1、放电加工新技术20061第二章第二章 电火花成形加工电火花成形加工 放电加工新技术20062nHEART cavitynElectrode material:CoppernWorkpiece material:SteelnSurface finish:Ra 0.2 mnProgramming:AEPnNr.of Electrode:1/Fp 2.5 cm2nFlushing:NonenErosion Depth:-5 mmnErosion Time:4 h 20 min.放电加工新技术20063n PYRAMID cavitynElectrode material:Copper-Tungste
2、nnWorkpiece material:CarbidenSurface finish:Ra 0.2 mnProgramming:AEPnNr.of Electrode:5/Fp 2.5 cm2nFlushing:NonenErosion Depth:-5 mmnErosion Time:12 h 20 min.放电加工新技术20064nJEWELRY cavitynElectrode material:Copper nWorkpiece material:SteelnSurface finish:Ra 0.2 mnProgramming:AEPnNr.of Electrode:1/Fp 2
3、cm2nFlushing:NonenErosion Depth:-1.3 mmnErosion Time:2 h 20 min放电加工新技术20065n BIJOUX cavitynElectrode material:Graphite nWorkpiece material:SteelnSurface finish:Ra 0.2 mnProgramming:AEPnNr.of Electrode:1/Fp 3 cm2nFlushing:NonenErosion Depth:-1.2 mmnErosion Time:2 h 15 min放电加工新技术20066放电加工新技术20067 放电加工
4、新技术20068放电加工新技术20069放电加工新技术2006102.1 电火花成形加工的基本规律和特点电火花成形加工的基本规律和特点2.1.1 2.1.1 极性效应极性效应 电火花加工过程中,无论是正极还是负极,都会受到电腐蚀。但即使是相同的电极材料,正、负电极的电蚀量也是不同的。这种由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。的现象叫做极性效应。如果两极材料不同,则极性效应更加复杂。在生产中,通常把工件接脉冲电源的正极(工具电极接负极)时,称“正极性”加工;反之,工件接脉冲电源的负极(工具电极接正极)时,称“负极性”加工。放电加工新技术200
5、611 极性效应是火花放电过程中一种重要现象,产生这一现象的原因很复杂,通常对这一问题的解释是:在火花放电过程中,正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源的作用,在两极表面所分配到的能量不一样,因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。这是因为电子的质量和惯性均小,容易获得很高的加速度和速度,在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极,把能量传递给阳极表面,使电极材料迅速熔化和气化;而正离子则由于质量和惯性较大,起动和加速较馒,在击穿放电的初始阶段,大量的正离子来不及到达负极表面,到达负极表面并传递能量的只有一小部分离子。放电加工新技术200612 在用短脉冲加工时,电子的轰击作用大于离
6、子的轰击作在用短脉冲加工时,电子的轰击作用大于离子的轰击作用。正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度,这时工件应用。正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度,这时工件应接正极。接正极。当采用长脉冲当采用长脉冲(即放电持续时间较长即放电持续时间较长)加工时质量和惯性加工时质量和惯性大的正离子将有足够的时间加速,到达并轰击负极表面大的正离子将有足够的时间加速,到达并轰击负极表面的离子数将随放电时间的增长而增多;由于正离子的质的离子数将随放电时间的增长而增多;由于正离子的质量大,对负极表面的轰击破坏作用强,这时工件应接负量大,对负极表面的轰击破坏作用强,这时工件应接负极。极。因此,当采用窄脉冲精加工时,应选用正极
7、性加工;当因此,当采用窄脉冲精加工时,应选用正极性加工;当采用长脉冲粗加工时,应采用负极性加工,可以得到较采用长脉冲粗加工时,应采用负极性加工,可以得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。高的蚀除速度和较低的电极损耗。放电加工新技术200613为什么加工中需要使用为什么加工中需要使用单向脉冲电源单向脉冲电源 从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看,极性效应愈显著愈好,故在电火花加工过程中必须充分利用。当用交变的脉冲电流加工时,单个脉冲的极性效应便相互抵消,增加了工具的损耗。因此,电火花加工一般都采用单向脉冲电源。放电加工新技术2006142.1.2 影响金属去除率的因素 电参数的影响电参数的影响
8、 金属材料热学常数的影响金属材料热学常数的影响 工作液的影响工作液的影响 其它因素其它因素 放电加工新技术200615一、电参数的影响一、电参数的影响 研究结果表明,在电火花加工过程中,无论正极研究结果表明,在电火花加工过程中,无论正极或负极,单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范或负极,单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比的关系,而比例系数与电极材料、脉冲参围内成正比的关系,而比例系数与电极材料、脉冲参数、工作液等有关。某一段时间内的总蚀除量约等于数、工作液等有关。某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和,故正、负这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和,故正
9、、负极的蚀除速度,与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。极的蚀除速度,与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。目前的研究还发现蚀除量不仅与能量的大小有关,目前的研究还发现蚀除量不仅与能量的大小有关,还与脉宽的大小有关,对于窄脉宽高峰值电流的情况还与脉宽的大小有关,对于窄脉宽高峰值电流的情况产生的蚀除形式主要是汽化,而大脉宽低峰值电流主产生的蚀除形式主要是汽化,而大脉宽低峰值电流主要产生的蚀除形式是熔化,汽化的蚀除效率比熔化的要产生的蚀除形式是熔化,汽化的蚀除效率比熔化的要高要高30305050,并且表面质量有明显差异。,并且表面质量有明显差异。放电加工新技术200616 放电加工新技术200617提高电蚀量
10、和生产率的途径提高电蚀量和生产率的途径 提高脉冲频率;增加单个脉冲能量,或者说增加平均放电电流(对矩形脉冲即为峰值电流大小)和脉冲宽度,减小脉间。当然,实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其它工艺指标的影响,例如脉冲间隔时间过短,将产生电弧放电;随着单个脉冲能量的增加,加工表面粗糙度值也随之增大等。放电加工新技术200618二、金属材料热学常数的影响二、金属材料热学常数的影响金属热学常数是指熔点、沸点金属热学常数是指熔点、沸点(气化点气化点)、热导率、比热容、熔化、热导率、比热容、熔化热、气化热等。显然当脉冲放电能量相同时,金属的熔点、沸点、热、气化热等。显然当脉冲放电能量相同时,
11、金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热愈高,电蚀量将愈少,愈难加工;另一比热容、熔化热、气化热愈高,电蚀量将愈少,愈难加工;另一方面,热导率愈大,瞬时产生的热量容易传导到其它部位,因而方面,热导率愈大,瞬时产生的热量容易传导到其它部位,因而也会降低放电点本身的蚀除量。也会降低放电点本身的蚀除量。钨、钼、硬质合金等熔点、沸点较高、所以难以蚀除;铜的熔点钨、钼、硬质合金等熔点、沸点较高、所以难以蚀除;铜的熔点虽然比铁的低,但因导热性好,所以耐蚀性比铁好;铝的导热系虽然比铁的低,但因导热性好,所以耐蚀性比铁好;铝的导热系数虽然比铁数虽然比铁(钢钢)的大好几倍,但其熔点较低,所以耐蚀性比铁差。的大好
12、几倍,但其熔点较低,所以耐蚀性比铁差。石墨的熔点、沸点相当高,导热系数也不太低,故耐蚀性好,适石墨的熔点、沸点相当高,导热系数也不太低,故耐蚀性好,适合于制作电极。合于制作电极。除了热物理常数的影响外,电极对的材料还对放电能量的分布和除了热物理常数的影响外,电极对的材料还对放电能量的分布和传递、电蚀产物的抛出过程等有所影响。传递、电蚀产物的抛出过程等有所影响。放电加工新技术200619三、工作液的影响三、工作液的影响 介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道,提高放电的能量密度,强化电蚀产物的抛出效通道,提高放电的能量密度,强化电蚀产物的
13、抛出效应,但粘度大不利于电蚀产物的排出,影响正常放电。应,但粘度大不利于电蚀产物的排出,影响正常放电。目前电火花成形加工主要采用油类作为工作液,粗加目前电火花成形加工主要采用油类作为工作液,粗加工时采用的脉冲能量大、加工间隙也较大、爆炸排屑工时采用的脉冲能量大、加工间隙也较大、爆炸排屑抛出能力强,往往选用介电性能、粘度较大的机油,抛出能力强,往往选用介电性能、粘度较大的机油,且机油的燃点较高,大能量加工时着火燃烧的可能性且机油的燃点较高,大能量加工时着火燃烧的可能性小;而在中、精加工时放电间隙比较小,排屑比较困小;而在中、精加工时放电间隙比较小,排屑比较困难,故一般均选用粘度小、流动性好、渗透
14、性好的煤难,故一般均选用粘度小、流动性好、渗透性好的煤油作为工作液。油作为工作液。水的绝缘性能和粘度较低,在同样加工条件下,和煤水的绝缘性能和粘度较低,在同样加工条件下,和煤油相比,水的放电间隙较大、对通道的压缩作用差、油相比,水的放电间隙较大、对通道的压缩作用差、蚀除量较少、且易锈蚀机床,但经过采用各种添加剂,蚀除量较少、且易锈蚀机床,但经过采用各种添加剂,可以改善其性能,且最新的研究成果表明,水基工作可以改善其性能,且最新的研究成果表明,水基工作液在粗加工时的加工速度可大大高于煤油。液在粗加工时的加工速度可大大高于煤油。放电加工新技术200620四、影响电蚀量的一些其它因素四、影响电蚀量的
15、一些其它因素 加工过程的稳定性是影响电蚀量的一个重要因素。加工过程不稳定将干扰以致破坏正常的火花放电,使有效脉冲利用率降低。随着加工深度、加工面积的增加,或加工型面复杂程度的增加,都不利于电蚀产物的排出,影响加工稳定性;降低加工速度,严重时将造成结碳拉弧,使加工难以进行。为了改善排屑条件,提高加工速度和防止拉弧,常采用强迫冲油和工具电极定时抬刀等措施。如果加工面积较小,而采用的加工电流较大,也会使局部电蚀产物浓度过高,放电点不能分散转移,放电后的余热来不及传播扩散而积累起来,造成过热,形成电弧,破坏加工的稳定性。放电加工新技术2006212.1.3 加工速度和电极损耗的关系 电火花加工时,工具
16、和工件同时遭到不同程度的电蚀,单位时间内工件的蚀除量称之为加工速度,亦即生产率;单位时间内工具电极的蚀除量称之为损耗速度。放电加工新技术200622加工速度一般采用体积加工速度加工速度一般采用体积加工速度Vw(mmVw(mm3 3min)min)来表示,即被加工掉的来表示,即被加工掉的体积除以加工时间:体积除以加工时间:Vw=V/tVw=V/t有时为了测量方便,也采用质量加工速度有时为了测量方便,也采用质量加工速度VmVm来表示,单位为来表示,单位为g gminmin。提高加工速度的途径在于增加单个脉冲能量;提高脉冲频率;提高提高加工速度的途径在于增加单个脉冲能量;提高脉冲频率;提高工艺系数;
17、同时还应考虑这些因素间的相互制约关系和对其它工艺工艺系数;同时还应考虑这些因素间的相互制约关系和对其它工艺指标的影响。指标的影响。单个脉冲能量的增加,即增大脉冲电流和增加脉冲宽度,可以提高单个脉冲能量的增加,即增大脉冲电流和增加脉冲宽度,可以提高加工速度,但同时会使表面粗糙度变坏和降低加工精度,因此一般加工速度,但同时会使表面粗糙度变坏和降低加工精度,因此一般只用于粗加工和半精加工的场合。只用于粗加工和半精加工的场合。提高脉冲频率可有效地提高加工速度,但脉冲停歇时间过短,会使提高脉冲频率可有效地提高加工速度,但脉冲停歇时间过短,会使加工区工作液来不及消电离、不能及时排除电蚀产物及气泡以恢复加工
18、区工作液来不及消电离、不能及时排除电蚀产物及气泡以恢复其介电性能,从而形成破坏性的稳定电弧放电,使电火花加工过程其介电性能,从而形成破坏性的稳定电弧放电,使电火花加工过程不能正常进行。不能正常进行。提高工艺系数的途径提高工艺系数的途径很多,例如合理选用电极材料、电参数和工作很多,例如合理选用电极材料、电参数和工作液,改善工作液的循环过滤方式等,从而提高有效脉冲利用率,达液,改善工作液的循环过滤方式等,从而提高有效脉冲利用率,达到提高工艺系数尺的目的。到提高工艺系数尺的目的。加加 工工 速速 度度放电加工新技术200623电极损耗电极损耗 衡量工具电极是否耐损耗,不能只看工具损耗速度Ve,还要看
19、同时能达到的加工速度Vw,即以相对损耗或损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标。即 VeVeVwVw 100100 为了降低工具电极的相对损耗,必须正确选择电极极性,电参数和电极材料。一般来说,在短脉冲(例如纯铜电极加工钢时,ti50s)精加工时采用正极性加工(即工件接电源正极),而在长脉冲(例如纯铜加工钢时,ti80s)粗加工时则采用负极性加工。放电加工新技术200624吸附效应吸附效应 在用煤油之类的碳氢化合物作工作液时,在放电过程中将发生热分解,而产生大量的碳,还能和金属结合形成金属碳化物的微粒,即胶团,胶团在电场作用下会向正极移动,并吸附在正极表面,形成一定强度和厚度的化学吸附碳层,通常称
20、之为炭黑膜,由于碳的熔点和气化点很高,可对电极起到保护和补偿作用。由于炭黑膜只能在正极表面形成,因此,要利用炭黑膜的补要利用炭黑膜的补偿作用来实现电极的低损耗,必须采用负极性加工偿作用来实现电极的低损耗,必须采用负极性加工。实验表明,当峰值电流、脉冲间隔一定时,黑膜厚度随脉宽的增加而增厚;而当脉冲宽度和峰值电流一定时,炭黑膜厚度随脉冲间隔的增大而减薄。这是由于脉冲间隔加大,引起放电间隙中介质消电离作用增强,胶粒扩散,放电通道分散,电极表面温度降低,使“吸附效应”减少。反之,随着脉冲间隔的减少,电极损耗随之降低。但过小的脉冲间隔将使放电间隙来不及消电离和使电蚀产物扩散,因而造成拉弧烧伤。放电加工
21、新技术200625电极材料 要减少工具电极损耗,还应选用合适的材料。钨、钼的熔点和沸点较高,损耗小,但其机械加工性能不好,价格又贵,所以除线切割外很少采用。铜的熔点虽较低,但其导热性好,因此损耗也较少,又能制成各种精密、复杂电极。常用作中、小型腔加工用的工具电极。石墨电极不仅热学性能好,而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗,所以相对损耗很低,目前已广泛用作型腔加工的电极。放电加工新技术2006262.1.4 2.1.4 影响加工精度和表面质量的因素影响加工精度和表面质量的因素 电火花加工精度 电火花加工的表面质量 放电加工新技术200627影响加工精度的主要因素 与传统的机械加工
22、一样,机床本身的各种误差,以及工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到加工精度,但是,电火花加工精度主要还是取决于与电火花加工工艺有关的因素。影响加工精度的主要因素有放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定性。放电加工新技术200628放电间隙的影响 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,如果加工过程中放电间隙能保持不变,则可以通过修正工具电极的尺寸对放电间隙进行补偿,以获得较高的加工精度。然而,放电间隙的大小实际上是变化的,影响着加工精度。除了间隙能否保持一致性外,间隙大小对加工精度也有影响,尤其是对复杂形状的加工表面,棱角部位电场强度分布不均,间隙越大,影响越严重。
23、因此,为了减少加工误差,应该采用较弱小的加工规准,缩小放电间隙,这样不但能提高仿形精度,而且放电间隙愈小,可能产生的间隙变化量也愈小;另外,还必须尽可能使加工过程稳定。放电加工新技术200629电极损耗的影响 工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时,电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗,型腔加工时则无法采用这一方法,精密型腔加工时可采用更换电极的方法。放电加工新技术200630二次放电二次放电 影响电火花加工形状精度的因素还有“二次放电”,二次放电是指在已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电,集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝方面。加工过程中,由
24、于工具电极下端部加工时间长,绝对损耗大,而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在,“二次放电”的机率大而扩大,因而产生了加工斜度。放电加工新技术200631加工斜度加工斜度 间隙不均匀造成斜度间隙不均匀造成斜度电极电极工件工件放电加工新技术200632尖角或凹角的加工尖角或凹角的加工 电火花加工时,工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上,这是因为当工具为凹角时,工件上对应的尖角处放电蚀除的机率大,容易遭受腐蚀而成为圆角。采用高频窄脉宽精加工,放电间隙小,圆角半径可以明显减小,从而可以提高仿形精度。放电加工新技术200633电火花加工的表面质量电火花加工的表面质量 电火花加工的表面质量主要包括
25、三部分 表面粗糙度 表面变质层 表面力学性能。放电加工新技术2006341 1表面粗糙度表面粗糙度 电火花加工表面和机械加工的表面不同,它是由无方向性的无数放电凹坑和硬凸边叠加而成,特别有利于保存润滑油;而机械加工表面则存在着切削或磨削刀痕,具有方向性。两者相比,在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下,其表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。放电加工新技术200635单个脉冲能量的影响 对表面粗糙度影响最大的因素是单个脉冲能量,因为脉冲能量大,每次脉冲放电的蚀除量也大,放电凹坑既大又深,从而使表面粗糙度恶化。电火花加工的表面粗糙度和加工速度之间存在着很大的矛盾,例如从Ra2.5m提高到1
26、.25m,加工速度要下降十多倍。为获得较好的表面粗糙度,需要采用很低的加工速度。因此,一般电火花加工到Ra 2.50.63m后,通常采用研磨方法改善其表面粗糙度比较经济。放电加工新技术200636工件材料和工具电极的影响工件材料和工具电极的影响 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),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。当然,加工速度会相应下降。精加工时,工具电极的表面粗糙度也将影响到加工粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面,因此用石墨电极的加工表面粗糙度较差。放电加工新技术200637混粉加工混粉加工 近年来国内外出现了“混粉加工”工艺,它可
27、以较大面积地加工出Ra 0.05m0.1m的光亮表面。其方法是在煤油工作液中混入硅或铝等导电微粉,使工作液的电阻率降低,放电间隙成倍扩大,潜布、寄生电容成倍减小;同时每次从工具到工件表面的放电通道,被微粉颗粒分割形成多个小的火花放电通道,到达工件表面的脉冲能量“分散”成很小,相应的放电痕也就较小,可以稳定获得大面积的光整表面。放电加工新技术2006382 2表面变质层表面变质层 电火花加工过程中,在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用下,材料的表面层发生了很大的变化,其化学成分和组织结构发生很大变化,材料改变了的这一部分称为表面变质层,它又包括熔化层和热影响层。放电加工新技术200639
28、放电加工新技术200640熔化层 熔化层位于工件表面最上层,它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来,受工作液快速冷却而凝固。对于碳钢来说,熔化层在金相照片上呈现白色,故又称之为白层,它与基体金属完全不同,是一种树枝状的淬火铸造组织。放电加工新技术200641白 层放电加工新技术200642热影响层热影响层 热影响层介于熔化层和基体之间。热影响层的金属材料并没有熔化,只是受到高温的影响,使材料的金相组织发生了变化,对淬火钢,热影响层包括再淬火区、高温回火区和低温回火区;对未淬火钢,热影响层主要为淬火区。因此,淬火钢的热影响层厚度比未淬火钢大。放电加工新技术200643变质层厚度变质层厚度 熔化层和热
29、影响层的厚度随着脉冲能量的增加而加厚。由于熔化层是一种晶粒细小的树枝状的淬火铸造组织,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。但对于滚动摩擦,由于是交变载荷,尤其是干摩擦,则因熔化凝固层和基体的结合不牢固,容易剥落而磨损。因此,有些要求高的模具需把电火花加工后的表面变质层事先研磨掉。放电加工新技术200644显微裂纹 电火花加工表面由于受到瞬时高温作用并迅速冷却而产生拉应力,往往出现显微裂纹。实验表明,一般裂纹仅在熔化层内出现,只有在脉冲能量很大情况下(粗加工时)才有可能扩展到热影响层。脉冲能量对显微裂纹的影响是非常明显的,能量愈大,显微裂纹愈宽愈深。不同工件材料对裂纹的敏
30、感性也不同,硬脆材料容易产生裂纹。工件预先的热处理状态对裂纹产生的影响也很明显,加工淬火材料要比加工淬火后回火或退火的材料容易产生裂纹,因为淬火材料脆硬,原始内应力也较大。放电加工新技术200645显微裂纹显微裂纹放电加工新技术200646残余应力 电火花加工表面存在的拉应力和显微裂纹,使其耐疲劳性能比机械加工表面低许多倍。采用回火处理、喷丸处理等,有助于降低残余应力、或使残余拉应力转变为压应力,从而提高其耐疲劳性能。采用较小的加工规准可以减小熔化层和热影响层的厚度、降低残余应力、减少显微裂纹,有利于提高已加工表面的抗疲劳性能。放电加工新技术200647表面完整性表面完整性 Measure o
31、f Part Roughness using a Profilometer.Peaks and Valleys Caused by MachiningMechanical Measurement Direction of measurement表面粗糙度表面粗糙度 表面完整性表面完整性放电加工新技术200648加工缺陷材料引起的加工材料引起的加工缺陷缺陷放电加工新技术200649粉沫冶金加工后微结构放电加工新技术200650磨削磨削电火花成形加电火花成形加工工电火花线切割电火花线切割加工加工扫描电镜照片扫描电镜照片放电加工新技术200651加工速度与表面粗糙度加工速度与表面粗糙度VSM mm/minRaCCD 0.25CCA 0.2500,511,522,533,544,52.5 m1.8 m0.7 m0.5 m0.3 m0.2 m0.15 m0.12 m