第三章特种加工.pptx
机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS模具制造工艺学模具制造工艺学高等高等职业教育职业教育机电类机电类规划教材规划教材机械工业出版社机械工业出版社精品精品教材教材第第2版版主编主编李云程李云程参参编编窦君英窦君英主审主审王化培王化培机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第三章特 种 加 工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS随着工业生产的发展和科学技术的进步,具有高强度、高硬度、高韧性、高脆性、耐高温等特殊性能的新材料不断出现,使切削加工出现了许多新的困难和问题。在模具制造中对形状复杂的型腔、凸模和凹模型孔等采用切削方法往往难于加工,特种加工就是在这种情况下产生和发展起来的。特种加工是直接利用电能、热能、光能、化学能、电化学能、声能等进行加工的工艺方法。与传统的切削加工方法相比,其加工机理完全不同。目前,在生产中应用的特种加工有电火花加工、电火花线切割加工、电铸加工、电解加工、超声加工和化学加工等。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS电火花加工是在一定介质中,通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时的电腐蚀作用,对工件进行加工的一种工艺方法。它可以加工各种高熔点、高硬度、高强度、高纯度、高韧性材料,并在生产中显示出很多优越性,因此得到了迅速地发展和广泛地应用。在模具制造中,电火花加工被用于型孔和型腔的加工。一、电火花加工的原理、特点和应用1.电火花加工的原理早在一百多年前,人们就发现电器开关在断开或闭合时,往往会产生火花而把触点腐蚀成粗糙不平的凹坑,并逐渐损坏。这是一种有害的电腐蚀现象。随着人们对电腐蚀现象的深入研究,认识到在液体介质内进行重复性脉冲放电,能对导电材料进行加工,因而产生了电火花加工。要使脉冲放电能够用于零件加工,应具备下列基本条件:机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS1)必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙。这个间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关,一般在0.010.5mm左右。在加工过程中还必须用工具电极的进给和调节装置来保持这个放电间隙,使脉冲放电能连续进行。2)放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质(工作液)中进行。液体介质还能够将电蚀产物从放电间隙中排除出去并对电极表面进行较好的冷却。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS目前,大多数电火花机床采用煤油作工作液进行穿孔和型腔加工。在大功率工作条件下(如大型复杂型腔模的加工),为了避免煤油着火,采用燃点较高的机油或煤油与机油混合物等作为工作液。近年来,新开发的电火花加工专用工作液(粘度低、冷却性好、不燃烧、无味)应用十分广泛;去离子水和蒸馏水(流动性和冷却性好、不燃烧、无味)适用于精加工和高速穿孔加工。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS3)脉冲波形基本是单向的(图3-1)。放电延续时间ti称为脉冲宽度。ti应在0.11000s之间,以使放电所产生的热量来不及从放电点过多传导扩散到其他部位,从而只在极小的范围内使金属局部熔化,直至汽化。相邻脉冲之间的间隔时间t0称为脉冲间隔。t0应不小于10s。它使放电介质有足够的时间恢复绝缘状态(称为消电离),以免引起持续电弧放电,烧伤加工表面而无法用作尺寸加工。T=ti+t0称为脉冲周期。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS4)有足够的脉冲放电能量,以保证放电部位的金属熔化或汽化。图3-2所示为电火花加工原理图。将工件和工具电极(以下简称电极)分别安装在工作台和主轴上,调整好相对位置,充入工作液并达到规定的要求。电极在自动进给调节装置带动下,与工件保持一定的放电间隙。由于工件和电极的表面(微观)是凸凹不平的,当脉冲电源接通后,两极间的电压首先在相对间隙最小处或绝缘强度最低处升高到击穿电压,使介质被击穿形成放电通道,在局部产生电火花放电。瞬间高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小部分金属,形成小的凹坑,如图3-3所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS一次脉冲放电的过程可以分为电离、放电、热膨胀、抛出金属和消电离等几个连续的阶段。电离。由于工件和电极表面存在着微观的凹凸不平,在两者相距最近的点上电场强度最大,会使附近的液体介质首先被电离为电子和正离子。放电。在电场的作用下,电子高速奔向阳极,并产生电火花放电,形成放电通道。在这个过程中,两极间液体介质的电阻从绝缘状态的几兆欧姆骤降到几分之一欧姆。由于放电通道受放电时磁场力和 周 围 的 液 体 介 质 的 压 缩,其 截 面 积 极 小,电 流 强 度 可 达105106A/cm2。放电状况如图3-3所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS热膨胀。由于放电通道中电子和离子高速运动时相互碰撞,产生大量的热能;阳极和阴极表面受高速电子和离子流的撞击,其动能也转 化 成 热 能,因 此 在 两 极 之 间 沿 通 道 形 成 了 一 个 温 度 高 达1000012000的瞬时高温热源。在热源作用区的电极和工件表面层金属会很快熔化,甚至汽化。通道周围的液体介质(一般为煤油)除一部分汽化外,另一部分被高温分解为游离的炭黑和H2、C2H2、C4H4、CnH2n等气体(使工作液变黑,在极间冒出小气泡)。上述过程是在极短时间(10-710-5s)内完成的,因此,具有突然膨胀、爆炸的特性(可以听到噼啪声)。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS抛出金属。由于热膨胀具有爆炸的特性,爆炸力将熔化和汽化了的金属抛入附近的液体介质中冷却,凝固成细小的圆球状颗粒,其直径视脉冲能量而异(一般为0.1500m),电极表面则形成一个周围凸起的微小圆形凹坑,如图3-4所示。消电离。使放电区的带电粒子复合为中性粒子的过程。在一次脉冲放电后应有一段间隔时间,使间隙内的介质消电离而恢复绝缘强度,以实现下一次脉冲击穿放电。如果电蚀产物和气泡来不及很快排除,就会改变间隙内介质的成分和绝缘强度、破坏消电离过程,易使脉冲放电转变为连续电弧放电,影响加工。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS一次脉冲放电之后,两极间的电压急剧下降到接近于零,间隙中的电介质立即恢复到绝缘状态。此后,电极不断地向工件进给,两极间的电压再次升高,又在另一处绝缘强度最小的地方重复上述放电过程。这样以很高的频率连续不断地重复放电的结果,使整个被加工表面由无数小的放电凹坑构成(图3-5),将电极(由于存在“极性效应”,所以电极的损耗远远小于工件的蚀除量)的轮廓形状复制在工件上,达到加工的目的。在脉冲放电过程中,工件和电极都要受到电腐蚀,但正、负两极的蚀除速度不同。这种两极蚀除速度不同的现象称为极性效应。产生极性效应的基本原因是电子的质量小,其惯性也小,在电场力作用下容易在短时间内获得较大的运动速度,即使采用较短的脉冲进行加工也能大量、迅速地到达阳极,轰击阳极表面,而正离子由于质量大,惯性也大。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS在相同时间内所获得的速度远小于电子,当采用短脉冲进行加工时,大部分正离子尚未到达负极表面,脉冲便已结束,所以负极的蚀除量小于正极;但是,当用较长的脉冲加工时,正离子可以有足够的时间加速,获得较大的运动速度,并有足够的时间到达负极表面,加上它的质量大,因而正离子对负极的轰击作用远大于电子对正极的轰击,负极的蚀除量则大于正极。电极和工件的蚀除量不仅与脉冲宽度有关,而且还受电极及工件材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等多种因素的综合影响。在电火花加工过程中,极性效应越显著越好。因此必须充分利用极性效应,合理选择加工极性,以提高加工速度、减少电极的损耗。在实际生产中,把工件接正极的加工称为“正极性加工”或“正极性接法”;工件接负极的加工称为“负极性加工”或“负极性接法”。极性的选择主要靠实验确定。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS2.电火花加工的特点1)可以加工用机械加工难于加工或无法加工的材料,如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。2)电极和工件在加工过程中不接触,两者间的宏观作用力很小,所以便于加工小孔、深孔、窄缝零件,而不受电极和工件刚度的限制;对于各种型孔、立体曲面、复杂形状的工件,均可采用成型电极一次加工。3)电极材料不必比工件材料硬。4)直接利用电能、热能进行加工,便于实现加工过程的自动控制。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS3.电火花加工的应用由于电火花加工有其独特的优点,加上电火花加工工艺技术水平的不断提高、数控电火花机床的普及,其应用领域日益扩大,已在模具制造、机械、宇航、航空、电子、仪器、轻工等部门用来解决各种难加工的材料和复杂形状零件的加工问题。在模具制造中,电火花加工主要用于加工复杂形状冲裁凹模型孔、型腔模的型腔以及型芯上的窄槽等。为避免热处理变形,一般都在淬火之后进行电火花加工。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS二、影响电火花加工质量的主要工艺因素加工质量包括零件的加工精度和电蚀表面的质量。1.影响加工精度的工艺因素电火花加工过程是一个复杂的多参数输入、多参数输出系统,影响加工精度的工艺因素很多,主要有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等工艺因素。这里主要讨论加工过程中电极损耗、放电间隙等因素对加工精度的影响。(1)电极损耗对加工精度的影响在电火花加工过程中,电极会受到电腐蚀而损耗。电极损耗是影响加工精度的一个重要因素,因此掌握电极损耗规律,从各方面采取措施尽量减少电极损耗,对保证加工精度是很重要的。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工在加工过程中电极不同部位的损耗是不同的。电极的尖角、棱边等凸起部位的电场强度较强,易形成尖端放电,所以这些部位比平坦部位要损耗得快。电极的不均匀损耗必然使加工精度下降。电极的损耗受电极材料的热学物理常数的综合影响。常用电极材料的热学物理常数见表3-1。当脉冲放电能量相同时,金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高,则电极耐腐蚀的性能越高,损耗越小。另一方面,热导率大的材料,在相同的放电时间内能较多地把瞬时产生的热量从放电区传导出去,使热损耗相对增大,同样可以减小电极的损耗。如钨和石墨的熔点、沸点高,石墨的热容量又很大,它们的耐腐蚀性也高。铜的热导率虽然比钢大,但其熔点远比钢低,所以它不如钢耐腐蚀。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工注:1.热导率为0的值。2.K为热力学温度的单位。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工此外,电极损耗还受脉冲电源的电参数、加工面积等因素的综合影响。因此,在电火花加工中应正确选择脉冲电源的电参数和加工极性;用耐腐蚀性能好的材料制造电极;改善工艺条件,以减小电极损耗对加工精度的影响。一般把电极损耗小于1%的加工称为低损耗加工。由于电火花加工设备和工艺水平的不断提高,目前已使成形加工的精度达到0.01mm以上。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工从上式可知,要使放电间隙保持稳定,必须使脉冲电源的电参数保持稳定,同时还应使机床精度和刚度也保持稳定。特别要注意电蚀产物在间隙中的滞留而引起的二次放电对放电间隙的影响。一般单边放电间隙值为0.010.1mm。加工精度与放电间隙的大小是否稳定和均匀有关,间隙越稳定、均匀,加工精度越高。目前,采用稳定的脉冲电源和高精度机床、在加工过程稳定性良好的情况下,放电间隙误差可以控制在0.05范围内。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工(3)加工斜度对加工精度的影响在加工过程中随着加工深度的增加,二次放电次数增多,侧面间隙逐渐增大,使被加工孔入口处的间隙大于出口处的间隙,出现加工斜度,使加工表面产生形状误差,如图3-6所示。二次放电的次数越多,单个脉冲的能量越大,则加工斜度越大。二次放电的次数与电蚀产物的排除条件有关。因此,应从工艺上采取措施及时排除电蚀产物,使加工斜度减小。目前,精加工时斜度可控制在10以下。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工由上式可以看出,电蚀表面粗糙度的评定参数Ra随脉冲宽度和电流峰值增大而增大。在一定的加工条件下,脉冲宽度和电流峰值增大使单个脉冲能量增大,电蚀凹坑的断面尺寸也增大,所以表面粗糙度主要取决于单个脉冲能量。单个脉冲能量越大,表面越粗糙。要使Ra减小,必须减小单个脉冲能量。电火花加工的表面粗糙度,粗加工一般可达Ra=2512.5m;精加工可达Ra=3.20.8m;微细加工可达Ra=0.80.2m。加工熔点高的硬质合金等可获得比钢更小一些的表面粗糙度。由于电极的相对运动,侧壁表面粗糙度比底面的小。近年来研制的超光脉冲电源已使电火花成形加工的粗糙度达到Ra=0.200.10m左右。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工(2)表面变化层经电火花加工后的表面将产生包括凝固层和热影响层的表面变化层(图3-4)。它的化学(工作介质和石墨电极的碳元素渗入工件表层)、物理、力学性能均有所变化。凝固层是工件表层材料在脉冲放电的瞬时高温作用下熔化后未能抛出,在脉冲放电结束后迅速冷却、凝固而保留下来的金属层。其晶粒非常细小,有很强的抗腐蚀能力。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工热影响层位于凝固层和工件基体材料之间。该层金属受到放电点传来的高温影响,使材料的金相组织发生了变化。对未淬火钢,热影响层就是淬火层。对经过淬火的钢,热影响层是重新淬火层。由于所采用的电参数、冷却条件及工件材料原来的热处理状况不同,变化层的硬度变化情况也不一样。图3-7所示为未淬火T10钢经电火花加工后的表层显微硬度,图3-8所示为已淬火T10钢的情况。表面变化层的厚度与工件材料及脉冲电源的电参数有关,它随着脉冲能量的增加而增厚。粗加工时变化层一般为0.10.5mm,精加工时变化层一般为0.010.05mm。凝固层的硬度一般比较高,故电火花加工后的工件耐磨性比机械加工后的好,但增加了钳工研磨、抛光的困难。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工三、型孔加工用电火花加工方法加工通孔称为穿孔加工。它在模具制造中主要用于加工用切削加工方法难于加工的冷冲模凹模型孔。采用电火花加工型孔形状复杂的凹模,可以不用镶拼结构,而采用整体结构。这样既可节约模具设计和制造工时,又能提高凹模强度。用电火花加工的冲模,容易获得均匀的配合间隙和所需的落料斜度,刃口平直耐磨,可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。但加工中电极的损耗影响加工精度,难以达到小的表面粗糙度,要获得小的棱边和尖角也比较困难。随着电火花加工技术的日臻完善,这些问题也会逐步得到解决。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工1.型孔加工工艺一般用电火花加工的冷冲模凹模型孔,都是较为复杂且机械加工难以加工的型孔。为了避免淬火变形的影响,电火花加工应在淬火后进行。所以,在电火花加工之前要将所有的需要机械加工的表面和孔加工完,淬火后将上、下表面和相邻两侧面(基准面)磨削出来,再进行电火花加工。一般凹模在电火花加工前需要进行加工的工序见表3-2。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工电火花加工型孔的主要方法有:(1)直接用凸模加工直接用凸模作电极加工凹模型孔时,需要将凸模适当加长,用电火花线切割等方法将凸模加工出来,加工后将凸模上的损耗部分去除。凸、凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。用这种方法可以获得均匀的配合间隙,模具质量高,不需另外制造电极,工艺简单。但是,钢凸模作电极的加工速度低,在直流分量的作用下易磁化,使电蚀产物被吸附在电极放电间隙的磁场中形成不稳定的二次放电。此方法适用于形状复杂的凹模或多型孔凹模,如电机定子、转子、矽钢片冲模等(见本节冲裁模加工实例)。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工由于直接用凸模作电极加工凹模,凸、凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。当凸、凹模配合间隙很小时,必须保证放电间隙也很小,但过小的放电间隙使加工困难。在这种情况下可将电极的工作部分用化学浸蚀法蚀除一层金属,使断面尺寸均匀缩小-(Z/2)(Z为凸、凹模双边配合间隙;为单边放电间隙),以利于放电间隙的控制。反之,当凸、凹模的配合间隙较大,可以用电镀法将电极工作部位的断面尺寸均匀扩大Z/2-,以满足加工时的间隙要求.(2)用纯铜和石墨等电极加工用纯铜和石墨等电极材料专门设计制作的电极用于加工一般较为复杂的凹模型孔,其凸、凹模之间的配合间隙不受放电间隙的影响,可以通过电极设计得到任意的配合间隙。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工由于电火花线切割加工的广泛应用,一般较为复杂的凹模型孔普遍采用电火花线切割加工。对于一些不便在淬火之前用铣削等方法去除凹模型孔落料部分废料的凹模,可先用电火花线切割加工出直刃口,再用电火花加工出落料部分,如图3-9所示。由于电火花加工要产生加工斜度、型孔加工后其孔壁要产生倾斜,为防止型孔的工作部分产生反向斜度影响模具正常工作,在穿孔加工时应将凹模的底面向上。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工2.电极设计凹模型孔的加工精度与电极的精度和穿孔时的工艺条件密切相关。为了保证型孔的加工精度,在设计电极时必须合理选择电极材料和确定电极尺寸。此外,还要使电极在结构上便于制造和安装。(1)电极材料根据电火花加工原理,可以认为任何导电材料都可以用来制作电极。但在生产中应选择损耗小、加工过程稳定、生产率高、机械加工性能良好、来源丰富、价格低廉的材料作电极材料。常用电极材料的种类和性能见表3-3。选择电极材料时应根据加工对象、工艺方法、脉冲电源的类型等因素综合考虑。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工(2)电极结构电极的结构形式应根据电极外形尺寸的大小与复杂程度、电极的结构工艺性等因素综合考虑。1)整体式电极。整体式电极是用一块整体材料加工而成的,是最常用的结构形式。对于横截面积及重量较大的电极,可在电极上开孔以减轻电极重量,但孔不能开通,孔口向上,如图3-10所示。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工2)组合电极。在同一凹模上有多个型孔时,在某些情况下可以把多个电极组合在一起,如图3-11所示,一次穿孔可完成各型孔的加工,这种电极称为组合电极。用组合电极加工的生产率高,各型孔间的位置精度取决于各电极的位置精度。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工3)镶拼式电极。形状复杂的电极整体加工有困难时,常将其分成几块,分别加工后再镶拼成整体,这样既节省材料又便于电极制造。电极不论采用哪种结构都应有足够的刚度,以利于提高加工过程的稳定性。对于体积小、易变形的电极,可将电极工作部分以外的截面尺寸增大以提高刚度。对于体积较大的电极,要尽可能减轻电极的重量,以减小机床的变形。电极与主轴连接后,其重心应位于主轴中心线上,这对于较重的电极尤为重要,否则会产生附加偏心力矩,使电极轴线偏斜,影响模具的加工精度。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工(3)电极尺寸1)电极横截面尺寸的确定。垂直于电极进给方向的电极截面尺寸称为电极的横截面尺寸。在凸、凹模图样上的公差有不同的标注方法。当凸模与凹模分开加工时,在凸、凹模图样上均标注公差;当凸模与凹模配合加工时,落料模将公差注在凹模上,冲孔模将公差注在凸模上,另一个只注基本尺寸。因此,电极截面尺寸分别按下述两种情况计算。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工当按凸模尺寸和公差确定电极的横截面尺寸时,随凸模、凹模配合间隙Z(双面)的不同,分为3种情况:配合间隙等于放电间隙(Z=2)时,电极与凸模截面基本尺寸完全相同。配合间隙小于放电间隙(Z2)时,电极轮廓应比凸模轮廓均匀地放大一个数值a1,但形状相似。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工在生产中为了减少脉冲参数的转换次数,使操作简化,有时将电极适当增长,并将增长部分的截面尺寸均匀地缩小;做成阶梯状成为阶梯电极,如图3-14所示。阶梯部分的长度L1一般取凹模加工厚度的1.5倍左右,阶梯部分的均匀缩小量h1=0.100.15mm。对阶梯部分不便进行切削加工的电极,常用化学浸蚀法将断面尺寸均匀缩小。3)电极公差的确定。截面的尺寸公差取凹模刃口相应尺寸公差的1/22/3。电极在长度方向上的尺寸公差没有严格要求。电极侧面的平行度误差在100mm长度上不超过0.01mm。电极工作表面的表面粗糙度不大于型孔的表面粗糙度。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工3.电规准的选择与转换电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准。电规准应根据工件的加工要求、电极和工件材料、加工的工艺指标等因素来选择。选择的电规准是否恰当,不仅影响模具的加工精度,还直接影响加工的生产率和经济性。在生产中主要通过工艺试验来确定电规准。通常要用数个规准才能完成凹模型孔加工的全过程。电规准分为粗、中、精3种。从一个规准调整到另一个规准称为电规准的转换。粗规准主要用于粗加工。对它的要求是生产率高,工具电极损耗小,被加工表面的粗糙度Ra12.5m。所以,粗规准一般采用较大的电流峰值,较长的脉冲宽度(ti=2060s)。采用钢电极时,电极相对损耗应低于10%。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工中规准是粗、精加工间过渡性加工所采用的电规准,用以减小精加工余量,促进加工稳定性和提高加工速度。中规准采用的脉冲宽度一般为620s,被加工表面粗糙度Ra=6.33.2mm。精规准用来进行精加工。要求在保证冲模各项技术要求(如配合间隙、表面粗糙度和刃口斜度)的前提下尽可能提高生产率。故多采用小的电流峰值、高频率和短的脉冲宽度(ti=26s),被加工表面粗糙度可达Ra=1.60.8m。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工粗、精规准的正确配合可以较好地解决电火花加工的质量和生产率之间的矛盾。凹模型孔用阶梯电极加工时,电规准转换的程序是:当阶梯电极工作端的阶梯进给到凹模刃口处时,转换成中规准过度加工12mm后,再转入精规准加工,若精规准有两挡,还应依次进行转换。在规准转换时,其他工艺条件也要适当配合。粗规准加工时,排屑容易,冲油压力应小些;转入精规准加工后加工深度增加,放电间隙减小,排屑困难,冲油压力应逐渐增大;当穿透工件时,冲油压力适当降低。对加工斜度、粗糙度要求较小和精度要求较高的冲模加工,要将上部冲油改为下部抽油,以减小二次放电的影响。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工4.冲裁模加工实例图3-15所示为电机定子凹模。凹模上有36个型孔,凸、凹模配合间隙为0.100.12mm(双边),模具材料为Cr12MoV,硬度为6064HRC。由于凹模工作型孔较多,且各型孔在圆周分布有较严格的位置精度要求,使用常规的配作存在一定的难度。采用凸模作电极对凹模型孔进行电火花加工,既简单又能保证其位置精度和配合间隙的要求。其工艺过程简述如下:(1)电极(凸模)加工工艺工艺过程:锻造退火粗、精刨淬火与回火成型磨削;或锻造退火刨(或铣)平面淬火与回火磨上、下平面线切割加工。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工凸模长度应加长一段作为电火花加工的电极,其长度根据凹模刃口高度确定。(2)电极(凸模)固定板的加工工艺锻造退火粗、精车画线加工孔(孔比凸模单边放大12mm作为浇注合金间隙)磨平面。(3)电极(凸模)的固定在专用分度坐标装置(万能回转台)上分别找正各凸模位置,用锡基合金(固定电极用合金)将凸模固定在固定板上,达到各型孔位置精度要求。(4)凹模加工工艺锻造退火粗、精车(外圆及上、下平面)样板画线铣出各型孔漏料部分加工螺钉及销钉孔并在各型孔位置钻冲油孔淬火与回火磨平面退磁用组合后的凸模作电极,电火花加工各型孔。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工(5)凸模的固定将作电极使用后的凸模与固定板分离,切除凸模上电蚀的一段,以凹模刃口为基准,调整均匀所有凸模与相应凹模刃口之间的间隙,用铋基合金将凸模一次性浇铸在凸模固定板上,利用铋基合金的冷胀性将凸模固定牢固。凹模各型孔与凸模间隙大小靠电火花加工时所选的电规准控制。如果配合间隙不在放电间隙内,则对凸模电极部分采用化学侵蚀或镀铜的方法适当减小或增大。利用组合电极(凸模)加工凹模后,还可以将卸料板的型孔电加工出来。因卸料板所需的间隙较大,可采用电极平动法或工作台坐标法加工。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 四、型腔加工用电火花加工方法进行型腔加工比加工凹模型孔困难得多。型腔加工属于不通孔加工,金属蚀除量大,工作液循环困难,电蚀产物排除条件差,电极损耗不能用增加电极长度和进给来补偿;加工面积大,加工过程中要求电规准的调节范围也较大;型腔复杂,电极损耗不均匀,影响加工精度。因此,型腔加工要从设备、电源、工艺等方面采取措施来减小或补偿电极损耗,以提高加工精度和生产率。与机械加工相比,用电火花加工型腔具有加工质量好、粗糙度小,减少了切削加工和手工劳动,使生产周期缩短的特点。特别是近年来由于电火花加工设备和工艺的日臻完善,它已成为解决型腔中、精加工的一种重要手段。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 1.型腔加工的工艺方法(1)单电极加工法单电极加工法是指用一个电极加工出所需型腔。它用于下列几种情况:1)用于加工形状简单、精度要求不高的型腔。2)用于加工经过预加工的型腔。为了提高电火花加工效率,型腔在电加工之前采用切削加工方法进行预加工,并留适当的电火花加工余量,在型腔淬火后用一个电极进行精加工,达到型腔的精度要求,如图3-16a所示。一般型腔可用立式铣床进行预加工;复杂型腔或大型型腔可先用立式铣床去除大量的加工余量,再用仿形铣床精铣。在能保证加工成形的条件下电加工余量越小越好。一般型腔侧面余量单边留0.10.5mm,底面余量0.20.7mm。如果是多台阶复杂型腔则余量应适当减小。电加工余量应均匀,否则将使电极损耗不均匀,影响成形精度。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 3)用平动法加工型腔。对有平动功能的电火花机床,在型腔不预加工的情况下也可用一个电极加工出所需型腔。在加工过程中,先采用低损耗、高生产率的电规准进行粗加工,然后起动平动头带动电极(或数控坐标工作台带动工件)作平面圆周运动,同时按粗、中、精的加工顺序逐级转换电规准,并相应加大电极作平面圆周运动的回转半径,将型腔加工到所规定的尺寸及表面粗糙度要求。(2)多电极加工法多电极加工法是用多个电极,依次更换加工同一个型腔,如图3-16b所示。每个电极都要对型腔的整个被加工表面进行加工,但电规准各不相同。所以,设计电极时必须根据各电极所用电规准的放电间隙来确定电极尺寸。每更换一个电极进行加工,都必须把被加工表面上由前一个电极加工所产生电蚀痕迹完全去除。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 用多电极加工法加工的型腔精度高,尤其适用于加工尖角、窄缝多的型腔。其缺点是需要制造多个电极,并且对电极的制造精度要求很高,更换电极需要保证高的定位精度。因此,这种方法一般用于精密和复杂型腔的加工。(3)分解电极法分解电极法是根据型腔的几何形状,把电极分解成主型腔电极和副型腔电极分别制造。先用主型腔电极加工出型腔的主要部分,再用副型腔电极加工型腔的尖角、窄缝等部位。此法能根据主、副型腔的不同加工条件选择不同的电规准,有利于提高加工速度和加工质量,使电极易于制造和修整。但主、副型腔电极的安装精度要求高。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 2.电极设计(1)电极材料和结构选择1)电极材料。型腔加工常用的电极材料主要是石墨和纯铜,其性能见表3-3。纯铜组织致密,适用于形状复杂、轮廓清晰、精度要求较高的塑料成型模、压铸模等,但机械加工性能差,难以成形磨削;由于密度大、价格贵、不宜作大、中型电极。石墨电极容易成形,密度小,所以宜作大、中型电极;但其机械强度较差,在采用宽脉冲大电流加工时,容易起弧烧伤。铜钨合金和银钨合金是较理想的电极材料,但其价格贵,只用于特殊型腔加工。2)电极结构。整体式电极适用于尺寸大小和复杂程度一般的型腔。镶拼式电极适用于型腔尺寸较大、单块电极坯料尺寸不够或电极形状复杂,将其分块才易于制造的情况。组合式电极适于一模多腔时采用,以提高加工速度,简化各型腔之间的定位工序,易于保证型腔的位置精度。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 (2)电极尺寸的确定加工型腔的电极,其尺寸大小与型腔的加工方法、加工时的放电间隙、电极损耗及是否采用平动等因素有关。电极设计时需确定的电极尺寸如下:1)电极的水平尺寸。电极在垂直于主轴进给方向上的尺寸称为水平尺寸。当型腔经过预加工,采用单电极进行电火花精加工时,其电极的水平尺寸确定与穿孔加工的相同,只需考虑放电间隙即可。当型腔采用单电极平动加工时,需考虑的因素较多,其计算公式为:a=AKb(3-8)式中a电极水平方向上的基本尺寸,单位为mm;A型腔的基本尺寸(如果电火花加工后需要修磨与抛光,该尺寸应包含修磨与抛光余量),单位为mm;机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 K与型腔尺寸标注有关的系数;b电极单边缩放量,单位为mm;b=e+j-j(3-9)式中e平动量,一般取0.50.6mm;j精加工最后一档规准的单边放电间隙。最后一档规准通常指粗糙度Ra500s时电极损耗可以小于1%。电流峰值和生产率的关系如图3-22所示。增大电流峰值会使生产率提高,提高的幅度与脉冲宽度有关。但是,电流峰值增加会加快电极的损耗,据有关实验资料表明,电极材料不同时电极损耗随电流峰值变化的规律也不同,而且和脉冲宽度有关。因此,在选择电规准时应综合考虑这些因素的影响。机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 机机 械械 工工 业业 出出 版版 社社CHINA MACHINE PRESS第一节电火花加工 1)粗规准。要求粗规准以高的蚀除速度加工出型腔的基本轮廓,电极损耗要小,电蚀表面不能太粗糙,以免增大精加工的工作量。为此,一般选用宽脉冲(t1500s),大的峰值电流,用负极
