1、数控加工工艺数控电火花成形加工一、数控电火花成形加工简介1.数控电火花成形加工原理w如图7-1所示，电火花成形加工的原理是基于工件与工具电极（简称电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到零件的加工要求。数控电火花成形加工数控电火花成形加工图7-1 数控电火花成形加工w电火花成形加工须具备以下条件：（1）自动进给调节系统保证工件与电极之间经常保持一定距离以形成放电间隙。一般为0.010.1mm左右,间隙不能过大或过小。间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，无法产生电火花。间隙过小、容易形成短路接触，同样不能产生电火花。（2）加工中工件和电极浸泡在液体介质中，这种液体介质称为工
2、作液。（3）脉冲电源输出单向脉冲电压加在工件和电极上。当电压升高到间隙中工作液的击穿电压时，会使介质在绝缘强度最低处被击穿，产生火花放电，如图7-2(a)所示，瞬间高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小块材料形成小的凹坑，如图7-2(b)所示。脉冲电源提供的脉冲电流波形，如图7-3所示。数控电火花成形加工 数控电火花成形加工1-阳极；2-从阳极上抛出金属的区域；3-熔化的金属微粒4-工作液；5-在工作液中凝固的金属微粒；6-在阴极上抛出金属的区域；7-阴极；8-气泡9-放电通道；10-翻边凸起；11-凹坑图7-2 放电间隙状况示意图 数控电火花成形加工ti-脉冲宽度；t0-脉冲间隔；T-脉冲周期；
3、Ic电流峰值图7-3 脉冲电流波形2.电火花加工的特点及适用范围(1)电火花加工的特点。电火花加工属不接触加工。加工过程中工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。电火花加工直接利用电能和热能来去除金属材料，与工件材料的强度和硬度等关系不大，因此可以用软的工具电极加工硬的工件，实现“以柔克刚”。脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化。数控电火花成形加工(2)电火花加工的适用范围。如图7-4所示为电火花加工的适用范围，具体有以下几方面：可以加工任何难加工的金属材料和导电材料。可以加工形状复杂的表面，特别适
4、用于复杂表面形状工件的加工 可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。数控电火花成形加工7.1 数控电火花成形加工图7-4 电火花加工的适用范围 数控电火花成形加工3.数控电火花成形机床的主要组成w如图7-1所示，数控电火花成形加工机床主要由主机、脉冲电源、机床电气系统、数控系统和工作液循环过滤系统等部分组成。（1）主机及附件。机床主机由床身、立柱、主轴头、工作台等组成。附件包括用以实现工件和电极的装夹、固定和调整其相对位置的机械装置及电极自动交换装置（ATC或AEC）等。床身和立柱是机床的基础结构，主轴头是数控电火花成形机床的关键部件，电极即安装在其上，主轴头
5、通过自动进给调节系统（伺服电动机、滚珠丝杠螺母副等）带动，在立柱上作升降移动，改变电极和工件之间的间隙。工作台是用来支承和安装工件，工作液槽装在工作台上，工作台可作纵向和横向进给，分别由直流或交流伺服电动机，经滚珠丝杠驱动。运动轨迹是靠数控系统通过数控程序控制实现的。数控电火花成形加工w可调节工具电极角度的夹头属机床附件。装夹在主轴头下的电极，在加工前需要调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需要在水平面内调节，转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工的工件型孔或型腔预定位置一致。w平动头也属机床附件。平动头是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。平动头的动作原理是利用偏心机构将伺服
6、电动机的旋转运动通过平动轨迹保持机构，转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线就形成加工表面，如图7-5所示。数控电火花成形加工图7-5 平动加工时电极的运动轨迹 数控电火花成形加工（2）脉冲电源。w脉冲电源的作用是将工频交流电转变成一定频率的定向脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。数控化的脉冲电源与数控系统密切相关，但有其相对的自主性，它一般由微处理器和外围接口、脉冲形成和功率放大部分、加工状态检测和自适应控制装置以及自诊断和保护电路等组成。数控电火花成形加工（3）数控系统。自动进给调节系统。自动进给调节系统的任务是通过改变、调节主轴头（电极）
7、进给速度，使进给速度接近并等于蚀除速度，以维持一定的“平均”放电间隙，保证电火花加工正常而稳定进行，以获得较好的加工效果。w常用自动进给调节系统有电液自动控制系统和电机械式自动进给调节系统，数控电火花机床普遍采用电机械式自动进给调节系统。根据驱动电机的不同，电机械式自动进给调节系统可分为步进电动机、直流或交流伺服电机驱动的自动调节系统。数控电火花成形加工 电火花成形加工单轴数控系统。它往往控制Z轴，Z向进给由自动进给调节系统完成。自动进给调节系统一方面始终保持电极和工件间的合理间隙，另一方面沿Z向控制主轴头（电极）相对工件进给，所以自动进给调节系统即为Z向自动进给系统。电火花成形加工多轴数控系
8、统。它是对机床的多个坐标轴的移动和转动进行数字控制，使之成为数字控制进给或数控伺服进给。由于具有X、Y、Z等多轴控制，电极和工件之间的相对运动复杂，以满足各种复杂型腔和型孔的加工。数控电火花成形加工w如图7-6所示为采用X、Z、C多轴联动加工型孔。如图7-6(a)所示为横向X轴伺服进给水平加工圆孔；如图7-6(b)所示为横向X轴和垂直方向Z轴联动加工；如图7-6(c)所示为Z向伺服进给，每加工一个长方孔后，C轴分度转过30（12等分），加工圆周均布的多个长方形孔。图7-6 数控X、Z、C多轴联动加工 数控电火花成形加工w如图7-7所示为电火花三轴数控摇动加工（指工作台在数控系统控制下向外逐步扩
9、弧运动）型腔。图7-7(a)为摇动加工修光六角型孔侧壁和底面；图7-7(b)为摇动加工修光半圆柱侧壁和底面；图7-7(c)为摇动加工修光半圆球柱的侧壁和球头底面；图7-7(d)为用圆柱形工具电极摇动展成加工出任意角度的内圆锥面。图中箭头线为电极进给和摇动加工轨迹。数控电火花成形加工图7-7 电火花三轴数控摇动加工数控电火花成形加工（4）工作液循环过滤系统。工作液循环过滤系统由工作液箱、液压泵、电机、过滤器、工作液分配器、阀门、油杯等组成，它的作用是强迫一定压力的工作液流经放电间隙将电蚀产物排出，并且对使用过的工作液进行过滤和净化。w工作液循环过滤系统的工作方式有充油式、抽油式两种，如图7-8所
10、示。数控电火花成形加工图7-8 工作液循环方式 数控电火花成形加工w其中，图7-8(a)和如图7-8(b)所示是充油式，将具有一定压力的干净液体流向加工表面，迫使工作液连同电蚀产物从电极四周间隙流出。如图7-8(c)和图7-8(d)所示是抽油式，从待加工表面，将已使用过的工作液连同电蚀产物一起抽出。w工作液过滤装置常用介质（纸质、硅藻土等）过滤器，其过滤精度一般为10m，微精加工要求12m。使用时应注意滤芯堵塞程度，及时更换。数控电火花成形加工4.加工液的处理（1）电极跃动法。电极跃动法使电极作周期性上下运动（Z轴加工时），使加工屑等从极间排出。（2）喷流法。喷流法主要有电极喷流法如图7-9(
11、a)所示和底孔喷流法如图7-9(b)所示。底孔喷流时还应注意以下几方面。当加工余量偏向一侧时，注意保持喷流路径平衡或加强夹具刚性，否则会造成电极变位，加工超差。注意喷流容器和工件是否有泄漏，如有应加以堵塞和密封，否则得不到喷流效果。要注意不要在容器及电极下部积留气体。数控电火花成形加工图 7-9 加工液的处理方式 数控电火花成形加工（3）吸引法也分为电极吸引法及底孔吸引法。如图7-9(c)和图7-9(d)所示。w吸引法常用在深孔的精加工，在数控电火花机床上进行螺纹、斜齿轮加工时，也常使用，但是由于这时加工液的路径较长而且是螺线形，所以最好在电极的侧面加工出像丝锥沟那样的槽，以利于加工液的流通如
12、图7-10所示。数控电火花成形加工w 图7-10 螺纹电极侧面切槽 数控电火花成形加工（4）喷射法。喷射法一般采用如图7-11所示方式，主要用于窄小的不通缝隙加工。图7-11 喷射法 数控电火花成形加工w在进行诸如刻字等面积大而深度浅的加工时，若在一个方向进行较强喷射时也会使另一侧产生二次放电，引出不良结果。解决方法是将喷头粘接在电极上，如图7-12(a)和图7-12(b)所示；或在电极上加工出流道和浇口，使加工液尽可能送入电极前部。这种方法能较好地发挥加工液的处理效果，如图7-12(c)所示。图7-12 喷射法形式 数控电火花成形加工二、数控电火花成形加工的一般工艺规律1.影响材料放电腐蚀的
13、主要因素(1)极性效应。在电火花加工过程中，工件和电极都要受到不同程度的电腐蚀。实践证明，即使工件和电极材料完全相同，也会因为所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度，这一现象称为“极性效应”。(2)电参数。电参数即为脉冲电源提供给电火花成形加工的脉冲宽度、脉冲间隙和峰值电流。研究结果表明，在连续的电火花加工过程中，工件或工具都存在单个脉冲的蚀除量q与单个脉冲能量WM在一定范围内成正比的关系。某一段时间的总蚀除量q约等于这段时间内单个有效脉冲蚀除量的总和，故正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。数控电火花成形加工w实验表明，火花维持电压与脉冲电压幅值、极间距离，以及放电电流大小等的关系
14、不大，因而可以说，单个脉冲能量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽。w由上述讨论知，提高电蚀除量和生产率的途径在于提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量WM或者增加单个脉冲平均放电电流ie（对矩形波即为峰值电流Ie）和脉冲宽度ti；减少脉冲间隔t0；设法提高系数Ka、Kc。数控电火花成形加工(3)金属材料热学常数。金属材料热学常数指材料的熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热愈高，电蚀量将愈少，愈难加工；另一方面，热导率愈大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位，因而降低本身的蚀除量。w此外，影响加工电蚀量的还有工作液
15、、加工过程的稳定性等因素。数控电火花成形加工2.影响加工精度的主要因素w影响电火花加工精度的因素很多，主要有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极的制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等因素，这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。数控电火花成形加工（1）放电间隙大小及其一致性。电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙。由于放电间隙的大小实际是变化的，从而影响加工精度。除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响。在实际加工中应缩小放电间隙，另外，还必须使加工过程稳定。图7-13 放电间隙等矩性对尖角加工时的影响 数控电火花成形加工（2）电极的损耗。电火花加工时是
16、将电极的形状和尺寸复制到工件上，工具电极的损耗对工件尺寸精度和形状精度都有影响。（3）二次放电。二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等介入而再次引起的一种非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱边棱角变钝等方面，从而影响电火花加工的形状精度。数控电火花成形加工w产生加工斜度的情况如图7-14所示图7-14 电火花加工时的加工斜度 数控电火花成形加工3.影响电火花加工表面质量的工艺因素（1）表面粗糙度。电火花加工后的表面，是由脉冲放电时所形成的大量凹坑和硬凸边排列重叠而形成的。在一定的加工条件下，加工表面的粗糙度可用以下经验公式表示：wRa=KRati0.3Ie0.4 w式中：Ra实侧
17、的表面粗糙度评定参数，（m）；KRa系数（用铜电极加工淬火钢，按负极性加工时KRa=2.3）；ti脉冲宽度，（s）；Ie电流峰值，（A）。w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。所以表面粗糙度主要取决于单个脉冲能量。单个脉冲能量愈大，表面愈粗糙。数控电火花成形加工w电火花加工的表面粗糙度，粗加工表面粗糙度一般可达2.512.5m；精加工表面粗糙度可达3.20.8m；微加工表面粗糙度可达0.80.2m。加工熔点高的硬质合金等可获得比钢更小的粗糙度。由于电极的相对运动，侧壁粗糙度比底面小。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0.200.10m
18、左右。w工件材料对加工表面粗糙度也有影响，熔点高的材料（如硬质合金），单脉冲形成的凹坑较小，在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料（如钢）好。w精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工粗糙度。与紫铜电极相比，用石墨电极的加工表面粗糙度较差。数控电火花成形加工（2）表面变质层（电火花加工表层）。经电火花加工后的工件表层，包括熔化凝固层和热影响层，如图7-15所示。图7-15 放点凹坑剖面 数控电火花成形加工 熔化凝固层。凝固层位于工件表面最上层，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去，在脉冲放电结束后迅速冷却，凝固而保留下来的金属层。融化层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，
19、大约为最大不平度值的12倍，但一般不超过0.1mm。单个脉冲能量一定时，脉宽越窄，熔化凝固层越薄 热影响层。热影响层位于凝固层和工件基体材料之间，对未淬火的钢，热影响层主要为淬火层；对淬火钢，热影响层主要为重新淬火层，其厚度较大。w单个脉冲能量及脉冲宽度愈大，表面变质层就愈厚；工作液的冷却速度愈快，粘度愈小，表面变质层也愈厚。一般粗、半精加工表面变质层的厚度为0.10.5mm，精加工为0.010.05mm，微细加工小于0.01mm。数控电火花成形加工（3）表面力学性能。w 显微硬度及耐磨性。电火花加工后表面层的硬度一般均比较高，但对某些淬火钢，也可能稍低于基体硬度。对未淬火钢，特别是原来含碳量
20、低的钢，热影响层的硬度都比基体材料高；对淬火钢，热影响层中的再淬火区硬度稍高或接近于基体硬度，而回火区的硬度比基体低，高温回火区又比低温回火区的硬度低。因此，一般来说，电火花加工表面最外层的硬度比较高，耐磨性好。数控电火花成形加工 残余应力。电火花加工表面存在着由于瞬时先热胀后冷缩作用而形成残余应力，而且大部分表现为拉应力。残余应力的大小和分布，主要和材料在加工前的热处理状态及加工时的脉冲能量有关。耐疲劳性能。电火花加工表面存在着较大的拉应力，还可能存在显微裂纹，因此其耐疲劳性能比机械加工的表面低许多倍。采用回火处理等，有助于降低残余应力，或是残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。数控
21、电火花成形加工4.电极w在电火花成形加工过程中，电极是十分重要的部件，对其工艺影响甚大。(1)电极损耗。电极的损耗是影响加工精度的一个重要因素。减少电极损耗的措施为：正确选择极性。一般说来，在短脉冲精加工时采用正极加工，而在长脉冲粗加工时则采用负极加工。利用吸附效应。数控电火花成形加工（2）电极材料。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，价格低廉的材料作为电极材料。常用电极材料的种类和性能见表7-1。数控电火花成形加工（3）电极结构。电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼电极等3种。整体式电极。整个电极用一块材料加工而成，如图7-16所示，是最常用的结构
22、形式。1-固定板；2-电极图7-16 整体式 数控电火花成形加工 组合式电极。在同一工件上有多个型孔或型腔时，在某些情况下可以把多个电极组合在一起，如图7-17所示。图7-17 组合式电极 数控电火花成形加工 镶拼电极。对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，这样可节省材料，且便于制造。w为提高其加工精度，在设计电极时可将其分解为主电极和副电极，先用主电极加工型腔或型孔的主要部分，再用副电极加工尖角、窄缝等部分。数控电火花成形加工三、数控电火花成形加工工艺过程分析w常见的型腔加工工艺路线操作过程如下：1.工艺分析2.选择加工方法3.选择与放电脉冲有关的参数，按表7-2选择与放电脉冲有关的参数。4.选择电极材料。常用电极材料一般使用石墨和铜，一般精密、小电极用铜来加工，而大的电极用石墨。数控电火花成形加工5.设计电极6.制造电极7.加工前的准备8.安排热处理9.编制、输入加工程序 数控电火花成形加工10.装夹与定位（1）根据工件的尺寸和外形选择定位基准。（2）准备电极装夹夹具。（3）装夹和校正电极。（4）调整电极的角度和轴心线。（5）工件定位和夹紧。（6）根据零件图找准电极与工件的相对位置。11.开机加工12.加工结束
