电火花成型加工技术
2020-03-02 21:47:11 来源：范文大全收藏下载本文
2 电火花成型加工技术
2.1 电火花加工原理和特点
一、原理
电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）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）。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10～107W／mm），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，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。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。
从上看出，进行电火花加工必须具备三个条件：必须采用脉冲电源；必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙；火花放电必须在具有一定绝缘强度（10～107Ω ·m）的液体介质中进行。
二、电火花常用基本符号
1、放电间隙：放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙。在加工过程中，则称为加工间隙S，它的大小一般在0.01-0.5mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙SF 和侧面间隙SL
2、脉冲宽度ti（μs）：脉冲宽度简称脉宽，它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间（见图）为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲电压波。粗加工可用较大的脉宽ti>100μs，精加工时只能用较少的脉宽ti
3、脉冲间隔to(μs)：脉冲间隔简称脉间或间隔，也称脉冲停歇时间。它是两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤工具和工件；脉间选得过长，将降低加工生产率。加工面积、加工深度较大时，脉间也应稍大。
4、开路电压或峰值电压：开路电压是间隙开路时电极间的最高电压，等于电源的直流电压。峰值电压高时，放电间隙大，生产率高，但成型复制精度稍差。
5、火花维持电压：火花维持电压是每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25V左右，但它实际是一个高频振荡的电压。电弧的维持电压比火花的维持电压低5V左右，高频振荡频率很低，一般示波器上观察不到高频成分，观察到的是一水平亮线。过渡电弧的维持电压则介于火花和电弧之间。
6、加工电压或间隙平均电压U（V）
加工电压或间隙平均电压是指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间隔等零电压的平均值。在正常加工时，加工电压在30-50V，它与占空比、预置进给量等有关。占空比大、欠进给、欠跟踪、间隙偏开路，则加工电压偏大；占空比小、过跟踪或预置进给量小（间隙偏短路），加工电压即偏小。
7、加工电流I（A）
加工电流是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时小，粗加工时大；间隙偏开路时小，间隙合理或偏短路时则大。
8、短路电流Is（A）
短路电流是放电间隙短路时（或人为短路时）电流表上指示的平均电流（因为短路时还有停歇时间内无电流）。它比正常加工时的平均电流要大20-40%。
9、峰值电流Ie（A）
峰值电流是间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时），日本、英国、美国常用Ie表示，虽然峰值电流不易直接测量，但它是实际影响生产率、表面粗糙度等指标的重要参数。在设计制造脉冲电源时，每一功率放大管串联限流电阻后的峰值电流是预先选择计算好的。为了安全，每个50W的大功率晶体管选定的峰值电流约为2-3A，电源说明书中也有说明，可以按此选定粗、中、精加工时的峰值电流（实际上是选定用几个功率管进行加工）。
10、放电状态
放电状态指电火花加工时放电间隙内每一脉冲放电时的基本状态。一般分为五种放电状态和脉冲类型
第
一、开路（空载脉冲）
2 放电间隙没有击穿，间隙上有大于50V的电压，但间隙内没有电流流过，为空载状态（td=ti）。
第
二、火花放电（工作脉冲，或称有效脉冲）
间隙内绝缘性能良好，工作液介质击穿后能有效地抛出、蚀除金属。波形特点是：电压上有td，te和Ie波形上有高频振荡的小锯齿波形。
第三、短路（短路脉冲）
放电间隙直接短路相接，这是由于伺服进给系统瞬时进给过多或放电间隙中有电蚀产物搭接所致。间隙短路时电流较大，但间隙两端的电压很小，没有蚀除加工作用。
第四、电弧放电（稳定电弧放电）
由于排屑不良，放电点集中在某一局部而不分散，局部热量积累，温度升高，恶性循环，此时火花放电就成为电弧放电，由于放电点固定在某一点或某局部，因此称为稳定电弧，常使电极表面结炭、烧伤。波形特点是td和高频振荡的小锯齿波基本消失。
第五、过渡电弧放电（不稳定电弧放电，或称不稳定火花放电）
过渡电弧放电是正常火花放电与稳定电弧放电的过渡状态，是稳定电弧放电的前兆。波形特点是击穿延时td很小或接近于零，仅成为一尖刺，电压电流波上的高频分量变低成为稀疏和锯齿形。早期检测出过渡电弧放电，对防止电弧烧伤有很大意义。
以上各种放电状态在实际加工中是交替、概率性地出现的（与加工规准和进给量、冲油、间隙污染等有关），甚至在一次单脉冲放电过程中，也可能交替出现两种以上的放电状态。
11、加工速度Vw或VW（mm/min），vm或Vm（g/min）
加工速度是单位时间（min）内从工件上蚀除加工下来的金属体积（mm;），以质量（g）计算时用vm或Vm表示，也称加工生产率。大功率电源粗加工时vW>500mm/min，但电火花精加工时，通常vw
12、相对损耗或损耗比（损耗率）θ（%）
相对损耗或损耗比是工具电极损耗速度和工件加工速度之比值，并以此来综合合衡量工具电极的耐损耗程度和加工性能。
13、面积效应：面积效应指电火花加工时，随加工面积大小变化而加工速度、电极损耗比和加工稳定性等指标随之变化的现象。一般加工面积过大或过小时，工艺指标通常降
3
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3低，这是由“电流密度”过小或过大引起的。
14、深度效应：随着加工深度增加而加工速度和稳定性降低的现象称深度效应。主要是电蚀产物积聚、排屑不良所引起的
三、电火花加工特点
1：电火花加工速度与表面质量 模具在电火花机加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。粗加工采用大功率、低损耗的实现，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽略。
2：电火花碳渣与排渣 电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。实际中往往以牺牲加工速度去排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压，大休止脉波等等。另一个影响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。唯有积极开创良好排除的条件，对症的采取一些方法来积极处理。
3：电火花工件与电极相互损耗 电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。电火花机粗加工一般采用长放电脉波和大电流放电，加工速度快电极损耗小。在精加工时，小电流放电必须减小放电脉波时间，这样不仅加大了电极损耗，也大幅度降低了加工速度。
2.2 电火花成型加工的基本规律
一、加工条件
1）、工具电极和工件电极之间必须加以60V—300V的脉冲电压，同时还需维持合理的距离——放电间隙。大于放电间隙，介质不能被击穿，无法形成火花放电；小于放电间隙，会导致积炭，甚至发生电弧放电，无法继续加工。
2）、两极间必须充满介质。电火花成形加工一般为火花液或煤油，线切割一般为去离子水或乳化液。
3）、输送到两极间脉冲能量应足够大。即放电通道要有很大的电流密度（一般为10—10A/cm）。 492 4 4）、放电必须是短时间的脉冲放电。一般为1μs — 1ms。这样才能使放电产生的热量来不及扩散，从而把能量作用局限在很小的范围内，保持火花放电的冷极特性。
5）、脉冲放电需要多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的，避免发生局部烧伤。
6）、脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行。
二、影响加工因素
1、极性效应
2、覆盖效应
3、二次放电
4、加工速度
5、火花放电通道
6、工具电极损耗
7、放电间隙
8、放电产物排除
2.3 电火花加工设备
数控电火花成型加工机床由于功能的差异，导致在布局和外观上有很大的不同，但其基本组成是一样的，都由脉冲电源、数控装置、工作液循环系统、伺服进给系统、基础部件等组成。
主轴头：主轴头是电火花成型加工机床的一个关键部件，由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成，控制工件与工具电极之间的放电间隙。
一、对主轴头的要求
主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标，因此主轴头应具备以下条件：
1、有一定的轴向和侧向刚度及精度；
2、有足够的进给和回升速度；
3、主轴运动的直线性和防扭转性能好；
4、灵敏度要高，无爬行现象；
5、不同的机床要具备合理的承载电极的能力。
二、主轴头运动控制方式
1、电液伺服进给
2、步进电机伺服进给
3、直（交）流伺服进给
6 进给装置：火花放电加工是一种无切削力不接触的加工手段，要保证加工继续，就必须始终保持一定的放电间隙S 。这个间隙必须在一定的范围内，间隙过大就不能击穿放电介质，过小则容易短路。因此，电极的进给速度 Vd 必须大于电腐蚀的速度 Vw ，如图 7-4 所示。同时，电极还要频繁的靠近和离开工件，以便于排渣，而这种运动是无法用手动来控制的，故必须由伺服系统来自动控制电极的的运动。
自动进给调节系统就是用来改变、调节进给速度，使进给速度接近并等于电腐蚀速度，维持一定的放电间隙，使放电加工稳定进行，获得比较好的加工效果。
工作液循环过滤装置：
如图 7-5 所示，电火花成型加工用的工作液循环过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，使工作液强迫循环，其中 a ）、b ） 为冲油式 ， c ）、d ） 为抽油式。 冲油是把经过过滤的清洁工作液经液压泵加压，强迫冲入电极与工件之间的放电间隙里，将放电蚀除的电蚀产物随同工作液一起从放电间隙中排除，以达到稳定加工。在加工时，冲油的压力可根据不同工件和几何形状及加工的深度随时改变，一般压力选在 0～200KPa 之间。对不通孔加工，） 所示，从图中可看出采用冲油的方法循环效果比抽油更简单，特别在型腔加工中大都采用这种方式，可以改善加工的稳定性。
下图为工作液循环系统油路图，它既能冲油又能抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过滤器
1、单向阀 2 吸入液压泵 3 ，这时高压油经过不同形式的精过滤器 7 输向机床工作液槽，溢流安全阀 5 控制系统的压力不超过 400KPa，快速进油控制阀 10 供快速进油用，待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀 13，由阀 9 来控制工作液循环方式及压力，当阀 13 在冲油位置时，补油冲油都不通，这时油杯中油的压力由阀 9 控制。当阀 13 在抽油位置时，补油和抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管 12，利用流体速度产生负压，达到实现抽油的目的。
工作液循环过滤装置的过滤对象主要是金属粉屑和高温分解出来的碳黑，其过滤方式和点
脉冲电源：
一、作用
电火花成型加工用脉冲电源的原理及作用与电火花线切割相同。
二、分类
1、按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，见表 7-3 。
2、按功能可分为等电压脉宽 ( 等频率 )、等电流脉宽脉冲电源，以及模拟量、数字量、微机控制、适应控制、智能化等脉冲电源。
工作台与工作液箱：工作台主要用来支承和装夹工件。在实际加工中，通过转动纵向丝杠来改变电极和工件的相对位置。工作台上装有工作液箱，用来容纳工作液，使电极和工件浸泡在工作液中，起到冷却和排屑的作用。
2.4 电火花加工技术的发展
电火花加工技术在制造业领域占有重要地位，是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效手段。我们应借鉴其他加工技术发展的成功经验，扬长避短，充分利用现代科技发展的相关成果，在深入研究电火花放电机理的基础上，指导电火花加工工艺理论和控制理论的研究，改善机床结构和设计方法，实现智能控制技术与电火花加工技术的有机结合，同时高度重视操作安全和环境保护，全面推动电火花加工技术更快发展。
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