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特种加工第2讲——电火花II和电火花线切割清华大学基础工业训练中心徐伟国内容参考学时（16）第1章概论……………………0.5第2章电火花加工……………4.0(其中实验1.0)第3章电火花切割加工………3.5(其中实验1.0)第4章电化学加工……………1.0第5章激光加工………………2.0(其中实验1.0)第6章电子束和离子束加工…1.0第7章超声加工………………2.0(其中实验1.0)第8章快速成型技术、其他特种加工…1.0文献评述和课程总结……………………1.0特种加工课时预计安排第2章电火花加工——穿孔与成形加工2.1加工基本原理、特点、分类和适用范围2.2电火花加工系统（典型机床）2.3电火花加工工艺及基本规律2.4电火花加工应用实例2.2.2.4伺服进给、控制系统1）电火花加工伺服进给系统2）间隙蚀除特性曲线和进给调节特性曲线3）自动进给调节系统的基本组成1）电火花加工伺服进给系统在电火花成型加工中，电极与工件必须保持一定的放电间隙。由于工件蚀除和电极损耗，放电间隙将不断扩大。间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时电极需要重新调节到适宜的放电间隙。在实际生产中，放电间隙变化与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。这种不等速的伺服进给系统也称为自动进给调节系统。2）间隙蚀除特性曲线和进给调节特性曲线可根据加工条件变化自动调整放电间隙，取得最佳的加工效果，图中的是自适应控制产生的基础。早期采用液压伺服进给；再采用步进电机；目前普遍采用交、直流伺服电机;先进的采用直线电机进给。Ⅰ—间隙蚀除特性曲线Ⅱ—自动进给调节特性曲线纵坐标vw——蚀除速度纵坐标vdA—空载速度纵坐标vd—进给速度横坐标s—放电间隙值横坐标Ue—与s对应的放电间隙平均电压最佳放电间隙SB最大蚀除速度在B点（理论点）自适应控制系统，自动使曲线Ⅱ交曲线Ⅰ于最高点B或附近，处于最佳放电状态。3）自动进给调节系统的基本组成1）调节对象：极间放电间隙2）测量环节：测量间隙电压的信号3）比较环节：比较电压差4）放大驱动器：一般采用晶体管放大5）执行环节：伺服电机最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在整流器后面，是Uc便通过负载电阻Rfz放电。由于C和Rfz较大，放电速度很慢，在e2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当e2下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻Rfz：两端）便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图5-10（a）（b）中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。理想情况：进给速度=蚀除速度图2精密数控电火花加工脉冲电源系统框图自动保持和维持电极端面放电间隙；自适应系统：可根据加工条件变化自动调整放电间隙，取得最佳的加工效果。2.2.2.5数控工作台（数控系统Numericalcontrolsystem）1.单轴数控系统2.多轴数控系统1.单轴数控系统1)单轴数显在主轴导轨上安装磁栅或光栅尺：将主轴、工具电极的位移量数字化显示出来。成为高性能的手工操作机床。控制定位精度为±0.01mm。2）步进电机（或带细分电路）：Stepmotor分两路数字化信号，一路控制速度快慢：快慢信号“0”、“1”的变化频率高时，转速就高；反之亦然。另一路控制正、反转（方向）：信号为“0”时，电机正转；信号为“1”时，电机反转。但步进电机的高速和低速性能不太稳定。3）交、直流伺服电机（AC、DC）性能不断提高，价格不断下降，广泛用于各种高、中档电加工机床的数控系统中。每个脉冲的数控分辨率可达1µm。三种数控进给系统的控制方式：1)开环控制（图2-24a）特点：在执行环节之后，没有检测环节，未建立起反馈联系。控制精度不高。2)半闭环控制（图2-4b）特点：在执行环节后设置有测量环节（电机同轴安装有码盘，告知指令系统已转过的转角），建立了反馈联系。有所约束，可减少误差。3)闭环控制（图2-4c）特点：在控制对象上（例如主轴或工作台）安装有光栅等位置测量环节，可随时反馈被控制对象的位置，进行“多退少补”，这就是全闭环系统。全面约束，控制精度高。步进电机伺服电机直线电机2.多轴数控系统1）ISO代码：国际通用的标准代码，用于数控编程和控制。代码中分别有G指令和M指令：G指令：准备功能指令M指令：辅助功能指令数控系统Numericalcontrolsystem数控摇动加工（对比）平动：主轴头上的平动头使工具电极向外逐步扩张的运动。摇动：工作台使工件电极向外逐步扩张的运动。平动和摇动都属于精加工平动是平面运动——主轴运动摇动可以是空间运动——工作台运动摇动的作用：可以逐步修光侧面和底面的表面粗糙度Ra值到0.8-0.2µm；可加工出清棱清角的侧壁和底边；可以变全面加工为局部面积加工；有利于排屑和稳定加工；X＋Y＋X－Y－电极2.2.2.6工作液循环过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，通过泵产生的压力，强迫使工作液循环流动并过滤。2.3电火花加工工艺及基本规律2.3.1影响金属蚀除率的主要因素2.3.2加工速度和工具电极损耗速度2.3.3影响电火花加工精度的主要因素2.3.4电火花加工的表面质量机械加工：靠刀具或模具切削时金属的塑性变形或脆性断裂去除表层材料。电火花加工：靠电能的瞬时、局部放电产生的高温来熔化和气化导电材料。由于二者的加工原理不同，因此加工的基本规律也不同。比切削加工复杂得多。2.3.1影响金属蚀除率的主要因素影响金属蚀除率的因素主要有：极性效应，放电参数，电极材料，工件材料，及其他因素。1.极性效应在放电加工中，无论工具还是工件（正极或负极）都会程度不同地受到电蚀。即使用钢打钢，材料相同与极性不同，电蚀量也不同。因此单纯由正、负极性不同而引起的电蚀量不同的现象称为极性效应。工件接正极：正极性加工（一般采用）工件接负极：负极性加工（反极性加工）产生极性效应的原因：(1)蚀除能量在两极分配不均匀；(2)大量电子（非常轻）高速轰击工件阳极；离子（重）低速奔向负极。从而导致工件蚀除快，工具蚀除慢。从提高生产率和减少工具损耗来看，极性效应越显著越好。研究表明，当采用负极性加工时，此时工具为正极，可以吸附从煤油中游离出的碳微粒，形成黑膜减少电极损耗。因此在精加工时，有时可利用这点。2.放电参数指放电加工时人为选择的参数：脉宽、脉间、峰值电压、峰值电流等。期间起最大作用的是脉宽（或放电时间）和放电峰值电流。单个脉冲的放电能量等于脉宽（放电时间）乘以峰值电流。脉冲间隔太大，会影响放电频率，从而降低平均蚀除率;脉冲间隔太小，热量没有充分利用，也会影响平均蚀除率。3.电极材料（工具与工件）主要受热学常数影响：指熔点、沸点（气化点）、热导率、比热容、熔化热和气化热等。热量消耗如下：（1）工具电极和工作液；（2）使局部金属达到熔点（比热容）；（3）熔化材料所需热量（熔化热）；（4）使熔化的金属升温到沸点（比热容）；（5）使熔融金属气化（气化热）；（6）使金属蒸汽转变为过热蒸汽（比热容）。4其他因素工作液的种类和性能、选择的冲抽油流速流量、进给是否稳定等。很复杂。避免二次放电图4-49油杯结构图冲油34120.5567抽油1—工件；2—油杯管；3—管接头；4—抽油抽气管；5—底板；6—油塞；7—油杯体2.3.2加工速度和工具电极损耗速度放电加工时，工件和工具同时受蚀。加工速度：单位时间内工件材料的电蚀量称为加工速度；损耗速度：单位时间内工具材料的电蚀量称为损耗速度。它们是一个问题的两个方面。1.加工速度表示：体积加工速度：单位时间蚀除的体积量vw=V/t（mm3/min）质量加工速度：单位时间蚀除的质量（测量方便）vm=M/t（g/min）电火花成形加工的加工速度：粗加工：200~1000mm3/min,Ra：10~20μm半精加工：20~100mm3/min,Ra：2.5~10μm精加工：10mm3/min以下,Ra：0.32~2.5μm规律：随着表面粗糙度数值下降，加工速度明显降低。2.工具电极相对损耗速度和相对损耗比工具损耗速度vE，工件加工速度vW，相对损耗速度或相对损耗比：θ=vE/vW×100%表4-2表面粗糙度与最小加工余量的关系表面粗糙度Ra/μm最小加工余量低损耗规准的范围(θ1%)50～2512.56.33.21.60.80.5～110.20～0.400.10～0.200.05～0.100.05以下在电火花加工中，降低工具电极损耗意义重大。为了降低其损耗，可采取下列措施：(1)正确选择极性一般短脉冲精加工选用正极性加工，而长脉冲粗加工则选用负极性加工。(2)利用吸附效应电加工的工作液煤油分解的碳微粒一般带负电荷，在电场作用下逐步向正极移动，并吸附在正极表面，形成一层均匀、致密的黑膜，对工具电极起着保护作用。此时工件接负极，采用负极性加工。(3)选用合适的电极材料：常用：铜、石墨较常用：铜碳、铜钨、银钨合金不常用：纯钨和纯钼（快速走丝线切割常用钼）。当峰值电流与脉宽之比满足下列条件时，可获得低损耗加工：石墨电极加工钢：ie/te≤0.1~0.2μs铜电极加工钢：ie/te≤0.06~0.12μs钢电极加工钢：ie/te≤0.04~0.08μs电火花加工常用电极材料的性能电加工性能电极材料稳定性电极损耗机加工性能说明钢较差中等好在选择电规准时注意加工稳定性铸铁一般中等好为加工冷冲模时常用的电极材料黄铜好大尚好电极损耗太大紫铜好较大较差磨削困难，难与凸模连接后同时加工石墨尚好小尚好机械强度较差，易崩角铜钨合金好小尚好价格贵，在深孔、直壁孔、硬质合金模具加工中使用银钨合金好小尚好价格贵，一般少用2.3.3影响电火花加工精度的主要因素1．放电间隙的大小和一致性(间隙变化影响加工精度)2．工具电极的损耗及稳定性；3．放电参数的影响、加工规准（粗加工、精加工）；4．电蚀产物导致的“二次放电”5．伺服进给机构工作的稳定性尖端放电2.3.4电火花加工的表面质量表面粗糙度、表面变质层、表面力学性能1．表面粗糙度主要与单个放电脉冲的能量有关。机械加工表面有刀痕，刀纹有方向性。而电火花加工的表面由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，有利于保存润滑油。2．表面变质层从最表层向里，主要有熔化凝固层和热影响层，还有从表层开始的显微裂纹。1）熔化凝固层：最表层，小于0.1mm2）热影响层：金相组织发生变化，与基体材料无明显界限。3）显微裂纹：与放电能量密切相关。高温急冷导致裂纹。由于存在表面变质层，因此在放电加工之后，如果表面要求高，必须有精加工工序。如果Ra值≤1.25μm，不易出现裂纹。3．表面力学性能主要包括显微硬度和耐磨性、残余应力、抗疲劳性能1）显微硬度和耐磨性：一般高于基体材料，耐磨性好；对某些淬火钢可能稍低。2）残余应力：由于瞬时的热胀冷缩产生残余应力，以拉应力为主。残余应力大小与放电能量有关。3）抗疲劳性能：存在残余应力和显微裂纹，因此，抗疲劳性能一般较差。采用回火处理和喷丸处理，可使拉应力转化为压应力，提高抗疲劳性能。采用小规准精加工或进行机械抛光去除表面变质层。手工研磨平面1.电火花简单穿孔加工2.去除折断在工件中的丝锥、钻头等3.电火花套料加工2.4电火花加工应用实例1.电火花简单穿孔加工电火花穿孔加工一般应用于冲裁模具加工、粉末冶金模具加工、拉丝模具加工、螺纹加工等。本节以加工冲裁模具的凹模为例说明电火花穿孔加工的方法。凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，因此，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1(如图4-2所示)，单边火花间隙值为SL，则L2=L1+2SL图4-2凹模的电火花加工L2L1SL电火花成型加工方法电火花成型加工和穿孔加工相比有下列特点：(1)电火花成型加工为盲孔加工，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差。(2)型腔多由曲面组成，且在一个型腔内常有各种圆角、凸台或凹槽，结构复杂。这就使得加工中电极的长度和型面损耗不一，故损耗