第4章型腔与型芯成型面加工.ppt

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1、4.3 成型面的电火花加工 一.电火花加工原理 在一定的加工介质中，利用两个电极之间产生火化放电时的电蚀效应来蚀除金属材料的加工方法。 电火花加工过程分析： 3.热膨胀：电子和离子高速运动时相互碰撞产生大量热，同时电子和离子撞击阳极和阴极也产生大量热，形成临时高温热源，温度可达5000C10000C。电极、工件熔化，介质气化或分解为游离的碳黑和H2、C2H2、C2H4等气体。,1.电离：工件与电极表面相距最近点处电场强度最大，液体介质首先被电离为电子和正离子。,2.放电：在电场作用下，电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，形成放电通道。电流强度可达到104107A/cm2 。,4.抛出金属：由于热

2、膨胀具有爆炸的特性（放电时间极短，10-710-5S），爆炸力将熔化和气化了的金属抛入介质中。 5.恢复介质绝缘状态：脉间时通道中带电离子复合为中性粒子，恢复绝缘状态。,二. 电火花加工的特点 1. 可以加工任何高硬度、高强度、高脆性、高韧性的金属材料。 2.有利于实现微细加工，电极制造方便：工件与电极不接触，不受工件和电极刚性限制 。 3.脉冲参数调节方便，可以一次装夹连续进行粗、半精和精加工，易于实现加工过程的自动化。 4. 加工精度高。精加工时，尺寸形状精度可达（0.010.001）mm, 表面粗糙度Ra可达（180.32）m 5.与切削加工相比，加工速度慢，加工量小,三.电火花加工常用

3、术语 1.放电间隙（）：指加工时工具电极和工件之间产生火化放电的距离间隙。其大小一般在0.010.5mm之间。 2.电规准（或电参数）：电火花加工时为达到预定的工艺指标而选用的电加工用量，主要有脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流、开路电压等脉冲参数。 ti脉冲宽度（s） t0脉冲间隙（s） tp脉冲周期（s） td击穿延时（s） te放电时间（s） i开路电压，即间隙开路时 电极间的最高电压（v），等于电 源的直流电压。一般晶体管方波脉冲电源i=80100V，高低压复合脉冲电源i=175300V e峰值电流（A），火花放电时脉冲电流最大值。,3.极性效应：在电火花加工脉冲放电过程中，工具电极和工件都

4、受到电腐蚀作用，即使是同一种材料，正、负两极的蚀除进度也不相同，这种现象称为极性效应。在电火花加工中，极性效应越明显越好。 4.正、负极性加工：以工件为准，工件接电源正极称为正极性加工，一般用于精加工；工件接电源负极称为负极性加工，一般用于高效率、低损耗加工。 5.加工速度（Vw或Vm)：单位时间(min)内从工件上蚀除金属的体积（或质量）（mm3/min,g/min）。大功率电源粗加工时Vw500mm3/min，精加工时通常 Vw20mm3 /min。 6.损耗速度（VE）：单位时间(min)内工具电极的损耗量（体积或质量）（mm3/min,g/min） 7. 电极相对损耗或损耗比：工具电极

5、损耗速度与工件加工速度之比。 体积(重量）相对损耗比： 式中 VE、VW电极损耗速度和工件加工速度,长度相对损耗比： 式中: h1工件已加工好的高度尺寸（mm） h2工具电极长度方向上已损耗的 高度尺寸(mm) H工件厚度（mm） 8. 面积效应：电火花加工时，随加工面积大小变化而加工速度、电极损耗比和加工稳定性等工艺指标随之变化的现象。一般加工面积过大或过小，工艺指标通常降低。这是由于电流密度过大或过小引起的。,四. 电火花成型加工方法 1. 电火花仿形加工 按照工件形状尺寸及其精度要求，将电极制造成与工件凸凹形状相反，尺寸精度相同，但留有加工余量，用以进行成型加工的方法，称为电火花仿型加工

6、。 1）单电极加工：,（1）单电极不加平动：使用一个整体式电极或者用有多个电极装配在一起的组合电极，不加平动或摇动，一次电火花成型的加工方法。,适用范围：主要用于加工深度很浅的型腔模，如各种纪念章、花纹、中英文字母等。另外也可用于型孔的加工、窄槽的加工。,（2）单电极平动法：使用一只成型电极，一次装夹定位，先用粗规准无平动加工，然后使用中、精规准加电极平动的方法完成整个型腔的加工。,特点：方便快捷、成本低 ，但难以获得高精度型腔，尤其是清楞、清角的型腔。 是最为常用的加工方法。,（3）单电极平动加工中所使用的平动头 （i）双偏心蜗轮蜗杆簧片式平动头：给电极一个平面圆周平移运动 。 （ii）数控

7、插补平动头：运用纵、横双向插补原理，通过程序由数控装置控制平动轨迹。为区别夹持在主轴上的平动头的运动，通常将其称为摇动。 （iii）三坐标伺服平动头：X、Y、Z三个方向作插补，实现三坐标伺服摇动。如球形摇动、圆柱形摇动、3轴放射摇动,2）多电极更换法 （1）多电极更换法：在没有平动或摇动加工的条件时，使用两个或两个以上电极依次更换加工同一型腔，一个作粗加工，其它作半精加工和精加工。 （2）特点：加工精度高， 表面质量好，可得到棱角 分明的型腔。但电极制造 精度高、安装调整复杂， 成本较高。 一般多电极更换法只用于 精密型腔的加工。,3） 分解电极加工法 （1）分解电极加工法：根据型腔几何形状，

8、把电极分解为主型腔电极和局部型腔电极，分别制造和使用。主型腔电极加工出主型腔，局部型腔电极加工尖角、窄槽、深槽等局部型腔。,（2）特点：可根据主型腔和局部型腔的不同要求，合理选用电极材料和加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面质量，同时简化电极制造。但更换电极时主型腔电极和局部型腔电极之间要求有精确的定位。,2. 展成法（创成法或CNC加工法 ） 1）展成法：利用简单电极通过编程实现X、Y、Z、U(C)轴的多坐标联动电火花加工。 2）特点：节省了电极制造工时，提高了加工质量。但要求具备自动化程度较高的数控电火花机床，一般具有46轴的伺服系统。,3）举例：用Z轴和C轴联动加工M10螺纹，螺纹

9、螺距t=1.5 G92X0Y0Z0C0； 零点设置 G10F50； 固定轴模式，进给速度 M88M80； 快速冲工作液，工作液体循环 E9905； 电规准 M84； 脉冲电源开 G90G01Z-15.0C-3600.； Z轴进给量，C轴旋转角度 M85； 脉冲电源关 M25G90G01Z0C0；Z轴C轴回零 G00Z100.； 快速抬刀 M02； 加工程序结束,3. 混粉电火花镜面加工 电火花加工很难得到表面粗糙度值很小的表面，尤其是面积稍大时（如大于10*10mm2),很难达到Rmax2m（Ra 0.32m）。,1）混粉电火花镜面加工原理 是在工作液中添加一定浓度的导电性硅、铝等微细粉末（直

10、径在12 m左右，否则容易沉淀），不断搅拌后注入油槽和工具电极与工件之间的放电间隙，从而改变电火花加工的放电状态，提高电火花加工速度，降低工件表面粗糙度，改善工件表面的耐磨、耐腐蚀性能，从而达到镜面加工效果。,2）大面积难于电火花光整加工的原因 （1）工件表面粗糙度：工件表面粗糙度是由电蚀凹坑直径和深度决定的，单个脉冲能量决定了凹坑尺寸。只有采用小能量脉冲（窄脉宽小电流），才能得到很小、很浅的放电凹坑。 （2）采用小能量脉冲的问题： 前期若干个脉冲只起充电作用，只有间隙电压达到击穿电压后才能形成火花放电，积累能量全部释放，形成大而深的放电凹坑。,3）混粉电火花加工可以大面积达到镜面效果的原因

11、（1）导电粉末降低了工作液的电阻率：放电间隙增大，工具电极与工件间的寄生电容减少，实际的单个脉冲能量降至很小，加工出很小得凹坑。此外，间隙大，排屑顺畅，加工稳定性提高。 （2）粉末在放电通道内串联进行二次、三次、多次放电，减小了工件表面的放电能量。故加工出的火花凹坑特别浅而小。 （3）导电粉末使每次火花击穿时的放电点均匀分散，再加上平动、摇动、抬刀，表面有相对运动，加工出的表面更均匀细致，加工也较稳定。 （4）混粉加工均采用正极性加工，电子经过较长的放电间隙达到工件表面时，放电通道直径增大，工件表面能量密度比正常情况下减小，大部分材料在熔化的液态下被抛出，形成直径较大、深度较浅的碟状浅坑，很少

12、有气化抛出的小而深的针型凹坑。 （5）硅粉、铝粉在高温、高压下的放电瞬间会与工件表面形成“玻璃体”或固熔合金层。表面更平整，耐磨损、耐腐蚀性能变好，模具寿命加长。,4）混粉与普通电火花加工电参数和加工效果的比较 普通电火花加工的电加工参数 混粉镜面电火花加工的电加工参数 不同加工方法的加工效果,电参数说明： ON：Electric discharge time 脉冲宽度 ON * (000990) 其中：000 ： 0.5s 001100 ： 1100s ， 间隔为1 s 101990： 100，105，110990s ，间隔为5s OFF: Electric discharge stop t

13、ime 脉冲间隙 IP: Electric discharge peak current 峰值电流 S: Servo speed 伺服速度 UP: Jump-up time 抬刀时间 DN: Jump-down machining time 下刀时间 PL: Polarity 加工极性 V: Main supply voltage 主电源电压 01 主电源电压90V，用于Cu_St加工 02 主电源电压120V，用于Gr_St加工,HP: Auxiliary power supply circuit control 辅助电源控制 为提高加工效率为主电源附加的辅助电源。 PP: PIKADEN

14、pulse, shutoff circuit control PIKADEN 脉冲回路控制 PIKADEN是一种能使电极损耗最小化的脉冲 C: Capacitor 电容选择 该参数定义了放电间隙的电容量，主要用于精加工。 JS: Jump speed 抬刀、下刀速度 LS: Loran speed and direction 摇动速度和方向 LS * 第一位数：摇动方向，（0，1，2） 0：正转两周后反转 1：CCW 2：CW 第二位数：摇动速度(09) ，由快到慢,五. 电极设计与制造 1. 电极材料的选择 1）对电极材料的要求 （1）具有良好的电火花加工性能 ：电极损耗小，加工效率高，加工

15、稳定性好，不易拉弧烧伤。 （2）具有良好的机械加工性能：易于制造，易于保证加工精度和表面质量。 （3）来源广泛，价格低廉。,2）常用电极材料及其性能,纯铜(紫铜)、黄铜、石墨性能比较： （1）纯铜： 机械加工性能：较差，不能精磨，需钳工修光。 电加工性能：加工稳定性好，不易拉弧，精密微细加工性能好，能作低损耗精加工。但粗加工时电极损耗大，加工电流不能太大，效率低。适用范围：中小型型腔。 （2）黄铜： 机械加工性能：较好，可以磨削。 电加工性能：加工稳定性好，不易拉弧，但电极损耗太大,一般不用于型腔的加工。 （3）石墨： 机械加工性能：易成型，但易崩角，脆性强度较低。 电加工性能：加工稳定性较好

16、，但易拉弧。粗加工电极损耗小,可以用大电流，效率高，但精加工时电极损耗比紫铜大，不能作低损耗加工。适用范围：大中型型腔。,2. 工具电极的结构形式 1）整体结构电极 2）阶梯式整体结构电极,3）组合结构电极 4）镶拼结构电极,3.工具电极尺寸设计（以单电极平动法加工为例） 1）理论计算公式 式中： a电极水平尺寸 A型腔水平尺 电极凸出部分，取-； 凹陷部分，取+ R与尺寸标注有关的系数。 R=0：中心距尺寸和角度尺寸 R=1：半径尺寸；R=2：直径尺寸 e单面平动量 最后一档规准放电间隙 j精加工电极损耗量（单面） c 粗加工电极损耗量（单面）,2）工程上使用的电极尺寸计算公式 式中： a电

17、极水平尺寸 A型腔水平尺 电极凸出部分，取-； 凹陷部分，取+ R与尺寸标注有关的系数。 R=0：中心距尺寸和角度尺寸 R=1：半径尺寸 R=2：直径尺寸 g电极单面收缩（扩大）量,3）电极单面精修量的确定 与电极截面面积与电规准有关,4. 加工斜度与脱模斜度 2）脱模斜度：0.53,1）加工斜度：介质中大量蚀除下来的金属微粒在间隙中二次放电以及电极损耗会形成侧壁加工斜度。,型腔平动加工后会形成1的脱模斜度，电极设计时可不考虑脱模斜度。如需要较大的脱模斜度，可在电极设计时另加标注。,5. 排气孔和冲油孔的设计 1）冲油与抽油 （1）冲油：如果连通到加工间隙的油管的液压高于加工间隙的液压，就会使

18、经过过滤后的纯净工作液冲入间隙，这种方式称为冲油。冲油因为有“二次放电”加工侧面会形成锥度。,上冲油：从工具电极的冲油孔向下冲油的方式，称为上冲油。用于复杂型腔或在没有预孔的情况下加工深小孔。,下冲油：从工件底部的冲油孔向工件的成型部位冲油的方式，称为下冲油。多用于直壁孔的加工（如冲模），或型腔模具本身具有可利用的孔（如顶杆孔）。,（2）抽油：如果连通到加工间隙的油管的液压低于加工间隙的油压，就会使加工间隙被污染的工作液抽吸而流出加工间隙，这种方式称为抽油。当加工侧面要求锥度特别小时宜选用抽油方式。,2）冲油孔、排气孔的大小和位置 （1）大小：不大于平动头平动量的2倍，一般设计直径为12mm

19、（2）位置：冲油孔设计在难于排屑的位置；排气孔设计在蚀除面积较大的位置和电极端面有凹入的位置。 （3）数量：以放电蚀除物不产生堆积为宜。,6.工具电极的制造 1）电极加工方法：机械加工，线切割，钳工研抛。紫铜难以磨削，需钳工研抛达到较好的表面粗糙度。石墨材料加工时容易碎裂、粉末飞扬，加工前需将石墨材料在工作液中浸泡23天。 2）电极的拼合与固定 组合式电极的拼合刻采用螺栓联结或用环氧树脂、聚氯乙烯醋酸液等粘合剂粘结而成，然后紧固在电极固定板上。石墨电极拼合时应注意石墨材料的方向性。,七. 电火花成型加工工艺 1.电规准的选择 1）电条件对工艺指标的影响 工艺指标：加工速度、加工精度、表面粗糙度

20、、电极损耗 （1）脉冲宽度on对工艺指标的影响,脉冲宽度越大，单个脉冲能量越大，加工速度越快、表面粗糙度越大、电极损耗比越小、加工精度越低。,（2）峰值电流IP对工艺指标的影响,在一定脉冲宽度下，峰值电流越大，单个脉冲能量越大，加工速度越快、表面粗糙度越大、加工精度越低、电极损耗越大。,2）电规准 （1）粗规准： 大脉宽（ on 400us）；大电流，电流密度与加工面积有关，加工面积小，取小值，面积大，取大值；电极损耗小（20kHz）；电极相对损耗大（20%30%）；正极性加工，加工时平动修光，强迫排屑或定时抬刀。 脉冲间隙取脉冲宽度的23倍。,3）电规准的转换与平动量的分配 （1）加工规准档

21、数的确定：依据尺寸大小、结构形状、加工深度而定。一般地，粗规准：1档；中规准：24档；精规准：24档 （2）加工规准的转换：达到本档应具有的表面粗糙度后，及时转换规准。 （3）平动量的分配：,电极的平动量主要取决于被将工表面由粗变细的修光量。一般中规准平动量占总平动量的75%80%；精加工平动量在中规准加工完毕后实测确定。,每当规准总平动量的大小： 总平动量=粗加工放电间隙+修光量精加工放电间隙 即： e=(c- j)+s,修光量：从本档规准开始放电起到将上档规准的放电凹坑完全消除所需的平动量增量。该值由实验测定。,修光量测量方法：放电开始时记下偏心量，逐渐增大偏心量，待上档规准的放电凹坑刚刚

22、全部消失，变成本档规准的放电凹坑时，再记下偏心量。二者之差即为本档规准应有的修光量。,4.4 电火花线切割加工,一、线切割加工原理及特点,1、电火花线切割加工原理 电火花线切割加工是利用连续移动的金属丝作电极，利用电极和工件之间脉冲放电时的腐蚀作用，对工件进行加工的一种工艺方法。加工时工件接脉冲电源的正极，电极丝接负极，利用电极丝和工件在水平面内的相对运动切割出各种形状的工件。,电火花线切割加工示意图,2、 电火花线切割加工的特点 （1）不需要制造成型电极，工件材料的预加工量少。 （2）能方便地加工复杂形状的工件、小孔和窄缝等。 （3）脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄，属中、精加工，所以采

23、用正极性加工，即脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝。 （4）由于电极是运动着的长金属丝，单位长度电极丝损耗较小，所以当切割面积的周边长度不长时，对加工精度影响较小。 （5）只对工件进行轮廓加工，故余料还可以利用。 （6）工作液选用乳化液或去离子水等，而不是煤油，可以节省能源物资，并防止着火。 （7）自动化程度高，操作方便，加工周期短，成本低，较安全。,二、线切割机床的型号及分类 1.电火花线切割加工机床的型号 机床型号表示方法： DK * # 例如，DK7725表示工作台横向行程为250 mm的电火花数控线切割机床，型号中的字母及数字含义为： D机床类代号(电加工机床)； K机床特性代号(数控

24、)； 7组代号(电火花加工机床)； 7系代号(高速走丝线切割机床为7，低速走丝线切割机床为6，电火化成型机床为1)； 25基本参数代号(工作台横向行程250 mm),2. 电火花线切割加工分类 （1）按电极丝运转方式：往复走丝和单向走丝。往复走丝速度高（7m/s11m/s），简称为快走丝；单向走丝速度低（低于250 mm/s），又称慢走丝。 （2）按控制方式可分为靠模仿型控制、光电跟踪控制和数字控制。 （3）按脉冲电源形式可分为可控硅脉冲电源、RC电源、晶体管电源及自适应控制电源等。,三、线切割加工工艺条件,1.电条件 主要包括：脉冲波形、脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流、峰值电压。,（1）脉冲波

25、形（GP） 常用波形：矩形波、前阶梯波、分组脉冲电源,矩形波：广泛应用于快走丝线切割。加工效率高、加工范围宽、稳定性好。但这种波形不能兼顾加工速度和表面粗糙度。适用于一般精度和表面粗糙度加工。,分组脉冲电源 每组高频脉冲间有较长的间歇时间，以充分消电离，保证加工的稳定性。具有低频脉冲电源加工速度高和高频脉冲加工表面粗糙度值小的双重优点。适用于薄形工件加工和高精度和低表面粗糙度加工。,（2）脉冲宽度（ON） 增大脉宽，切割速度随之增大，但超一定值后，速度反而下降。采用增大脉宽的方法提高切削速度，效果不及提高峰值电流的方法显著。 增大脉宽，电极丝损耗减小。 脉冲宽度设置（ON+1）us。精加工脉宽

26、在20us以下，半精加工一般为2060us。,（3）脉冲间隙（OFF） 减小脉间，切割速度提高，表面粗糙度稍有增加。但不能过小，受间隙绝缘状态回复速度的限制。 工件加工性能差、厚度大、排屑不畅，取脉宽的58倍；厚度小、电加工性能好的，取35倍。 脉冲宽度设置（OFF+1）x5us。一般在10250us。,（4）峰值电流（IP） 增大峰值电流（增加功率管数），加工速度增大，表面粗糙度值也增大。 对中等厚度工件：精加工34只管子，半精加工56只管子 对大厚度工件：精加工56只管子，半精加工69只管子。,（5）峰值电压或开路电压（V） 间隙开路时的最高电压。 对线切割有两种选择：“0”常压，加工时选

27、择；“1”低压，工件找正或校丝时选择。,（6）间隙电压或加工电压（SV） 放电间隙两端的平均电压。用来控制伺服运动的参数，SV取值适中，加工过程稳定。 加工是否稳定的测试方法： 观察电流表：表针间隙性前摆，SV过小；表针不动，稳定。 观察示波器电压波形：加工时波浓，开路短路波弱，SV恰当；开路或短波浓，则需调整SV，使加工稳定。 SV取值：一般为0.20.3；薄工件0.10.2；厚工件0.30.4,2. 工作液 线切割加工中常用的工作液： （1）去离子水：冷却效果好，尤其是厚度较大的工件，容易获得较低值粗糙度的表面。但洗涤性能差，电蚀产物不易排除，同时电极丝在频繁冷热变化中易变脆，甚至断丝。

28、适用于慢走丝线切割。 （2）乳化液：加入洗涤剂、皂片等添加剂制成的乳化型工作液。冷却能力比水弱，但洗涤性能比水好，切割速度高。 适用于快走丝线切割。,3.电极丝 （1）常用电极丝材料 快走丝：钼丝、钨钼合金丝（W20Mo、W50Mo） 慢走丝：黄铜丝（与紫铜丝相比，能产生较大的侧向间隙，切割速度高）,（2）电极丝直径 常用电极丝直径：0.12、0.14、0.18、0.2mm 电极丝直径越大，加工速度越快，对切割大厚度工件更为有利，同时，加工表面粗糙度变差。,（3）电极丝张力 电极丝张力越大，电极丝振幅变小，切缝变窄，切割速度越快。但张力过大，易断丝，影响切割速度。,（4）走丝速度 加大走丝速度

29、，有利于电蚀产物的去除，从而提高切割速度。但超过一定值后，电极丝振幅增大，切缝变宽切割速度反而下降。,四、线切割加工精度和表面粗糙度主要影响因素,（1）工件装夹时找正、定位所产生的误差 （2）工件材料内应力引起的变形,1.影响线切割加工精度的主要因素,（3）电极丝加工中的变形以及电极丝运转系统精度误差,（4）电条件设置不当。,（5）机床坐标工作台的位移精度。,2. 影响表面粗糙度的主要因素： (1)脉冲电源参数选择不当，单个脉冲能量过大。 (2)导轮及其轴承因磨损而使精度下降，由此产生的高低条纹严重影响了加工表面的粗糙度。 (3)钼丝损耗过大，变细了的钼丝在导轮内窜动。 (4)进给速度调节不当，加工不稳定。 (5)电极丝的走丝速度不当引起的抖动，冷却不足、排屑不畅等。,