电火花成形加工讲解

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1、 模具成型表面的电火花加工 第三章 电火花成形加工 模具特种加工：有别于传统机械加工的新型加工方法 , 广泛应用于模具制造的各个部门，是模具制造中必不可少 的加工方法。直接利用电能、化学能、光能和声能对工件 进行加工。 模具特种加工的内容：电火花成形加工，电火花线切割加 工，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。 模具材料特点：高熔点，高硬度，高韧性； 结构复杂，工艺要求特殊。 特种加工特点： 1.不要求工具材料比工件材料硬; 2.不需要在加工过程中施加明显的机械力。 模具成型表面的电火花加工 电火花成形加工 3.1 电火花加工的基本原理 3.2 电火花加工的基本规律

2、 3.3 电火花加工的设备 3.4 电火花穿孔加工和 成形加工 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 一、电火花加工的基本原理 电火花加工的基本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对 工件进行加工，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度 要求。 电腐蚀现象：由于放电所引起的电极烧蚀现象。（19 世纪初发现电腐蚀使电极表面的金属发生瞬时熔化和 汽化，1943年研制出第一台电火花穿孔机。） 产生电腐蚀的原因：当极间产生火花放电时，会在放 电通道中产生大量的热，以致使电极表面的局部金属 瞬时熔化和汽化而被蚀除。 模具成型表面的电火花加工 3.1

3、电火花加工的基本原理 利用电腐蚀现象对金属材料进行加工的条件： 1）脉冲放电点必须有足够的火花放电强度：电流密度 105106 A/m2，使局部金属熔化和汽化； 2）短时间的脉冲放电：持续时间10-7 10-3 s。放电热 量不会传递到金属内部，保证加工精度和表面质量。 3）两次放电之间有足够的停歇时间:恢复介电性能，保 证每次放电不在重复点进行，防止局部烧伤； 4）工具与工件之间维持一定的间隙：0.010.5 mm； 5）极间充有一定的液体介质:有利于电蚀产物及时扩散 ，有利于放电顺利进行。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工

4、的基本原理 电火花加工的物理本质: 了解电火花加工的物理本质有助于我们掌握电火 花 加工规律，控制电火花加工质量。 电火花加工的物理过程是非常短暂而又复杂的 ， 每次脉冲放电腐蚀都是电动力、电磁力、热动力 以及流体动力等综合作用的过程，并可大概地分为: 极间介质的电离击穿及放电通道形成、能量转换和传 递、电极材料的抛出、极间介质消电离等几个阶段。 模具成型表面的电火花加工 电火花加工物理本质 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 1、极间介质的介电击穿和放电通道形成 由于极间距离小以及电极表面的微观不平，极间电场不均匀 。在距离最小的尖点处，介质被击穿而形成放电通道。 放电时

5、间：很短， 10-7 10-3 s ； 电流密度：很大， 105106 A/m2 ； 放电中心温度：很高，10000-12000。 物理过程：当极间局部电场强度大于介电液的介电强度，形成放 电通道；电阻迅速下降，电流迅速上升，脉冲电压迅速降至火 花维持电压；极间形成高温高压的等离子体，放电通道沿径向 膨胀，但受到周围介质的压缩效应和自生磁场作用，放电通道 截面很小。伴随等离子振荡、气泡振荡以及光辐射、射频辐射 、声辐射等物理现象。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 2.能量转换、分布与传递 放电过程中电能转换为：热能、动能、磁能、光能、声能以 及电磁波辐射能等。热能与电火

6、花加工有着密切关系，然而由电 能转换成的热能并非全部集中在工件表面用于加工，而是分配在 阳极表面、阴极表面以及极间放电通道等三个部分，其中只有分 配在工件电极表面的热能才有助于工件材料的蚀除。 主要传递能量的形式：带电粒子对电极表面的高速轰击。电 子在电场作用下奔向阳极，正离子在电场作用下奔向阴极。 放电点处温度最高，远离放电点处温度低，形成一个温度场 。 放电区结构：气化区、熔化区、热影响层、材料基体。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 3.电极材料的抛出 脉冲放电初期，为热爆力的抛出作用； 在脉冲放电持续期间，汽化爆炸，把熔融材料抛出； 在脉冲放电结束之后，由于流体动

7、力作用，熔融金属还会额外抛 出一部分。 总之，电极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。蚀除的金属除一部分以气相抛出外，大部分将是以 液相抛出。 电蚀产物的形成：被抛出的金属蒸汽和液滴在极间介质中迅速冷 却凝固聚成球状颗粒而成为电蚀产物。 放电效果：每次放电在电极表面留下一个盆地状的凹坑。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 4. 极间介质的消电离 放电结束后,电场消失，电离停止，放电通道中的消电离过 程使带电粒子迅速减少，极间介电液恢复介电性能。 消电离过程：通道中的正负带电粒子复合成中性粒子的过程。 正负带电粒子的复合速度是比较快的，但极间正负粒子的

8、复合 并不等于介电性能的恢复，温度和电蚀产物都会影响介电性能 。 两次放电之间的停歇时间的选择要考虑介质的消电离极限速 度，而且要考虑热量传散及电蚀产物的扩散。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 二、电火花加工的特点 1脉冲放电的能量密度很高。 故可加工任何硬、脆、韧及高熔点的导电材料。在一定的条 件下还可以加工半导体和非导电材料。从而扩大了模具的选材 范围。 2加工时，工具电极与工件不接触，二者之间不存在明显的宏 观作用力，而且工具材料也不必比工件硬。 有利于工具电极的制造，有利于加工复杂紧密模具，有利于 在淬火后加工。 3. 脉冲放电的持续时间短。热量传递范围小，热影

9、响区小。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 4. 加工时脉冲参数能在一个较大范围内调节。 可进行粗、中、精及精微加工。 精加工误差小于0.01mm，Ra0.63-1.25m； 精微加工精度可达0.002-0.004 mm，Ra0.04-0.16m。 5. 直接利用电能进行加工，便于实现自动化。 模具成型表面的电火花加工 3.1 电火花加工的基本原理 三、电火花加工工艺方法分类 按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的 方式和用途的不同，大致分为电火花穿孔成形加工、 电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花表面 强化与刻字等。前三类属电火花成形、尺寸加工，是 用于改变零

10、件形状或尺寸的加工方法；最后一类属表 面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。 电火花穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。 本章主要介绍电火花成形加工。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 电火花加工的基本规律 电火花加工的工艺指标：加工速度、加工 精度、加工表面质量以及工具电极相对损耗 。影响这些工艺指标的因素有哪些 ？ 只有掌握了电火花加工的基本规律，才能 利用电火花加工出满足要求的模具零件。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 一、影响加工速度的主要因素 电火花成形加工的速度，是指在一定的规准下，单位时 间t内工件被蚀除的体积V或质量m。 体积加工

11、速度：vV/t （m3/min） 质量加工速度： mm/t （g/min） 规准（又称电规准），是指加工所用的一组脉冲参数 。 脉冲参数：脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲周期、电流峰 值等。 影响加工速度的主要因素有电参数、极性效应、工件 材料的热学性质、工作液、排屑条件等。 模具成型表面的电火花加工 3.2电火花加工的基本规律 1电参数 根据前面所讨论的电火花加工的物理本质可知，每个脉冲 放电，都会在工件表面形成一个高温热源而使一定的工件材料 蚀除，并在工件表面留下一个微小凹坑。而单个脉冲能量W愈大 ，传递给工件上的热量就愈多，被蚀除的材料也愈多，并近似 于正比例关系。 单个脉冲蚀除量： ViK W

12、 一分钟蚀除量：V60 f KW k- 与电极材料、脉冲参数、加工极性、排屑条件等有关 ； f-脉冲放电频率(s-1)； W-单个脉冲能量（J）； -有效脉冲利用率。 结论：（1）加工速度正比于W和f；（2）矩形波加工时加工 速度正比于脉冲电流幅值Im和脉冲放电持续时间ton。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 2极性效应 概念：在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同 程度的电腐蚀。即使是正负两极材料相同，也往往会出现正负 两极的蚀除速度不一样，这种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。 “正极性”加工和“负极性”加工：工件接正极称为正极性加

13、工，工 件接负极称为负极性加工。 极性效应的产生原因：由于正负电极受到的带电粒子轰击效果不 同而产生。 极性效应与ton有关，还与电极材料和单个脉冲的能量W有关。 W一定情况下，每种材料都有一个蚀除量最大的最佳脉宽。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 在生产实践中，为了提高加工速度和降低工具电 极损耗，必须充分利用极性效应： n必须采用单向脉冲电源。（防止极性效应相互抵消） n正确选择加工极性。（精加工时采用正极性短脉冲加 工，ton50s 。） n用导热性好、熔点高的材料作工具电极。（降低工具 电极的相对耗损） n合理选用脉冲放电持续时间，即合适的脉宽ton。每 种材料

14、都会有一个蚀除量最大的最佳脉宽。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 材料的蚀除量 与脉宽关系 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 3工件材料的热学常数 脉冲放电的热能主要消耗在：局部金属材料的升温； 固相材料熔化；熔融金属汽化等。 工件材料的热学常数是指：熔点、沸点、导热系数、 比热容、熔化潜热、汽化潜热等。熔点、沸点、比热容 、汽化热等愈高，电蚀量愈少，加工速度就慢；导热系 数越大，散失的热量越多，也会降低蚀除量。 石墨熔点高：3500，钨熔点：3367 。铜的导热 系数最大。石墨、钨和铜都是常用的电极材料。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花

15、加工的基本规律 4工作液 工作液的作用： （1）介电作用，工作液具有一定的介电能力，有助于火花放 电，放电结束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； （3）帮助电蚀产物抛出和排除； (4) 冷却工具和工件，传散放电通道中的热量。 密度和粘度大有利于压缩放电通道，但粘度大不利于电蚀产 物的排除。目前，普遍采用粘度小，流动性好，渗透性好的煤 油作火花工作液。 其它工作液：电火花加工专用油（轻质矿物油加添加剂加工 而成，无色无味燃点高）；水（加工速度快，但加工表面质量 差）。 模具成型表面的电火花加工 3.2 电火花加工的基本规律 5排屑条件 电蚀产物：蚀除的金属微粒，热分解产生的气泡和碳粒等。 改善排屑条件是为了限制电蚀产物浓度过大，防止造成结碳“ 拉弧”，以保证加工稳定进行。对于加工深度大，加工面积大 ，加工型面复杂的工件更是易产生结碳“拉弧”，甚至加工难 以进行。 改善措施：采用冲油或抽油； 将工具电极定期地自动抬起； 增大脉间间隙； 降低加工平均电