模具制造工艺学第五章

第5章模具零件的现代加工与成形方法5.1电火花成形加工5.2电火花线切割加工5.3电化学及化学加工5.4超声波加工与激光加工5.5模具零件的其他成形方法第5章模具零件的现代加工与成形方法使用刀具和磨料，利用切削力和机械能加工模具是由来已久的传统加工方法，这种金属切削加工方法尽管不断得到完善和发展，但仍不能满足迅速发展的模具制造业的需要。特别是对于高硬度、高韧性、高强度、高魄性等难加工材料，以及精密细小、形状复杂和结构特殊的模具零件，采用传统的机械切削加工方法根难达到精度、表面粗糙度和生产率的要求，甚至无法加工。因此，近几十年来，人们籍助子现代科学技术的发展，相继开发了一系列有别于传统机械切削加工的现代新型加工方法——特种加工。第5章模具零件的现代加工与成形方法特种加工是以利用热能、电能、声能、光速、化学能、电化学能等机械能以外的其他能量为主去除工件材料的新颖加工方法。现代特种加工与传统机械加工的不同1不是主要依靠机械能，而是主要依靠其他能量去除工件材料。2不要求工具材料比工件材料更硬；3加工过程中工具和工件之间不存在明显的机械切削力。5.1电火花成形加工电火花加工又称放电加工或电蚀加工，它包括电火花成形加工，电火花线切割加工，电火花内孔、外圆和成形磨削，电火花同步回转加工，电火花表面强化和刻字等工艺方法。在模具制造中常用的有电火花成形加工和电火花线切割加工，它是目前模具成形表面的重要加工方法。5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工的基本原理电火花成形加工的原理是基于工具电极与工件电极（正极与负极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来除去多余的金属，以获得规定的尺寸、形状和表面质量的一种加工方法。5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工的基本原理早在19世纪初，人们就发现，电器开关的触头在断开或闭合时，会产生放电现象而使其接触部位烧蚀损坏。这种由于放电所引起的电极烧蚀现象，通常被称为电腐蚀现象。长期以来，人们在研究抗电腐蚀办法的同时，也在研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工，终于在1943年前苏联科学院电工研究所的拉扎连柯夫妇研制出利用电容器反复充电放电原理的世界上第一台实用化的电火花加工穿孔机。5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工的基本原理5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工表面形状示意5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工必须具备以下条件：1电火花成形加工必须采用脉冲电源提供瞬间脉冲放电。为防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲放电波。为了形成极小范围内的瞬时高温，以使金属局部熔化，甚至气化，必须保证电火花放电所产生的热量来不及从放电点传导扩散出去，因而，实际脉冲放电时间应小于0.001s放电之后，为使放电介质有足够时间恢复绝缘状态，以免引起持续电弧放电，烧伤加工表面，还要有一定的脉冲间隔时间。5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工必须具备以下条件：2脉冲放电必须有足够的放电能量。脉冲放电的能量要足够大，电流密度应大，足以使金属局部熔化和气化，否则只能使金属表面发热。5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工必须具备以下条件：3工具电极和工件之间必须保持一定的距离以形成放电间隙。这一间隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米。如果间隙尺寸过大，极间电压不能击穿极间介质，火花放电就不会产生；如果间隙尺寸过小，很易形成短路，同样不能产生火花放电。为此，在电火花成形加工中必须有专门的调节装置以维持正常的放电间隙。5.1.1电火花成形加工的基本原理及特点电火花成形加工必须具备以下条件：4火花放电必须在一定绝缘性能的液体介质中进行。这种液体介质（如煤油、皂化液、去离子水）不仅有利于产生脉冲性的火花放电，同时还有排除放电间隙中的电蚀产物及对电极表面的冷却作用。电火花成形加工的物理本质液体介质击穿和通道形成电火花加工一般都是在液体介质中进行的。当脉冲电压施加在工具电极与工件之间时，将会在极间产生电场。由于极间距离甚小以及电极表面的微观不平，极间电场是不均匀的，一般在两者相距最近的对应点上的电场强度最大。极间介电液中的杂质则会在极间电场作用下，向电场较强的地方聚集，进而引起极间电场的畸变。电火花成形加工的物理本质能量的转换和传递两极间的介质一亘被击穿，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是两极放电点和通道本身温度剧增，使两极放电点的金属材料熔化甚至沸腾气化，并使通道中介质气化或热分解。电火花成形加工的物理本质电蚀屑的抛出在热膨胀压力和爆炸力作用下，电极和工件表面熔化和汽化了的金属被抛入附近的液体介质中冷却，由子表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料冷凝为球状颗粒，大小因脉冲能量而定。电火花成形加工的物理本质电火花瞬间放电示意图电火花成形加工的物理本质间隙介质的消电离为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间，使间隙内的介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，并恢复该处液体介质的绝缘强度。如果间隔时间不够，消电离不充分，电蚀产物和气泡来不及很快排除，就会改变间隙内介质的成分和绝缘强度，破坏消电离过程，这些都会使脉冲放电不能顺利转移到其他部位，而始终集中在某一部位，形成连续的电弧放电，使电火花加工不能正常进行。3电火花成形加工的特点和适用范围适合于难切削材料的加工由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等，而几乎与其力学性能无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制，可以用软的工具加工硬、韧的工件，从而扩大了模具材料的选用范围。3电火花成形加工的特点和适用范围可以加工特殊及复杂形状的零件由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细工件，如加工细长、薄、脆性零件及微细深孔。由子可以简单地将各工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于加工复杂表面形状的工件。3电火花成形加工的特点和适用范围可以改进结构设计，改善结构的工艺性例如拼镶结构的硬质合金冲模采用电火花加工后，可以将拼镶结构改为整体结构，既减少了加工工时和装配工时，又延长了使用寿命。又如喷气发动机中的叶轮，采用电火花加工后可以将拼镶，焊接结构改为整体叶轮，既大大提高了工作可靠性，又大大减小了体积和质量。3电火花成形加工的特点和适用范围可使零件的结构设计及工艺设计更加灵活采用电火花加工的零件，在结构设计时允许方孔、小孔、弯孔、窄缝等结构形式，在工艺设计时可先淬火后加工，以避免淬火热变形对零件精度的影响。3电火花成形加工的特点和适用范围易于实现加工过程自动化由于是直接利用电能加工，而电能、电参数比机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制和无人化操作等。电火花加工的局限性只能用于加工金属等导电材料不像切削加工那样可以加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。但近年来研究表明，在一定条件下也可加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。电火花加工的局限性加工速度一般较慢因此通常安排工艺时多采用切削去除大部分余量，然后再进行电火花加工，以求提高生产率。但最近的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率可不亚于切削加工。电火花加工的局限性存在电极损耗由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。但最近的机床产品在粗加工时已能将电极相对损耗比降至0.1%以下，在半精和精加工时能将损耗比降至1%，甚至更小。4，电火花加工工艺方法分类电火花穿孔成形加工特点：工具和工件间主要只有一个相对的伺服进给运动，工具为成形电极，与被加工表面有相同的截面或形状用途：型腔加工，穿孔加工4，电火花加工工艺方法分类电火花线切割加工特点：工具电极为顺电极丝轴线方向移动着的线状电极，工具和工件在两个水平方向同时有相对伺服进给运动用途：切割各种冲模和具有直纹面的零件，下料、截割和窄缝加工4，电火花加工工艺方法分类电火花内孔、外圆和成形磨削特点：工具和工件有相对的旋转运动，工具和工件间有径向和轴向的进给运动用途：加工高精度、表面粗糙度值小的小孔，加工外圆、小模数滚刀等4，电火花加工工艺方法分类电火花同步共轭回转加工特点：成形工具和工件均作旋转运动，但二者角速度相等或成整数倍，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度，工具相对工件可做纵、横向进给运动用途：以同步回转、展成回转、倍角速度回转等不同方式加工各种形状形面的零件。4，电火花加工工艺方法分类电火花高速小孔加工特点：采用细管电极，管内冲入高压水基工作液；细管电极旋转；穿孔速度极高用途：线切割预穿丝孔；深径比很大的小孔4，电火花加工工艺方法分类电火花表面强化、刻字特点：工具在工件表面上振动；工具相对工件移动用途：模具刃口、刀、量具刃口表面强化和镀覆；电火花刻字、打印记5.1.2电火花成形加工的基本规律影响加工速度的主要因素加工速度（或称生产率）是指在一定的规准（脉冲电源的脉冲宽度、脉冲间隙和峰值电流等一组电参数）下单位时间内从工件上蚀除的金属体积V或质量m。影响加工速度的主要因素电规准对加工速度的影响脉冲电源提供给电火花成形加工的脉冲宽度、脉冲间隙和峰值电流这一组电参数，称为电规准。单位时间内的金属工件材料蚀除量vv等于该时间内各单个有效脉冲蚀除量vi之和。影响加工速度的主要因素极性效应对加工速度的影响在脉冲放电过程中，工件和电极都要受到电腐蚀，实践证明，即使工件和电极的材料完全相同，也会有不同的蚀除速度。这种单纯由于极性不同而发生蚀除速度不一样的现象叫做极性效应。习惯上常把工件接正极时的电火花加工称为正极性加工，把工件接负极时的加工称为负极性加工。在操作中必须注意极性效应，正确选择极性，使工件的蚀除量大于电极的蚀除量。影响加工速度的主要因素工件材料的热学常数对加工速度的影响所谓热学常数是指熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等，其中前三者对电蚀量影响较大。每次脉冲放电时，通道内及正、负电极放电点瞬间分别获得大量热能，除了一部分由于热传导散失到电极其他部分和工作液中外，大部分热能消耗在金属的熔化、汽化过程中。影响加工速度的主要因素工作液对加工速度的影响在电火花成形加工时，工作液的作用是：1介电作用。工作液一般都具有一定的介电能力，有助子产生脉冲式的火花放电，形成放电通道，放电结束之后又能恢复极间绝缘状态。2压缩放电通道，提高火花放电能量密度，强化电蚀产物的抛出效应。3冷却工具与工件，并传散放电结束后的极间放电通道余热。影响加工速度的主要因素排屑条件对加工速度的影响在电火花加工过程中，极间局部区域电蚀产物过高，加之放电引起的温度升高，常会影响加工过程的稳定性，以致破坏正常的火花放电，使加工速度降低，甚至无法继续加工。影响加工精度的主要因素尺寸精度电火花加工时，工具电极与工件之间都存在一定的放电间隙，因此工件上被加工型腔或孔的尺寸一定会稍大于工具的尺寸。加工用的脉冲空载电压、击穿电压高，单个脉冲能量大，工作液的绝缘电阻低，则放电间隙就会较大。如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正工具电极尺寸进行补偿，也能获得较高的加工精度。影响加工精度的主要因素形状精度影响形状精度的因素主要是电火花加工时产生斜度和圆角。1斜度。电火花加工时侧面产生斜度，使上端尺寸大而底端尺寸小。这是由于二次放电和电极损耗而产生的，2圆角。电火花加工时，工具电极上的尖角和凹角，根难精确地复制在工件上，而是形成一个小圆角。影响加工表面质量的主要因素表面粗糙度电火花加工表面和切削加工表面不同，它不存在有方向性的刀痕，而是由无数的电蚀小坑和光滑的硬凸边所组成，特别有利子保存润滑油，在相同的表面粗糙度下其耐磨和耐蚀性能均比切削加工的表面好。影响加工表面质量的主要因素表面变质层由于电火花放电的瞬时高温和液体介质的冷却作用，使工件加工表面产生了