特种加工（第6版）白基成（电子课件）教学课件2 电火花加工

特种加工—第2章电火花加工(1)韦东波迟关心机械制造及其自动化第2章电火花加工20世纪40年代，前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点腐蚀的原因时发现：利用工具和工件之间不断的脉冲性火花放电产生的局部、瞬时的高温把金属蚀除下来。由于加工过程中可以看到火花，故称电火花加工ElectricalDischargeMachining(EDM)本章内容2.1电火花加工基本原理及其分类2.2电火花加工机理2.3电火花加工基本规律2.4电火花加工脉冲电源2.1电火花加工基本原理及其分类2.1.1电火花加工的原理2.1.2电火花加工的设备组成2.1.3电火花加工的特点2.1.4电火花加工的应用2.1.5电火花加工工艺方法分类2.1.1电火花加工的原理必要条件(1)：必须使工具和工件被加工面之间始终保持一定的放电间隙；——过大→不能击穿，过小→容易短路；——间隙距离：几微米到几百微米。2.1.1电火花加工的原理必要条件(2)：必须是瞬时的脉冲性的放电，放电持续一段时间后，需停歇一段时间；——凹坑叠加去除，凹坑“体积小、数量多、分布广”要求脉冲性放电；——停歇时间温度降低避免放电集中。工件蚀坑叠加2.1.1电火花加工的原理必要条件(3)：必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行；——绝缘性有利于产生分散的脉冲性的放电——液体介质可以将放电蚀除产物悬浮排出——且对两极有冷却作用——气体介质中也可进行加工工件电极工具电极电蚀产物排出示意图工作液2.1.1电火花加工的原理加工过程描述：1. 加脉冲电压、击穿放电、形成凹坑；2. 脉冲间隔恢复绝缘、再次放电形成凹坑；3. 凹坑增多并重叠、间隙增大、电极进给，得到需要的零件。第一次放电ABAB第二次放电加工完成2.1.2电火花加工的设备组成根据信号决定进给或回退提供脉冲电压1、保持一定的放电间隙；排出蚀除物，冷却两极2、瞬时的、脉冲性的放电，需停歇一段时间；3、一定绝缘性能的液体介质质中放电；2.1.3电火花加工的特点优点：适合于加工很多难切削材料——突破了传统切削加工对刀具的限制；——可加工性取决于导电性及热学特性（电阻率、熔点、沸点、比热、导热性等），几乎不受力学性能（硬度、强度等）的限制。可以加工特殊及复杂形状的表面和零件——有微观切削力，没有宏观切削力。——工具电极硬度要求小，制作较容易。——数控技术使简单电极加工复杂形状可行。2.1.3电火花加工的特点局限性：主要用于导电材料加工——在一定条件下可以加工半导体和非导体材料加工速度较慢——材料去除靠大量凹坑的叠加作用实现，所以较慢存在电极损耗——在某些情况下可尽量减小2.1.4电火花加工的应用俄罗斯研制的火箭发动机的一体化转子单元是采用电火花加工的弯曲、狭窄、复杂的通道加工难点：1、材料硬度非常高；2、形状复杂；2.1.4电火花加工的应用加工难点：1、异形孔；2、窄缝的宽度只有几十微米；3、深度和直径的比值达到几十。2.1.4电火花加工的应用应用领域：广泛应用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工业等行业，解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。零件尺寸范围：小到：几个微米的小轴、细孔、窄缝大到：几米超大型模具和零件2.1.5电火花加工工艺方法分类按工具电极和工件相对运动的方式和用途来分：1.电火花穿孔成型加工：——型腔加工，工具电极形状与工件形状互补，有一个或多个相对的进给运动；——穿孔加工，工具电极只有一个相对的伺服进给运动。2.1.5电火花加工工艺方法分类按工具电极和工件相对运动的方式和用途来分：2.电火花线切割加工——下料/截断/窄缝2.1.5电火花加工工艺方法分类按工具电极和工件相对运动的方式和用途来分：3. 电火花内孔、外圆和成型磨削4. 电火花同步共轭回转加工2.1.5电火花加工工艺方法分类按工具电极和工件相对运动的方式和用途来分：5. 电火花高速小孔加工大于0.3mm细管电极6. 电火花表面强化与刻字2.2电火花加工的机理即电火花加工的微观过程，金属材料究竟是怎样被蚀除下来的。这一过程大体可分为4个阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀电极材料的抛出极间介质的消电离1、极间介质的电离、击穿，形成放电通道(1)施加电压距离电场强度不均匀性局部场强105V/mm(100V/μm)场致电子发射电子运动碰撞电离带电粒子雪崩式增多介质击穿形成放电通道1、极间介质的电离、击穿，形成放电通道(2)放电通道的特点： 建立时间： 0.1μs 间隙电阻： 几分之一欧姆 通道电流密度： 103-104A/mm 间隙电压： 约25V 中心温度： 10000℃ 初始压强： 数十兆帕 通道数量： 单通道、多通道（一个脉冲多次击穿或通道游动）2、介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀电子离子高速运动产生动能产生碰撞热能局部瞬时高温工作液介质气化分解金属材料熔化气化产生爆炸特性3、电极材料的抛出膨胀产生气泡金属液体和气体被排挤抛出液体介质膨胀的惯性气泡继续扩大瞬时压力内部压力骤减产生相对负压金属材料再被抛出4、极间介质的消电离电蚀产物不及时排除热量不及时传出粒子自由能不易降低减少复合几率放电通道不能顺利转移局部介质过热稳定电弧放电烧伤电极降低绝缘强度微观过程还需要进一步研究人们对电火花加工的微观过程了解还很不够：工作液成分的作用间隙介质的击穿放电间隙内的状况正负电极间能量的转换与分配材料的抛出整个过程中的电场、磁场、热场、流场、力场等的变化通道的结构及其振荡等等小结2.1电火花加工基本原理及其分类2.1.1电火花加工的原理2.1.2电火花加工的设备组成2.1.3电火花加工的特点2.1.4电火花加工的应用2.1.5电火花加工工艺方法分类2.2电火花加工机理结束特种加工—第2章电火花加工(2)韦东波迟关心机械制造及其自动化2.3电火花加工一些基本规律2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度2.3.3影响加工精度的主要因素2.3.4电火花加工的表面质量2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素 极性效应 电参数对电蚀量的影响 金属材料热学常数对电蚀量的影响 工作液对电蚀量的影响 影响电蚀量的其他因素2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-极性效应 极性效应电火花加工过程中正负极都会受到电腐蚀，即使材料相同,其电腐蚀程度也不同。这种由于正负极不同而引起电腐蚀量不一样的现象，称为极性效应。2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-极性效应 极性定义：电火花加工分“正极性加工”和“负极性加工”。通常定义以电极为准：“正极性加工”——工件接正极“负极性加工”——工件接负极,也称反极性在日本定义正好相反，以电极为准。(发表论文时，一定要注明工件接的极性)2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-极性效应 极性效应产生的原因：正极表面受到电子的轰击，负极表面受到离子的轰击，所以两极表面分配的能量不一样，熔化、气化抛出材料的量也就不同。由于电子和离子的质量不同，其加速时间不同。电子在很短的时间内可以到达正极表面，而离子则需要较长的时间到达负极表面短脉冲用正极性加工，长脉冲用负极性加工。2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-极性效应 碳黑保护膜：由于加工过程中，产生游离碳，在一定条件下，正极会吸附工作液中的游离碳，而形成碳黑膜，从而保护正极，并减小电极损耗，此时应采用负极性加工。2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-极性效应 损耗规律（铜加工钢时）：碳黑膜对粗加工有利，精加工时会影响尺寸的稳定021020501002001000脉宽ti/(s20120相对损耗(%)负极性加工正极性加工602.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-极性效应合理利用极性效应 极性效应是较为复杂的问题：不仅脉宽、脉间有影响，脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极和工件材料都会有影响。 从加工角度来看：我们希望加工效率越高、电极损耗越小越好，即希望极性效应越显著越好。 要想合理利用极性效应就要根据电极和工件的材料、选择最佳的加工参数，正确地选择极性。2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-电参数主要指： 电压脉冲宽度ti 电流脉冲宽度te 脉冲间隔t0 脉冲频率f 峰值电流ie 峰值电压ûi 极性2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-电参数 研究结果表明：单个脉冲能量与单个脉冲蚀除量在一定范围内成正比。总蚀除量是有效脉冲蚀除量的总和。由此，蚀除量与单个脉冲能量WM、脉冲有效率和脉冲频率f有关。 单个脉冲能量 对于晶体管电源，脉冲电流可近似为矩形波，则：2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-电参数 蚀除量 蚀除速度2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-热学常数 热学常数：熔点、沸点、热导率、比热容、汽化热等。直接影响单个脉冲蚀除量 通道内的热量：除一部分由于热传导散失到电极、工件和工作液中使局部金属材料温度升高至熔点(金属比容热)使局部金属材料熔化（熔化热）使熔融金属温度升高至沸点(熔融金属比容热)使熔融金属材料气化（气化热）使金属蒸汽变成过热蒸汽(金属蒸汽比容热)2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-热学常数 当脉冲能量一定时，每种材料都会存在一个最佳的脉宽使得蚀除量最大。2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-工作液 工作液的作用：形成火花放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态；对放电通道产生压缩效应；帮助电蚀产物的抛出和排除；对工具电极和工件的冷却作用。 工作液的好坏对电蚀量有较大的影响 一般选用粘度小、流动性好、渗透性好的煤油为工作液。2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素-其他因素 加工稳定性：不稳定则有效放电脉冲减少。 加工深度：加工深度越深，蚀除产物就越不容易排出，影响稳定性。 加工面积：小面积大电流，会使局部蚀除产物浓度过高，放电点不容易转移，局部过热，形成电弧，破坏加工稳定性。 电极对材料：钢加工钢时，加工不容易稳定；铜加工钢时，加工较稳定 碳黑的保护：蚀除产物的反粘和涂覆都会影响蚀除量。2.3电火花加工一些基本规律2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度2.3.3影响加工精度的主要因素2.3.4电火花加工的表面质量2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度 加工速度：单位时间内工件的电蚀量（生产率） 损耗速度：单位时间内工具的电蚀量 一般采用体积加工速度(vw，mm3/min)来表示vw=V/t 为了方便测量，也有用质量加工速度(vM，g3/min)表示vM=M/t 如何提高加工速度呢？提高脉冲频率增加单个脉冲的能量提高工艺系数提高有效脉冲放电率2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度 生产中，用工具的相对损耗来衡量工具电极是否耐损耗。 降低相对损耗的措施：1、正确选择极性和脉宽2、利用吸附效应3、利用传热效应4、选择合适的工具材料(钨钼/铜/石墨/银/银钨合金)2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度 粗加工低损耗实现的条件：根据实际生产经验，在煤油中采用负极性加工时脉冲电流幅值与放电时间的比值满足如下条件可获得低损耗： 石墨加工钢 铜加工钢 钢加工钢2.3电火花加工一些基本规律2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度2.3.3影响加工精度的主要因素2.3.4电火花加工的表面质量2.3.3影响加工精度的主要因素除通常的加工误差（机床、工件和电极的制造、定位和安装误差）外，还有与电火花加工的工艺有关的误差： 放电间隙的大小及其稳定性 工具电极的损耗及其稳定性2.3电火花加工一些基本规律2.3.1影响材料放电腐蚀的主要因素2.3.2电火花加工的加工速度和工具损耗速度2.3.3影响加工精度的主要因素2.3.4电火花加工的表面质量2.3.4电火花加工的表面质量表面质量主要包括： 表面粗糙度 表面变质层 表面力学性能2.3.4电火花加工的表面质量-表面粗糙度 电火花加工表面是由无数的小坑和硬凸所组成的，有利于保存润滑油。2.3.4电火花加工的表面质量-表面粗糙度 与传统加工方法一样，表面粗糙度用：微观平面度的平均算术偏差Ra表示平面度最大高度值Rmax表示 对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲的能量，实验公式：2.3.4电火花加工的表面质量-表面粗糙度 电火花加工的表面质量与加工速度之间存在很大的矛盾，如从Ra2.5μm提高到Ra1.25μm，加工速度要下降十多倍。 加工面积对对表面粗糙度也有影响 工件材料对表面粗糙度也有影响 精加工时，工具电极的表面粗糙度也影响加工粗糙度。2.3.4电火花加工的表面质量-表面变质层 电火花加工由于瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表面层发生了很大的变化，主要分为：熔化凝固层和热影响层 熔化凝固层3处于工件表面，是一种淬火铸造组织，与内层结合不牢固。由马氏体、大量晶粒极细的残余奥氏体和某些碳化物组成。 热影响层2 机体1 显微裂纹会出现在溶化层2.3.4电火花加工的表面质量-表面力学性能 显微硬度及耐磨性：表面层的硬度一般均比较高，对某些淬火钢可能稍低于基体硬度。电火花加工表面最外层的硬度比较高，耐磨性好。对于滚动摩擦，由于是交变载荷，尤其干摩擦，则因熔化凝固层和基体的结合不牢固，容易剥落而磨损。因此，有些要求高的模具需把电火花加工后的表面变质层研磨掉。 残余应力：大部分表现为拉应力。残余应力的大小和分布，主要和材料在加工前的热处理状态及加工时的脉冲能量有关。因此，对表面层要求质量较高的工件，应尽量避免使用较大的加工规准。 耐疲劳性能表面存在着较大的拉应力；还可能存在显微裂纹，其耐疲劳性能比机械加工表面低许多倍。采用回火处理、喷丸处理等，有助于降低残余应力或使残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。小结影响材料放电腐蚀的主要因素极性效应/电参数/金属材料热学常数/工作液/影响电蚀量的其他因素电火花加工的加工速度和工具损耗速度影响加工精度的主要因素放电间隙的大小及其稳定性/工具电极的损耗及其稳定性电火花加工的表面质量表面粗糙度/表面变质层/表面力学性能结束特种加工—第2章电火花加工(3)韦东波迟关心机械制造及其自动化2.4电火花加工脉冲电源2.4.1脉冲电源的作用2.4.2对脉冲电源的要求2.4.3脉冲电源分类2.4.4脉冲电源的工作原理2.4.5实例2.4.1脉冲电源的作用 功能：工频交流电源↓↓↓一定频率的脉冲电源(提供电极放电所需要的能量) 作用：电火花加工中的关键：对生产率、表面质量、加工精度、加工过程稳定性和工具电极损耗等技术经济指标影响很大。2.4电火花加工脉冲电源2.4.1脉冲电源的作用2.4.2对脉冲电源的要求2.4.3脉冲电源分类2.4.4脉冲电源的工作原理2.4.5实例2.4.2对脉冲电源的要求——总体要求 较高的加工速度 工具电极损耗低 加工过程稳定性好 工艺范围广2.4.2对脉冲电源的要求——具体要求脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小：这样才能：利用极性效应，提高生产率和减少工具电极的损耗。脉冲电压波形的前后沿应该较陡：这样才能：减少电极间隙的变化及油污程度等对脉冲放电宽度和能量等参数的影响，使工艺过程较稳定。一般常采用矩形波脉冲电源。脉冲的主要参数应能在很宽的范围内可以调节：以满足粗、中、精加工的要求。（峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等）工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维护方便和体积小等，还要节能。间隙检测有足够的灵敏度、有拉弧保护、有油污程度检测等等2.4电火花加工脉冲电源2.4.1脉冲电源的作用2.4.2对脉冲电源的要求2.4.3脉冲电源分类2.4.4脉冲电源的工作原理2.4.5实例2.4.3脉冲电源分类 按主回路中的主要元器件种类RC线路驰张式晶体管式大功率集成电路式 按输出脉冲波形矩形波梳状波/高频分组脉冲阶梯波高低压复合 按间隙状态对脉冲参数的影响独立式非独立式 按工作回路数目单回路多回路2.4电火花加工脉冲电源2.4.1脉冲电源的作用2.4.2对脉冲电源的要求2.4.3脉冲电源分类2.4.4脉冲电源的工作原理2.4.5实例2.4.4脉冲电源的工作原理 RC线路脉冲电源 晶体管脉冲电源 其他派生脉冲电源高低压复合脉冲电源多回路脉冲电源等能量脉冲电源高频分组和梳状波脉冲电源阶梯波脉冲电源晶体管RC复合脉冲电源自选加工规准和智能化、自适应控制脉冲电源2.4.4…工作原理：RC线路脉冲电源 又称RC脉冲电源/驰张式脉冲电源 利用电容器充电和瞬时放电 非独立式脉冲电源优点：结构简单，工作可靠，成本低；小功率可获得很窄的脉冲，常用于精加工。缺点：电能利用率低；生产率低；工艺参数不稳定。2.4.4…工作原理：晶体管脉冲电源晶体管脉冲电源特点： 脉冲频率高； 脉冲参数容易调节； 脉冲波形好； 易于实现多回路和自适应控制。2.4.4…工作原理：高低压复合脉冲电源2.4.4…工作原理：多回路脉冲电源2.4.4…工作原理：等能量脉冲电源2.4.4…工作原理：阶梯波脉冲电源2.4.4…工作原理：晶体管RC复合脉冲电源2.4.4…工作原理：高频分组和梳状波脉冲电源2.4.4…工作原理：自选加工规准和智能化、自适应控制脉冲电源 自选加工规准功能此功能为软件实现，需要加工工艺库。 智能化/自适应控制根据用户输入的信息和间隙状态的检测等自动控制脉冲参数（有限调整），抬刀参数，伺服参考电压等，以避免拉弧，并达到高效稳定加工。2.4电火花加工脉冲电源2.4.1脉冲电源的作用2.4.2对脉冲电源的要求2.4.3脉冲电源分类2.4.4脉冲电源的工作原理2.4.5实例2.4.5实例——瑞士夏米尔公司 SPAC电源专门用来粉碎短路搭桥、以防止短路产生,提高精加工效率。2.4.5实例——阿奇公司APGSpirit全数字化脉冲电源 增大了每个脉冲的材料去除量，并减少了表面变质层：设定新质量和效率标准——等(几何)波形脉冲技术，在保持相同放电间隙、电极损耗、表面粗糙度并具有恒定的放电凹坑几何特征的情况下； 降低电极损耗：铜或石墨电极，粗、精加工，借助于低电流和内部电压调整。 生产率高：不论在标准应用场合,还是在加工窄深槽的场合,。2.4.5实例——专家系统(EXPORT) 瑞士阿奇公司的专家系统(EXPORT)：对同一件工件可以向操作者提供12种加工供选用，而不是过去的一种。 瑞士夏米尔公司的放电专家系统(PILOT—EXPERT3)编程专家系统(PRO2GRAM—EXPERT)，北京电加工所在B35数控电火花成形机上的自动编程专家系统与工艺专家系统：均可根据加工目标和电极对数据选择自适应加工参数，并可根据加工状态变化实时调整放电参数以优化加工效果。2.4.5实例——日本牧野公司SuperSparkⅡ日本牧野公司通过电源的选项功能来提高加工速度： 一种称为SuperSparkⅡ的选项功能，包括R—Process2Control和SparkJump功能, R—Process2Control可按加工深度预测侧面扩大量，可以在达到一半加工深度之前自动增强加工条件； SparkJump则在抬刀期间也能进行放电，使放电区分散在电极多处，有利于排屑。可以缩短粗、精加工的时间达30%～50%。还特别有利于加工多个窄深槽、斜面以及那些不能采用高速抬刀的形状。2.4.5实例——日本沙迪克公司 无电阻节能型数控脉冲电源(LN1/LN10) 超精加工的SQ电源，可进行表面粗糙度Ry0.5μm的镜面加工； 硬质合金加工的STP电源，对加工硬质合金和钛合金具有良好的效果。2.4.5实例——日本三菱公司的FP2电源 日本三菱公司的FP2电源中设有专用于加工无光泽表面的PS电源,还设有在Rmax10μm时保持超低电极损耗的α2SC电源等等。小结2.4.1脉冲电源的作用2.4.2对脉冲电源的要求2.4.3脉冲电源分类2.4.4脉冲电源的工作原理2.4.5实例结束12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术12第五章激光加工-wdb特种加工技术