西工大特种加工第2章.

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:electricaldischargemachining•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。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μm到几百μm）；(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）*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、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）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0.05±0.005mm厚的细颈；型腔贯通槽、孔（1234）；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/μm→→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，数量极多，因而常有密集的轻微爆炸。三、电极材料的抛出电极材料的抛出，在电极表面形成放电痕大部分进入工作液镀覆、吸附在另一极表面极少又返粘在电极表面四、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，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、φ等多种因素有关，特别是K和φ。K：与te平均占比ti有关提高Vw的方法：提高f，增大WM，增大K，提高φ。讨论：t0相对ti过分小，φ、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、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=cm△t，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：13.02kJ/mol；纯锡（Sn）的熔化潜热为：7.08kJ/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kJ／Kg，或kJ/mol。对于各种不同材料，当脉冲能量一定时，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φ，定量表达了它。可采取的措施：强迫冲油、定时（适频）抬刀、减小电流、增大脉间t0、减小脉宽ti、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）、φ、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θ。较为直观。θ=VE/VW粗加工时，Vw较大，θ较小，可达0.1%以下，甚至无“损耗”，但粗糙度Ra较大（较差）。Vw、θ、Ra是电火花加工的三个工艺指标。电极相对损耗θ，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θ-ti图。加工条件：φ6mm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。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