模具制造工艺4

第4章模具零件的电火花加工•特种加工与传统切削加工本质不同点：•不要求工具材料比工件材料硬；•不需要施加明显的机械力，而是利用电能、化学能、光能、声能、热能等对工件进行加工。常用特种加工方式：•电能、热能——电火花成形加工（EDM），电火花线切割加工（WEDM），电子束加工（切割、打孔、焊接，EBM），等离子弧加工（切割/喷镀，PAM）•电能、动能——离子束加工（电－机械）（IBM）•电化学能——电解加工（ECM）,电铸（EF）,涂镀（EP）•电化学能、机械能——电解磨削（ECG）,阳极机械磨削，电解珩磨（ECH）•声能、机械能——超声波加工（USM）•光能、热能——激光加工（切割、打孔、打标记，LBM），激光处理、表面改性（LBT）•化学能——化学铣削（CHM），化学抛光（CHP）•光能、化学能——光刻（照相腐蚀，PCM）•液流、机械能——磨粒流加工，磨料喷射加工（喷砂，喷丸？）,液体喷射加工,挤压珩磨（AFM）,水射流切割（WJC）特种加工引起机械制造工艺技术领域的变革•提高了材料的可加工性；•改变了零件的典型工艺路线（热处理前后，分散—集中）；•缩短了新产品试制周期；•对产品零件的结构设计带来了很大影响（清角与圆角，镶拼与整体）；•对传统的结构工艺性的好坏需要重新衡量。4.1电火花成形加工（ElectricalDischargeMachining）•4.1.1电火花加工的基本原理及特点•4.1.1.1电火花加工的基本原理•工具电极与工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀。•1752年，本杰明.富兰克林以雷电为例对放点现象作了说明；•1943年，前苏联学者拉扎林柯夫妇利用RC回路发明了电加工机床；•1952年，瑞士夏米尔（后并入阿奇）技术公司量产工业级机床逆向思维经典案例1）防腐——腐蚀加工（玻璃上刻图案）2）雷击——避雷针3）润滑——摩擦/高尔夫球4）茅草——锯子（鲁班）……电腐蚀用于金属加工的必备条件：•局部电流密度105~106A/cm2，产生10000℃以上高温，使金属气化；•脉冲宽度Ton，放电持续时间10－7~10－3sec；•脉冲间隔Toff，足够的停歇时间，不在同一点重复放电；•放电间隙δ，电极与工件间隙nμm~n×102μm；•工作液。脉冲电流波形4.1.1.2电火花加工的物理本质•单次脉冲放电的物理过程（慢动作）：1）电离—击穿：脉冲电压加至两极，极间立即建立起电场。场强足够大时，极间产生极化或搭桥，电子从阴极向阳极发射，进而形成雪崩式电离过程，极间形成等离子体放电通道，产生击穿。2）放电—热蚀：阳极和阴极表面分别受到带电粒子流高速冲击，电流密度可达105~106A/cm2，通道中心温度高达104℃以上，瞬时压力高达107Pa，电极材料熔化和气化，形成过热金属。同时，通道周围的工作液变热，气化，气泡区形成并扩展。3）抛出—消电离：随着放电延续，熔化的金属断续从电极表面抛离。脉冲电流终止时，气泡由于惯性继续向外扩展，内部压力降低，过热熔融金属抛离电极后，电极表面形成放电凹坑。随着气泡收缩而破裂，带电离子迅速减少，极间恢复绝缘状态。从工艺观点出发，电火花加工过程可以归结为3个基本矛盾•Ⅰ)工具电极损耗与工件成形精度之间的矛盾；•Ⅱ)加工生产率和加工表面质量之间的矛盾；•Ⅲ)电蚀产物的产生与排除之间的矛盾。4.1.1.3电火花加工的特点1）主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可加工半导体和非导体材料；2）加工不靠明显的作用力，可用于加工小孔、窄槽等复杂孔、腔加工；3）脉冲放电持续时间短，工件被加工表面受影响小；4）可完成粗、中、精、精微加工；5）便于实现自动化；6）去除材料率与质量指标无法兼顾（矛盾Ⅱ）；7）存在电极损耗，并往往集中在某一局部，影响成形精度（矛盾Ⅰ）；8）一般加工速度较慢（矛盾Ⅲ？）；9）最小角部半径有限制。电火花加工解决了高熔点、高硬度、高强度、高脆性、高粘性、高韧性、高纯度材料和具有各种复杂结构与特殊工艺要求的零件长期以来存在的加工难题电火花加工按工艺方法分类•电火花成形、穿孔•电火花磨削平面、内外圆、成形•电火花线电极加工电火花线切割，其它线电极电火花加工•电火花展成加工利用简单形状电极与工件作相对应的展成运动，逐点加工，实现整体成形（共轭旋转、螺旋面、……）•电火花强化？新技术（日本）•气中放电加工的最大优点是电极损耗极低，且与脉宽无关。•混粉（硅、铝等）工作液可达到类似镜面效果4.1.2电火花加工的基本规律4.1.2.1影响加工速度的主要因素电规准3元素（应可调）：•脉宽Ton范围0.1~2000μs（微秒）Ton↑，电极损耗θ↓，生产率↑，间隙δ↑，表面粗糙，表面变质层↑，斜度↑，加工稳定性好•脉冲间隔ToffToff↑，加工稳定性好•峰值电流IpIp↑，电极损耗θ↑，生产率↑，间隙δ↑，表面粗糙，表面变质层↑，加工稳定性好一般用加工速度、加工精度、加工表面质量、工具电极相对损耗4个工艺指标评价电火花加工的工艺效果。•电规准其它参数：波形，击穿电压，放电脉冲前、后沿，平均电流Im，脉宽峰值比Ton/Ip（μs/A）•单个脉冲能量=Im×Ton或•粗规准（大能量）：低电压，大Ton，大Ip，小Toff得到高生产率，低θ，但加工精度差，表面粗糙负极性•精规准（小能量）：较高电压，小Ton，小Ip，大Toff得到较低生产率，较大θ，但表面粗糙度小，可达到较高精度正极性•中规准：介于两者之间•1.电参数•加工速度正比于单个脉冲能量（w）、脉冲频率（f）、平均电流（Im）。•2.极性效应•蚀除速度的差别。原因：正离子和电子的质量差引起起动时间差•正确利用：1）单向脉冲；2）正确选择加工极性；3）选用好的电极材料；4）合理的Ton3.工件材料•一般不可选择，由模具设计需要确定。4.工作液•工作液的作用：•介电作用；•压缩放电通道；使放电能量高度集中在极小的区域内•帮助电蚀产物排除；加剧放电的流体动力过程•冷却；加速电极间隙的冷却与消电离过程•覆盖作用；•改变工件表面层的理化性能•对工作液的要求：1）绝缘；2）闪点高；3）无害；4）稳定；5）价廉•工作液种类：•普通煤油闪点低，易起火，价廉。使用多。用于中、精加工；•机油、变压器油闪点高，黏度大。用于粗加工；•专用油黏度低，闪点高，价格高。可用于各种规准的加工；•去离子水设施需防锈。用于精加工和高速穿孔。用于铜电极→钢工件、硬质合金时θ小5.排屑条件•电蚀产物有：•*固相（屑末），易产生短路，拉弧，破坏精度和表面粗糙度，降低加工稳定性•*气相，部分气体有害，要抽风•*辐射波•排屑方法：•冲油压力不宜太大，否则引起主轴头跳动•抬起（或振动、转动等方法）电极•开排气孔（大电极）4.1.2.2影响加工精度的主要因素1.尺寸精度•δ尽量控制均匀•精规准加工•预测电极损耗•分步加工，精修电极•放电间隙引起放电状态的改变2.形状精度1）斜度•产生原因二次放电；电极损耗•控制措施抽油；电极形状（大头形，为排屑提供宽通道）•可适当利用2）圆角电极工件minδδ（水平面截图）4.1.2.3影响表面质量的主要因素1.粗糙度与加工速度矛盾；工件材料硬，表面光；电极表面光•2.加工表层组织•熔融凝固层（松散层+急冷凝固层）+淬火层+热影响层•3.表面微观裂纹•深度在熔融凝固层内。能量大，工件材料硬，裂纹深；反之，浅。4.1.2.4电极损耗θ•电极（相对）损耗（%）•θ=电极耗损体积VE/工件蚀除体积VW•角损耗＞边损耗＞面损耗•与电参数（Ton↑，Ip↓）、工件材料、工作液种类、排屑条件等有关。降低θ的途径：•正确选择加工极性；•选择好的电极材料•对电极材料的要求：导电性好；损耗小；加工稳定性好；加工速度高；一定的机械强度；可加工性好；价格低廉•建立碳黑保护层；有条件•利用电喷涂现象；补偿•电化学作用影响加工的各种因素：放电现象间隙——伺服机构电参量：极性放电波形电规准（Ip、Toff、Ton）工作液：绝缘强度绝缘恢复时间种类成分压力流量电极材料工件材料加工形状加工面积影响加工稳定性的因素•机床刚度与精度•脉冲电源参数•主轴头伺服系统灵敏度•工作液•加工工艺烧弧及其对加工的影响•产生烧弧的原因：•进给速度太快；•电蚀产物堵塞；•电规准选择不当（粗规准加工时，Toff/Ton应＜1；精规准加工时，Toff/Ton应＞5）•磁性工件易烧弧•面积效应：超过最大允许加工电流密度后，再增大电流，生产效率将不再随电流增加而线性提高，相反，电极损耗将加大，并容易引起烧弧。4.1.3电火花成形加工设备及附件电火花加工机床种类：•电火花成形机；•电火花穿孔机；•电火花线切割机；•电火花磨床；•电火花小孔磨床电火花成形机的构成：1）稳压电源，脉冲发生器，2）自动控制系统（放电条件控制，随动控制）3）机床本体（主轴头及随动机构，工作台/槽）4）工作液系统（泵，过滤器等）4.1.3.1脉冲电源•对脉冲电源的要求：足够的能量、单向、可调、稳定等•脉冲电源的种类及其性能特点早期用直流发电机，后用可控硅，晶体管表4.1脉冲电源性能比较类型优点缺点应用场合弛张式结构简单；工作可靠；维修方便；粗糙度小可控性差；加工去除率低；电极损耗大主要用于精微加工晶体管式电参数调节范围广；使用方便；易实现自适应控制及计算机控制成本较高，线路复杂适用于各种场合，与计算机技术结合，可与多种加工工艺配套闸流管式工艺指标稳定；加工去除率与精度优于弛张式脉冲参数调节范围有限，难于获得极低损耗穿孔加工电子管式与闸流管式相似，频率特性较之更好与闸流管式相似，电能利用率较之低穿孔加工可控硅式电参数可调范围大；功率大，过载能力强，粗加工时电极损耗小高频特性稍差，可控硅的关断及可靠性使得电源制造复杂化在大、中型机上用于粗、中规准加工*弛张式为早期使用，其余为独立式，与加工间隙无关。4.1.3.2自动控制系统•用于控制放电间隙、极间物理状态、加工深度等1.间隙自动调节系统的作用及其技术要求•最佳放电间隙δj2.间隙自动控制系统的基本环节•4个环节测量、比较、放大、执行（与其它机械加工原理同）3.典型的间隙自动控制系统1）电磁悬浮式已少见2）电液压式（喷嘴挡板式，滑阀式）3）电动机式（伺服电机，）4）数控步进电机式•电液压式间隙控制系统•直流力矩电动机自动控制系统4.1.3.3机床本体1.基本组成•主轴头运动方式：相对直线运动（常用）；相对螺旋运动；相对曲线运动•床身、立柱分散，整体（小）结构形式：立柱式（中小型机）；龙门式（大中型机）；牛头滑枕式；悬臂式；台式（小孔、槽专用）；便携式；（分别图示）•工作台小型机可纵横移动•工作油槽的形式固定式，侧开门式，升降式2.主要规格4.1.3.4工作液循环过滤系统•功能：1）过滤（自然过滤或介质过滤）；2）强迫循环、冷却••放电间隙处不得有气泡，否则会“放炮”，•抽油不适于粗加工，4.1.3.5机床附件2.平动头；•轨动头：定值偏心；垂直方向锁定，偏心量逐渐加大；偏心量可变；电极按预定方向运动；沿同轴圆锥表面运动•三坐标轨动头；3.油杯冲、抽油用1.电极夹具，要求能调平，牢靠4.1.4电火花穿孔加工4.1.4.1穿孔加工工艺特点及其工艺路线•将电极侧面形状（尺寸）反拷贝在工件上（通孔）（1）用于：冲裁模，粉末冶金模，拉深模，拉丝模，……，螺纹、小孔（Ф0.015~）、异形孔（2）优点：配合间隙（斜度？）均匀，刃口耐磨；复杂凹模可做成整体，缩短制造周期•缺点：尖角不易保证；粗糙度不很小（3）基本工艺路线（4）电火花穿孔加工工艺方法：1）间接法不用凸模作电极，而用其它材料作电极。•一个电极可加工多个凹模•按凹模修配凸模，间隙难于确保均匀。用于冲裁间隙较放电间隙大的模具制造（厚板的冲裁）2）直接法•直接用（加长的）凸模作电极（钢打钢）•用于放电间隙与模具间隙相同且凹模刃口短的情况•限制了电极材料，电加工稳定性较差；电极加长，磨削精度较难保证直接法3）混合法（改进直接法）•电极（另选材料）与凸模连接起来加工，然后分开作电极及凸模•连接方法有：粘接（环氧树脂、锡焊等），机械连接横断面太小的