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1、特种加工技术,主讲：刘海华 天津工业大学 机械电子学院,2018/9/5,2,天津工业大学机械电子学院,第一章,1.特种加工与传统加工的不同1)不是主要依靠机械能，而是主要利用其他能量去除金属材料。2)工具硬度可以低于被加工材料的硬度。3)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。(不接触) 2.NTM（特种加工）对加工性和工艺的影响 提高材料的可加工性； 改变了零件的典型工艺路线； 改变了新产品的试制过程； 产品零件设计的结构设计带来很大影响； 零件结构工艺性好、坏的衡量标准等产生了一系列的影响； NTM已经成为微细加工和纳米加工的主要手段。,3.各种特种加工方法的英文缩写（如EDM等
2、）,4.四种典型的单晶金刚石工具加工方法（离子束溅蚀法等）,激光加工（任何材料） 电子束加工（任何材料） 离子束加工（任何材料） 超声加工（任何脆性材料）,2018/9/5,5,天津工业大学机械电子学院,第二章,1.EDM原理； 电火花加工的原理是基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的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。 2.EDM加工的条件； 放电间隙; 一般几um至几百um 脉冲性放电; 放电间隙1-1000um 保证蚀除一定范围，防烧伤 工作液 火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，冷却、清杂,3.电火花加工中对工作液的要求（
3、如洗涤排屑；绝缘强度；冷却；消电离；环保） 工作液的作用是：形成火花击穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态；对放电通道产生压缩作用；帮助电蚀产物的抛出和排除；对工具、工件的冷却作用。因而对电蚀量也有较大的影响。介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，但粘度大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。工作液主要为油类，粗加工时采用的脉冲能量大，加工间隙也较大，爆炸排屑抛出能力强，往往选用介电性能、粘度较大的全损耗系统用油（即机油），且全损耗系统用油的燃点较高，大能量加工时着火燃烧的可能性小。中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故
4、一般选用粘度小、流动性好、渗透性好的煤油。,4.EDM加工机理,1、极间介质的电离、击穿、形成放电通道（同一时间只有一个通道，通道形成间隙电压降到25V左右，不可能再形成第二个通道） 2、介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀（热膨胀、局部微爆炸蚀除材料） 3、电极材料的抛出 （可以减少工具电极的损耗） 4、极间介质的消电离 （带电粒子复合为中性粒子）,2018/9/5,8,天津工业大学机械电子学院,第二章,5.何为极性效应？如何利用极性效应选择加工？ 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蚀。即使是相同材料，例如钢加工钢，正、负电极的电蚀量也是不同的。这种单纯由于正、负极
5、性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。 一般在短脉冲精加工时采用正极性加工（工件电源接正极），而在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,9,第三节 电火花加工中的一些基本规律,(1)正确地选择极性和脉宽一般来说，在短脉冲精加工时采用正极性加工，而在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。人们曾对不同脉冲宽度相加工极性的关系做过许多实验，得出了如图所示的试验曲线。其中1为正极性加工，2为负极性加工。,2018/9/5,10,天津工业大学机械电子学院,第二章,6.电火花加工常用脉冲电源（RC、高低压、高频分组和梳形波）,2018/9/5,天津工业大学 机械电
6、子学院,11,第四节 电火花加工用的脉冲电源,电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响，应给予足够的重视。实现：脉冲性火花放电,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,12,第四节 电火花加工用的脉冲电源,一、对脉冲电源的要求及其分类 1、对电火花加工用脉冲电源总的要求是：(1)有较高的加工速度在粗加工、精加工时都要有较高的加工速度，精加工时表面粗糙度值应小于Ra1.25m。(2)工具电极损耗低粗加工时应实现
7、电极低损耗(相对损耗1)，中、精加工时也要使电极损耗尽可能低。(3)加工过程稳定性好在给定的各种脉冲参数下能保持稳定加工，抗干扰能力强、不易产生电弧放电、可靠性高、操作方便。(4)工艺范围广不仅能适应粗、中、精加工的要求，且要适应不同工件材料的加工，以及采用不同工具电极材料进行加工的要求。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,13,第四节 电火花加工用的脉冲电源,2、对电火花加工用脉冲电源具体要求：1)所产生的脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小，这样才能最大限度地利用极性效应，提高生产率和减少工具电极的损耗。2)脉冲电压波形的前后沿应该较陡，这样才能减少电极间隙的变化及油污程度
8、等对脉冲放电宽度和能量等参数的影响，使工艺过程较稳定。因此一般常采用矩形波脉冲电源。3)脉冲的主要参数，如峰值电流，脉冲宽度，脉冲间隔等应能在很宽的范围内可以调节，以满足粗、中、精加工的要求。4)脉冲电源不仅要考虑工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修方便和体积小等问题，还要考虑节省电能。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,14,第四节 电火花加工用的脉冲电源,3、电火花加工用脉冲电源分类 （1）主要元件种类RC线路式、晶体管式、集成器件式 （2）输出波形矩形波、梳状波分组、阶梯波、高低压复合 （3）间隙状态对脉冲参数影响非独立式、独立式 （4）工作回路数目单回路、多回路,2018
9、/9/5,天津工业大学 机械电子学院,15,第四节 电火花加工用的脉冲电源,二、RC线路脉冲电源1、原理图,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,16,第四节 电火花加工用的脉冲电源,2、 RC线路脉冲电源优缺点 （1）优点：1)结构简单，工作可靠，成本低；2)在小功率时可以获得很窄的脉宽和很小的单个脉冲能量，可用作光整加工和精微加工。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,17,第四节 电火花加工用的脉冲电源,（2）缺点1)电能利用效率很低，最大不超过36，因大部分电能经过电阻R时转化为热能损失掉了，这在大功率加工时是很不经济的。2)生产效率低，因为电容器的充电时间比放电时间
10、长50倍以上，脉冲间歇系数太大。3)工艺参数不稳定，因为这类电源本身并不“独立”形成和发生脉冲，而是靠电极间隙中工作液的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断，所以间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度及排出情况等，都影响脉冲参数，因此脉冲频率、宽度、单个脉冲能量都不稳定，而且放电间隙经过限流电阻始终和直流电源直接联通，没有开关元件使之隔离开来，所以随时都有放电的可能，并容易转为电弧放电。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,18,第四节 电火花加工用的脉冲电源,RC线路脉冲电源主要用于小功率的精微加工或简式电火花加工机床中。针对这些缺点，人们在实践中研制出了放电间隙与直流电源各自独立、互相隔
11、离、能独立形成和发生脉冲的电源。它们可以大大减少因电极间隙物理状态参数变化的影响。这类电源为区别于前述弛张式脉冲电源，称之为独立式脉冲电源，如晶体管式、电子管式、晶闸管式等脉冲电源。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,19,第四节 电火花加工用的脉冲电源,三、晶体管式脉冲电源晶体管式脉冲电源是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。优点：脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点。应用：非常广泛，特别在中、小型脉冲电源中，都采用晶体管式电源。缺点：晶体管的功率较小，每管导通时的电流常选在5A左右，因此在晶体管脉冲电源中、都采用多
12、管分组并联输出的方法来提高输出功率。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,20,第四节 电火花加工用的脉冲电源,自振式晶体管式脉冲电源原理,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,21,第四节 电火花加工用的脉冲电源,四、各种派生脉冲电源1、高低压复合脉冲电源复合回路脉冲电源与放电间隙并联两个供电回路：一个为高压脉冲回路，其脉冲电压较高(300v左右)，平均电流很小，主要起击穿间隙的作用，也就是控制低压脉冲的放电击穿点，保证前沿击穿，因而也称之为高压引燃回路；另一个低压脉冲回路，其脉冲电压比较低(60-80v)，电流比较大，起蚀除金属的作用，所以称之为加工回路。二极管用以阻止高
13、压脉冲进入低压回路。所谓高低压复合脉冲，就是在每个工作脉冲电压(60-80v)波形上再叠加一个小能量的高压脉冲(300v左右)，使电极间隙先击穿引燃而后再放电加工，大大提高了脉冲的击穿率和利用率，并使放电间隙变大，排屑良好，加工稳定。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,22,第四节 电火花加工用的脉冲电源,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,23,第四节 电火花加工用的脉冲电源,2、多回路脉冲电源所谓多回路脉冲电源，即在加工电源的功率级并联分割出相互隔离绝缘的多个输出端，可以同时供给多个回路的放电加工。这样不依靠增大单个脉冲放电能量，即不使表面粗糙度值变大而可以提高生产率
14、，这在大面积、多工具、多孔加工时很有必要，如电机定、转子冲模、筛孔等等穿孔加工以及大型腔模加工中经常采用该电源。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,24,第四节 电火花加工用的脉冲电源,3、等脉冲电源所谓等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。对于矩形波脉冲电流来说，由于每次放电过程的电流幅值基本相同，因而所谓等脉冲电源，也即意味着每个脉冲放电电流持续时间相等。等脉冲电源能自动保持脉冲电流宽度相等，用相同的脉冲能量进行加工，从而可以在保证一定表面粗糙度情况下，进一步提高加工速度。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,25,第四节 电火花加工用的脉冲电源
15、,4、高频分组脉冲和梳形波脉冲电源 高频分组脉冲和梳形波脉冲波形如图所示。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,26,第四节 电火花加工用的脉冲电源,5.节能型脉冲电源节能型电源的原理是用电感L代替电阻R来限制电流。,2018/9/5,27,天津工业大学机械电子学院,第二章,7.了解间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线分析,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,28,第三节 电火花加工中的一些基本规律,(1)正确地选择极性和脉宽一般来说，在短脉冲精加工时采用正极性加工，而在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。人们曾对不同脉冲宽度相加工极性的关系做过许多实验，得出了如图所示的试验曲线。其
16、中1为正极性加工，2为负极性加工。,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,29,第五节 电火花加工的自动进给调节系统,自动进结调节系统的任务在于维持一定的“平均”放电间隙S，保证电火花加工正常而稳定地进行，以获得较好的加工效果，这可以用间隙蚀除特性曲线和进给调节特性曲线来说明。,2018/9/5,30,天津工业大学机械电子学院,第二章,8.解释电极相对损耗与极性、脉宽的关系（P18）,2018/9/5,天津工业大学 机械电子学院,31,第三节 电火花加工中的一些基本规律,其中1为正极性加工，2为负极性加工。负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽度大于120us后，电极相对损耗将小于1%，可以实现低损耗加工（相对损耗小于1%的加工）。如果采用正极性加工，不论采用哪一档脉冲宽度，电极的相对损耗都难低于10%。然而在脉宽小于15%的在脉宽范围内，正极性加工的工具电极相对损耗比负极性加工小。,2018/9/5,32,天津工业大学机械电子学院,第三章,1.WEDM（电火花线切割加工(Wire Cut EDM，简称WEDM）原理,
