电火花加工

电火花加工 ： 3.1 概述 3.2 电火花加工 ： 1．了解特种加工的种类 2．了解特种加工的特点 3．掌握电火花加工的原理、特点 4. 掌握电火花加工的应用 ：电火花加工的原理、特点和应用 ：电火花加工的原理 讲授 多媒体 ：2学时 1. 特种加工是指那些不属于常规加工工艺范畴的且主要是利用 电能、声能、光能、热能以及化学能来切除的一种新型加工方法。 电类——电火花加工，电火花线切割加工，电子束加工，离子束加工 等；光类——激光加工等；机械类——喷射加工；声机械类——超声波加工等；化学类——化学加工等；电化学类——电解加工，电铸加工，涂镀加工等；电化 学机械类——电解磨削，电解珩磨等。液流机械类——挤压珩磨，水射流切割等； 加工适应性强，加工范围广，不存在加工中的机械应变或大面积的热 应变，可获得较低的面粗糙度，其热应力、残余应力，冷作硬化等均比较小， 尺寸稳定性好。两种或两种以上不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工。 2 电火花加工是通过工件和工具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 而将金属腐蚀下来，达到按要求改变材料的形状和尺寸的加工工艺。这一过程大 致分为以下几个阶段： A 工具B电极脉(a)(b)(c)冲电源工件电极 (d)(e)图3.1 电火花加工原理图 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3.2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。 (a) 单脉冲放电凹坑(b) 多脉冲放电凹坑 图3.2 电火花加工平面的形成 3电火花加工的主要特点 由于电火花加工是一种腐蚀作用，电极与工件材料的相对硬度上没有必须的 要求，工具电极的材料硬度可以比工件材料的硬度低。 由于电火花加工没有机械力作用，工件加工完后不会产生变形 (1)．加工各种形状复杂的型腔和型孔。 (2)．电火花加工常作为模具工作件淬火后的精加工工序。 (3)．对如图3.3所示的模具型孔或型腔，可以整体成形，不必按图中分成1、 2、3块的方式进行镶拼。 (4)．可以用作模具工作件的表面强化手段。 (5)．可以进行电火花磨削。 (6)．电火花加工可以刻字和刻制图案 图3.3 镶拼凹模 通过本次课程的学习，主要应了解特种加工的种类和特点，掌握电火花加工的原理、特点和应用。在讲课的时候电火花加工的原理要配合动画或者相应的原 理图来讲解，对于其特点和应用要举我们熟悉的例子。 ： 3.2.4 电火花成形加工设备 3.2.5 影响电火花加工的主要因素 ： 1．了解电火花成形加工设备的组成和作用 2．掌握影响电火花加工的主要因素 ：影响电火花加工的主要因素 ：影响电火花加工的主要因素 讲授 多媒体 ：2学时 1. 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。 电火花成形加工机床也称电火花成形机。它主要由机械部分（包括床身、立 柱、纵横工作台、主轴头等）；脉冲电源（内有脉冲电源、电极自动跟踪系统、 操作系统）；工作液循环处理系统等组成。 1)平动头 平动头主要用于型腔模在中加工和精加工时精修腔壁。目的是提 高仿形精度，保证加工稳定性。 2)电极夹具 电极夹具是装夹工具电极并将其固定在主轴上的机床附件。 常用的有十字铰链式和球面铰链式两种，如图3.5和图3.6所示。 当工具电极较大时，可以采用如图3.7所示的螺纹夹头进行装夹。其连接螺杆是与主轴相连接的。 2. 生产率通常以加工速度——单位时间内蚀除工件材料的体积（或质量）大小 3来衡量，用 mm/min（或g/min）表示。 1)．极性效应 在电火花成形加工中，工件材料在被逐渐蚀除的同时，工具电极的材料也在 被蚀除。但是，二者的蚀除量是不一样的——即使正、负两电极使用同一材料。 这种现象就叫做极性效应。所谓极性，是指工件与脉冲电源哪个电极相连接。若工件与电源的阳极相接，则称为阳极性加工；若工件与电源的阴极相接，则称为 阴极性加工。 2)．电参数的影响 a 脉冲宽度 当其它参数不变时，增大脉宽，工具电极损耗减小，生产率提 高，加工稳定性变好。但是，应该针对不同的电极材料、不同的工件材料和加工 要求，选择脉冲宽度。 b脉冲间隔 脉冲间隔减小，放电频率提高，生产率相应提高。 c脉冲能量 在正常情况下，蚀除速度与脉冲能量成正比。 1）．加工斜度 斜度的大小，主要与二次放电的次数及单个脉冲能量大小有关。次数越多，能量越大，则斜度就越大。而二次放电的次数主要与排屑条件、排屑方向及加工 余量有关。 2）.工具电极的精度及损耗 由于电火花加工属仿形加工，工具电极的加工缺陷会直接复印在工件上，因 此，工具电极的制造精度对工件的加工精度会造成直接影响。 3）．电极和工件的装夹及定位 装夹、定位的精度和校正的准确度都会直接影响工件的加工精度。 4）．机床的热变形 电火花加工产生的加工热是很高的，使得机床主轴轴线产生偏转，从而影响 工件的加工精度。 通过本次课程的学习，主要应了解机床的基本结构和各个部分的作用;掌握影响电火花加工的主要因素,由于影响电火花加工的因素较抽象,学生不容易理解,所以在讲解的时候要尽可能的多举例影响因素。 ： 3.2.6 电极的设计与制造 ： 1．了解电极材料的选择和结构形式 2．掌握电极截面尺寸的确定 3、掌握电极制造的工艺方法 ： 1．电极截面尺寸的确定 2．电极制造的工艺方法 ：电极截面尺寸的确定 讲授 多媒体 ：2学时 电极材料的特点应该是：损耗小、成形快、加工稳定性好、机械加工工艺性好、价格适宜和来源广。 常用的电极材料有：铸铁、钢、石墨、黄铜、紫铜、铜钨合金和铜银合金等。 常用的电极结构形式有四种：即整体式、组合式、分解式和镶拼式。 1）整体式电极 这种电极是用整块材料加工出的，是一种最常用的结构形 式。特别适合尺寸较小，不太复杂的型孔加工。如果型孔的加工面积较大，需要 减轻电极本身的重量，可以在电极上加工一些“减轻孔”或者将其“挖空”。如 图3.8所示。对减轻孔的设置有两点要求：一是为了不影响工作液的强迫循环， 减轻孔应设成盲孔。二是孔口向上，以免孔内聚集气体引起爆鸣，以影响加工稳 定性。对一些容易变型或断裂的小电极，可在其尾部设置台肩，以起加强作用， 如图3.9所示。 2）镶拼式电极 有些电极由于结构的原因，做成整体较为困难，不易加工。 可以将其分成几块，加工完后再镶拼在一起，形成一个整体的电极。图3.10是 F形硅钢片冲裁模加工凹模的电极。 图3.8 减轻结构 图3.9 尾部加强的整体式 （a ）减轻孔 （b ）减小电极 轻环形槽 图3.10 镶拼式F形硅钢片电极 图3.11 用分解式电极加工的凹模 3）分解式电极 是将复杂形状的电极分解成若干简单形状的电极，对型孔 进行若干次分别加工成形。图3.11是用分解式电极加工凹模的示意图。 4）组合式电极 为了简化定位工序，提高型孔之间的位置精度和加工速度， 可以采用组合式电极，如图3.12所示。 图3.12 组合式电极 型腔电极与型孔电极一样，也可分为整体式、镶拼式、组合式和分解式。用 得较多的是前两种。 因为型腔加工，几乎都是盲孔加工，排气、排屑条件较差，掌握不好将会严 重影响加工状态的稳定性，甚至使加工无法进行。所以，在设计时往往都通过设置排气、排屑孔和冲油孔来改善加工条件，如图3.13和3.14所示。 图3.13 设排气、排屑孔的电极 图3.14 设冲油孔的电极 电极的截面尺寸分成横向截面和纵向截面尺寸。 (1)．穿孔电极的尺寸确定 1）电极长度 图3.15是穿孔电极长度 计算图。其电极有效长度L为： L=kH+H mm （3-1） 1 式中 H—— 凹模需电火花加工的厚度； H—— 其大小为（0.4～0.8）H ； 1 L’—— 夹持端长度。约为10～20mm）。 k—— 与电极材料、型孔的复杂程度以 图3.15 穿孔电极长度计算图 及加工方式有关的系数。 在生产实践中，还广泛使用阶梯电极。所谓阶梯电极就是在原电极的基础上 适当加长，如图3.16所示。 尺寸计算主要是L′和d′： 图3.16 阶梯电极 L′＝（1.2～1.4）H mm （3－2） d′＝ d－2a或者d′＝（0.7～0.8）d （3－3） 式中 H——为凹模需电火花加工的厚度； a——为单边缩小量。 2）电极的截面尺寸 电极的截面尺寸是按 凹模型孔的截面尺寸均匀地减小一个单面放电 图3.17 电极与凹模的尺寸关系 间隙δ，其尺寸公差可取凸模相应尺寸公差的1 ／2～1／3，表面粗糙度一般取Ra0.8μm～ Ra1.6μm。 a）按凹模尺寸和公差确定电极截面尺寸 如图3.17所示，电极的截面尺寸可按下式计算： a＝A?kδ （3 －4） 式中 a——电极的截面尺寸； A——型腔的名义尺寸； k——系数，双边尺寸（图中a、a）取2，单边尺寸（图中r、r）取1，1212无缩放的（图中C）取0： ?——当电极轮廓为凹下（图中a、r）时取“＋”，为凸起（图中a、r）221、1时取“－”； δ——精加工时的放电间隙，就是电极单边缩放量。 分为三种情况： 第一种 凸模和凹模的配合间隙等于放电间隙，即X＝δ。此时，电极的截面尺寸与凸模的截面尺寸完全相同。 第二种 凸模和凹模的配合间隙大于放电间隙，即X＞δ。电极的截面尺寸在凸模的四周均匀增大一个（X-δ）值。如图3.18所示。 第三种 凸模和凹模的配合间隙小于放电间隙，即X＜δ。电极的截面尺寸在凸模的四周均匀缩小一个（δ-X）值。如图3.19所示。 图3.19 按凸模均匀减小的电极图 图3.18 按凸模均匀增大的电极图 (2)．型腔电极的尺寸确定 型腔电极的纵向截面尺寸的确定是以型腔尺寸和放电间隙δ为依据进行计算。参考图3.20，计算式如下： H’= H （3－5） R’=R-δ （3－6） 11 R’=R+δ （3－7） 22 90-:, （3－8） '2tgA,A,,2 电极总长度可由下式计算：L＝H’＋L＋L mm 12 （3－9） 式中 L——电极的有效长度； ——电极需伸入型腔的高度； L1 L——预留长度，考虑加工终了时夹具与工件不碰撞和电极重复使用等因素，2 一般预留10～20mm为宜。 4．电极制造的工艺方法 电极的制造不仅与材料有关，还与复杂程度和尺寸大小有关。 成形磨削的电极是与凸模用粘结剂粘结在一起同时磨削的，也可以用锡焊将 电极与凸模连接在一起。 多型孔穿孔电极，可采用数控加工 方法制造，也可按组合式电极制造。 有些电极形状较为复杂，可采用数 控加工方法制造，也可按镶拼式电极进 行制造。 阶梯电极的小端也可以成形磨（a ） （b） （c） 削，。 图3.21 石墨电极的方向性与拼合法 （a）石墨压制施压方向 （b）不合理拼合 (1)．石墨电极及其加工 （c）合理的拼合 石墨电极是电火花加工中最常用 的电极材料之一。石墨电极的制造基本上都采用切削加工和成形磨削。石墨电极还可以压力振动的方法加工。无论是整 体电极还是拼合电极，都应使压制时的施压方向与电火花加工的进给方向垂直，如图3.21所示。 (2)．铜电极及其加工 铜属软金属材料，加工时易变形，加工的电极表面粗糙度较差。切削加工时 要用肥皂水作工作液，同时，进刀量要尽可能小。 (3)．铜钨合金、银钨合金电极及其加工 宜选用硬质合金刀具作切削加工。磨削加工时容易堵塞砂轮；选择的砂轮粒 度不能太细，宜选用白刚玉砂轮；磨削时要加磨削液。薄的工件加工时容易回弹， 因此，进刀量要尽可能小。 (1)．电极的装夹 装夹电极的夹具有：钻夹头、螺纹夹头、十字铰 链式夹具、球面铰链式夹具等。 (2)．工件的装夹 工件一般直接压在工作台上；若有冲油要求时， 工件要安装在工作台上的油杯或垫块上；待找正后用 压板和螺栓压紧。 (3)．找正与定位 找准电极与工件间正确的相对位置，以保证模具 图3.22 精密角尺找正法 的制造精度。而定位就是将电极和工件间找正后的位 置确定下来，保证定位精度。 电极的找正方法有：角尺法和千分表法，分别如图3.22 、图3.23和图3.24所示。两种方法都是找正电极对工作台的垂直度。角尺找正要在两个互相垂直的方向进 行，图3.22中画出了角尺找正的两个方向。 通过本次课程的学习，主要应了解电极材料的选择和结构形式、掌握电极截面尺寸的确定和电极制造的工艺方法。其中电极截面尺寸的确定和工艺相对较 难，但是本章的重点应多举例讲授。 ： 3.2.7 电火花成形加工的主要加工方法 3.2.8 电火花加工规准的选择 3.2.9 电火花加工的工作液选择 ： 1．掌握电火花成形加工的主要加工方法 2．掌握电火花加工规准的选择 3了解电火花加工的工作液选择 ： 1．电火花成形加工的主要加工方法 2. 电火花加工规准的选择 电火花加工规准的选择 讲授 多媒体 ：2学时 3.2.7 电火花成形加工方法主要有穿孔加工方法 和型腔加工方法。 常用的电火花型腔加工方法有单电极平动法、 多电极加工法、分解电极加工法和程控电极加 工法。 图3.25 单电极平动头加工示意 图 1．单电极平动法 单电极平动法是采用一个电极完成粗、半精、精加工。首先用低损耗、高生 产率的粗规准加工，利用平动头作小圆运动。如图3.25所示。按粗、中、精顺序逐级改变电参数，同时依次加大电极平动量，以补偿前后两个加工规准之间型 腔侧面的放电间隙差和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿形修光，直至完成整个型腔加工。单电极平动法在模具型腔加工中应用非常广泛。平动加工的特点是只需一个电极、一次安装便可完成加工，并且排屑方便。但是，难以获得高精度 的型腔，尤其是清棱、清角差。 2．多电极加工法 多电极加工法将粗、精加工分开，用不同的电极更换加工同一个型腔，每个 电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。多电极加工仿形精度高，适于尖角、 窄缝多的型腔加工。 3．分解电极加工法 分解电极加工法是单电极平动法和多电极加工法的综合云应用。根据型腔形 状特点，将电极分解为主、副型腔电极制造。配合不同的电规准，先加工主型腔， 再用副型腔电极加工尖角、窄缝等处的副型腔。这种方法有利于提高加工速度和 改善加工表面质量。 4．程控电极加工法 程控电极加工法是将型腔分解为更为简单的表面，制造相应简单的电极，在 数控电火花机床上，由程序控制自动更换电极和转换电规准，实现复杂型腔的加 工。 3.2.8 电规准是指根据不同的加工要求选择的一组电参数。其有：脉冲宽度 ITfpon、脉冲电流峰值和脉冲频率。 电火花加工规准根据加工所能得到的型面质量及放电间隙的大小分为粗规 准、中规准和精规准三种。其中粗规准主要用于粗加工，去除大部分加工余量；中规准是由粗规准转为精规准的过渡规准；精规准是达到电火花加工指标的主要 规准。 正确选择电加工规准是保证电火花加工质量、提高加工速度的重要环节。对 于不同的加工情况，对规准的选择也不同。在电规准的选择过程中，经验非常重 要。在书中表3-2中给出了一般情况下的加工规准选择。 3.2.9 1）．压缩放电通道，使放电能量高度集中在极小的区域内，既加强蚀除效果， 又提高放电仿形的精确度。 2）．加速电极间隙的冷却，有助于防止金属表面局部热量积累，防止烧伤和 电弧放电的产生。 3）．加剧放电的流体动力过程，有助于金属的抛出，加速了电蚀产物的排除。 4）．有助于加强电极表面的覆盖效应和改变工件表面层的物理化学性能。 1) 工作液应具有一定的绝缘性。 2) 有较好的冷却性能。 3) 有较好的洗涤性能，利于排屑。 4) 有较好的防锈性能，利于机床维护和工作防锈。 5) 工作液对人体应无害。工作时，不放出有害气体。 电火花加工最常用的工作液为煤油。其次是机油、锭子油。水和水基工作液 （包括去离子水等）用得较少。 通过本次课程的学习，主要应掌握电火花成形加工的主要加工方法和电火花加工规准的选 择、了解电火花加工的工作液选择。其中电规准的选择较难是确定加工零件质量 好坏的重要因素之一要详细讲解 3.3 电火花线切割加工 1．掌握电火花线切割加工的原理、特点和分类 2．了解快走丝线切割机床简介 ： 1．电火花线切割加工的原理、特点和分类 讲授 多媒体 ：2学时 3.3.1 电火花线切割加工与电火花成形加工都是直接利用电能对金属材料进行加 工的，同属蚀除加工，其加工原理相似。线切割加工是利用不断运动的电极丝与 工件之间产生火花放电，从而将金属蚀除下来，实现轮廓切割的。如图3.26所 示 图3.26 电火花线切割加工原理图 1-工作液箱 2-储丝筒 3-电极丝 4-供液管 5-进电块 6-工件 7-夹具 8-脉冲电源 9-纵横拖板 与电火花成形加工相比，电火花线切割加工有如下特点： (1)．不需要单独制造电极 (2)．不需考虑电极损耗 (3)．能加工精密细小、形状复杂的通孔零件或零件外形 (4)．不能加工盲孔 (1)．按切割的轨迹分类 按线切割加工的轨迹可以将其分为直壁切割、锥度切割和上下异形面线切割 加工。 1）直壁切割 是指电极丝运行到切割段时，其走丝方向与工作台保持垂 直关系。 2）锥度切割 锥度切割又分为圆锥面切割和斜（平）面切割。 3）上下异形面切割 在前两种切割中，工件的上下表面的轮廓是相似的， 而在上下异形面切割中，工件的上下表面的轮廓不是相似的。 (2)．按走丝速度分类 1) 快速走丝线切割机床 快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10 m/s，是我国独创的电火花线切割加工模式。快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够 双向往返运行，重复使用，直至断丝为止。 2) 慢速走丝线切割机床 慢速走丝线切割机床走丝速度低于0.2 m/s。 由于科学技术的发展，目前在生产中使用的快走丝线切割机床几乎全部采用数字程序 控制，这类机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成。 机床本体主要由床身、工作台、运丝机构和丝架等组成，具体介绍如下： 床身是支承和固定工作台、运丝机构等的基体。 目前在电火花线切割机床上采用的坐标工作台，大多为X、Y方向线性运动。 在快走丝线切割加工时，电极丝需要不断地往复运动，这个运动是由运丝机 构来完成的。最常见的如图3.27)，这种形式的运丝机构的优点是结构简单、维 护方便，因而应用广泛。其缺点是绕丝长度小，电动机正反转动频繁，电极丝张 力不可调。 16 3 2 4 上丝机构；2—工作台；3—丝筒电机；4—撞杆；5—接近开关；6—运丝启停开关 图3.27 快走丝线切割机床结构图 5 1—丝架的主要作用是在电极丝快速移动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持垂直。 电火花线切割加工的脉冲电源与电火花成型加工作用的脉冲电源在原理上 相同，不过受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电 源的脉宽较窄(2～60 μs)，单个脉冲能量、平均电流(1～5 A)一般较小，所以线切割总是采用正极性加工。 具体体作用现在两方面： (1)轨迹控制作用。 (2)加工控制。 主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管和过滤网罩等。 通过本次课程的学习，主要应掌握电火花线切割加工的原理、特点和电火花线切 割加工的程序编制、了解快走丝线切割机床结构及各部分作用。 3.3 电火花线切割加工 1．掌握电火花线切割3B代码程序编制 ：线切割3B代码程序编制 无 讲授 多媒体 ：2学时 3.3.3 线切割加工轨迹图形是由直线和圆弧组成的，它们的3B程序指令如表3-3所示。 表3-3 3B程序指令格式 B X B Y B J G Z 分隔符 X坐标值 分隔符 Y坐标值 分隔符 计数长度 计数方向 加工指令 1) x，y值的确定 以直线的起点为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示直线终点的绝对值 坐标，单位为μm。 Y CCCX Y100Y BAAAA100BXX (a)(b)(c)(d) 图3.28 直线轨迹 如图3.28(a)所示的轨迹形状，请读者试着写出其(b)、(c)、(d)图中各终点的x，y值 (注：在本章图形所标注的尺寸中若无说明，单位都为mm)。 2) G的确定 G用来确定加工时的计数方向，分Gx和Gy。直线的计数方向取直线的终点坐 标值中较大值的方向，即当直线终点坐标值X>Y时，取G=GX；当直线终点坐标值XY时，取G=Gy；当圆弧终点坐标值Xx，则G=Gx （如图3.31(b)所示）。 具体可参见图3.31(c)。 3) J的确定 由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将圆弧向X轴投影；若G=Gy，则将圆弧向Y轴投影。J值为各个象限圆弧投影长度绝对值的和。如在图3.10(a)、(b)中，J1、J2、J3大小分别如图中所示，J=|J1|+|J2|+|J3|。 4）Z的确定 由圆弧起点所在象限和圆弧加工走向确定。按切割的走向可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令：SR1、SR2、SR3、SR4、NR1、NR2、NR3、NR4，具体可参考表3-4和图3.32。 表3-4 圆弧加工指令 第一象限 第二象限 第三象限 第四象限 逆圆 NR1 NR2 NR3 NR4 顺圆 SR1 SR2 SR3 SR4 YY SR1NR2 NR1SR2 XX SR4NR3 SR3NR4 (a)(b) 图3.32 Z的确定 例1 不考虑间隙补偿和工艺，编制图3.33所示直线的程序 图3.33 直线编程图 图3.34圆弧编程图 （1） B20000 B10000 B20000 GX L1 （2）以左下角点为起始切割点逆时针方向编制程序： B10000 B0 B10000 GX L1 B20000 B15000 B20000 GX L1 B20000 B15000 B20000 GX L2 B10000 B30000 B30000 GY L3 技巧：与x或y轴重合的直线，编程时X、Y均可写作0，且可省略不写。 例如：B10000 B0 B10000 GX L1可简写成：B B B10000 GX L1 例2．不考虑工艺，编制图3.34所示圆弧的程序 (A?B) B9800 B2000 B29800 GX NR1 (B?A) B0 B10000 B28000 GY SR3 通过本次课程的学习，主要应掌握电火花线切割加工的程序编制，编程规则要详细 讲解，编程要多实举例。 3.3.4 电火花线切割加工工艺 3.3.5 电火花线切割加工规准的选择 ： 1．掌握电火花线切割加工工艺 2、掌握电火花线切割加工规准的选择 掌握电火花线切割加工工艺 掌握电火花线切割加工工艺 讲授 ：多媒体 ：2学时 电极丝与被加工材料之间有一定的放电间隙（0.01?）。因此，实际加工的 凸模尺寸比图纸要求尺寸小。凹模尺寸比图纸要求尺寸大。 电极丝偏移方向选择如图3.35所示： 图3.35 电极丝偏移方向 1）基准件补偿值的确定 基准件：按图纸要求加工，符合图纸尺寸要求的零件。 基准件补偿值＝实际电极丝半径＋单边放电间隙。 编程时按电极丝中心运动轨迹线尺寸来编程。 编制如图3.36（a）所示的凸模程序：先画出电极丝偏移后的切割轨迹线， 如图3.36（b）所示虚线，并计算出切割轨迹线的尺寸；最后按照偏移后的电极 丝切割轨迹线尺寸编程。 （a）零件图 （b）轨迹图 图3.36 例题：如3.36（b）所示，已知钼丝半径为0.18，单边放电间隙为0.01mm， 以A点为起始切割点逆时针方向编写凸模程序。程序如下： B42200 B0 B42200 GX L1 B0 B20100 B20100 GY L2 B8100 B0 B16200 GY NR1 B0 B11900 B11900 GY L4 B9800 B0 B9800 GX L3 B0 B12000 B12000 GY L2 B16200 B0 B16200 GX L3 B0 B20200 B20200 GY L4 2）配合件补偿值确定： 配合件：与基准件按一定的间隙配合的零件。 配合件补偿值＝基准件补偿值－单边配合间隙 2．正确选取引入、引出线位置和切割方向 1）．起始切割点（引入线的终点）的确定 起始切割点的选择原则如下： （1）当切割工件各表面粗糙度要求不一致时，应在较粗糙的面上选择起始 切割点。 （2）当切割工件各表面粗糙度要求相同时，首选图样上直线与直线的交点， 其次是选择直线与圆弧的交点和圆弧与圆弧的交点。 （3）当工件各面粗糙度相同时，又没有相交面，起始切割点应选择在钳工 容易修复的凸出部位。 （4）避免将起始切割点选择在应力集中的夹角处，以防止造成断丝、短路 等故障。 2） 引入、引出线位置与切割路线的确定 一般原则是使工件与其夹持部位分离的切割段安排在总的切割程序末端。以 尽量减少或防止工件变形。例如：切割图3.37所示凸模零件，b图合理。引出线一般与引入线重合。 （a）图 （b）图 图3.37 引入、引出线位置 电火花线切割加工的工艺指标主要包括切割速度、表面粗糙度和加工精度。影响工艺指标的因素很多，如机床精度、脉冲电源的性能、工作液的清洁度、电 极丝与工件的材料及线切割工艺路线等等。其中，脉冲电源的波形及参数的影响 是最直接也是最大的。 在其它参数不变的情况下，脉冲峰值电流的增大会增加单个脉冲放电的能 量，加工电流也会增大，所以切割速度便会明显增加。 在加工电流保持不变的情况下，增加脉冲宽度，切割速度随之增大，但有一 最佳脉冲宽度值，超过这个最佳值，由于热量散失大，切割速度反而会下降。试 验证明，脉冲宽度的增大，电极丝的损耗明显减小，反之，当脉冲宽度减小时， 电极丝损耗急剧增加。 在单个脉冲能量一定的情况下，提高单位时间内脉冲放电的次数即脉冲频 率，会使切割速度增大。但实践证明，因为脉冲频率的增加，会使得加工电流的 变大，引起切割条纹更加明显，造成加工表面的粗糙度变差。 在峰值电流和加工电流保持不变的条件下，改变电源电压时，表面粗糙度变 化不大，而切割速度却有明显变化。尤其是排屑条件差，小能量小粗糙度切割以 及高阻抗、高熔点材料加工时电源电压的升高会明显地提高加工地稳定性，切割速度以及加工面质量都会有所改善。 1）．当要求切割速度高时 若要高的切割速度时，对表面粗糙度的要求一般 就不高，此时，可以选择高的电源电压、大的峰值电流和大的脉冲宽度。 2）．当要求表面粗糙度小时 单个脉冲能量的大小对加工表面的粗糙度影响 较大，因此，应该选择小的脉冲宽度、小的峰值电流、低的电源电压，同时脉冲 频率要适当。 3)．当要求电极丝损耗小时 如前所述，脉冲宽度增大，电极丝损耗减小。 因此，当要求电极丝损耗小时，应该选择大的脉冲宽度。 4)．当切割厚度加大时 切割厚工件时，有两个明显的特点，一是切割量大， 二是排屑困难。考虑这两方面的因素，应该选择高电压、大电流、大的脉冲宽度 和大的脉冲间隔。脉冲间隔选得大一些，有利于排除电蚀产物，保证加工的稳定 性。 通过本次课程的学习，主要应掌握电火花线切割加工工艺和 电火花线切割加工规准的选择其中加工工艺要多举实例讲解 3.4 激光加工技术 3.5 超声波加工技术 ： 1．掌握激光加工的原理、特点和应用 2．掌握超声波加工的原理、特点和应用 激光加工的原理和超声波加工的原理 激光加工的原理和超声波加工的原理 讲授 ：多媒体 ：2学时 激光是将强度高、方向性好、单色性好的相干光聚焦到尺寸与光的波长相近 的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密 度达到107～1011W/cm2，温度可达10000?以上。使得材料都将瞬时急剧熔化和 汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工 (如图3.38所示)是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过 程。 123 4 激光器；2—激光束；53—全反射棱镜；4—聚焦物镜；1—5—工件；6—工作台6 图3.38 激光加工示意图 2．激光加工的特点 激光加工的特点主要有以下几个方面： 1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。 2) 激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型 孔的加工。 3) 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。 4) 加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。 5) 无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工 变形和热变形小。 激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和激光加工系统三部分组成。 1) 激光器 激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要 的激光束。 2) 导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位， 这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。 3) 激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控 制系统等。 1．激光打孔 2．激光切割 3．激光打标 4．激光焊接 5．激光表面处理 1．加工原理 超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具头，通过悬浮液磨料对工件 进行成型加工的一种方法，其加工原理如图3.43所示。 加工力 工具 振 动 方 向工件 磨料＋工作液工具振幅 图3.43 超声波加工原理图 当工具以16000 Hz以上的振动频率作用于悬浮液磨料时，磨料便以极高的 速度强力冲击加工表面；同时由于悬浮液磨料的搅动，使磨粒以高速度抛磨工件 表面；此外，磨料液受工具端面的超声振动而产生交变的冲击波和“空化现象”。 所谓空化现象，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形 成负压和局部真空，在磨料液内形成很多微空腔；当工具端面以很大的加速度接 近工件表面时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，从而使脆性材料产生局部疲 劳，引起显微裂纹。 2．特点 超声波加工的主要特点如下： 1) 适合于加工各种硬脆材料，特别是某些不导电的非金属材料。 2) 由于工具材料硬度很高，故易于制造形状复杂的型孔。 3) 加工时宏观切削力很小，不会引起变形、烧伤。 4) 加工机床的结构和工具均较简单，操作维修方便。 5) 生产率较低。这是超声波加工的一大缺点。 超声波加工装置如图3.44所示。一般都由高频发生器、超声振动系统(声学 部件)、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成。 8 1 7 2 冷却器；磨料悬浮液抽出；工具；2—3—64—工件；5—磨料悬浮液送出；6—变幅杆； 7—换能器；8—高频发生器31— 图3.44 超声波加工装置 541．高频发生器 高频发生器即超声波发生器，其作用是将低频交流电转变为具有一定功率输 出的超声频电振荡，以供给工具往复运动和加工工件的能量。 2．声学部件 声学部件的作用是将高频电能转换成机械振动，并以波的形式传递到工具端 面。声学部件主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。换能器的作用是把超声频 电振荡信号转换为机械振动；振幅扩大棒又称变幅杆，其作用是将振幅放大。 3．机床本体和磨料工作液循环系统 超声波加工机床的本体一般很简单，包括支撑声学部件的机架、工作台面以 及使工具以一定压力作用在工件上的进给机构等；磨料工作液是磨料和工作液的 混合物。常用的磨料有碳化硼、碳化硅、氧化硒或氧化铝等；常用的工作液是水， 有时用煤油或机油。磨料的粒度大小取决于加工精度、表面粗糙度及生产率的要 求。 在实际生产中，超声波广泛应用于型(腔)孔加工（如图3.46所示）、切割加工（如图3.47所示）、清洗（如图3.48所示）等方面。 (a) 加工圆孔(b) 加工型腔(c) 加工异形孔(d) 套料加工(e) 加工微细孔 图3.46 超声波加工的型孔、型腔类型 11 2 3 2 43 45 1—变幅杆；2—工具(薄钢片)；1—变幅杆；2—焊缝；3—铆钉；3—磨料液；4—工件(单晶硅)4—导向片；5—软钢刀片 (a) 超声切割单晶硅片示意图(b) 刀具(c) 切割成的陶瓷模块 图3.47 超声波切割加工 1 2 清洗槽；1—变幅杆；2—压紧螺钉；3—压电陶瓷换能器；4—3镍片＋；5—()镍片－；6—()4接线螺钉；7—5垫圈；8—钢垫块9—6 7 8图3.48 超声波清洗装置 9 通过本次课程的学习，主要应掌握掌握激光和超声波加工的原理、特点和应 用，由于这两种加工技术目前不是常见的加工方式，同学们基本没有见过，讲的 时候最好能找多媒体动画先让学生了解其加工形式。然后要将其与我们生活中用 到的东西与相应的加工相对应。 3.6 电化学加工技术 1．掌握电化学加工的原理与特点 2、了解电解加工、电铸成型和电解磨削 电化学加工的原理与特点 电化学加工的原理与特点 讲授 多媒体 ：2学时 1. 电化学加工的原理 如图3.49所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu2+。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。 12ieei 2＋Cu＋H －Cl －OH 阳极；2—阴极 图3.49 电解(电镀)液中的电化学反应 1— 2. 电化学加工的分类 电化学加工有三种不同的类型。第?类是利用电化学反应过程中的阳极溶解 来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第?类是利用电化学反应过程中 的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 ? 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化 学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类别如书中表3-5 所示。 3. 电化学加工的适用范围 电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。 电解加工可以加工复杂成型模具和零件。电镀、电铸可以复制复杂、精细的 表面。 1) 基本原理 如图3.50所示，在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1～0.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处 电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。 随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形 状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。 2A13 －V＋ 4 5 直流电源；2—工具电极；3—工件阳极； 4—电解液泵；5—电解液 1—图3.50 电解加工原理图 2) 特点 电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点: (1) 能加工各种硬度和强度的材料。 (2) 生产率高，约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的 生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 (3) 表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和 毛刺。 (4) 阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。 电解加工的基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。 1) 直流电源 电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源，其主要特点及应 用见表3-6。 2) 机床 电解加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传 送电和电解液。 3) 电解液系统 在电解加工过程中，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且在电场的作用 下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行，这一点与电火花加工的工作 液的作用是不同的。同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务，起到更新和冷却的作用。 电解加工主要应用在深孔加工、叶片(型面)加工、锻模(型腔)加工、管件内孔抛光、各种型孔的倒圆和去毛刺、整体叶轮的加工等方面。 3.6.3 1) 成型原理 电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模 上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。 电铸原理如图3.52所示，在直流电源的作用下，金属盐溶液中的金属离子 在阴极获得电子而沉积在阴极母模的表面。阳极的金属原子失去电子而成为正离子，源源不断地补充到电铸液中，使溶液中的金属离子浓度保持基本不变。当母 模上的电铸层达到所需的厚度时取出，将电铸层与型芯分离，即可获得型面与型 芯凹、凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面。 45 636 V 73镀槽；2—阳极；3—蒸馏水瓶；4—直流电源；5—加热管；6—恒温装置；7—温度计；8—母模；1—9—电铸层；10—玻璃管 2 1图3.52 电铸成型的原理 98102) 特点 （1）复制精度高，可以做出机械加工不可能加工出的细微形状(如微细花纹、 复杂形状等)，表面粗糙度Ra可达0.1 μm，一般不需抛光即可使用。 （3）母模材料不限于金属，有时还可用制品零件直接作为母模。 （3）表面硬度可达35～50HRC，所以电铸型腔使用寿命长。 （4）电铸可获得高纯度的金属制品。 （5）电铸时，金属沉积速度缓慢，制造周期长。 （6）电铸层厚度不易均匀，且厚度较薄，仅为4～8 mm左右。 1) 电铸槽 电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则。 2) 直流电源 电铸采用低电压大电流的直流电源。 3) 搅拌和循环过滤系统 为了降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度， 最好在阴极运动的同时加速溶液的搅拌。 4) 恒温控制系统 它包括加热设备(加热玻璃管、电炉等)和冷却设备(冷水或冷冻机等)。 3．电铸的应用 电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能，已在航空、仪器仪表、精密机 械、模具制造等方面发挥日益重要的作用。 1．加工原理及特点 1) 加工原理 加工原理如图3.54所示。加工过程中，磨轮(砂轮)不断旋转，磨轮上凸出的砂粒与工件接触，形成磨轮与工件间的电解间隙。电解液不断供给，磨轮在旋 转中，将工件表面由电化学反应生成的钝化膜除去，继续进行电化学反应，如此 反复不断，直到加工完毕。 1423 56 直流电源；2—绝缘主轴；1—3—磨轮；4—电解液喷嘴；5—工件；6—电解液泵；9877—电解液箱；8—机床本体；9—工作台；10—磨料；1011—结合剂；12—电解间隙；1113—电解液12135 图3.54 电解磨削加工原理图 2) 特点 （1）磨削力小，生产率高。 （2）加工精度高，表面加工质量好。 （3）设备投资较高。 2．电解磨削的应用 电解磨削广泛应用于平面磨削、成型磨削和内外圆磨削。图3.55(a)、(b) 分别为立轴矩台平面磨削、卧轴矩台平面磨削的示意图。图3.56为电解成型磨削示意图，其磨削原理是将导电磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型，然 后进行电解磨削。 通过本次课程的学习，主要应掌握电化学加工的原理与特点和了解电解加 工、电铸成型和电解磨削。主要举例说明 3.7 快速模具制造技术（RPT） 3.8 其他常用特种加工技术 1．了解快速成型技术的成型原理、成型过程与分类 2．掌握光固化成形与熔融挤压成形的成型过程，主要特点及应用 3．了解电子束、离子束加工加工原理、特点及应用 无 1、快速成型技术的成型原理， 2、电子束加工和离子束加工的原理 讲授 ：多媒体 ：2学时 快速成型技术(Rapid Prototyping & Manufacturing, 缩写为RP)是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术. 其特点是可以不需机加工设备或者模具即可快速制造形状极为复杂的工件, 从而在小批量产品生产或新产品试制时节省时间和初始投资. 一、成型原理 是基于离散-叠加原理而实现快速加工原型或零件的一种新型工艺。这里所 说的快速加工原型是指能代表一切性质和功能的实验件，一般数量较少，常用来 在新产品试制时作评价之用。而这里所说的快速成型零件是指最终产品， 有最佳的特性,功能和经济性。 二、成型过程 首先建立目标件的三维计算机辅助设计(CAD 3D)模型, 然后对该实体模型在计算机内进行模拟切片分层，沿同一方向(比如Z轴)将CAD实体模型离散为一片片很薄的平行平面； 把这些薄平面的数据信息传输给快速成型系统中的工作 执行部件，将控制成型系统所用的成型原材料有规律地一层层复现原来的薄平 面，并层层堆积形成实际的三维实体，最后经过处理成为实际零件. 三、分类 目前基于快速成型技术(RP)开发的工艺种类较多, 可以分别按所用材料划分, 成型方法划分等 1) 利用激光或其它光源的成型工艺的成型: ---光固化快速成型(简称SLA) ---叠层实体造型(简称LDM) ---选择性激光烧结(简称SLS) ---形状层积技术(简称SDM); 2) 利用原材料喷射工艺的成型: ---熔融层积技术(简称FDM) ---三维印刷技术(简称3DP) 3）其它类型工艺有: ---树脂热固化成型 (LTP) ---实体掩模成型 (SGC) ---弹射颗粒成型 (BFM) ---空间成型 (SF) ---实体薄片成型 (SFP). 其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长 (x=325nm)和强度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急 剧增大, 材料也就从液态转变成固态。 工艺过程为：成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处 于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。 当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一 层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平， 然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整 个零件制造完毕, 得到一个三维实体原型。 SLA快速原型技术的优点是： 1、成形速度较快。 2、系统工作相对稳定。 3、 尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm（但，国内SLA精度 在0.1——0.3mm之间，并且存在一定的波动性）。 4、 表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不 同层面间的曲面不平；比较适合做小件及较精细件。 5、 系统分辨率较高。 SLA快速原型的技术缺点： 1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。 2、成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。 3、光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100?，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。 4、氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。同时需对整个截面进行 扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。 5、且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。 6、需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部 委都能可*定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。 熔融挤压成形工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。 熔融挤压成形工艺原理是材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头 内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出， 材料迅速固化，并与周围的材料粘结，层层堆积成型。 FDM快速原型技术的优点是： 1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。 2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。 4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。 5、材料利用率高。 6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。 FDM快速原型技术的缺点是： 1、 做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。 2、速度较慢。 1．加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图3.57所示。在 真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能 绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。 电子枪系统 聚焦系统 电子束抽真空系统 工件 电源及控制系统 图3.57 电子束加工原理 2．特点与应用 电子束加工的特点如下： (1) 电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进行微细加工。 (2) 加工材料的范围广。 (3) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 (4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受 到一定程度的限制。 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理是在真空条件下，将离 子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。 离子束加工可分为四类。 1) 离子刻蚀 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种 原子尺度的切削加工。 2) 离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀 上一层薄膜。 3) 离子镀(又称离子溅射辅助沉积) 离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合 力。 4) 离子注入 离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料 的表层。 2．特点及应用 离子束加工有如下特点： 1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。 2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用， 所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。 通过本次课程的学习，主要应了解快速成型技术的成型原理、成型过程与分 类；掌握光固化成形与熔融挤压成形的成型过程，主要特点及应用；了解电子束、 离子束加工加工原理、特点及应用