第二章-电火花加工的基本原理及设备

第二章电火花加工的基本原理及设备第二章电火花加工的基本原理及设备2.1电火花加工的物理本质及特点2.2电火花加工机床简介2.3电火花线切割加工机床简介习题第二章电火花加工的基本原理及设备2.1电火花加工的物理本质及特点2.1.1电火花加工的物理本质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(如图2-1所示)：第二章电火花加工的基本原理及设备图2-1电火花加工原理脉冲电源工具电极工件电极(a)(b)(c)(d)(e)BA第二章电火花加工的基本原理及设备(1)极间介质的电离、击穿，形成放电通道(如图2-1(a)所示)。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的A、B处电场强度最大。工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。第二章电火花加工的基本原理及设备(2)电极材料的熔化、气化热膨胀(如图2-1(b)、(c)所示)。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。第二章电火花加工的基本原理及设备(3)电极材料的抛出(如图2-1(d)所示)。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。第二章电火花加工的基本原理及设备(4)极间介质的消电离(如图2-1(e)所示)。加工液流入放电间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。第二章电火花加工的基本原理及设备上述步骤(1)～(4)在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，即单个脉冲放电结束，经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成(如图2-2所示)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。第二章电火花加工的基本原理及设备图2-2电火花表面局部放大图(a)单脉冲放电凹坑(b)多脉冲放电凹坑第二章电火花加工的基本原理及设备2.1.2电火花加工、电火花线切割加工的特点1．共同特点(1)二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。(2)二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。(3)最小角部半径有限制。电火花加工中最小角部半径为加工间隙，线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙。第二章电火花加工的基本原理及设备2．不同特点(1)从加工原理来看，电火花加工是将电极形状复制到工件上的一种工艺方法(如图2-3(a)所示)。在实际中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工)(如图2-3(b)、(c)所示)；而线切割加工是利用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法，如图2-4所示。第二章电火花加工的基本原理及设备图2-3电火花加工3456721(b)穿孔加工(c)成型加工电极工件电极工件1—工件；2—脉冲电源；3—自动进给调节系统；4—工具；5—工作液；6—过滤器；7—工作液泵(a)电火花加工原理示意图第二章电火花加工的基本原理及设备图2-4线切割加工(a)加工示意图543211—绝缘底板；2—工件；3—脉冲电源；4—滚丝筒；5—电极丝(b)线切割加工原理示意图第二章电火花加工的基本原理及设备(2)从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方法加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进行轮廓图形加工，余料仍可利用。(3)从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极(一般用铜、石墨等材料制作而成)；线切割加工用移动的细金属导线(铜丝或钼丝)做电极。(4)从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，易损耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于电极丝连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。第二章电火花加工的基本原理及设备(5)从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹等(如图2-5(a)所示)；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件(如图2-5(b)所示)。第二章电火花加工的基本原理及设备(a)电火花加工产品(b)线切割加工产品图2-5加工产品实例第二章电火花加工的基本原理及设备2.2电火花加工机床简介2.2.1机床型号、规格、分类我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。例如D7132中，D表示电加工成型机床(若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK)；71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320mm。在中国大陆外，电火花加工机床的型号没有采用统一标准，由各个生产企业自行确定，如日本沙迪克(Sodick)公司生产的A3R、A10R，瑞士夏米尔(Charmilles)技术公司的ROBOFORM20/30/35，台湾乔懋机电工业股份有限公司的JM322/430，北京阿奇工业电子有限公司的SF100等。第二章电火花加工的基本原理及设备电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下)、中型(D7125～D7163)和大型(D7163以上)；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。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，以及带有工具电极库、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。第二章电火花加工的基本原理及设备2.2.2电火花加工机床结构电火花加工机床主要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图2-6所示。第二章电火花加工的基本原理及设备图2-6电火花机床间隙参考值增益设定控制装置进给系统自动进给调节系统比较器放大器间隙传感器脉冲电源床身工作液循环过滤系统(a)原理图(b)实物第二章电火花加工的基本原理及设备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。因为电火花加工宏观作用力极小，所以对机械系统的强度无严格要求，但为了避免变形和保证精度，要求具有必要的刚度。主轴头下面装夹的电极是自动调节系统的执行机构，其质量的好坏将影响到进给系统的灵敏度及加工过程的稳定性，进而影响工件的加工精度。机床主轴头和工作台常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、油杯等。本节主要介绍平动头。第二章电火花加工的基本原理及设备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。平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。当用单电极加工型腔时，使用平动头可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差。第二章电火花加工的基本原理及设备平动头的动作原理是：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。具体平动头的结构及原理可以参考其他书籍。目前，机床上安装的平动头有机械式平动头和数控平动头，其外形如图2-8所示。机械式平动头由于有平动轨迹半径的存在，它无法加工有清角要求的型腔；而数控平动头可以两轴联动，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。第二章电火花加工的基本原理及设备图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)电极在最下电极第二章电火花加工的基本原理及设备(a)机械式平动头(b)数控平动头图2-8平动头外形第二章电火花加工的基本原理及设备与一般电火花加工工艺相比较，采用平动头电火花加工有如下特点：(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。第二章电火花加工的基本原理及设备2.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380V、50Hz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。第二章电火花加工的基本原理及设备(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