第3講-電火花加工基本要求與電火花機(jī)床

模具制造工藝王建榮第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床TELMAIL：JIANRONG.W@163.COM2017～2018第2學(xué)期版本號:第1版第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床第3講主要內(nèi)容1電火花加工與切削加工的區(qū)別2電火花加工的熱傳導(dǎo)與散熱3電火花加工對電源的要求4電火花加工對冷卻液的要求5電火花加工時的廢渣6電火花加工時的積炭7電火花加工時的放電間隙8工件電蝕與工具電極的損耗9電火花加工面表面狀況10電火花機(jī)床概要本質(zhì)區(qū)別雖然都是減少材料獲得工件形狀與表面精度，但二者在加工原理、去除材料方式等方面存在本質(zhì)上的區(qū)別。工具電極和工件并不接觸，依靠二者之間的脈沖性放電火花瞬間產(chǎn)生局部高溫把金屬材料氣化成金屬蒸汽，達(dá)到從工件上去除、減少材料的目的。電火花加工1電火花加工與切削加工的區(qū)別第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床1.原理方面的差別對刀尖或刀刃施以切削需要的作用力，使刀尖或刀刃切入工件的接觸部位分離材料，依靠工件與刀具的相對運動，將不需要的材料從工件上剝離，達(dá)到去除材料的目的。切削加工第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床1.原理方面的差別第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床2.熱量方面的差別電火花加工的熱量來源是電火花放電產(chǎn)生的熱量。并依靠這種在局部瞬間產(chǎn)生的高溫將多余的材料燒蝕掉。因此：（1）電火花加工是依靠熱量進(jìn)行的加工；（2）散熱是將多余的熱量從加工部件散發(fā)掉。電火花加工第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床2.熱量方面的差別機(jī)械切削加工過程中的熱量來自刀尖與工件、刀尖與切屑的摩擦，因此：（1）切削熱對加工沒有任何益處。（2）切削熱會造成工件在加工過程中變形、材料變性。也會造成刀具由銳變鈍，影響刀具的使用壽命。切削加工第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床3.切削力方面的差別工具電極和工件并不接觸，依靠二者之間的脈沖性放電火花瞬間產(chǎn)生的局部高溫把金屬材料氣化成金屬蒸汽，達(dá)到去除的目的。因此：（1）不存在切削力這種機(jī)械力；（2）不會造成工件變形，適合加工強(qiáng)度低、剛性低的工件。電火花加工第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床機(jī)械切削加工過程中不可避免存在刀具與工件的相互作用力，因此：（1）切削力會使工件的變形。（2）切削力對刀具提出很高的強(qiáng)度要求。（3）工件強(qiáng)度低、剛性差時，機(jī)械加工難以適應(yīng)。切削加工3.切削力方面的差別第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床4.材料方面的差別工具電極和工件并不接觸，依靠二者之間的脈沖性放電火花瞬間產(chǎn)生的局部高溫把金屬材料氣化成金屬蒸汽，達(dá)到去除的目的。因此：（1）要求工件材料一定要具有導(dǎo)電特性；（2）工具電極在加工過程中不可避免地存在損耗，故電極的材料必須耐電蝕。電火花加工第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床機(jī)械切削加工過程是用刀具削除材料的過程，因此：（1）工件材料強(qiáng)度高、硬度高的加工被稱為是難加工材料。（2）刀具材料的強(qiáng)度、硬度必須高于工件材料。（3）可以加工不導(dǎo)電的材料。切削加工4.材料方面的差別第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床電火花加工與機(jī)械切削加工各有優(yōu)點：（1）電火花加工的優(yōu)點很好地彌補了機(jī)械加工的缺點。（2）電火花加工去除余量的效率低，而機(jī)械加工的效率高，在制訂工件加工工藝路線時，應(yīng)以充分考慮。（3）切削加工的發(fā)展已有幾百年的逐步完善的歷史，相對于機(jī)械切削加工，電火花加工屬于后續(xù)發(fā)展起來的工藝，其加工理論、機(jī)床等正處在發(fā)展過程中。5.比較后的結(jié)論第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床電火花加工是一個相當(dāng)復(fù)雜的加工過程，涉及到電力學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)和流體動力學(xué)，熱傳導(dǎo)模型可以分為放電通道、正極材料蝕除和負(fù)極材料蝕除三個部分。單個脈沖放電條件下電極材料的蝕除，是瞬態(tài)的熱傳導(dǎo)過程，熱源也為瞬態(tài)熱源。局部磁場作用下形成的放電通道是高溫高壓的等離子體，被看成是高溫的導(dǎo)電氣體。受極間各種作用力的影響，放電通道形狀是極不規(guī)則的，隨放電時間而膨脹。2電火花加工的熱傳導(dǎo)與散熱熱傳導(dǎo)模型的三個部分第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床

在極小的距離下，工具電極與工件之間的脈沖電壓使介質(zhì)電離形成放電通道，高強(qiáng)度的電流可使電極表面產(chǎn)生瞬時高溫，使工件材料局部熔化甚至汽化，同時，介質(zhì)也在瞬時高溫的作用下迅速膨脹或汽化，氣泡潰滅或氣體膨脹產(chǎn)生的沖擊力把熔化的工件材料拋出，從而蝕除工件材料。溫度場的數(shù)學(xué)模型如果單位脈沖放電結(jié)束時，所有熔化材料都被介質(zhì)爆炸沖擊力及其他作用全部有效蝕除的話。蝕坑的形狀與熱量的傳播有關(guān)，由于等溫面呈球冠形，因此蝕坑也是球冠形。第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床單脈沖電弧產(chǎn)生時，是陰極表面發(fā)射出來的自由電子和陰陽二極之間原有的少數(shù)電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動，途中不斷地和中性質(zhì)點相碰撞。只要電子的運動速度(V)足夠高，電子的動能(A)足夠大，就可能從中性粒子中撞擊出電子，形成自由電子和正離子（這種現(xiàn)象稱為碰撞游離）。新形成的自由電子也向陽極作加速運動，再與中性質(zhì)點碰撞而發(fā)生游離。碰撞游離連續(xù)進(jìn)行，陰、陽二極間充滿了電子和正離子，產(chǎn)生很大的電流，介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧。

就象閃電從天上射向地面一樣，能量傳遞到正極上的能量要比負(fù)極上多很多，另外運動路徑上更多的粒子撞向正極，因此，正極上的蝕坑要比負(fù)極上的大。由于熱傳導(dǎo)的等溫層面為球冠，因此蝕坑大多數(shù)情況下也是球冠形。熱傳導(dǎo)模型第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床一旦氣體被擊穿后產(chǎn)生電弧，放電介質(zhì)突然由絕緣體變?yōu)榱紝?dǎo)體，電流猛增，出現(xiàn)電源短路現(xiàn)象。電壓下降，放電暫時熄滅，待電壓恢復(fù)再次放電，即使加在二極之間的是直流電也會有同種現(xiàn)象，所以火花放電具有間隙性。間隙放電造成放電介質(zhì)間隙爆破，因此不難理解產(chǎn)生火花時的吱吱聲。直流電源工作在間隙性短路情況下，極易燒壞電源，這就很自然地找到將電源的輸出做成具有脈沖特性，即出現(xiàn)短路時，不輸出電壓以保護(hù)電源。電火花加工時的吱吱聲綜上所述，無論是直流電源還是直流脈沖電源，將電壓加到正負(fù)極上時，火花的發(fā)出亮光是間隙性的，能聽到的介質(zhì)爆破聲也是間隙性的。第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床電弧產(chǎn)生的熱量，除了在很小距離的放電通道中散失一部分以外，其他熱量都會傳播到工具電極與工件電極上，這部分熱量除了使材料氣化以外，多余的熱量自然積累在工具電極與工件電極的加工面上，如果不將多余的熱量及時散發(fā)掉，那么熱量會越積越多，溫度也會越來越高，最終導(dǎo)致材料被熔化，這種現(xiàn)象就好象電弧焊接一樣，因此必須采取措施，及時地將多余的熱量散發(fā)掉。雖然可以通過調(diào)整脈沖的波形與頻率來散熱，但是這樣加工效率會很低，因此采用工作液來進(jìn)行強(qiáng)制冷卻是順利成章的事情，為了提高冷卻效果，還必須使工作液迅速地流動起來。熱量積累與散熱要求第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（1）電壓（V）：電壓過低，不會產(chǎn)生放電火花，電壓過高，會引起長距離放電，使加工面形狀失準(zhǔn)，因此電壓應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。（2）功率（W）：如果電源的功率不夠，會因供不出足夠的能量使加工部分的材料汽化，影響加工。（3）電流（A）：電源的功率只是說明能夠提供能量的能力，不能表示加工時實際提供的能量，電火花加工時，要求電源能夠通過調(diào)節(jié)電流來控制實際需要的能量。這一點對機(jī)床適應(yīng)粗、細(xì)、精加工很重要。3電火花加工對電源的要求1-工件；2-脈沖電源；3-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床3電火花加工對電源的要求1-工件；2-脈沖電源；3-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵（4）占空（%）比與頻率（f）：此二個參數(shù)一方面與加工時的表成質(zhì)量與加工效率具有密切的關(guān)系，也是反映機(jī)床水平檔次的參數(shù)。（5）電規(guī)準(zhǔn)：上述電參數(shù)調(diào)節(jié)不正確對放電穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。電參數(shù)使用不正確是產(chǎn)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。電規(guī)準(zhǔn)主要由電流、脈沖寬度、脈沖間隙三大電參數(shù)組成。第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床電火花加工脈沖電源類型按主回路中主要元件種類進(jìn)行分類弛張式、電子管式、閘流式、脈沖發(fā)電機(jī)式、晶閘管式、晶體管式、大功率集成器件按輸出脈沖波形分類矩形波、梳狀波分組脈沖、三角形波、階梯波、正弦波、高低壓復(fù)合脈沖按間隙狀態(tài)對脈沖參數(shù)的影響分類非獨立式、獨立式按工作回路數(shù)目進(jìn)行分類單回路、多回路1-工件；2-脈沖電源；3-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床電火花加工的性能與電源密切相關(guān)，其發(fā)展過程中，大多數(shù)電火花加工脈沖電源的電能利用率較低，存在很大的能源浪費，所以研制節(jié)能型脈沖電源成為主流的研究方向?，F(xiàn)在已經(jīng)誕生出很多研究成果，如圖所示，就為一節(jié)能式脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)能式脈沖電源第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（1）不導(dǎo)電性：如果冷卻液具有導(dǎo)電特性，就會脈沖電源短路，也就不會產(chǎn)生放電火花，因此冷卻液不能具有導(dǎo)電特性。（2）粘度與流動性：如果液體的粘度大，其流動性就會變差，因此粘度大的液體難以填充到工具電極與與工件電極加工時的間隙中，也會因流動性差，不能很好在流動過程中帶走多余的熱量，影響加工。（3）不揮發(fā)性：如果冷卻液有很好的揮發(fā)性，可能會引起惡性事故。例如：汽油不導(dǎo)電，粘度低、流動性好，但其具有很好的揮發(fā)特性，空氣中會漂浮大量的汽油分子，此時通電產(chǎn)生火花，無疑是引燃了一顆炸彈。1-工件；2-脈沖電源；3-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵（4）綜上所述，較適宜當(dāng)作電火花冷卻液的只有柴油，但是柴油也極易燃燒，因此加工時應(yīng)將工作電極與工件電極浸入煤油中，與空氣中的氧氣隔離。雖然純凈的水一不導(dǎo)電，二不粘，但極易污染而變性成為導(dǎo)體，此外在高溫下易電離出氫氣與氧氣，易發(fā)生爆炸事故。4電火花加工對冷卻液的要求第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（1）工件電極廢渣：工件加工部位的汽化物在煤油中冷卻結(jié)晶后形成的微小顆粒。（2）工具電極廢渣：工具電極加工部位的汽化物在煤油中冷卻結(jié)晶后形成的微小顆粒。（3）柴油炭化物：電弧高溫使C—H鍵斷裂，析出的微小炭黑顆粒。（4）廢渣具有導(dǎo)電性：很明顯，上述三種微粒均具有導(dǎo)電性，因此都會污染柴油，而污染的柴油，導(dǎo)電性迅速提高，應(yīng)在放電通道中及時清除廢渣。較易實現(xiàn)的措施是使用潔凈的煤油進(jìn)行沖刷。5電火花加工時的廢渣第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（5）廢渣引起的二次放電：廢渣形成之初位于二極之間的放電通道之中，此時的放電現(xiàn)象不再是二極之間的放電，還會出現(xiàn)工具電極與廢渣之間的放電、廢渣與工件電極之間的放電，這種已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等的介入而再次進(jìn)行的非正常放電，稱為二次放電。（6）金屬廢渣具有較大的密度，比重也較大，不可能漂浮在柴油中，通常會沉積在加工部位的凹坑中，另外放電間隙很小，即使用壓力很高的潔凈柴油進(jìn)行沖刷，不能在短時間內(nèi)沖刷干凈，只有將工具電極從蝕坑內(nèi)提出，增大間隙才能改善沖刷效果。5電火花加工時的廢渣第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（4）綜上所述，積炭是電火花加工過程中，電弧產(chǎn)生的高溫使柴油炭化析出游離狀的炭，通過電泳、致密地覆蓋到電極的加工部分，既影響到放電性能，又阻止了工件余量被蝕除，對電火花加工無益、不利，要求機(jī)床具有去除積炭的功能。由于電泳是產(chǎn)生積炭的主要原因，因此定時改變工具電極與工件電極的正負(fù)極性，可以很好地消除積炭。6電火花加工時的積炭（1）柴油炭化物：電弧高溫使C—H鍵斷裂，析出的微小炭黑顆粒。（2）炭化物的去處：微小炭黑顆粒一部分漂浮在柴油中，另一部分通過電泳積淀到工件電極的加工部位，還有一部分通過電泳積淀工具電極的加工部位。（3）積炭降低導(dǎo)電特性：沉積在工件電極、工具電極加工表面的炭，降低了電極的導(dǎo)電特特，進(jìn)而影響到電弧的特性，另一方面使得要蝕除的材料被積炭保護(hù)起來，降低了加工效率，積炭嚴(yán)重時，電火花加工不能進(jìn)行。第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（1）放電距離：工具電極與工件電極通上電壓一定的直流電之后，工具電極與工件電極在一定的距離范圍內(nèi)，都能產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，因此，即使電源的電壓一定，放電距離是一個距離范圍。（2）最大放電距離：維持電源的電壓不變，工具電極由遠(yuǎn)到近移向工件電極，移到某一距離時產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，這一距離就是電大放電距離。（3）最小放電距離：維持電源的電壓不變，在產(chǎn)生火放電的同時，使工具電極由遠(yuǎn)到近移向工件電極，移到某一距離時火花放電現(xiàn)象終止，這一距離就是最小放電距離。（4）放電距離與電壓的關(guān)系：理論與實踐都表明，最大的放電距離與施加的電壓高低有關(guān)，電壓升高，最大放電距離增加。7電火花加工時的放電間隙第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（1）電火花加工時的放電距離過大：將火花放電用于有精度要求的加工，如果放電的距離過大，那么電弧產(chǎn)生的熱量在放電通道中散失得過多，工件電極上獲得的能量太小，影響電蝕效果，造成加工效率太低。（2）電火花加工時的放電距離過?。喝绻烹娋嚯x過小，雖然工件電極上可以獲得足夠的能量，但由于導(dǎo)電廢渣的產(chǎn)生，極易造成脈沖電淅短路，使得正常的加工難以進(jìn)行。（3）電火花加工時的最佳放電距離：要將火花放電加工用于有精度的加工，應(yīng)選擇兼顧加工效率確保加工穩(wěn)定性的最佳放電距離，這個最佳放電距離就是電火花加工時的放電間隙。（4）隨著加工的持續(xù)進(jìn)行，工件被電蝕，如果電極的位置固定不變，那么放電間隙就會增大，因此電極要隨著加工的進(jìn)行，及時調(diào)整其位置，始終保持在最佳位置上放電加工，因此放電間隙是由機(jī)床的伺服機(jī)構(gòu)自動保持的，現(xiàn)有的電火花加工技術(shù)選擇的放電間隙為0.05mm左右。放電間隙第3講電火花加工基本要求與電火花機(jī)床（1）工件電蝕后的形狀：工具電極經(jīng)火花放電在工件的加工表面上獲得的形狀，就是工件電蝕后的形狀，也是加工的目的。（2）工件加工面與電極加工面：由于是工件的加工面是工具電極的加工面經(jīng)電蝕刻印出來的，因此，工具電極的外表面在工件上刻印出的是內(nèi)表成，工具電極的內(nèi)表面在工件上電蝕刻出的是表