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1、第4章电火花加工,1,贾宝贤,5687026,Electrical Discharge MachiningEDM,课程内容大纲,2,1绪论 2电火花加工 3电火花线切割加工 4电化学加工 5超声波加工 6磨料与水喷射加工 7激光加工 8快速原型制造 9电子束、离子束加工 10化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,本章内容,3,1放电现象 2电火花加工的基本原理和特点 3电火花加工的基本规律 4电火花加工机床 5电火花加工自动进给调节系统 6电火花穿孔成型加工 7其他电火花加工,电火花的基本概念,(a)电火花为脉冲式的瞬时放电，如：雷电放电、静电放电、电磁感应放电等等。电火花一般是尖端放电现象
2、，持续时间短，并伴随自由电荷的转移，发光发热，不同于一般的燃烧现象。,4,放电现象,当两电极接近时，也会发生放电，例如电灯开关在合上和拉开时，产生局部放电，可看到电弧光。使开关的接触部位烧蚀，这种现象称为电蚀。这种现象早在1870年，就被英国科学家普里斯特利发现了。,6,放电现象的利用,1934年，前苏联科学家拉扎连柯夫妇，研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，于是，开创和发明了新的加工方法电火花加工。 该方法就是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来。从而使零件的尺寸、形状
3、和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛。,7,视频：电火花 高清6-52.flv,4.1 电火花加工的基本原理和特点,一、电火花加工原理,8,电火花加工机理,9,视频：电火花加工机理.wmv,一次电火花腐蚀的微观过程,1.极间介质的电离、击穿、形成放电通道,极间电压升高或极间距离减小极间电场强度增大105V/mm即100V/m左右时产生场致电子发射雪崩电离小于0.1s建立放电通道（电流密度达105106A/cm2（103104A/mm2）,10,一次电火花腐蚀的微观过程,2.介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀,放电通道形成后电子、正离子运动动能转热能
4、电极表面高温工作液气化、热分解电极材料熔化、气化迅速热膨胀,11,3.电极材料抛出,存在下面三种作用 热爆炸力 瞬时膨胀 电动力 正负离子对电极的冲击压力 流体动力 蒸发、分解气体,热膨胀产生微爆炸电极材料抛出大部分抛入工作液中收缩成小颗粒，一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上（这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗 ）,12,一次电火花腐蚀的微观过程,放电影响区域,气化区 熔化区 热影响区 无变化区,13,4.极间介质消电离,带电离子 中性粒子 介质恢复绝缘 电蚀物排除 热能排除,14,电蚀坑,由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使
5、能量高度集中（106107W/mm2)，放电区域产生的瞬时高温,可达10000以上，足以使材料溶化甚至蒸发，灼热的金属蒸气具有很大的压力,引起剧烈的暴炸,而将熔融的金属抛出,以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束后，经过很短的时间间隔，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地重复地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。,15,二、电火花加工的条件,1.极间保持一定放电间隙 自动进给调节系统 间隙过大：不能击穿 间隙过小：短路接触 2.瞬时的脉冲放电（10-7 10-3 s） 脉冲电源 连续放电：电弧放电，无法控制尺寸 3.两电极
6、之间必须充入介质 工作液循环过滤系统 工作液：煤油、皂化液、去离子水 工作液的作用 有利于火花放电 排除电蚀产物 冷却电极和工件,16,视频：电火花条件-成形-穿孔.flv,三、电火花加工设备的组成,如图所示，加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件。两极均浸入具有绝缘性的液体介质中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01-0.05mm）。,17,四、电火花加工的特点,(1) 可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及时高纯度的导电材料。如不锈钢、钛合金、工业纯铁、淬火钢、硬质合金、导电陶瓷、立方氮化硼和人造聚晶金刚石等； (2)在
7、加工过程中工具与工件不直接接触，所以工件无机械变形，方法可加工细长、薄、脆性零件； (3)虽然该方法是利用热效应来切除金属，但大部分材料不变热；,18,四、电火花加工的特点,(4)可以在硬度高的材料上，加工出精度高，表面质量好的复杂模具； (5)用电火花加工的表面，是由许多小的弧坑组成，有助于油的保存和较好的润滑； (6)这种方法易于实现自动化。 局限性 主要用于加工金属等导电材料 加工速度较慢 存在电极损耗，影响加工精度,19,4.2 电火花加工的基本规律,一、影响材料电蚀量的主要因素 极性效应 电参数(单个脉冲能量WM和脉冲频率) 金属材料热学常数 工作液 其他因素,20,1.极性效应对电
8、蚀量的影响,极性效应 电火花加工过程中，由于正、负极性不同而电蚀量不同的现象。 产生极性效应的原因 应用 正极性加工：工件接在脉冲电源的正极 负极性加工：工件接在脉冲电源的负极,电子的质量正离子的质量 电子的惯性小 窄脉冲：正极性加工 长脉冲：负极性 加工,21,2.单个脉冲能量WM和脉冲频率,在连续的电火花加工过程中，一定范围内，工件或工具的单个脉冲蚀除量与单个脉冲能量成正比。正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比：,提高电蚀量和生产率的途径 提高脉冲频率f 增加单个脉冲能量WM 减小脉冲间隙to 提高工艺系数K,22,3.金属材料热学常数,金属材料热学常数对电蚀量的影响 脉冲放电
9、能量相同时，熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热越高，电蚀量越少； 热传导率越大，电蚀量越少； 单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值越小，则脉宽越长，散失的热量越多。电蚀量越少；脉冲电流幅值过大，则损耗能量使得材料气化，电蚀量也将减少。,23,4.工作液,工作液对电蚀量的影响 粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电能量密度，强化电蚀产物的抛出效应；但不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。 工作液的选择 粗加工机油：粘度大、介电性能好 精加工煤油：粘度小、流动性好,24,其他因素,其他因素对电蚀量的影响 碳黑膜现象 碳氢化合物类的工作液在放电过程发生热分解，形成带负电的碳胶粒，吸附在正极表面，形成一
10、定强度和厚度的化学吸附层，称为“碳黑膜”，由于碳的熔点和气化点很高，从而减小电极蚀除量。,25,其他因素,其他因素对电蚀量的影响 碳黑膜现象 碳氢化合物类的工作液在放电过程发生热分解，形成带负电的碳胶粒，吸附在正极表面，形成一定强度和厚度的化学吸附层，称为“碳黑膜”，由于碳的熔点和气化点很高，从而减小电极蚀除量。 加工过程的稳定性（加工深度、加工面积的增加，加工型面复杂程度的增加，电极材料的选择） 脉冲电源波形及前后沿陡度 电蚀物抛出速度,26,二、加工速度与工具损耗速度,1.加工速度vW 单位时间内工件的电蚀量称为加工速度 体积加工速度和重量加工速度 提高加工速度的途径 提高脉冲频率 增加单
11、个脉冲能量 提高工艺系数,27,2.工具相对损耗,工具损耗速度vE 单位时间内工具的电蚀量 工具损耗比 工具损耗速度与加工速度的比值，称为损耗比。 体积相对损耗,28,降低工具损耗的措施,(1)正确选择极性和脉宽 一般情况下，短脉冲精加工采用正极性加工；长脉冲粗加工采用负极性加工。 (2)利用吸附效应 负极性加工时，在一定条件下，工具表面可以形成一定强度和厚度的化学吸附层（碳黑膜），对电极起到保护和补偿作用，实现“低损耗”加工。,29,降低工具损耗的措施,(3)利用传热效应 选择导热性能比工件好的工具电极。 (4)选择合适的材料 铜：熔点低，但导热性好，因此损耗小，又能制成各种精密、复杂电极
12、石墨：热学性能好，长脉冲粗加工中可以吸附游离的碳来补偿电极损耗，目前用来制成型腔加工的电极 钨、钼：熔点和沸点较高，损耗小；机械加工性能差，一般在线切割中使用 铜碳、铜钨、银钼：熔点高，导热性好；价格昂贵，制造成形困难，一般只用在精密电火花加工中。,30,三、影响加工精度的主要因素,除电火花加工机床结构、机床传动、装夹定位误差之外，影响电火花加工精度的因素主要有以下几个方面： 放电间隙（大小及其一致性） 工具电极的损耗 尖角与棱边倒角,31,放电间隙对加工精度的影响,一般在0.010.5mm之间，精加工时间隙较小，粗加工时间隙较大。 从减小加工误差的角度考虑，应该采用较小的加工规准，缩小放电间
13、隙，从而提高仿形精度和间隙的一致性。 “二次放电”会造成侧向间隙不均匀，形成斜度，影响加工的形状精度。,32,工具电极的损耗对加工精度的影响,电极入口处的放电间隙由于电蚀产物的存在，“二次放电”的几率大而扩大，因而产生了加工斜度；工具电极下端加工时间长，绝对损耗大。 工具电极的损耗直接影响加工精度，损耗越小，精度越高。,33,尖角与棱边倒角对加工精度的影响,工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上，这是因为当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀陈的机率大，容易遭受腐蚀而成为圆角。,尖角变圆现象 a)加工外表面 b)加工内表面 1-工件电极 2-工具电极,34,四、电火花加工的表面质量,影响表面
14、粗糙度的因素 表面粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单个脉冲能量越大，表面粗糙度越大； 熔点高的材料（硬质合金）在相同能量下加工表面粗糙度比熔点低（钢）的材料好； 精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响加工表面的粗糙度； 电极面积也对表面粗糙度有影响； 表面粗糙度和加工速度存在很大的矛盾。,35,表面变质层,在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表层发生了很大变化，粗略的分为熔化凝固层和热影响层。 熔化层容易出现显微裂纹，脉冲能量越大，显微裂纹越宽越深，过大的脉冲能量将会使裂纹扩展到热影响层。,放电痕剖面显示的表面变质层,36,表面力学性能,电火花加工表面最外层的硬度较高，耐磨性好。
15、 电火花加工表面存在残余应力，较大的加工规准引起的残余应力越大。 较大的残余拉应力和显微裂纹的存在使电火花加工表面比机械加工表面的耐疲劳性低许多倍。,37,电火花加工分类,38,4.3 电火花加工机床,39,电火花成型加工机床 电火花小孔加工机床 电火花成形加工机床的组成,床身和立柱 工作台 主轴头 附件 电火花加工机床的工作液和循环过滤系统 电火花成型机床的脉冲电源 电火花加工机床的伺服进给,一、电火花成型加工机床,40,电火花加工机床,41,电火花机床结构图,42,1. 机床本体,机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。
16、床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。,43,2.主轴头,主轴头是电火花成型机床中最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。 对主轴头的要求是：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载。 主轴头主要由进给系统、上下移动导向和水平面内防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。我国早在20世纪6070年代曾广泛采用液压伺服进给的主轴头，随着步进电动机、力矩电动机和数控直流、交流伺服电动机的出现和技术进步，电火花机床中已越来越多地采用电机械式主轴头。,44,2.主轴头,主轴头,45,3.脉冲电源,在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。 脉冲电源输入为380 V、50 Hz的交流电，其输出应满足如下要求： (1) 要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件
