第三章模具的特种加工

第三章：模具的特种加工*特种加工：*电火花成型加工，电火花线切割，电解加工，电铸，电化学抛光，化学加工，激光加工，超声波加工等*材料性能日益提高§3.1电火花成型加工一、电火花加工的基本原理和特点电火花加工又称放电加工（ElectricalDischargeMachining简称EDM），在20世纪50年代开始研究并逐步应用于生产。（一）基本原理：电火花加工是一种电、热能加工方法。利用工具和工件两极间脉冲放电时局部瞬时产生的高温把金属腐蚀去除来对工件进行加工的一种方法。当用脉冲电流作用在工件表面上时，工件表面上导电部位即立即熔化，若电脉冲能量足够大时，金属将直接气化，熔化的金属强烈飞溅而抛离电极表面，使材料表面形成电腐蚀的坑穴。如适当控制这一过程，就能准确地加工出所需的工件形状。1．19世纪发现电腐蚀现象，1943年第一台电火花穿孔机2．加工过程：（1）工具和工件分别接脉冲电源两极，其间充满加工液（2）接近达一定距离（几微米～数十微米）时，加工液被击穿发生电火花放电；（3）工件被蚀出一个小凹坑，工具电极也有微小损失；（4）两极恢复绝缘。电火花加工设备示意图1-脉冲电源2-放电间隙自动调节器3-机床床身4-工作液及其循环系统3．必备条件a．作为工具和工件的两极之间要有一定的距离（通常为数微米到数百微米），并且在加工过程中能维持这一距离。b．两极之间应充入介质。对导电材料进行尺寸加工时，两极间为液体介质；进行材料表面强化时，两极间为气体介质。c．输送到两极间的能量要足够大，即放电通道要有很大的电流密度（一般为105～1016A/cm2）。这样，放电时产生大量的热，足以使任何导电材料局部熔化或气化。d．放电应是短时间的脉冲放电，放电的持续时间为10-7～10-3s，由于放电的时间短，使放电产生的热来不及传导扩散开去，从而把放电点局限在很小的范围内。e．脉冲放电需要重复多次进行。并且每次脉冲放电在时间上和空间上是分散的，不重复的。即每次脉冲放电一般不在同一点进行，避免发生局部烧伤。f．脉冲放电后的电蚀产物能及时排运至放电间隙之外，使重复性脉冲放电顺利进行。（二）物理本质1．介质击穿和通道形成（1）脉冲电压形成电场，电极表面不平使电场不均匀；因为工具和工件表面存在着微观不平度，在两极间的表面粗糙度峰顶处，电极间隙绝缘条件相对薄弱，电场强度最大，其间的液体介质将首先被击穿形成放电通道（2）杂质聚集，使级间电场畸变；沿电力线集聚形成特殊的“桥”，缩短了实际极间距（3）电场强度介电强度→电离→放电通道（4）介质击穿的过程十分短促，一般为10-7～10-5s。介质击穿形成导电通道后，间隙电阻从绝缘状态骤降到几分之一欧姆，间隙电流急速上升，电流密度可高达105～108A/cm2，间隙电压则由击穿电压迅速降至电的火花放电维持电压（一般为20～25V）。（5）电压下降。2．能量转换、分布、传递（1）能量转化：电能→热能，动能，磁能，光能，声能等（2）分布：阳极表面，阴极表面，放电通道能量传递给表面的形式*带电粒子的高速轰击*电极材料汽化产生的蒸汽炬对电极表面冲击；*放电通道的热辐射*放电通道中高温气体质点对电极表面的热冲击（3）传递：热传导理论，形成温度场3．电极材料的抛出（1）高温使局部金属瞬间熔化、汽化，将熔化、汽化金属抛离电极表面，形成凹坑（100～200m/s）（2）电极蒸汽，介质蒸汽，放电通道的膨胀，产生压力将熔融金属抛出；（3）流体动力：放电产生气泡图3.2放电间隙状况示意图1—阳极；2—从阳极上抛出金属的区域；3—熔化的金属微粒；4—工作液；5—在工作液中凝固的金属微粒；6—在阴极上抛出金属的区域；7—阴极；8—气泡；9—放电通道；10—翻边凸起；11—凹坑熔融材料抛出后，在电极表面形成电痕，如图3.2所示。熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极表面，形成熔化层，在四周形成稍凸起的翻边。熔化层下面是热影响层，再往下才是无变化的材料基体。总之，材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果，对这一复杂的抛出机理的认识还在不断深化中。4．电介质的消电离（1）消电离：脉冲放电结束后，电场趋于零，通道带电粒子数量急速减少，逐渐恢复介电性能；（2）最小脉冲间歇时间：在加工中，如果放电产物和气泡来不及很快排除，会改变间隙介质成分和绝缘强度，使间隙中的热传导和对流受到影响，热量不易排出，带电粒子的动能不易降低，将大大减少复合的几率。这样，间隙长时间局部过热，会破坏消电离过程，易使脉冲放电转变为破坏电弧放电，同时工作液局部高温分解后可能结炭，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，致使加工无法进行下去，并烧伤电极对。因此，为了保证加工的正常进行，在两次脉冲放电之间一般应有足够的脉冲间隔时间(问题），**避免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。（三）电火花加工有如下的特点：1、脉冲放电的能量密度高，便于加工普通机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料、复杂形状的工件。2、脉冲放电持续的时间极短，放电时产生的热量传导范围小，材料被加工表面受热影响的范围小。3、加工时，工具电极与工件材料不接触，由于两者之间宏观作用力极小，工具电极不需比工件材料硬，因此工具电极制造容易。4、直接利用电能进行加工，便于实现加工过程的自动化；并可减少机械加工工序，加工周期短，劳动强度低，使用维护方便。5、脉冲参数调节范围大，可粗、中、精、精微加工电火花加工的主要用途如下：a．可直接加工各种金属及其合金材料、特殊的热敏感材料、半导体和非导体材料。b．可加工各种形状复杂的型孔和型腔工件，包括圆孔、方孔、多边形孔、异形孔、曲线孔、螺纹孔、微孔、深孔等型孔工件及各种型面的型腔工件。例如加工从数微米的孔、槽到数米的超大型模具和工件。c．各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构工件的切断，切割微细窄缝及微细窄缝组成的工件，如金属栅网、慢波结构、异型孔喷丝板、激光器件等。d．加工各种成型刀、样板、工具、量具、螺纹等成型零件。e．磨削各种工件。如小孔、深孔、内圆、外圆、平面等磨削和成型磨削。f．刻字、打印铭牌和标记。g．表面强化。如金属表面高速淬火、渗氮、渗碳、涂覆特殊材料及合金化等。h．辅助用途。如去除折断在工件中的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。电火花加工技术是模具制造的主要手段。主要以解决难切削加工及复杂形状工件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和工件中。二、电火花加工的基本规律工艺效果评价：加工速度，加工精度，表面质量，电极损耗（一）影响加工速度的主要因素1．加工速度：一定规准下（一组脉冲参数），单位时间t内工件被蚀出的体积V或质量m一般用(mm3/min)；测量方便：(g/min)2．影响因素：（1）电参数：一分钟内，材料蚀出量：Vv正比与W和f、Im、tontVVvtmVmfKWVViV60W——单个脉冲能量，J；f——脉冲频率，Hz；λ——有效脉冲利用率，%；K——与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺参数。ontdttituW0)()(单个脉冲释放的能量：结论：（1）加工速度正比于单脉冲能量和放电频率；（2）用矩形波加工时，加工速度正比与脉冲电流幅值Im和放电持续时间ton，即正比于平均放电电流。（2）极间效应1由于极性不同而产生蚀出速度不一样的现象叫极间效应2正极性加工：工件接正极，负极性加工，工件接负极3产生原因：一般认为在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。其原因是电子的质量和惯性均小，容易获得很高的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给阳极表面，使电极材料迅速熔化和气化；而正离子则由于质量和惯性较大，起动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面，到达负极表面并传递能量的只有一小部分离子。图3.4电极相对损耗与极性、脉宽的关系1—正极性加工；2—负极性加工4极性效应的利用*采用单向脉冲电源*正确选择加工极性：当ton20μs，正极性精加工；ton50μs时，负极性粗加工；*用导热性好，熔点高的材料做工具电极；*合理选用脉冲持续时间（脉冲宽度）铜钢（3）工件材料的热学常数1热学常数：熔点，沸点（汽化点），导热系数，比热容（使局部金属材料温度升高直至达到熔点，而每克金属材料升高1℃（或1K）所需热量即为该金属材料的比热容）。，熔化热（每熔化1g材料所需热量即为该金属的熔化热），汽化潜能（使熔融金属气化，每气化1g材料所需热量称为该金属的气化热）等2熔点，沸点（汽化点），比热容，熔化潜能，汽化潜能高，蚀出率低，导热系数高，蚀出率低当脉冲量一定时，对于不同的工件将有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽。因此需要综合多种因素进行正确的选择。（4）工作液1工作液的作用*介电作用，有助于形成放电通道*压缩放电通道，提高能量密度*点蚀产物排除*冷却工具与工件，传出放电通道余热2介电性能好，密度，粘度大→能量密度↑→抛出效应↑粘度↑↑→电蚀产物排出↓*用粘度小，流动性好，渗透性好的煤油，或专用油，*用水时，效率高，表面粗糙只有绝缘介质才能产生火花击穿并且在放电结束后迅速恢复间隙绝缘状态。粗加工时可达200～1000mm3/min（Ra为10～20μm），半精加工时降到20～100mm3/min（Ra为2.5～10μm），精加工时一般都在10mm3/min以下（Ra为0.32～2.5μm）。由此可看出随着表面粗糙度值的减小，加工速度将显著下降。（5）排屑条件*电蚀产物：金属微粒，气泡，碳粒等*冲油，工件定期抬起，增加t0ff，降低加工平均电流等（二）影响加工精度的主要因素*机床精度，电极精度，定位精度，放电间隙，电极损耗等1．尺寸精度电火花加工中，工具与工件间存在着放电间隙，因此工件的尺寸、形状与工具并不一致。如果加工过程中放电间隙能保持不变，根据工件加工表面的尺寸、形状可以预先对工具尺寸、形状进行修正。但放电间隙是随电参数、电极材料、工作液的绝缘性能变化而变化，从而影响了加工精度。（1）放电间隙的变化：（2）δ变化的原因：放电间隙和“二次放电”引起的AmWktkukRntu4.0（3）影响δ的因素：击穿电压，W，排除，工作介质等（4）一般δ=0.01mm（精）；δ=0.5mm（粗）（5）δ↑→棱角电场不均匀↑（6）电极损耗大小2．形状精度（1）斜度：上大下小，1二次放电：已加工表面上由于电蚀产物的混入而使极间实际距离减少或极间工作液接典型能降低，而再次发生放电现象，使间隙扩大2工具电极损耗——斜度3加工冲裁凹模时可以利用精密加工时，工具的尺寸精度一般要求在±0.5μm范围内，表面粗糙度值Ra＜0.63μm。电火花穿孔加工时，工具电极可以贯穿工件型孔而补偿它的损耗。但型腔加工时，因为型腔本身是有底的凹穴，无法采用此法补偿电极的损耗，故精密型腔加工时常采用更换电极等加工方法。（2）圆角1电极上的尖角和凹角难以复制到工件上，而形成小圆角；2尖角处蚀出机率大，易形成圆角；3放电间隙的等距离效应；4工具电极的尖角处易电蚀成圆角；5采用高频窄脉冲精加工可使R0.01mm。（三）影响表面粗糙度的主要因素1．表面粗糙度电火花加工表面粗糙度的形成是由若干电蚀小凹坑组成，凹坑的大小与单个脉冲放电能量有关，单个脉冲能量越大凹坑越大。如果把粗糙度值大小简单地看成与电蚀凹坑的深度成正比，则电火花加工表面粗糙度随脉冲宽度、峰值电流的增加而增加。（1）表面有小凹坑，无光泽，润滑性和耐磨性好；（2）W↑→坑大而深→Ra↑（3）Vv↑→Ra↑↑（4）工件材料熔点↑→Vv↓→Ra↓（5）侧面↓（6）工具电极的Ra电火花加工要求达到粗糙度值Ra≤0.3μm是很困难的，因此一般先加工到Ra2.5～0.63μm，然后再采用其它方法加工（如研磨等）