1、河海大學(xué)文天學(xué)院現(xiàn)代制造技術(shù)專題課件現(xiàn)代制造技術(shù)專題課件 電火花加工技術(shù)電火花加工技術(shù)制作者：方浩、張劍波 10機(jī)械四班 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：第一章 電火花加工技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展第二章 電火花加工的工作原理第三章 電火花的加工特性第四章 電火花加工的基本規(guī)律第五章 電火花加工應(yīng)用領(lǐng)域第六章 電火花加工的發(fā)展趨勢(shì)第七章 電火花加工的應(yīng)用第一章 電火花加工技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展一、電火花加工的概念二、電火花加工技術(shù)的產(chǎn)生背景三、電火花加工技術(shù)的產(chǎn)生四、電火花加工技術(shù)的發(fā)展電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量的加工要求的特種加工方法，

2、又稱放電加工或電蝕加工，英文簡(jiǎn)稱EDM。返回第二次世界大戰(zhàn)后，特別是進(jìn)入20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)行業(yè)，尤其是國(guó)防工業(yè)部門，要求尖端科技產(chǎn)品向高精度、高速度、大功率、小型化方向發(fā)展，以及在高溫、高壓、重載荷或腐蝕 環(huán)境下長(zhǎng)期可靠的工作。為了適應(yīng)這些要求，各種新結(jié)構(gòu)、新材料和復(fù)雜形狀的精密零件大量出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和形狀越來(lái)越復(fù)雜，材料的性能越來(lái)越強(qiáng)韌，對(duì)精度要求越來(lái)越高，對(duì)加工表面粗糙度和完整性要求越來(lái)越嚴(yán)格，使現(xiàn)代機(jī)械制造面臨著一系列嚴(yán)峻的任務(wù)。如：各種難切削材料的加工問(wèn)題；各種特殊復(fù)雜型面的加工問(wèn)題；各種超精密、光整零件的加工問(wèn)題；特殊零件的加工問(wèn)題等。返回20世紀(jì)40年

3、代，前蘇聯(lián)鮑洛拉扎林柯夫婦研究開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)遭受火花放電腐蝕損壞的有害現(xiàn)象和原因，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可使局部的金屬融化、氣化而被蝕除掉，開(kāi)創(chuàng)和發(fā)明了變有害的電蝕為有用的電火花加工方法，用銅桿在淬火鋼上加工出小孔，可用軟的工具加工任何硬度的金屬材料，首次擺脫了傳統(tǒng)的切削加工方法，直接利用電能和熱能來(lái)去除金屬，獲得“以柔克剛”的效果。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(lái)。最初使用的脈沖電源是簡(jiǎn)單的電阻-電容回路。返回20世紀(jì)50年代脈沖電源改進(jìn)為電阻-電感-電容等回路。同時(shí)，還采用脈沖發(fā)電機(jī)之類的所謂長(zhǎng)脈沖電源，使蝕除效率提高，工具電極相對(duì)損耗降低。隨后又出現(xiàn)了大功率電子管、閘流管等高頻脈

4、沖電源，使在同樣表面粗糙度條件下的生產(chǎn)率得以提高。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了晶體管和可控硅脈沖電源，提高了能源利用效率和降低了工具電極損耗，并擴(kuò)大了粗精加工的可調(diào)范圍。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了高低壓復(fù)合脈沖、多回路脈沖、等幅脈沖和可調(diào)波形脈沖等電源，在加加工表面粗糙度、加工精度和降低工具電工表面粗糙度、加工精度和降低工具電極損耗極損耗等方面又有了新的進(jìn)展。在控制系統(tǒng)方面，從最初簡(jiǎn)單地保持放電間隙，控制工具電極的進(jìn)退，逐步發(fā)展到利用微型計(jì)算機(jī)，對(duì)電參數(shù)和非電參數(shù)等各種因素進(jìn)行適時(shí)控制。電火花技術(shù)的發(fā)展不僅僅局限于脈沖電源的改進(jìn)，目前，國(guó)際上對(duì)電火花加工技術(shù)甚至其他特種加工技術(shù)的研究主要集中在三方面微細(xì)

5、化加工，應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及廣泛采用自動(dòng)化技術(shù)。返回第二章 電火花加工的工作原理加工原理加工原理進(jìn)行電火花加工時(shí)，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或?qū)⒐ぷ饕撼淙敕烹婇g隙。通過(guò)間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)控制工具電極向工件進(jìn)給，當(dāng)兩電極間的間隙達(dá)到一定距離時(shí)，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。在放電的微細(xì)通道中瞬時(shí)集中大量的熱能，溫度可高達(dá)一萬(wàn)攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點(diǎn)工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時(shí)在工件表面上便留下一個(gè)微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復(fù)絕緣狀

6、態(tài)。緊接著，下一個(gè)脈沖電壓又在兩電極相對(duì)接近的另一點(diǎn)處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復(fù)上述過(guò)程。這樣，雖然每個(gè)脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬(wàn)次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進(jìn)給，最后便加工出與工具電極形狀相對(duì)應(yīng)的形狀來(lái)。因此，只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，就能加工出各種復(fù)雜的型面。返回第三章 電火花的加工特性一、電火花屬于不接觸加工。二、加工過(guò)程中沒(méi)有宏觀切削力。三、可以加工任何難加工的金屬材料和導(dǎo)電材料。四、可以加工形狀復(fù)雜的表面。工具電極和工件之

7、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(guò)高壓脈沖放 電，對(duì)工件進(jìn)行放電腐蝕。 火花放電時(shí)，局部、瞬時(shí)爆火花放電時(shí)，局部、瞬時(shí)爆炸力的平均值很小，不足以引炸力的平均值很小，不足以引起工件的變形和位移。起工件的變形和位移。 由于加工中材料的去除是靠放電時(shí)的電、熱作用實(shí)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

8、其力學(xué)性能阻率等，而幾乎與其力學(xué)性能( (硬度、強(qiáng)度等硬度、強(qiáng)度等) )無(wú)關(guān)。無(wú)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)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、韌的工件甚至可以加工聚晶現(xiàn)用軟的工具加工硬、韌的工件甚至可以加工聚晶金剛行、立方氮化硼一類的超硬材料。目前電極材金剛行、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。料多采用紫銅或石墨，因此工具電極較容易加工。 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

9、現(xiàn)實(shí)。 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(méi)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。電火花加工是與機(jī)械加工完全不同的一種新工藝。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現(xiàn)。具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)與特殊工藝要求的工件越來(lái)越多，這就使得傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進(jìn)一步發(fā)展和完善機(jī)械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，并在應(yīng)用中顯示出很多優(yōu)異性能，因此，得到了迅速發(fā)展

10、和日益廣泛的應(yīng)用。返回第四章 電火花加工的基本規(guī)律一、影響材料放電腐蝕的主要因素二、影響加工精度的主要因素返回 1極性效應(yīng) 在電火花加工過(guò)程中，即使是相同材料，正負(fù)電極的電蝕量也是不同的。這種單純的由于正負(fù)極性不同而彼此電蝕量不一樣的現(xiàn)象叫做“極性效應(yīng)”。如果電極材料不一樣，則該效應(yīng)更加明顯。從提高加工生產(chǎn)率和減少工具損耗的角度來(lái)看，極性效應(yīng)愈顯著愈好，加工中必須充分利用極性效應(yīng)，最大限度地降低工具電極的損耗，并合理選用工具電極的材料，根據(jù)電極對(duì)材料的物理性能、加工要求選用最佳的電規(guī)準(zhǔn)，正確地選用加工極性，達(dá)到工件的蝕除速度最高，工具損耗盡可能小的目的。當(dāng)用交變的脈沖電流加工時(shí)，單個(gè)脈沖的極效

11、應(yīng)便相互抵消，增加了工具的損耗。因此，電火花加工一般都采用單向脈沖電源。2電參數(shù) （相關(guān)案例）電參數(shù)主要是指電壓脈沖寬度ti、電流脈沖寬度te、脈沖間隔to、脈沖頻率、峰值電流ie、峰值電壓和極性等。提高電蝕量和生產(chǎn)率的途徑在于：提高脈沖頻率，增加單個(gè)脈沖能量或者說(shuō)增加平均放電電流（對(duì)矩形脈沖即為峰值電流）和脈沖寬度；減小脈沖間隔并提高有關(guān)的工藝參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要考慮到這些因素之間的相互制約關(guān)系和對(duì)其它工藝指標(biāo)的影響，例如脈沖間隔時(shí)間過(guò)短，將產(chǎn)生電弧放電；隨著單個(gè)脈沖能量的增加，加工表面粗糙度值也隨之增大等等。這些參數(shù)還可以用占空比、頻率和平均電流表示3金屬材料熱學(xué)常數(shù) 所謂熱學(xué)常數(shù)，是指熔

12、點(diǎn)、沸點(diǎn)（氣化點(diǎn)）、熱導(dǎo)率、比熱容、熔化熱、氣化熱等。4、其他因素加工過(guò)程不穩(wěn)定將干擾以致破壞正常的火花放電，使有效脈沖利用率降低。隨著加工深度、加工面積的增加，或加工型面復(fù)雜程度的增加，都將不利于電蝕產(chǎn)物的排出，影響加工穩(wěn)定性和降低加工速度，嚴(yán)重時(shí)將造成結(jié)炭拉弧，使加工難以進(jìn)行。返回與傳統(tǒng)的機(jī)械加工一樣，機(jī)床本身的各種誤差，工件和工具電極的定位、安裝誤差都會(huì)影響到電火花加工的精度。另外，與電火花加工工藝有關(guān)的主要因素是放電間隙的大小及其一致性、工具電極的損耗及其穩(wěn)定等。電火花加工時(shí)工具電極與工件之間放電間隙大小實(shí)際上是變化的，電參數(shù)對(duì)放電間隙的影響非常顯著，精加工放電間隙一般只有0.01mm

13、（單面），而粗加工時(shí)則可達(dá)0.5mm以上。目前，電火花加工的精度為0.010.05mm。電火花加工時(shí)，可以通過(guò)修正電極的尺寸對(duì)放電間隙進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得較高的加工精度。然而，放電間隙的大小實(shí)際上是變化的，影響著加工精度。影響加工精度的主要因素影響加工精度的主要因素1.加工間隙(側(cè)面間隙)的影響加工間隙的大小及其一致性直接影響電火花成形加工的加工精度。2.加工斜度的影響 在加工中，不論型孔還是型腔，側(cè)壁都有斜度，形成斜度的原因，除電極側(cè)壁本身在技術(shù)要求或制造中原有的斜度外，一般都是由電極的損耗不均勻，以及“二次放電”等因素造成的。返回第五章 電火花加工應(yīng)用領(lǐng)域電火花加工主要用于模具生產(chǎn)中的型孔、型

14、腔加工。電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(guò)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。 一、電火花成形加工。該方法是通過(guò)工具電極相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，將工具電極的形狀和尺寸復(fù)制在工件上，從而加工出所需要的零件。它包括電火花型腔加工和穿孔加工兩種。近年來(lái)，為了解決小孔加工中電極截面小、易變形、孔的深徑比大、排屑困難等問(wèn)題，在電火花穿孔加工中發(fā)展了高速小孔加工，取得良好的

15、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 二、電火花線切割加工。該方法是利用移動(dòng)的細(xì)金屬絲作工具電極，按預(yù)定的軌跡進(jìn)行脈沖放電切割。按金屬絲電極移動(dòng)的速度大小分為快走絲和慢走絲線切割。返回電參數(shù)例子電參數(shù)例子（1）基本加工：一個(gè)周期的時(shí)間為100s,其中脈寬為40s，間歇為60s，峰值電流為50A，從以上數(shù)據(jù)可得出占空比和頻率。占空比 （%） = （脈寬s/整個(gè)周期時(shí)間s） 100=40/ （40+60） 100=40%頻率 （kHz） =1000/一個(gè)周期的時(shí)間s=1000/ （40+60） =10kHz現(xiàn)狀： 使用40%的占空比和10kHz的頻率將得到一定的表面粗糙度值和加工速度。實(shí)際結(jié)果： 加工速度 （MRR）

16、=0.8in3/h； 電極損耗率（EW） =2.5%； 表面粗糙度值Ra=400in。（2） 改變頻率：占空比保持不變， 脈寬和間歇減半， 現(xiàn)在脈寬為20s， 間歇為30s， 峰值電流仍為50A， 占空比還是40%， 但是頻率從原來(lái)的10kHz增至20kHz。占空比 （%） =20/ （20+30） 100=40%頻率 （kHz） =1000/ （20+30） =20kHz現(xiàn)狀： 峰值電流雖然不變， 但脈寬減半使金屬蝕除量相應(yīng)減少， 由于相同時(shí)間內(nèi) （100s） 完成了兩個(gè)周期，所以加工速度不變， 而金屬蝕除量與每次放電量成正比。預(yù)期效果： 表面粗糙度值改善， 雖然現(xiàn)在每次只有一半的金屬被蝕除

17、， 但是頻率加快了一倍， 所以加工速度不變， 消耗的能量也不變。實(shí)際結(jié)果： 加工速度 （MRR） =0.7in3/h； 電極損耗率（EW） =6.3%； 表面粗糙度值Ra=300in。（3） 改變占空比：脈寬恢復(fù)到40s， 間歇減為10s， 這樣， 占空比上升至80%，頻率保持在20kHz。改變頻率改善了光面粗糙度值， 而當(dāng)改變占空比時(shí)，得到的結(jié)果卻與之大相逕庭。占空比 （%） =40/ （40+10） 100=80%頻率 （kHz） =1000/ （40+10） =20kHz現(xiàn)狀： 每次放電的能量和金屬蝕除量保持不變，最大的變化就是縮短了間歇， 使放電次數(shù)在同樣時(shí)間內(nèi)達(dá)到原來(lái)的兩倍。預(yù)期效果

18、： 表面粗糙度值相對(duì)不變， 加工速度翻倍， 關(guān)鍵在于占空比的改變， 占空比和頻率相配合能更全面地演繹電加工的特性， 在頻率固定的情況下，占空比從1%到98%的改變使加工結(jié)果產(chǎn)生巨大的變化。實(shí)際結(jié)果： 加工速度 （MRR） =1.2in3/h； 電極損耗率（EW） =1.4%； 表面粗糙度值Ra=430in。（4） 改變峰值電流：通過(guò)控制脈寬和間歇可以改變表面粗糙度值和加工速度。以上例子中唯一保持恒定的是峰值電流，其實(shí)改變峰值電流同樣可以影響加工效果。本例中使用最初的參數(shù)為： 脈寬40s， 間歇60s， 占空比40%， 頻率10kHz， 峰值電流原為50A， 現(xiàn)在改為25A。現(xiàn)狀： 峰值電流減半

19、， 火花能量相應(yīng)減半。預(yù)期效果： 加工速度減慢， 表面粗糙度值改善。實(shí)際結(jié)果： 加工速度 （MRR） =0.28in3/h； 電極損耗率 （EW） =2.5%； 表面粗糙度值Ra=350in。小結(jié)：小結(jié)：改變頻率， 可以改善表面粗糙度值，但加工速度幾乎不變， 電極損耗由于脈寬變短而增加。在前面改變頻率的基礎(chǔ)上，改變占空比，結(jié)果加工速度提高了，表面粗糙度值稍有增大， 電極幾乎無(wú)損耗。在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，改變峰值電流，也就是改變了平均電流，結(jié)果改善了表面粗糙度值，加工速度大大下降， 電極損耗稍有增加。返回第六章第六章 電火花加工的發(fā)展趨勢(shì)電火花加工的發(fā)展趨勢(shì)目前電火花加工技術(shù)的研究與發(fā)展趨勢(shì)主要

20、表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)加工微細(xì)化 隨著工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ⑿蜋C(jī)械的迫切需求 ,微細(xì)加工已不再是微電子機(jī)械技術(shù)的代名詞。微細(xì)電火花加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已從簡(jiǎn)單的軸孔加工逐步拓展到微三維結(jié)構(gòu)型腔的制作中。微細(xì)電火花加工技術(shù)有望成為三維實(shí)體微細(xì)加工的主流技術(shù)之一。(2)加工裝置的微小型化 由于電火花加工中工具電極與工件之間沒(méi)有宏觀作用力 ,因此 ,將電火花加工裝置、 尤其是電極驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行微小型化 ,使電極進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣性得以大幅度減小 ,必將更好地發(fā)揮電火花加工技術(shù)的工藝特點(diǎn)。(3)新型元器件的成功應(yīng)用 不斷地吸收現(xiàn)代科技發(fā)展的精髓是任何制造技術(shù)得以生存和發(fā)展的前提。目前一些新型開(kāi)關(guān)元件如 IG BT ,大規(guī)模集成電路芯片如 FPG A、 DSP ,新型壓電材料等均已在電火