花腐蚀原理,是在工具电极与工件电极相互靠近时,极间形成脉冲性火花放电,在电火花通道中产生瞬时高温,使金属局部熔化,甚至气化,从而将金属蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢?这一过程大致分为以下几个阶段:。(1)极间介质的电离、击穿及放电通道的形成.(2)介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀.(3)电极材料的抛出.(4)极间介质的消电离.看图看图看图看图单脉冲放电凹坑多脉冲放电凹坑电火花表面局部放大图进行电火花加工应具备如下条件:(1)工具和工件之间必须保持一定的间隙。(2)必须采用脉冲电源。(3)在有一定绝缘性能的介质中放电电火花加工的特点特点优点缺点(1)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)。(2)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。(3)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。(4)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。(1)极间介质的电离、击穿及放电通道的形成.负极工作液放电通道正极(3)电极材料的抛出.翻边突起凝固微粒(2)介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀.从正极上熔化并抛出金属的区域从负极上熔化并抛出金属的区域气泡(4)极间介质的消电离.放电形成的凹坑(1)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需是导体,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。(2)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。3)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。(4)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、仪器仪表等行业,用来解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。2.2.1电火花加工机床简介1、国产电火花穿孔、成形加工机床的型号与参数我国国标规定,电火花成形机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。例如。其型号表示方法如下:机床工作台宽度(320cm)电火花成形加工机床电加工机床(如为数控电加工机床,则在D后加K)D7132大小D7125以下小型D7125~D7163中型D7163以上大型随着科学技术的进步,国外已经大批生产三坐标数控电火花机床,以及带工具电极库能按程序自动更换电极的电火花加工中心,我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。单轴数控电火花成型机床多轴数控电火花成型机床电火花加工中心2.2.2电火花加工机床结构电火花加工机床机床本体脉冲电源自动进给调节系统工作液过滤和循环系统数控系统工作液过滤和循环系统数控系统脉冲电源自动进给调节系统机床本体床身立柱主轴头及附件工作台机床本体三部分是电火机床的骨架,起着支撑定位和便于操作的作用。立柱主轴头工作台床身电火花加工时粗加工的电火花放电间隙比中加工的放电间隙要大,而中加工的电火花放电间隙比精加工的放电间隙又要大一些。当用一个电极进行粗加工时,将工件的大部分余量蚀除掉后,其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差,为了将其修光,就得转换规准逐挡进行修整。但由于中、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的放电间隙小,若不采取措施则四周侧壁就无法修光了平动头就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利用偏心机构将伺服电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面积就形成加工横截面积.如图2-7所示,其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量,其大小可以由零逐渐调大,以补偿粗、中、精加工的电火花放电间隙δ之差,从而达到修光型腔的目的。图2-7平动头扩大间隙原理图(a)电极在最左(b)电极在最上(c)电极在最右(e)电极平动后的轨迹(d)电极在最下电极数控平动头平动头电火花加工的特点(1)可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸,因此尺寸加工不再受放电间隙的限制。(2)用同一尺寸的工具电极,通过轨迹半径的改变,可以实现转换电规准的修整,即采用一个电极就能由粗至精直接加工出一副型腔。(3)在加工过程中,工具电极的轴线与工件的轴线相偏移,除了电极处于放电区域的部分外,工具电极与工件的间隙都大于放电间隙,实际上减小了同时放电的面积,这有利于电蚀产物的排除,提高加工稳定性。(4)工具电极移动方式的改变,可使加工的表面粗糙度大有改善,特别是底平面处。2.脉冲电源脉冲电源的作用: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需要的放电能量以蚀除金属。加工速度加工精度表面质量工具电极损耗性能影响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。(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。电源的好坏直接关系到电火花加工机床的性能,所以电源往往是电火花机床制造厂商的核心机密之一。从理论上讲,电源一般有如下几种。(1)张弛式脉冲电源弛张式脉冲电源是最早使用的电源,它是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。因为电容器时而充电,时而放电,一弛一张,故又称“弛张式”脉冲电源原理图如图4.9RC线路脉冲电源-VA-+RC工作原理:首先直流电源E通过电阻R向电容器C充电,使电容器两端的电压不断升高,当电压上升到绝缘介质的击穿电压时,两极间的绝缘介质被击穿,形成放电通道,电容器上储存的能量瞬间释放,产生较大的脉冲电流。当电容C上积蓄的能量释放完时,间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电容再次充电,又重复上述过程,达到加工的目的。优点:结构简单,使用维修方便,加工精度较高。缺点:粗糙度值较小,但生产率低,电能利用率低,加工稳定性差。(2)闸流管式和电子管式脉冲电源闸流管是一种特殊的电子管,当对其栅极通入一脉冲信号时,便可控制管子的导通或截止,输出脉冲电流。由于这种电源的电参数与加工间隙无关,故又称为独立式电源。闸流管脉冲电源的生产率较高,加工稳定,但脉冲宽度较窄,电极损耗较大。(3)晶闸管式、晶体管式脉冲电源晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉冲电源,其输出功率大,电规准调节范围广,电极损耗小,故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上。3.自动进给调节系统在电火花成型加工设备中,自动进给调节系统占有很重要的位置,它的性能直接影响加工稳定性和加工效果。自动进给调节系统伺服进给系统参数控制系统用于控制放电间隙的大小用于控制电火花成型加工中的各种参数,以便能够获得最佳的加工工艺指标等应用应用1)伺服进给系统的作用及要求定义:以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统,又称拖动系统或位置随动系统。作用:及时调整放电间隙。要求:(1)有较广的速度调节跟踪范围。(2)有足够的灵敏度和快速性。(3)有较高的稳定性和抗干扰能力。2)电液压式伺服进给系统在电液自动进给调节系统中,液压缸、活塞是执行机构。由于传动链短及液体的基本不可压缩性,因此传动链中无间隙、刚度大、不灵敏区小;又因为加工时进给速度很低,所以正、反向惯性很小,反应迅速,特别适合于电火花加工的低速进给,故20世纪80年代前得到了广泛的应用,但它有漏油、油泵噪声大、占地面积较大等缺点。10111298713Pt14151617123456P01—液压箱;2—溢流阀;3—叶片液压泵;4—电动机;5—压力表;6—滤油器;7—节流阀;8—喷嘴;9—电—机械转换器;10—动圈;11—静圈;12—挡板;13—压力14—液压缸;15—活塞;16—工具电极;17—工件A2A1ⅡⅠⅢ图2-10喷嘴—挡板式电液压自动调节器工作原理4.工作液过滤和循环系统蚀除产物一部分以气态形式抛出大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中,直径一般为几微米。动态:1)充斥在电极和工件之间2)粘连在电极和工件的表面上。后果:蚀除产物的聚集,会与电极或工件形成二次放电。这就破坏了电火花加工的稳定性,降低了加工速度,影响了加工精度和表面粗糙度。怎么办???方法一:使电极振动,以加强排屑作用;方法二:对工作液进行强迫循环过滤,以改善间隙状态。工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。电火花加工用的工作液过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等,使工作液强迫循环。~124356712811补油抽油139101—粗过滤器;2—单向阀;3—油泵;4—电极;5—安全阀;6—压力表;7—精过滤器;8—压力调节阀;9—射流抽吸管;10—冲油选择阀;11—快速进油控制阀;12—冲油压力表;13—抽油压力表冲油图2-11工作液循环系统油路图5.数控系统1)数控电火花机床的类型数控坐标轴的数目三轴数控电火花机床四轴联动电火花加工机床四轴三联动数控电火花机床五轴联动电火花加工机床六轴联动电火花加工机床数控系统规定除了直线移动的X、Y、Z三个坐标轴系统外,还有三个转动的坐标系统,即绕X轴转动的A轴,绕Y轴转动的B轴,绕Z轴转动的C轴。2)数控电火花机床的数控系统工作原理数控电火花机床能实现工具电极和工件之间的多种相对运动,可以用来加工多种较复杂的型腔。目前,绝大部分电火花数控机床采用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等。ISO代码编程ISO代码是国际标准化机构制定的用于数控编码和程序控制的一种标准代码。代码主要有G指令(即准备功能指令)和M指令(即辅助功能指令)代码功能代码功能G00快速移动,定位指令G81移动到机床的极限G01直线插补G82回到当前位置与零点的一半处G02顺时针圆弧插补指令G90绝对坐标指令G03逆时针圆弧插补指令G91增量坐标指令G04暂停指令G92制定坐标原点G17XOY平面选择M00暂停指令G18XOZ平面选择M02程序结束指令G19YOZ平面选择M05忽略接触感知G20英制M08旋转头开G21公制M09旋转头关G40取消电极补偿M80冲油、工作液流动G41电极左补偿M84接通脉冲电源G42电极右补偿M85关断脉冲电源G54选择工作坐标系1M89工作液排除G55选择工作坐标系2M98子程序调用G56选择工作坐标系3M99子程序结束G80移动轴直到接触感知以上代码,绝大部分与数控铣床、车床的代码相同,只有G54、G80、G82、M05等是以前接触较少的指令,其具体用法如下:表2-2工作坐标系G54工作坐标系0G55工作坐标系1G56工作坐标系2G54:工作坐标系目的:在加工或找正过程中定义工作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