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1、典型机械（电）产品构造第四章 电火花加工机床特种加工定义：特种加工是当传统 切削加工方法车、铣、钻、镗、 刨、磨、拉、齿形加工对产品（ 或材料）无法实施或保证不了规 定的精度要求时，而应用物理的 电、化学、光、声、热等方法进 行加工的手段。特种加工与传统加工方法的比较：传统加工方法依靠机械能、切削（磨 削）力去除工件上多余的材料（接触式 的、工具硬度高于被加工材料的硬度） 。特种加工用其他能量去除金属材料（ 工具硬度可以低于被加工材料的硬度、 非接触式的、工具和工件之间不存在切 削力）。表 常用特种加工方法的分类电火花加工的起源：电火花加工中的电蚀现象早在20世纪初就被人们发 现，如插头、开关
2、的启闭所产生的电火花对接触表面的 损害。但真正将电蚀现象运用到实际生产加工中的是： 20世纪中期前苏联的拉扎林科夫妇俩在研究开关触点 遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的 瞬时高温使局部金属熔化、气化而被蚀除掉，从而开创 和发明了电火花加工方法，并于1943年利用电蚀原理 研制出世界上第一台实用化的电火花加工装置。我国在 20世纪50年代初期开始研究电火花设备，并于60年代 初研制出第一台靠模仿形电火花线切割机床，随后研制 出具有我国特色的高速走丝线切割机床。电火花加工又称放电加工(Electrical Discharge Machining，简称EDM)： 是一种利用电、热能量进
3、行加工的方法。 加工过程中，工具和工件之间不断产生脉冲性的 火花放电。靠放电时局部、瞬时产生的高温把 金属蚀除下来。因放电过程可见到火花，故称 之为电火花加工。 日、英、美称之为放电加工，苏联称电蚀加工。在绝缘工作液中工 具和工件（正、负电 极）之间脉冲式火化 放电局部、瞬时产生 高温，使工件表面的 金属熔化、气化、抛 离工件表面。利用这一电腐蚀 现象来蚀除多余的金 属，以达到对零件的 尺寸、形状及表面质 量预定的加工要求。一、电火花加工的原理和机理电火花用于尺寸加工的条件a.工具和工件之间保持适当的距离。b. 电火花放电瞬时的脉冲性放电。c.加工必须在介质中进行。a. 脉冲电源 b. 间隙自
4、动调节器 c. 机床本体 d. 工作液及其循环 过滤装置o.设备组成图4-2 电火花表面局部放大图 电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具 电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲 性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温 ，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属 蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如 何被蚀除下来的呢？这一过程大致分为以下 几个阶段(如图所示)：(1) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道(如图 (a)所示)。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最近的A、B处电场强度最大。(2) 电极材料的熔化、气化热膨胀(如图 (b)
5、、(c)所示)。液体介质被电离、击穿 ，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极 ，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。通道高 温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周扩散，使两电极表面的金 属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增， 形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间 有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。(3) 电极材料的抛出(d)所示。正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的 压力最高，工作液和金属气化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高 压力处的熔融金属液体和蒸汽
6、被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工 作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花四溅，这就是被抛 出的高温金属熔滴和碎屑。 (4) 极间介质的消电离(如图 (e)所示)。加工液流入放电间隙，将电蚀产物 及残余的热量带走，并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物 来不及排除和扩散，产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局 部过热的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电极。因此 ，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间 间隔让电蚀产物充分排出，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。上述步骤(1)(4)在一秒内约数千次甚至数万次地往复
7、式进行，即单个脉冲放 电结束，经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲 又作用到工具电极和工件上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱 处击穿放电，蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电，工 件不断地被蚀除，故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成(如图1 -2所示)。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属 的加工方式。二、电火花加工的特点及其应用 优点： 1. 非接触加工； 2. 可以以柔克刚，实 现难加工材料加工； 3. 可以加工特殊及复杂 形状零件； 4. 脉冲参数可在较大范 围内调节，同一台机床 完成粗、精加工； 5. 直接利用
8、电能，便于 实现自动化。 缺点： 1. 主要加工金属 导电材料； 2. 加工速度慢； 3. 存在电极损耗 ； 4. 有最小圆角限 制。三、电火花加工机床的分类1. 电火花穿孔成型加工2. 电火花线切割3. 电火花成型磨削4. 电火花高速小孔加工5.电火花同步共轭回转加工6. 电火花表面强化、刻字 分类依据：根据工件和工具的相对运动方式和用途类 别工艺 方法特点用途备注1电火 花穿 孔成 形加 工1.工具和工件件 主要有一个相对的 伺服进给 运动 2.工具为成形电 极，与被加工表面 有相同的截面或形 状1.型腔加工：加工 各类型腔模及各种复 杂的型腔零件 2.穿孔加工：加工 各种冲模、挤压 模、
9、 粉末冶金模、各种异 形孔及微孔等约占电火花机床 总数的30%，典型 机床有D7125、 D7140等电火花穿 孔成形机床2电火 花线 切割 加工1.工具电极为沿 着其轴线 方向移动 着的线状电极 2.工具与工件在 两水平方向同时有 相对伺服进给 运 动1.切割各种冲模和 具有直纹面的零件 2.下料、截割和窄 缝加工 3.直接加工出零件约占电火花机床 总数的60%，典型 机床有DK7725、 DK7740等数控电火 花线切割机床3电火花 内孔、 外圆和 成形磨 削1.工具与工件有相对 的旋转运动 2.工具与工件间有径 向和轴向的进给 运动1.加工高精度、表面 粗糙度值小的小孔， 如拉丝模、挤压
10、 模、 微型轴承内环、钻套 等 2.加工外圆、小模数 滚刀约占电火花 机床总数的 3%，典型机 床有D6310 电火花小孔 内圆磨床4电火 花同步 共轭回 转加工1.成形工具与工件均作 旋转运动，但两者角速 度相等或成整数倍，接 近的放电点可有切向相 对运动速度 2.工具相对工件可作 纵、横向进给 运动以同步回转，展成回 转、倍角速度回转等 不同方式，加工各种复 杂形面的零件，如高 精度的异形齿轮 ，精 密螺纹环规 、高精度 、高对称、表面粗糙 度值小的内、外回转 体表面等约占电火花 机床总数的 1%以下，典 型机床有JN- 2,JN-8等内 外螺纹加工 机床（续前表）（续前表）5电火 花高
11、速小 孔加 工1.采用0.3mm 3mm空心管状 电极，管内冲 入高压水基工 作液 2.细管电极旋转1.加工速度可高达 60mm/min，深径比可 达1：100以上 2.线切割预穿丝孔 3.深径比很大的小孔， 如喷嘴等约占电火花 机床总数的 2%，典型机 床有D7003A 电火花高速 小孔加工机 床6电火 花表 面强 化、 刻字1.工具在工件表 面上振动 2.工具相对工件 移动1.模具刃口，刀具、量 具刃口表面强化和镀 覆 2.电火花刻字、打印记约占电火花 机床总数的 2%-3%，典 型机床有 D9105电火 花强化机等四、电火花数控加工机床的组成 1工具电极电火花加工用的工具是电 火花放电时
12、的电极之一，故 称为工具电极，有时简称电 极。由于电极的材料常常是 铜 (如图1所示)。 在生产中，将工件接脉冲电源正 极(工具电极接脉冲电源负极 )的加工称为正极性加工，反 之称为负极性加工。图 电火花加工示意图 2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。图 脉冲参数与脉冲电压、电流波形脉冲宽度ti 脉冲间隔to(s) 放电时间(电流脉宽)te(s) 击穿延时td(s) 脉冲周期t
13、P(s) 脉冲频率fP(Hz) 对脉冲电源的要求为 （1）有较高的加工速度 （2）工具电极损耗低 （3）加工过程稳定性好 （4）工艺范围广3. 电火花加工的自动进给调节系统 在电火花成型加工中，电极 与工件必须保持一定的放电间隙 。由于工件不断被蚀除，电极也 不断地损耗，故放电间隙将不断 扩大。如果电极不及时进给补偿 ，放电过程会因间隙过大而停止 。反之，间隙过小又会引起拉弧 烧伤或短路，这时电极必须迅速 离开工件，待短路消除后再重新 调节到适宜的放电间隙。对自动进给调节系统的一般要求为：(1) 有较广的速度调节跟踪范围。 (2) 有足够的灵敏度和快速性。 (3) 有较高的稳定性和抗干扰能力。
14、自动进给调节系统种类很多，按照执行元件分 为：电液压式；步进电机式；宽调速力矩电 动机；直流伺服电动机；交流伺服电动机； 直线电机2.5 电火花加工的自动进给调节系统图 喷嘴挡板式电液压自动调节器工作原理1 动线圈两端电压为零，挡板处于最高位置 ，喷嘴与挡板距离最大，喷嘴流量最大，上 油腔压降最大，p1减小，p0A1G+p1A2，活 塞杆上升。2 动线圈两端电压最大，挡板降到最低位置 ，喷嘴与挡板距离为零，上腔和下腔压强相 等，p0A1G+p1A2，活塞杆下降。3 当挡板处于平衡位置时，p0A1=G+p1A2，活 塞杆静止。在电液自动进给调节系统中，液压缸、活塞是执行机构 。由于传动链短及液体
15、的基本不可压缩性，因此传动链中无 间隙、刚度大、不灵敏区小；又因为加工时进给速度很低， 所以正、反向惯性很小，反应迅速，特别适合于电火花加工 的低速进给，故20世纪80年代前得到了广泛的应用，但它 有漏油、油泵噪声大、占地面积较大等缺点。图示为DYT-2型液压主轴头的喷嘴挡板式调节系统的工作原理图。电动机4驱动叶片液压泵3从油箱中压出压力油，由溢流阀2保持恒定压力P0，经过滤油器6后分两路，一路进入下油腔，另一路经 节流阀7进入上油腔。进入上油腔的压力油从喷嘴8与挡板12的间隙中流回油箱，使上油腔的压力P1随 此间隙的大小而变化。电机械转换器9主要由动圈(控制线圈)10与静圈(励磁线圈)11等
16、组成。动圈处 在励磁线圈的磁路中，与挡板12连成一体。改变输入动圈的电流，可使挡板随动圈动作，从而改变挡 板与喷嘴间的间隙。当放电间隙短路时，动圈两端电压为零，此时动圈不受电磁力的作用，挡板受弹簧 力处于最高位置，喷嘴与挡板门开口为最大，使工作液流经喷嘴的流量为最大，上油腔的压力下降到 最小值，致使上油腔压力小于下油腔压力，故活塞杆带动工具电极上升。当放电间隙开路时，动圈电压 最大，挡板被磁力吸引下移到最低位置，喷嘴被封闭，上、下油腔压强相等，但因下油腔工作面积小 于上油腔工作面积，活塞上的向下作用力大于向上作用力，活塞杆下降。当放电间隙最佳时，电动力使 挡板处于平衡位置，活塞处于静止状态。 4.工作液循环过滤系统 5.主机：主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台 等部分组成，要求具有必要的刚度。 6.控制柜间 隙参考值增益设定控制装置进给系统自动进给调节系统比较器放大器间 隙传感器脉冲电源 床 身工作液循环过 滤 系 统(a) 原理图(b) 实物
