模具加工4电火花加工

第4章模具零件电火花加工模具制造技术教学内容与要求：知识点要求4.1电火花加工的基础知识识读理解应用重点难点电火花加工基本原理、条件、特点☆☆☆电火花加工的微观过程☆☆☆电火花加工常用术语和符号☆☆4.2电火花成形加工电火花成形加工机床☆电火花成形加工控制参数和影响因素☆☆☆模具制造技术知识点识读理解应用重点难点电火花成形加工工具电极的设计制造☆☆☆☆电火花成形时电极与工件的装夹定位☆☆电火花成形加工的工艺过程及实例☆☆☆☆4.3数控电火花线切割加工☆☆电火花线切割加工原理特点应用范围☆☆电火花线切割加工机床☆☆数控电火花线切割控制系统编程方法☆☆☆☆数控线切割加工工艺及常用夹具、工件的正确装夹方法☆☆工艺参数对数控线切割加工工艺影响☆☆模具制造技术模具制造技术电火花加工：（电蚀加工或放电加工）原理是基于工具和工件（正、负极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余金属，以达到零件的尺寸、形状及表面质量要求。工艺方法分类：电火花成形加工、电火花线切割、电火花磨削、电火花展成加工、电火花表面强化和电火花刻字等电火花线切割机床电火花成形机床电火花加工原理4.1电火花加工的基础知识4.1.1电火花加工的基本原理及必要条件模具制造技术1）工具电极和工件电极之间在加工时必须保持一定的间隙，一般是几个微米至数百微米。2）火花放电必须在一定绝缘性能的介质中，通常为煤油、去离子水等。工作液还有冷却作用。。3）放电点局部区域的功率密度足够高（W=IV）4）火花放电是瞬时的脉冲性放电，持续时间一般为1~1000μs。5）在先后两次脉冲放电之间，应有足够的停歇时间，排除电蚀产物，使电极间介质充分消电离，恢复介电性能。4.1.2电火花加工的特点优点:加工材料的去除是靠放电的热作用实现的，而几乎与其力学性能(硬度、强度)无关，因此适合于加工难以切削加工的材料。工具电极和工件不接触，适宜加工低刚度及微细加工、复杂表面形状工件的加工。直接用电能进行加工，易于数字控制、智能控制。局限性：用于导电材料的加工加工速度较慢存在电极损耗。模具制造技术4.1.3电火花加工的微观过程1.极间介质的击穿与放电模具制造技术4.1.3电火花加工的微观过程1.极间介质的击穿与放电模具制造技术由于工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极之间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）和带负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。带电粒子高速运动时相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可高达10000℃以上。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等。2.能量的转换、分布与传递极间介质一旦被击穿，脉冲电源就通过放电通道瞬时释放能量，把电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能及电磁波辐射能等(其中大部分转换成热能)，使两极放电点和通道本身温度剧增，该处即产生局部的熔化或汽化，通道中的介质也汽化或热裂分解。热源产生了很高的温度熔化和汽化了电极材料。模具制造技术电火花加工表面局部放大图3.电极材料的抛出（１）抛出条件（原因）：ａ.热爆力ｂ.气泡ｃ.材料低压再沸腾（２）形状ａ.表面张力b.内聚力（３）电蚀产物抛出聚集区模具制造技术4.极间介质的消电离模具制造技术一次脉冲放电结束，此后还应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。作用：（１）有足够的停歇时间消电离（２）排除电蚀产物（３）排除热量4.1.4电火花加工常用术语和符号模具制造技术模具制造技术模具制造技术8）脉冲宽度ti（µs）电压脉冲持续时间，粗加工时，用较大的脉宽，ti＞100µs；精加工时，只能用较小的脉宽，ti＜50µs。9）脉冲间隔to（µs）两个电压脉冲之间的间隔时间。模具制造技术脉冲参数与电火花加工时的5种放电状态10）放电时间（电流脉宽）te（µs）放电时间是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，11）击穿延时td（µs）从间隙两端加上脉冲电压后，一经过1小段的延续时间td，工作液介质才能概率性地被击穿放电，此时间称为击穿延时12）脉冲周期tp（µs）一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之前的时间称为脉冲周期，显然tp=ti＋to。精加工时小，粗加工时大；13）开路电压（空载电压）或峰值电压ui（V）模具制造技术14)加工电流I（A）加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时小，粗加工时大；间隙偏开路时小，15)峰值电流ie(A)是间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时）。16)正、负极性加工加工时以工件为准，工件接脉冲电源正极（高电位端），称为正极性加工；反之，工件接电源负极（低电位端），则称为负极性加工。17）放电状态放电状态是指电火花加工时放电间隙内每一脉冲放电时的基本状态，一般分为五种放电状态。①开路：放电间隙没有被击穿②火花放电：模具制造技术③短路：放电间隙直接短路连接。④电弧放电：由于排屑不良，放电点集中在某一局部而不分散，局部热量积累，温度升高，恶性循环，此时火花放电就成为电弧放电。⑤过渡电弧放电。18）加工速度是单位时间内(min)从工件上蚀除加工下来的金属体积（）以质量（g）计算时用Vm表示。19）损耗速度VE（/min或g/min）单位时间内(min)工具电极的损耗量。模具制造技术模具制造技术正、负极加工4.2电火花成形加工模具制造技术4.2电火花成形加工1-床身；2-过滤器；3-工作台；4-主轴头；5-立柱；6-液压泵；7-电源箱模具制造技术4.2.1电火花成形加工机床1.床身和立柱确保电极与工作台、工件与工件之间的相互位置精度。2.工作台支承与装夹工件，容纳工作液。主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标，要求：1）有一定的轴向和侧向刚度及精度；2）有足够的进给和回升速度；3）主轴运动的直线性和防扭转性能好；4）灵敏度要高，无爬行现象；5）具备合理的承载电极质量的能力。模具制造技术3.主轴头主轴头是电火花成形加工机床的一个关键部件，在结构上由伺服进给机构（步进电动机、直流电动机或交流伺服电动机作进给驱动）、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。百分表电极连接法兰游标拖板标尺外罩壳齿轮伺服电机3210模具制造技术平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。在采用单电极加工型腔时，可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差。平动头平动头包括两部分：1）是由电动机驱动的偏心机构，2）是平动轨迹保持机构。工作原理：平动头将伺服电动机的旋转运动转化成工具电极上每一个质点都在水平面内围绕其原始位置做平面圆周平移运动。平动加工时电极的运动轨迹平动头加工的特点：用一个工具电极就能由粗至精直接加工出工件（由粗加工转至精加工时，放电规准、放电间隙要减小）；平动头的结构形式：停机手动调偏心量平动头、不停机调偏心量平动头、数控平动头。模具制造技术(a)电极在最左(b)电极在最上(c)电极在最右(e)电极平动后的轨迹(d)电极在最下电极平动头扩大间隙原理图4.电火花加工机床的工作液和循环过滤系统工作液的作用：1）放电结束后恢复放电间隙的绝缘状态（消电离），以便下一个脉冲电压再次形成火花放电。2）使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去3）冷却工具电极和降低工件4）工作液还可压缩火花放电通道，增加通道中压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力，以抛出更多熔化和气化了的金属，增加蚀除量。工作液循环过滤系统冲、抽油方式如图4.2.3模具制造技术模具制造技术5.电火花成型机床的脉冲电源作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，供给火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。6.电火花加工机床的伺服进给模具制造技术为了使加工过程连续进行，电极必须不断、及时地调节进给速度，以维持所需要的放电间隙，当外来干扰使放电间隙发生变化，电极的进给也应随之作相应的变化。4.2.2电火花成形加工的控制参数和主要影响因素模具制造技术1.电火花成形加工的控制参数模具制造技术一些主要控制参数对工艺指标的影响程度2.影响工件加工速度、工具电极的损耗速度的主要因素模具制造技术短脉冲加工：正极材料的蚀除速度大于负极材料的蚀除速度，采用正极性加工；长脉冲加工：长脉冲时负极的蚀除速度要比正极大，采用负极性加工。（2）工具电极材料的影响石墨电极铜电极模具制造技术耐蚀性高的电极材料有：钨、钼、铜钨合金、银钨合金、纯铜及石墨电极等。钨、钼、铜钨合金、银钨合金、熔点和沸点都较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，仅在少数的超精密电火花加工中采用。铜的导热性好，会使电极表面保持较低温度从而减少电极损耗，纯铜不易产生电弧，在较困难的条件下也能实现稳定加工；精加工时比石墨电极损耗小，易于加工成精密、微细的花纹，采用精微加工能达到Ra1.25μm的表面粗糙度；但纯铜的机械加工性能不如石墨好。模具制造技术石墨电极的优点：机械加工成形容易(但不易做成精密、微细的花纹)；电火花加工的性能也很好，在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗。石墨电极的缺点：石墨电极容易产生电弧烧伤现象，精加工时电极损耗较大，加工表面只能达到成Ra2.5μm。对石墨电极材料的要求是颗粒小、组织细密、强度高和导电性好。模具制造技术（3）电参数的影响蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比，某一段时间内的总蚀除量等于这段时间内各单个脉冲蚀除量的总和。提高电蚀量和生产率的途径：1）减小脉冲间隔，提高脉冲频率；2）增加放电电流及脉冲宽度，增加单个脉冲能量。模具制造技术3.影响工件加工精度的主要因素（1）放电间隙模具制造技术（1）电加工时，工具电极的凹角与尖角很难精确复制在工件上，因为在棱角部位电场分布不均，间隙越大，这种现象越严重。为了减小加工误差，应缩小放电间隙，精加工的放电间隙0.01~0.03mm，粗加工放电间隙0.5mm。二次放电造成的侧面加工斜度（2）工具电极的损耗加工深度方向上产生斜度，棱角R；原因：工具电极下端由于加工时间长在型腔入口处由于电蚀产物的存在而容易产生二次放电模具制造技术4.影响工件表面质量的主要因素模具制造技术4.2.3电火花成形加工工具电极的设计与制造1.对电极的技术要求1）电极的几何形状要和模具型孔或型腔的几何形状完全相同，其尺寸大小根据模具型孔或型腔的尺寸及公差、放电间隙的大小、凸模与凹模配合间隙来决定；2）电极的尺寸精度不低于IT7级精度；3）电极的表面粗糙度应在Ra0.63～1.25μm以上，如果采用铸铁或铸铜时，表面不能有砂眼；4）各表面的平行度，100mm长度内不能大于0.01～0.02mm；5）电极加工成形后变形小，具有一定强度。模具制造技术2.电极材料要求：损耗小、加工过程稳定、生产率高、易于制造加工及成本低廉的材料。常用的电极材料有：铸铁、钢、纯铜、黄铜、铜钨合金、银钨合金、石墨等。模具制造技术模具制造技术电火花成形加工常用电极及其性能模具制造技术（1）铸铁电极的电极损耗和加工稳定性均较一般，容易起弧，生产率不及铜电极。但是价格低廉、并且机械加工性能好。因此，铸铁是一种较常用的电极材料多用于穿孔加工。（2）钢电极的加工稳定性较差、电极损耗较大、生产率也较低、但是价格便宜、具有良好的机械加工性能。钢电极还有其独特的优点，即把加长的部分就用作电极。电火花加工后，把损耗部分切除掉，余下部分可做凸模使用。钢为常用的电极材料之一，多用于一般的穿孔加工。模具制造技术（3）纯铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、但损耗较大、来源少、价格较贵。由于其韧性大，机械加工性能差、磨削加工困难，其加工精度较低。纯