现代模具制造技术电火花成形加工课件.ppt

1、 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工 电火花成形加工电火花成形加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律3.3 电火花加工的设备电火花加工的设备3.4 电火花穿孔和电火花穿孔和 成形加工成形加工. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理一、电火花加工的基本原理一、电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理是基于工具电极与工件电极（正是基于工具电极与工件电极（正极与负极）之间脉冲性火花放电时的极与负极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀电腐蚀现象来现象来对

2、工件进行加工，以达到一定形状、尺寸和表面粗对工件进行加工，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求。糙度要求。 电腐蚀现象电腐蚀现象：由于放电所引起的电极烧蚀现象。（：由于放电所引起的电极烧蚀现象。（19世纪初发现）世纪初发现） 产生电腐蚀的原因：当极间产生火花放电时，会在放电产生电腐蚀的原因：当极间产生火花放电时，会在放电通道中产生大量的热，以致使电极表面的局部金属通道中产生大量的热，以致使电极表面的局部金属瞬时熔化和气化而被蚀除。瞬时熔化和气化而被蚀除。 . 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理 利用电腐蚀现象对金属材料进行加工的条件

3、：利用电腐蚀现象对金属材料进行加工的条件：1 1）足够的火花放电强度：电流密度）足够的火花放电强度：电流密度 10105 510106 6A/mA/m2 2；2 2）短时间的脉冲放电：）短时间的脉冲放电：1010-7 -7 10 10-3-3s s；3 3）足够的停歇时间）足够的停歇时间: :恢复介电性能，防止局部烧伤；恢复介电性能，防止局部烧伤；4 4）工具与工件之间维持一定的间隙：）工具与工件之间维持一定的间隙：0.010.5mm0.010.5mm；5 5）极间充有一定的液体介质）极间充有一定的液体介质: :有利于放电顺利进行。有利于放电顺利进行。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的

4、电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理电火花加工的物理本质电火花加工的物理本质: 电火花加工的物理过程是非常短暂而又电火花加工的物理过程是非常短暂而又复杂的，每次脉冲放电腐蚀都是复杂的，每次脉冲放电腐蚀都是电动力、电电动力、电磁力、热动力以及流体动力磁力、热动力以及流体动力等综合作用的过等综合作用的过程，并可大概地分为程，并可大概地分为:极间介质的电离击穿极间介质的电离击穿及放电通道形成、能量转换和传递、电极材及放电通道形成、能量转换和传递、电极材料的抛出、极间介质消电离等几

5、个阶段。料的抛出、极间介质消电离等几个阶段。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理1、极间介质的电离、击穿和放电通道形成、极间介质的电离、击穿和放电通道形成 由于极间距离小以及电极表面的微观不由于极间距离小以及电极表面的微观不平，极间电场不均匀。在距离最小的尖点处，平，极间电场不均匀。在距离最小的尖点处，介质被击穿而形成放电通道。放电时间：很介质被击穿而形成放电通道。放电时间：很短；电流密度：很大；中心温度：很短；电流密度：很大；中心温度：很高高,1000012000。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火

6、花加工的基本原理电火花加工的基本原理2.能量转换、分布与传递能量转换、分布与传递 电能转换为：热能、动能、磁能、光能、声能以电能转换为：热能、动能、磁能、光能、声能以及电磁波辐射能等。热能与电火花加工有着密切关系，及电磁波辐射能等。热能与电火花加工有着密切关系，然而由电能转换成的热能并非全部集中在工件表面用然而由电能转换成的热能并非全部集中在工件表面用于加工，而是分配在于加工，而是分配在阳极表面阳极表面、阴极表面阴极表面以及以及极间放极间放电通道电通道等三个部分，其中只有分配在工件电极表面的等三个部分，其中只有分配在工件电极表面的热能才有助于工件材料的蚀除。热能才有助于工件材料的蚀除。 主要传

7、递能量的形式：带电粒子对电极表面的高速主要传递能量的形式：带电粒子对电极表面的高速轰击。轰击。 放电点处温度最高，远离放电点处温度低，形成一放电点处温度最高，远离放电点处温度低，形成一个温度场。汽化区、熔化区、热影响层、材料基体。个温度场。汽化区、熔化区、热影响层、材料基体。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理3.电极材料的抛出电极材料的抛出脉冲放电初期，为脉冲放电初期，为热爆力热爆力的抛出作用；的抛出作用；在脉冲放电持续期间，在脉冲放电持续期间，汽化爆炸汽化爆炸，把熔融抛出；，把熔融抛出；在脉冲放电结束之后，由于在脉冲放电结束之

8、后，由于流体动力流体动力作用，熔融金属作用，熔融金属还会额外抛出一部分。还会额外抛出一部分。 总之，电极材料的抛出是总之，电极材料的抛出是热爆炸力、电动力、流热爆炸力、电动力、流体动力体动力等综合作用的结果。蚀除的金属除一部分以等综合作用的结果。蚀除的金属除一部分以气气相相抛出外，大部分将是以抛出外，大部分将是以液相液相抛出。抛出。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理4. 极间介质的消电离极间介质的消电离消电离过程：消电离过程：通道中的正负带电粒子复合成通道中的正负带电粒子复合成中性粒子的过程。中性粒子的过程。 因消电离过程而通道

9、中的带电粒子数急速因消电离过程而通道中的带电粒子数急速减少，并逐渐恢复极间介电液的介电性能。减少，并逐渐恢复极间介电液的介电性能。停歇时间的选择要考虑介质的消电离极限速停歇时间的选择要考虑介质的消电离极限速度、热量传散及电蚀产物的扩散。度、热量传散及电蚀产物的扩散。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理二、电火花加工的特点二、电火花加工的特点1脉冲放电的能量密度很高脉冲放电的能量密度很高故可加工任何硬、脆、韧及高熔点的导电材故可加工任何硬、脆、韧及高熔点的导电材料料2加工时，工具电极与工件不接触，二者加工时，工具电极与工件不接触，二

10、者之间不存在明显的宏观作用力，而且工具材之间不存在明显的宏观作用力，而且工具材料也不必比工件硬。料也不必比工件硬。3. 脉冲放电的持续时间短。脉冲放电的持续时间短。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理4. 脉冲参数能在一个较大范围内调节。脉冲参数能在一个较大范围内调节。可进行粗、中、精及精微加工。可进行粗、中、精及精微加工。精加工误差小于精加工误差小于0.01mm，Ra0.631.25m；精微加工精度可达精微加工精度可达0.0020.004mm，Ra0.040.16m。5. 直接利用电能进行加工，便于实现自动化。直接利用电能进行加

11、工，便于实现自动化。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.1 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理三、电火花加工工艺方法分类三、电火花加工工艺方法分类 按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致分为方式和用途的不同，大致分为电火花穿孔成形加工、电火花穿孔成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花表面电火花表面强化与刻字等强化与刻字等。前三类属电火花成形、尺寸加工，是。前三类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；最后一类属表用于改变零件形状或尺

12、寸的加工方法；最后一类属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。电火花电火花穿孔加工和电火花线切割穿孔加工和电火花线切割应用最为广泛。应用最为广泛。 本章主要介绍电火花成形加工。本章主要介绍电火花成形加工。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律 电火花加工的电火花加工的工艺指标工艺指标：加工速度加工速度、加工精度加工精度、加工表面质量加工表面质量以及以及工具电极工具电极相对损耗相对损耗。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花

13、加工的基本规律电火花加工的基本规律一、影响加工速度的主要因素一、影响加工速度的主要因素电火花成形加工的速度，是指在一定的规准下，单位时间电火花成形加工的速度，是指在一定的规准下，单位时间t内内工件被蚀除的体积工件被蚀除的体积V或质量或质量m。 体积加工速度：体积加工速度：v vV/tV/t 质量加工速度：质量加工速度： m mm/tm/t规准（又称电规准），是指加工所用的一组脉冲参数。规准（又称电规准），是指加工所用的一组脉冲参数。脉冲参数：脉冲参数：脉冲宽度、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲间隔、脉冲周期、脉冲周期、电流峰电流峰值等。值等。影响加工速度的主要因素有电参数、极性效应、工件材料的影响加工

14、速度的主要因素有电参数、极性效应、工件材料的热学性质、工作液、排屑条件等。热学性质、工作液、排屑条件等。 . 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律1电参数电参数 根据前面所讨论的电火花加工的物理本质可知，每个脉冲根据前面所讨论的电火花加工的物理本质可知，每个脉冲放电，都会在工件表面形成一个高温热源而使一定的工件材料蚀放电，都会在工件表面形成一个高温热源而使一定的工件材料蚀除，并在工件表面留下一个除，并在工件表面留下一个微小凹坑微小凹坑。而单个脉冲能量。而单个脉冲能量W愈大，愈大，传递给工件上的热量就愈多，被蚀除的材料也愈多，并近似于正传

15、递给工件上的热量就愈多，被蚀除的材料也愈多，并近似于正比例关系。比例关系。 单个脉冲蚀除量：单个脉冲蚀除量： ViK W 一分钟蚀除量：一分钟蚀除量：V60 f KW 结论结论：（：（1）加工速度正比于）加工速度正比于W和和f；（；（2）矩形波加工时加工速）矩形波加工时加工速度正比于度正比于Im和和ton。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律2极性效应极性效应概念：在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同概念：在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电腐蚀。即使是正负两极材料相同，也往往会出现正负两程

16、度的电腐蚀。即使是正负两极材料相同，也往往会出现正负两极的蚀除速度不一样，这种由于极性不同而发生蚀除速度不一样极的蚀除速度不一样，这种由于极性不同而发生蚀除速度不一样的现象叫做的现象叫做极性效应极性效应。 有有“正极性正极性”加工和加工和“负极性负极性”加工两种：工件接正极为正极性加加工两种：工件接正极为正极性加工，工件接负极为负极性加工。工，工件接负极为负极性加工。 极性效应的产生原因：由于正负电极受到的带电粒子轰击效果不同极性效应的产生原因：由于正负电极受到的带电粒子轰击效果不同而产生。而产生。极性效应与极性效应与ton有关，还与电极材料和单个脉冲的能量有关，还与电极材料和单个脉冲的能量W

17、有关。有关。 W一定情况下，每种材料都有一个蚀除量最大的最佳脉宽。一定情况下，每种材料都有一个蚀除量最大的最佳脉宽。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律 在生产实践中，为了提高加工速度和降低工具电在生产实践中，为了提高加工速度和降低工具电极损耗，极损耗，必须充分利用极性效应必须充分利用极性效应：必须采用单向脉冲电源。（防止极性效应相互抵消）必须采用单向脉冲电源。（防止极性效应相互抵消）正确选择加工极性。（精加工，正极性加工；粗、中正确选择加工极性。（精加工，正极性加工；粗、中加工，负极性加工。）加工，负极性加工。）用导热性好、熔点

18、高的材料作工具电极。（以降低工用导热性好、熔点高的材料作工具电极。（以降低工具电极耗损）具电极耗损）合理选用脉冲放电持续时间（即脉宽）。合理选用脉冲放电持续时间（即脉宽）。每种材料都会有一个蚀除量最大的最佳脉宽。每种材料都会有一个蚀除量最大的最佳脉宽。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律3 3工件材料的热学常数工件材料的热学常数 热学常数是指：熔点、沸点（汽化点）、导热系数、比热容、熔化热学常数是指：熔点、沸点（汽化点）、导热系数、比热容、熔化潜热、汽化潜热等。热学常数值愈高，电蚀量将愈少，加工速度就慢。潜热、汽化潜热等。热学常数

19、值愈高，电蚀量将愈少，加工速度就慢。 石墨熔点：石墨熔点：35003500，钨熔点：，钨熔点：3367 。铜的导热系数最小。铜的导热系数最小。4 4工作液工作液 工作液的作用：工作液的作用：（1 1）介电作用；）介电作用；(2)(2)压缩放电通道；（压缩放电通道；（3 3）帮助电蚀）帮助电蚀产物排除；产物排除；(4)(4)冷却工具和工件。冷却工具和工件。 目前，普遍采用粘度小，流动性好，渗透性好的目前，普遍采用粘度小，流动性好，渗透性好的煤油煤油作工作液。作工作液。 其它工作液：电火花加工专用油，水（加工速度快，表面质量差）。其它工作液：电火花加工专用油，水（加工速度快，表面质量差）。. 模具

20、成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律5排屑条件排屑条件 改善排屑条件是为了限制电蚀产物浓度过大，防改善排屑条件是为了限制电蚀产物浓度过大，防止造成结碳拉弧，以保证加工稳定进行。止造成结碳拉弧，以保证加工稳定进行。改善措施：改善措施：采用冲油；采用冲油； 将工具电极定期地自动抬起；将工具电极定期地自动抬起； 增大脉间间隙；增大脉间间隙； 降低加工平均电流降低加工平均电流。影响排削条件的因素：加工面积、深度，型面复杂程度，影响排削条件的因素：加工面积、深度，型面复杂程度，加工电流等。加工电流等。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花

21、加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律二、影响加工精度的主要因素二、影响加工精度的主要因素1、尺寸精度、尺寸精度 放电间隙大小、电参数的选择、工具电极损耗大小放电间隙大小、电参数的选择、工具电极损耗大小都会直接影响尺寸精度。都会直接影响尺寸精度。 放电间隙：粗加工，放电间隙：粗加工，单单=0.5mm；精加工，；精加工，单单=0.01mm。 加工复杂形状时，间隙愈大，棱角部位电场不均加工复杂形状时，间隙愈大，棱角部位电场不均的影响也愈明显，间隙愈小，加工（仿形）精度也的影响也愈明显，间隙愈小，加工（仿形）精度也愈高。愈高。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2

22、电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律2. 形状精度形状精度1）斜度）斜度 （如图示）（如图示） 电火花加工时侧面产生斜度，使上端尺寸大而底端尺寸小。电火花加工时侧面产生斜度，使上端尺寸大而底端尺寸小。这是由于这是由于“二次放电二次放电”和电极损耗而产生的。和电极损耗而产生的。 “二次放电二次放电”是指已加工的表面上，由于电蚀产物的混入而是指已加工的表面上，由于电蚀产物的混入而使极间实际距离减小或是极间工作液介电性能降低，而再次发使极间实际距离减小或是极间工作液介电性能降低，而再次发生脉冲放电现象，使间隙扩大。生脉冲放电现象，使间隙扩大。 工具电极损耗也会产生斜度。工具电极损耗也会产生斜度。

23、2）圆角）圆角 工具电极上的尖角和凹角，很难精确地复制在工件上，而是工具电极上的尖角和凹角，很难精确地复制在工件上，而是形成一个小圆角。形成一个小圆角。 采用高频窄脉冲精加工时，采用高频窄脉冲精加工时，小，小，R可以很小，可以很小，R300s,300s,1%. 正极性加工正极性加工( (精加工精加工) )时时, ton20s, ton20s时时, , 比负极性加工小比负极性加工小. . (2) (2) 选择合适材料作工具电极：选择合适材料作工具电极： 常用中大型腔加工电极材料常用中大型腔加工电极材料: :石墨石墨(小小, ,导热性好导热性好);); 中小型腔加工用电极中小型腔加工用电极: :紫

24、铜紫铜( (导热性好导热性好, ,易成形易成形);); 穿孔加工用电极穿孔加工用电极: :黄铜黄铜( (损耗较大损耗较大, ,但加工稳定性好但加工稳定性好) )； 特殊加工（精密加工等）：铜钨合金或银钨合金。特殊加工（精密加工等）：铜钨合金或银钨合金。 (3) (3) 建立炭黑保护层：建立炭黑保护层：煤油中负极性加工，大脉宽小电流煤油中负极性加工，大脉宽小电流。带负电的炭胶。带负电的炭胶粒吸附到工具表面，补偿工具电极损耗。可实现粒吸附到工具表面，补偿工具电极损耗。可实现1%1%的低损耗加工。的低损耗加工。（4 4）利用电喷镀现象。熔融金属在工具电极表面形成电镀层。长脉冲、小）利用电喷镀现象。熔

25、融金属在工具电极表面形成电镀层。长脉冲、小电流、水质工作液时易出现。电流、水质工作液时易出现。（5 5）利用电化学作用。正极性加工时出现的阴极沉淀现象。）利用电化学作用。正极性加工时出现的阴极沉淀现象。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.2 电火花加工的基本规律电火花加工的基本规律常用的电极材料有紫铜、黄铜、石墨、铸铁和钢等。常用的电极材料有紫铜、黄铜、石墨、铸铁和钢等。电极材料电火花加工性能机械磨削的可加工性说 明加工稳定性电极损耗紫铜好较小较差常用、磨削困难黄铜好较大一般常用石墨较好较小好常用、强度差、粉尘大铸铁一般一般好常用钢较差一般好常用. 模具成型表面的电火花加工

26、模具成型表面的电火花加工3.3 电火花加工的设备电火花加工的设备电火花成形加工设备及附件电火花成形加工设备及附件 电火花成形加工是通过工具电极相对于工件电火花成形加工是通过工具电极相对于工件进给运动，把成形工具电极的形状和尺寸反拷进给运动，把成形工具电极的形状和尺寸反拷在工件上，从而加工出所需要的零件在工件上，从而加工出所需要的零件。实现这。实现这种工艺方法的机床设备通常称为电火花成形加种工艺方法的机床设备通常称为电火花成形加工设备，或称电火花成形机床。工设备，或称电火花成形机床。电火花机床一般由电火花机床一般由主机、工作液循环系统主机、工作液循环系统以及以及电器控制柜电器控制柜等三部分组成。

27、等三部分组成。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.3 电火花加工的设备电火花加工的设备. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.3 电火花加工的设备电火花加工的设备一、脉冲电源一、脉冲电源脉冲电源又称脉冲发生器，其作用是把脉冲电源又称脉冲发生器，其作用是把220V或或380V的的50Hz工工频交流电频交流电转换成一定形式的转换成一定形式的单向脉冲电流单向脉冲电流，供给电极放电间隙产，供给电极放电间隙产生火花所需要的能量来蚀除金属。生火花所需要的能量来蚀除金属。 对脉冲电源的要求是：对脉冲电源的要求是：1）影响工艺指标的主要参数可调。）影响工艺指标的主要参数可调

28、。2）通用电源的主要参数的调节范围广。通用电源的主要参数的调节范围广。 3）专用脉冲电源主要参数）专用脉冲电源主要参数的调节灵活方便。的调节灵活方便。4）性能稳定可靠，模块化结构，以便于检测）性能稳定可靠，模块化结构，以便于检测和维修。和维修。5）无污染、低成本、低能耗、长寿命。）无污染、低成本、低能耗、长寿命。表表33：电火花加工脉冲电源性能特点比较：电火花加工脉冲电源性能特点比较 晶闸管式：脉宽晶闸管式：脉宽 5-1400 s 电极损耗：电极损耗：500s。负极性加工，较。负极性加工，较低的频率。低的频率。精规准：用于最终实现各项技术指标，如配合精规准：用于最终实现各项技术指标，如配合间隙

29、间隙. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.4 3.4 电火花穿孔成型加工电火花穿孔成型加工合理选择并及时转换电规准，相应调整平动量合理选择并及时转换电规准，相应调整平动量。 粗加工应优先考虑采用较宽的脉冲宽度，然后选择合适的脉粗加工应优先考虑采用较宽的脉冲宽度，然后选择合适的脉冲峰值电流。冲峰值电流。 通常，石墨电极加工钢时，平均电流密度为通常，石墨电极加工钢时，平均电流密度为35A/cm2，紫，紫铜电极加工钢时，平均电流密度可大些（铜电极加工钢时，平均电流密度可大些（ 10A/cm2 ）。）。 中规准与粗规准之间并没有明显的界限，应按具体加工对象中规准与粗规准之间并没有明显

30、的界限，应按具体加工对象划分。一般选用脉宽为划分。一般选用脉宽为20400s。 精加工时，电极损耗率较大，单边加工余量不超过精加工时，电极损耗率较大，单边加工余量不超过0.10.2mm，表面粗糙度应优于，表面粗糙度应优于Ra1.6m，一般都选用窄脉宽，一般都选用窄脉宽（220s）、小峰值电流（）、小峰值电流（10A）进行加工。）进行加工。 加工规准转换的档数，应根据所加工型腔的精度、形状复杂加工规准转换的档数，应根据所加工型腔的精度、形状复杂程度和尺寸大小等绝缘体条件确定。程度和尺寸大小等绝缘体条件确定。. 模具成型表面的电火花加工模具成型表面的电火花加工3.4 3.4 电火花穿孔成型加工电火

31、花穿孔成型加工7.典型加工工艺（注射模镶块）典型加工工艺（注射模镶块）注射模镶块（图注射模镶块（图333）：材料）：材料40Cr，硬度，硬度3840HRC，Ra0.8 m.1)工艺方法工艺方法:单电极平动法单电极平动法,平动量平动量=0.25mm。2) 工具电极：锻造紫铜。工具电极：锻造紫铜。3）电极结构和尺寸（电极长度的计算要考虑电极的损耗）。）电极结构和尺寸（电极长度的计算要考虑电极的损耗）。4）电极制造：数控电火花线切割。）电极制造：数控电火花线切割。5）坯料加工和热处理。）坯料加工和热处理。6）装夹和定位。）装夹和定位。7）加工设备：）加工设备：Z轴数控电火花成形机床加工。轴数控电火花成形机床加工。8）电火花加工电规准和）电火花加工电规准和平动量的分配。平动量的分配。.