西工大特种加工第2章-24.ppt

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1、第二章 电火花加工,电火花加工-放电加工-EDM-电蚀加工 （我国） （日、美、欧） （俄、东欧） EDM: electrical discharge machining 电火花加工 : 工具、工件之间不断产生脉冲性的火花放电，依靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来,2.1 电火花加工的基本原理,2.1.1 电火花加工原理（电腐蚀一直作为一种该如何避免的有害现象来研究，但一段时间后，有人想到能否利用这种现象来去除金属材料？） 原理：在液体介质中，基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象，通过两极间的相对进给，蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定要求

2、 关键词：脉冲放电、相对进给、液态介质,实现电火花加工的条件 1、电极、工件经常保持一定的放电间隙（几m到几百m）；(电场强度) 工具电极的自动进给调节装置 2、火花放电必须是瞬时性的脉冲放电（短于1ms)；(避免形成连续性的电弧放电) 高频脉冲电源 3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行；进一步确保放电的脉冲性，并更好地排屑 基于以上分析，考虑到机械架构，设计出电火花加工机床,2.1.2 电火花加工机床的设备组成 1、电源控制柜（起到大脑、心脏作用） * 电源，提供电能（电流、脉冲宽度等） * 自动进给控制系统，检测、控制间隙 多轴联动控制系统,（X-Y-Z-C-A五轴联动） *

3、 电参数调整，放电能量改变（脉冲宽度、抬刀等） * 座标设定、移动、电极定位操作，等 电参数数据库及专家系统，常见电极-工件电参数 自动、手工编程系统（利用专家系统自动编程） 文件（程序）管理系统（编辑、修改、删除，等） 系统维护（加工速度显示、加工时间等） 安全（液面控制、灭火控制，等） 显示器、键盘、手控操作盒,2、床身、工作台、油槽 床身 X-Y-Z直线移动 A主轴装旋转头，电极旋转（恒速旋转、定位分度） C旋转工作台，工件旋转（恒速旋转、定位分度） 工作台 安装工件、 安装C旋转工作台 油槽 盛装工作液 （有门式和升降式） 上、放油机构 冲油机构 灭火器、灯 关键：轴的移动和旋转精度

4、3、主轴，提供A主轴旋转运动，Z轴直线移动，夹持电极 4、工作液系统，工作液循环、过滤、降温（空调,2.1.3 电火花加工基本过程,1、电极趋近工件 2、间距足够小时，E急剧增大，击穿绝缘介质，放电， 3、局部、瞬时高温，熔化、汽化金属材料，在液体介质中微爆炸，抛除材料，蚀除工件 4、第一个脉冲结束，第一次放电结束，放电区恢复绝缘 5、第二个脉冲开始，在E足够大时，第二次放电开始，如此循环 6、达到预定深度，加工结束 。（No.2,电火花加工简略讨论,1、实际加工时，由于 1）、大量微细蚀除产物存在于放电区 2）、自动进给系统的响应（过进给、缓进给） 3）、工作液的洁净情况等 出现短路、开路、

5、拉弧、正常脉冲多种情况； 2、电极与工件间的距离有波动； 3、由于E必须达到一定临界值才会放电，且放电过程复杂，电火花加工过程，实际上是一个不很准确的形状（型腔、型孔或圆孔）复制过程； 4、加工状态的稳定，与电参数、进给速度、加工深度等多种因数有关； 5、工具电极有一定损耗,2.2 电火花加工的特点及应用,2.2.1 电火花加工的优点 a、适合于难切削导电材料的加工 淬火钢、高温合金、钛合金、硬质合金等 电火花加工时，材料的蚀除特性，主要取决于： 1）、材料的导电性 2）、熔点、沸点 3）、比热容 4）、导热系数 等 几乎与强度、硬度、韧性、脆性等机械力学性能无关。 因此，电极材料一般选（锻制

6、紫铜（导电、导热性好）、石墨（导电性好、熔点高）、铜钨合金（价格贵）。前两者易制作、损耗小、成本不太高,b、可以加工特殊、复杂形状，或低刚度的零件 微型电机轴的小半圆键槽（0.4mm厚）； 某传感器用0.050.005mm厚的细颈； 型腔贯通槽、孔（1 2 3 4）； 简单电极（棒状、片状）加工复杂形状零件， 即，电火花展成加工；（低刚度，内螺旋齿） （NO.03,2.2.2 电火花加工的局限性 a、主要适合于导电材料的加工 在一定条件下，可以加工半导体材料甚至非导电材料，处于研究阶段，效果应该一般； b、加工速度较慢（与蚀除特点有关，特别是小面积） 1、当余量过大时，可采用切削加工方法（或

7、其它特种加工方法）去除大部分余量（大型腔）； 2、可用较大能量来粗加工，用小能量来精加工（辅以电极摇动），一个电极完成粗、精加工。3、多电极更换,c、加工成型精度不是特别高 由于存在电极损耗，即使低于0.1%（体积损耗），尖角处的损耗也较为明显；不过，尖角处的损耗变圆，对应于型腔根部，相应形成一个小圆角，常常（但不永远允许）有利于提高工件的疲劳寿命。 d、最小脚部半径有限制 除了尖角损耗，还有放电间隙存在，有时圆角难以避免；相应地，工件型腔中绝对的清角或很小的圆角，对切削加工也有难度,2.3 电火花加工工艺方法分类,1、穿孔及成型加工（穿孔的过程就是成型加工） 2、电火花线切割加工 3、电火花

8、磨削（工具电极与工件具有类似磨床运动形式的电火花加工，电极、工件一般都旋转，能量较小；可用于磨削微细薄壁等易变形的零件和深槽狭缝等） 4、电火花展成加工（含电火花铣削） 5、电火花小孔加工（含深孔加工） 6、表面强化、表面改性（利用放电产生的高温使电极瞬间熔化,并与基体发生冶金化学反应形成涂层。涂层成分不同,具有耐磨、耐蚀等不同功能。涂层的厚度可控,成分和硬度分布具有梯度性。） 7、刻字,2.4 电火花加工机理,所谓机理，就是金属材料被去除的微观物理过程。 电火花放电加工区具有狭小、复杂、动态的特征，材料每次被蚀除的微观过程是电动力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。 到

9、目前，尚有未研究清楚并难以完全研究清楚的部分。 但大致可分为以下几个连续的阶段,一、极间介质的电离、击穿，形成放电通道 （电极、工件）脉冲电压 不均匀E，尖端局部E达到约100伏/m 阴极表面出现场致电子发射，碳粒、胶体、 金属颗粒等导电介质及电子定向移动 碰撞电离，使带电粒子雪崩式增多 间隙电流，间隙电阻，间隙电压 形成电流密度很高的放电通道,二、介质热分解，电极材料熔化、气化，热膨胀 通道中的粒子，在电场作用下，动能迅速增加，通过碰撞， 又转变成热能； 在极短时间内，通道达到10000左右的高温， 该处的两极金属材料熔化、气化， 附近工作介质热分解，产生气体，并进而热膨胀。 由于时间极短，

10、数量极多，因而常有密集的轻微爆炸,三、电极材料的抛出,四、极间介质的消电离 脉冲电压结束，带电粒子复合为中性粒子； 放电通道迅速恢复绝缘。 完成一次放电,2.5 电火花加工中的基本规律,2.5.1 影响材料放电腐蚀的主要因素 材料放电腐蚀：工件材料腐蚀（关系加工速度） 电极材料腐蚀（关系电极损耗） 一、极性效应 现象：不管正负极材料是否相同，两极的蚀除量都不同，并常常相差很大。 概念：由于两极的正负极性不同，而彼此电蚀量不一样的现象，叫极性效应,产生原因： 1）、正、负电极分别受负电子（质量极小）和正离子（质量很大）轰击，在两极表面分配的能量不一样，熔化、气化量也不一样； 短（长）脉宽加工时，

11、电子（离子）对正（负）极的撞击作用较大； 2）、正电极表面，能吸附游离碳胶粒，形成碳黑膜，使正极损耗减小，即所谓“覆盖效应”。 （短脉冲分组脉冲，Cu-钢时，就采用工件接负的 “负极性加工”方式，类似于长脉宽加工。） 显然，短脉宽加工时，因电子对正极的撞击作用较明显，为尽快蚀除工件，宜将工件接正极，即“正极性加工”方式； 长脉宽加工时，宜将工件接负极，即“负极性加工”方式,二、电参数 单个脉冲的蚀除量q1与单个脉冲能量WM在一定范围内 成正比； 总的脉冲蚀除量 q = q1 下面推导的公式，得出：蚀除量 q 、蚀除速度 vw,与K、WM、f、等多种因素有关，特别是K和。 K：与te平均占比ti

12、有关 提高Vw的方法：提高 f，增大WM ，增大K， 提高 。 讨论：t0 相对 ti 过分小， 、K会减小； ti 增大，f 减小； ip过大，K会减小，电极损耗会加大； 因此：ti、t0、ip等，需根据具体情况合理搭配，使K值较大,te 的含义,三、金属材料热学常数对电蚀量的影响 热学常数：是指熔点、沸点、导热系数、比热容、熔化潜热、气化潜热等； 火花通道的热能消耗在：工作液及两极。 具体在两极上有：金属升温、金属熔化、熔融金属升温、金属气化、金属蒸气升温等； 具体在工作液上有：液体升温、气化、气体升温等 只有金属被熔化、气化，才能抛出，因而，热学常数与电蚀量有很大关系。 金属的熔点、沸点

13、比热容、熔化潜热、气化潜热等越高，电蚀量越小，导热系数越大，电蚀量越小,比热容和熔化潜热、气化潜热,1、比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的内能 ； Q=cmt ，Q表示热量， c表示比热容 2、熔化潜热，指物质从固态（熔点温度）变为液态或由液态变为固态时吸收或放出的热量。 纯铜（Cu）的熔化潜热为：13.02 kJ/mol；纯锡（Sn）的熔化潜热为：7.08 kJ/mol。 3、气化潜热，指物质从液态（沸点温度）变为气态或由气态变为液态时吸收或放出的热量。有时也称为蒸发潜热，单位是kJKg，或kJ/mol,对于各种不同材料，当脉冲能

14、量一定时，都会各有一个使材料电蚀量最大的 “最佳脉宽” 。这和热学常数有关。相应就有某“材料对”的最佳加工脉宽 ti。（某一试验条件下,四、工作液对电蚀量的影响 工作液的作用：形成放电通道，恢复绝缘； 压缩放电通道； 抛出、排除产物； 冷却。 粗加工时，由于放电间隙较大，排屑条件好，可以选用介电性能好、粘度稍大的机油； 中、精加工时，由于放电间隙较小，排屑条件较差，须选择粘度小、渗透性好的煤油类工作液,五、影响电蚀量其它因素 1、加工过程的稳定性 加工深度，加工面积，型腔复杂程度，工作液，工件材料等，都会影响加工过程的稳定性。有效脉冲利用率，定量表达了它。 可采取的措施：强迫冲油、定时（适频）

15、抬刀、减小电流、增大脉间 t 0、减小脉宽 t i 、减低进给速度等。 2、脉冲电源波形 分组脉冲波形 高低压复合脉冲波形 3、水基工作液 流动性好，电化学阳极溶解作用,2.5.2 电火花加工速度Vw 单位时间内，工件的电蚀量，称为加工速度。 分为：体积加工速度Vw= V / t （V为体积）（优先） 重量加工速度VG= G / t （G为重量） 影响因素：f（ti、t0）、极性、 WM（te、ip、火花维持电压）、K（电极对材料、电参数匹配情况、工作液、冲油、抬刀、进给速度、电压波形等,2.5.3电火花加工电极损耗 单位时间内，电极的体积电蚀量，称为损耗速度VE 。 用得更多的是电极相对损耗

16、较为直观。 = VE / VW 粗加工时，Vw较大，较小，可达0.1%以下，甚至无“损耗”，但粗糙度Ra 较大（较差）。 Vw 、 Ra是电火花加工的三个工艺指标。 电极相对损耗，影响成型精度、电极寿命、加工成本（时间、制作）等。 Ra，影响表面质量,影响电极相对损耗的因素： 一、极性 一般地， 短脉冲宽度，用工件接正的正极性加工； 长脉冲宽度，用工件接负的负极性加工； 加工钛合金，都采用正极性加工，短脉宽的正极性加工，VW高。 下图是某一加工条件下的- t i 图。 加工条件：6mm紫铜电极 ，工件为普通钢， 煤油工作液，矩形电压波形， 普通机床， ip（峰值电流）为10A,可见，负极性加

17、工，由于极性效应和覆盖效应等，可以实现0.1%的低损耗或“无损耗,二、覆盖效应（正极形成黑膜） 带负电的碳胶粒，会向正极移动，如果电极表面温度合适（低于熔点，但高于400），就有部分碳胶粒吸附在正极表面，形成一定厚度的化学吸附碳层 碳黑膜。 它起到保护、补偿电极的作用。 在加工稳定的前提下， 1）、ip、t0不变，ti适当增大，利于形成黑膜； 2）、ip、ti不变，t0适当减小，利于形成黑膜； 3）、冲油加工，降低了放电区温度，不利于形成黑膜，会加大电极损耗,三、利用传热效应，控制 ip 电流偏大（相对于加工面积、脉宽等）时，电流密度偏高，工具电极局部表面温度过高（高于沸点），电极损耗增大。

18、四、合适的电极材料 W、Mo等：熔、沸点高，但价格高，机械加工性差； 紫铜：熔点不太高，导热性好，价不太高，加工性好，损耗小；（锻制紫铜更好） 石墨：热学性能好，价不太高，加工性好，损耗小,考虑到上述因素，生产中一般采用： 负极性加工（较大脉宽） 石墨（紫铜）-钢 ip / te 0.10.2 A/s t e / t i , 一般有一估计值：0.3-0.8,2.5.4 影响加工精度的因素,1、机床本身的各种误差 X、Y、Z的直线度 Z轴与工作台面的垂直度 工作台面的平面度 X、Y间的垂直度 定位精度（包含重复定位精度） A轴、C轴的分度精度 等,2、工件、电极的制造、定位、安装误差,3、放电间

19、隙的大小及其一致性 放电间隙SKuuKRWM0.4Sm Ku：与介电强度有关的常数 u：开路电压或空载电压 KR：与加工材料有关的常数 WM：单个脉冲能量 Sm：与热膨胀、收缩、振动有关 S：随Ku、WM、Sm动态变化， S减小可提高仿型精度。高精度，伴随小Ra，宜用小能量终加工。精加工时，摇动使加工更稳定，但仿型精度下降,4、工具电极的损耗 影响尺寸、形状精度。 措施：更换电极，机械抛磨。例如：整体涡轮。 5、“二次放电”与“尖端放电” “二次放电”，指已加工表面由于电蚀产物的搭接，而发生的非期望的放电。 “尖端放电”，电极、工件的尖边尖角处，由于电场强度较大，在距离相同的条件下，易出现较严

20、重的电蚀，使型腔形状发生改变,2.5.5电火花加工表面质量,表面粗糙度： 无方向性的无数小坑和硬凸边构成不同于机械切削加工表面的表面形貌； 这种表面，有利于贮存润滑油，其表面润滑性能、耐磨损性能，均优于同Ra数值的机械加工表面。 RamaxKR te0.3 ip0.4 减小（改善） Ra，（te、ip减小更多）VW 迅速下降。 表面变质层： 熔化凝固层（电火花重熔层）常有微观裂纹 热影响层，在熔化凝固层和基体之间,表面机械性能 1、显微硬度（一般较高）； 2、 耐磨性 （一般较好）； 3、 残余应力拉应力（工件内部表层存在一个使工件表层或表面微观裂纹扩大的一个内应力）。 对于表面层要求较高的工

21、件，应尽量避免使用较大的加工参数（加工规准），或先大后小规准； 4、耐疲劳性能：存在拉应力、显微裂纹，因而耐疲劳性能较低。 可采用回火或喷丸处理来提高它,2.6电火花加工自动进给调节系统,任务：维持一定的放电间隙S，保证电火花加工正常、稳定地进行，以取得较好的加工效果。 2.6.1 自动进给调节原理 放电间隙S与蚀除速度VW有密切关系间隙蚀除特性曲线。 进给调节特性曲线：当间隙过大时，电极以较大的正向进给速度趋近工件；当间隙过小时，电极以较大的反向回退速度远离工件。通过间隙电压（平均值）与SV（伺服基准电压）的差值比较、放大，并反馈控制主轴的进退，以及进给快慢程度,2.6.2 执行元件,位置检

22、测是达到高精度的关键环节。 一般用精密光栅尺，进行机床移动（直线或旋转）位置的直接检测，并反馈到控制系统和执行元件。即所谓“全闭环控制”。 高精度机床，都采用“全闭环控制,2.7 电火花穿孔成型加工,2.7.1 应用范围 穿孔加工：冷、热冲压模 粉末冶金模 挤压模 型孔零件 小孔（圆孔、异型孔） 型腔加工：型腔模（锻模、压铸模、塑料模，等） 型腔零件 特点：可在淬火后加工，可制造出整体式结构，可减少镶拼模具结构,2.7.2型腔、型孔加工方法 a、单电极平动法 一个电极完成零件的粗、中、精加工；当中、精加工时，由于放电间隙减小，可逐步加大电极的平动量，修光型腔的底面、侧面。 优点：一个电极，一次

23、装夹，完成型腔的粗、精加工，电极定位方便。电蚀产物排除较易。常用。 缺点：粗加工时，电极易引起龟裂状积碳层，影响型腔表面 Ra。 办法：粗加工电参数略小，或在保证电极更换精度的条件下，取下（或不取下）修光,b、多电极更换法 多个外形完全相同，尺寸略有不同的电极，依次更换加工同一型腔，精度、表面质量较好，但需这些电极的形状一致性好，装夹、定位精度高。 c、分解电极法 主型腔电极 + 副型腔电极 优点：简化电极制造（不同Ra、精度、面积的表面，采用不同电规准，但需各电极的准确定位） 适用于大型复杂型腔零件,电极库（类似于加工中心的刀库功能）可作为分解电极法应用的辅助手段。 电极库：多个电极制造、调

24、试好以后，装在电极库中，自动按编制的程序，更换电极、设置不同电参数（脉宽、脉间、电流，等） 、非电参数（冲油、抬刀、旋转，等），加工出型腔。 优点：生产率高，但调试准备周期长，适合于中、大批量生产（不宜无人加工,2.7.3 典型零件加工工艺,层板（本校动力能源学院纵向项目） 某气流流场试验装置中的一个关键零件。 材料：1Cr18Ni9Ti 合计圆台数：1000多个 难度：圆台形状要求高、大面积排屑困难、不锈钢的电火花加工性差；厚为2mm的薄板易变形,微型发动机叶片环 30几个叶片槽 材料：高温合金 难点：粗糙度要求高、槽轮廓度要求高、槽的位置（尺寸、角向）要求高,燃烧室（小孔）内、外壁 中推、

25、大推发动机都有类似结构 现在可以简单地用高精度五轴数控机床加工 材料：高温合金 孔数：一千多，有五到七层，孔出口有障碍,焊接孔（堵塞）修通 电极运动空间小，电极制作是关键 某些堵孔，需斜向进给 电极定位（目视,2.7.4 小孔电火花加工 特点： 1）、加工面积小，深度常较深，直径一般为：0.05 - 2.0mm ，电极刚性差； 深径比（孔的深度 / 孔径）是衡量孔加工难度的重要指标； 2）、盲孔加工、排屑困难 因而，小孔加工时，不易散热、容易变形、电极损耗大； 3）、电极相对损耗有时会达到200-300% ，特别是复合材料小孔加工,采取措施（为了达到高效、稳定加工） 1）、加振动机构（在电极轴

26、向加电磁或超声的低幅高频振动） 2）、空心电极，辅以高压冲液，并旋转加工，空心直径一般0.1-0.2mm左右，中间冲液可提高电极刚性 3）、导向器（导套,2.7.5 电火花铣削（NO.07） 用相对简单（常为圆棒、圆管）的电极（旋转或不旋转），通过数控编程，实现零件二维或三维型面的展成加工。类似于金属切削加工中的“数控立铣”。是研究人员的喜欢的研究热点之一。 这种工艺有自身的许多缺点：电极损耗更为严重、加工效率更低、型面精度更低、Ra更差。 这些缺点很难（完全）克服。实际生产应用极少。 加工方式灵活,2.7.6 其它实用电火花加工方法,本章习题,1、影响电火花加工速度的因素有哪些？ 2、影响电火花加工精度的因素有哪些？ 3、影响电火花加工电极损耗的因素有哪些？ 4、电火花加工的自动进给调节原理？ 5、电火花加工表面质量的内容？ 6、电火花成型磨削的特点？ 7、电火花螺纹加工的特点？ 8、电火花铣削的特点,9、电火花型腔加工方法？ 10、电火花加工的三个主要工艺指标？ 11、电火花小孔加工的特点？ 12、覆盖（吸附）效应、极性效应的概念？ 13、电火花放电蚀除机理？ 14、实际加工时的电压、电流波形？ 15、电火花加工特点？ 16、电火花加工设备的主要组成部分