電火花涂敷表面覆膜技術(shù)原理及應(yīng)用

1、銅 陵 學(xué) 院 本科課程論文題目:電火花涂敷表面覆膜技術(shù)原理及應(yīng)用院 校 專 業(yè) 科 目 現(xiàn)代表面工程技術(shù) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)老師 成 績(jī) 2012年11月20日【摘要】:1943年，蘇聯(lián)學(xué)者拉扎連科夫婦研究發(fā)明電火花加工，之后隨著脈沖電源和控制系統(tǒng)的改進(jìn)，而迅速發(fā)展起來。電火花涂覆是直接利用電能的高密度能量對(duì)金屬表面進(jìn)行涂覆處理的工藝，英文簡(jiǎn)稱EDM。本文主要介紹了電火花加工技術(shù)的原理、特點(diǎn)、影響因素以及應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景?！娟P(guān)鍵詞】：電火花加工 技術(shù)原理 設(shè)備 影響因素 發(fā)展前景引言：電火花加工基于電火花腐蝕原理,是在工具電極與工件電極相互靠近時(shí),極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)

2、生瞬時(shí)高溫,使局部金屬融化,甚至汽化,從而將金屬蝕除下來的一門技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)40年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。從最初只能去除折斷在工件中的鉆頭、絲錐、切割硬質(zhì)合金刀片開始，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，電火花加工現(xiàn)在已成為精密模具、復(fù)雜形狀零件以及精密微小孔加工的重要裝備，在航空航天、模具制造等領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用。 近年來，電火花技術(shù)的研究和應(yīng)用日新月異，并在精密微細(xì)化、智能化、個(gè)性化、綠色環(huán)?；透咝Щ确矫娅@得了長(zhǎng)足的發(fā)展一、電火花涂覆的基本原理及特點(diǎn)（一）技術(shù)原理電火花涂敷設(shè)備的最基本組成部分是脈沖電源和振動(dòng)器，前者供給瞬間放電能量，后者使電極振動(dòng)并周期地接觸工件。其工作原理圖如

3、圖所示。工作時(shí)，電極隨振動(dòng)器作上下振動(dòng)。當(dāng)電極接近工件但沒有接觸工件時(shí)，電極與工件的狀態(tài)如下圖：圖中箭頭表示該時(shí)刻電極振動(dòng)的方向。當(dāng)電極向工件運(yùn)動(dòng)而接近工件達(dá)到某個(gè)距離時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度足以使間隙電離擊穿而產(chǎn)生電火花，這種放電使回路形成通路。在火花放電形成通路時(shí)，相互接近的微小區(qū)域內(nèi)將瞬間流過非常大的放電電流，電流密度可達(dá)105106A/cm2，而放電時(shí)間僅為幾個(gè)微米至幾個(gè)毫米。由于這種放電在時(shí)間上和空間上的高度集中，在放小微小區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生約500010000的高溫，使該區(qū)域的局部材料融化甚至氣化，而且放電時(shí)產(chǎn)生的壓力使部分材料拋離工件或電極的基體，向周圍介質(zhì)中濺射。此狀態(tài)參見圖5-13（b）。接著

4、，電極繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，使電極和工件上溶化了的材料擠壓在一起，如圖5-13（c）所示。由于接觸面積的擴(kuò)大和放電電流的減小，使接觸區(qū)域的電流密度急劇下降，同時(shí)接觸電阻也明顯減小，因此這時(shí)電能不再能使接觸部分發(fā)熱。相反，由于空氣和工件自身的冷卻作用，熔融的材料被迅速冷卻而凝固。接著，振動(dòng)器帶動(dòng)電極向上運(yùn)動(dòng)而離開工件，如圖5-13（d）所示。通過這一過程，電極材料脫離電極而粘結(jié)在工件上，成為工件表面的涂覆點(diǎn)。（二）加工特點(diǎn)1、電火花屬于不接觸加工 工具電極和工件之間并不直接接觸，而是有一個(gè)火花放電間隙，這個(gè)間隙一般是在0.050.3mm之間，有時(shí)可能達(dá)到0.5mm甚至更大，間隙中充滿工作液，加工時(shí)通過高

5、壓脈沖放電，對(duì)工件進(jìn)行放電腐蝕。 2、加工過程中沒有宏觀切削力 火花放電時(shí)，局部、瞬時(shí)爆炸力的平均值很小，不足以引起工件的變形和位移。 3、可以“以柔克剛” 由于電火花加工直接利用電能和熱能來去除金屬材料，與工件材料的強(qiáng)度和硬度等關(guān)系不大，因此町以用軟的工具電極加工硬的工件，實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”。 4、可以加工任何難加工的金屬材料和導(dǎo)電材料 由于加工中材料的去除是靠放電時(shí)的電、熱作用實(shí)現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及熱學(xué)特性，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率等，而幾乎與其力學(xué)性能(硬度、強(qiáng)度等)無關(guān)。這樣可以突破傳統(tǒng)切削加工對(duì)刀具的限制，可以實(shí)現(xiàn)用軟的工具加工硬、韌的工件甚至可以

6、加工聚晶金剛行、立方氮化硼一類的超硬材料。目前電極材料多采用紫銅或石墨，因此工具電極較容易加工。 5、可以加工形狀復(fù)雜的表面 由于可以簡(jiǎn)單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工，如復(fù)雜型腔模具加工等。特別是數(shù)控技術(shù)的采用，使得用簡(jiǎn)單的電極加工復(fù)雜形狀零件成為現(xiàn)實(shí)。 6、可以加工特殊要求的零件 可以加工薄壁、彈性、低剛度、微細(xì)小孔、異形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機(jī)械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細(xì)加工。二、電火花涂敷工藝（一）涂敷條件和要求 確定涂敷部位和要求時(shí)，首先要了解工件的材料、硬度、工作表面或刃口的狀況

7、、工作性質(zhì)和涂敷技術(shù)要求。一般碳素鋼、合金工具鋼、鑄鐵等黑色金屬是可以涂敷的，但其涂覆層的厚度是有差別的，合金鋼較厚，碳素鋼次之，鑄鐵最薄。而有色金屬如鋁、銅等是很難涂敷的。進(jìn)行修復(fù)時(shí)，由于涂覆層較薄，對(duì)于磨損量在0.06mm以上的零件就很難以用電火花涂敷工藝進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于要求粗糙度較細(xì)的量具，修復(fù)量就更小了。（二）電極材料 選擇電極材料以提高工件壽命為目的時(shí)，常用YG、YT、YW類硬質(zhì)合金、石墨、合金鋼作電極；以修復(fù)為目的時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件對(duì)硬度、厚度等的要求采用硬質(zhì)合金、碳素鋼、合金鋼、銅、鋁等材料作電極。一般電火花涂敷時(shí)，電極材料為正極，工件為負(fù)極，以提高涂覆效率。（三）工藝設(shè)備 選擇電火花

8、涂敷設(shè)備時(shí)要考慮以下因素：必要的放電能量和適當(dāng)?shù)亩搪冯娏鳎浑姎鈪?shù)調(diào)整方便；有較高的放電頻率、較高的電能利用率；運(yùn)行可靠和便于維修。（四）工藝參數(shù)1、電參數(shù) 電參數(shù)主要是指電壓脈沖寬度、電流脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖頻率、峰值電流、峰值電壓和極性等。對(duì)電極損耗的影響：脈間時(shí)間、脈寬時(shí)間、極間電壓、峰值電流。說明調(diào)整好脈沖放電時(shí)間和脈沖間隔時(shí)間是解決電極損耗的關(guān)鍵因素。對(duì)孔徑間隙的影響：脈寬時(shí)間、峰值電流、極間電壓、脈間時(shí)間。應(yīng)選擇好脈沖寬度和峰值電流的大小，以確保孔徑間隙在規(guī)定的范圍內(nèi)。對(duì)加工時(shí)間的影響：峰值電流、脈寬時(shí)間、脈間時(shí)間、極間電壓?？紤]到加工的穩(wěn)定性，峰值電流的大小受制于工作液消電離

9、是否充分。適當(dāng)?shù)母淖兎逯惦娏鞯拇笮?duì)提高加工速度是有效的。2、金屬材料熱學(xué)常數(shù) 所謂熱學(xué)常數(shù)，是指熔點(diǎn)、沸點(diǎn)（氣化點(diǎn)）、熱導(dǎo)率、比熱容、熔化熱、氣化熱等。常見材料的熱學(xué)常數(shù)可查相應(yīng)手冊(cè)。    當(dāng)脈沖放電能量相同時(shí)，金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化熱、氣化熱愈高，電蝕量將愈少，愈難加工；熱導(dǎo)率較大的金屬，會(huì)將瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)散失到其它部位，因而降低了本身的蝕除量。    當(dāng)單個(gè)脈沖能量一定時(shí)，脈沖電流幅值愈小，脈沖寬度愈長(zhǎng)，散失的熱量也愈多，從而使電蝕量減少；若脈沖寬度愈短，脈沖電流幅值愈大，由于熱量過于集中而來不及傳導(dǎo)擴(kuò)散，雖使散失

10、的熱量減少，但拋出的金屬中氣化部分比例增大，多耗用了氣化熱，電蝕量也會(huì)降低。     因此，電極的蝕除量與電極材料的熱導(dǎo)率以及其它熱學(xué)常數(shù)、放電持續(xù)時(shí)間、單個(gè)脈沖能量等有密切關(guān)系。三、電火花加工工藝的影響因素及其應(yīng)用影響電火花加工表面質(zhì)量的主要因素有可從表面粗糙度、加工表面層的組織變化、表面微裂紋3個(gè)方面來分析。表面粗糙度：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖能量越大，凹坑越大，表面粗糙度值Ra越大；加工表面層組織變化：工件加工表面層可粗略分為熔融凝固層，淬火層、熱影響層。熔融凝固層和淬火層的硬度較大，組織與基體完全不同；熱影響層與基體無明顯界限；表面微裂紋。因?yàn)榧庸r(shí)的瞬時(shí)高溫和速冷，造成

11、表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)微裂紋。單個(gè)脈沖能量增加，微裂紋寬度、深度增加。單個(gè)脈沖能量很小時(shí)，不出現(xiàn)微裂紋；工件材料不同，微裂紋出現(xiàn)情況也不同。影響加工精度的主要因素有機(jī)床本身精度、工具電極的尺寸和形狀精度、工具、工件裝夾誤差、放電間隙、電極損耗等。尺寸精度的影響:電火花加工中，放電間隙隨時(shí)都在變化，且與電參數(shù)等有關(guān)。用S表示單面放電間隙，S增大，其在加工過程中的波動(dòng)范圍S亦增大，加工精度降低；工件形狀復(fù)雜程度愈高，或電極的損耗愈大，S就愈不均勻，加工精度就愈低；形狀精度的影響:如斜度等，電火花加工，電極或工件側(cè)面有時(shí)有斜度，實(shí)踐中可以有效利用此特性，如型腔模，可作為拔模斜度。電火花加工工藝的應(yīng)用領(lǐng)

12、域電火花加工主要用于模具生產(chǎn)中的型孔、型腔加工，已成為模具制造業(yè)的主導(dǎo)加工方法，推動(dòng)了模具行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。電火花加工零件的數(shù)量在3000件以下時(shí)，比模具沖壓零件在經(jīng)濟(jì)上更加合理。按工藝過程中工具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和用途不同，電火花加工可大體分為：電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展成加工、非金屬電火花加工和電火花表面強(qiáng)化等。四、電火花加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)（一）發(fā)展現(xiàn)狀目前，模具工業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了模具制造技術(shù)的進(jìn)步。電火花加工作為模具制造技術(shù)的一個(gè)重要分支，被賦予越來越高的加工要求。同時(shí)在數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展新形勢(shì)的影響下，促使電火花加工技術(shù)朝著更深層次、更高水平的數(shù)

13、控化方向快速發(fā)展。放電加工技術(shù)部分工序已被高速加工中心代替，但電火花加工仍舊有廣闊的前景。如在模具的復(fù)雜、精密小型腔、窄縫、溝槽、拐角、冒孔、深度切削等加工領(lǐng)域仍被廣泛應(yīng)用。同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)一直被改進(jìn)和提升，使放電加工技術(shù)在模具工業(yè)中經(jīng)久不衰。數(shù)控電火花加工技術(shù)正不斷向精密化、自動(dòng)化、智能化、高效化等方向發(fā)展。1、精密化 電火花加工的精密核心主要體現(xiàn)在對(duì)尺寸精度、仿形精度、表面質(zhì)量的要求。時(shí)下數(shù)控電火花機(jī)床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可達(dá)±2-3um、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3um。從總體來看，現(xiàn)代模具企業(yè)在先進(jìn)數(shù)控電火花機(jī)床的應(yīng)用上，還沒

14、能很好地挖掘出機(jī)床的精密加工性能。因此有必要全面推動(dòng)已有數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不斷提高模具加工精度。 2、智能化 智能控制技術(shù)的出現(xiàn)把數(shù)控電火花加工推向了新的發(fā)展高度。新型數(shù)控電火花機(jī)床采用了智能控制技術(shù)。專家系統(tǒng)是數(shù)控電火花機(jī)床智能化的重要體現(xiàn)，它的智能性體現(xiàn)在精確的檢測(cè)技術(shù)和模糊控制技術(shù)兩方面。專家系統(tǒng)采用人機(jī)對(duì)話方式，根據(jù)加工的條件、要求，合理輸入設(shè)定值后便能自動(dòng)創(chuàng)建加工程序，選用最佳加工條件組合來進(jìn)行加工。3、自動(dòng)化 數(shù)控電火花機(jī)床具備的自動(dòng)測(cè)量找正、自動(dòng)定位、多工件的連續(xù)加工等功能已較好地發(fā)揮了它的自動(dòng)化性能。自動(dòng)操作過程不需人工干預(yù)，可以提高加工精度、效率。普及機(jī)床的自動(dòng)化程度是當(dāng)前數(shù)控電火花機(jī)床行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。 4、高效化 現(xiàn)代加工的要求為數(shù)控電火花加工技術(shù)提供了最佳的加工模式，即要求在保證加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率，使放電后不必再進(jìn)行手工拋光處理。這不但縮短了加工時(shí)間且省卻后處理的麻煩，同時(shí)提升了模具品質(zhì)，使用粉末加工設(shè)備可達(dá)到要求。另外減少輔助時(shí)間(如編程時(shí)間、電極與工件定位時(shí)間等)。(二)發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展和制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇對(duì)電火花成形加工技術(shù)提出了更高要求，同時(shí)也為電火花成形加工技術(shù)加工理論的研究和工藝開發(fā)、設(shè)備更新提供了新的動(dòng)力。未來，電火花涂敷方法在進(jìn)一步發(fā)展，將由單電極、多電極和粉末涂敷等多種方法形成一大領(lǐng)域。