教学配套课件:模具特种加工技术.ppt
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1、模具特种加工技术 任务.学习电火花加工的基本知识 任务.学习电火花加工的工艺知识下一页返回 任务.电火花成型加工 任务.数控电火花加工方法上一页 下一页返回 任务.电火花线切割的使用、维护和保养 任务.数控电火花线切割的工艺上一页 下一页返回 任务.数控电火花线切割加工的工艺特点 任务.采用补偿方式加工凸模零件 任务.加工对称凸模 任务.加工带锥度的凹模 任务.应用 代码编程加工落料凹模上一页 下一页返回 任务.应用 线切割 系统绘制模具零件图 任务.应用 线切割 系统编制程序下一页返回上一页 任务.选择激光加工工艺 任务.正确选择电镀工艺上一页返回 任务.学习电火花加工的基本知识 任务.学习
2、电火花加工的工艺知识返回 任务描述 本任务主要描述电火花加工的基本原理、电火花加工机床的使用方法 任务分析 如果方孔冲模零件采用机械加工的方法加工 它的生产效率很低 表面质量也很难满足零件的需要 而采用电火花加工 可以加工出合格的零件。但在电火花加工前 必须要掌握电火花加工的基本知识、工作原理、电火花加工机床的使用方法等。知识准备下一页返回 一、电火花加工的基本概念 电火花加工又称放电加工()它是在加工过程中 使工具和电极之间不断产生脉冲性的火花放电 靠放电时产生的局部、瞬时的高温将金属蚀除下来。这种利用火花放电产生的腐蚀作用对金属材料进行加工的方法叫电火花加工。当工具电极与被加工电极逐渐接近
3、时 因放电间隙有绝缘液存在 加工电流无法通过 但是当间隙逐渐缩小到工具电极与工件电极最短距离时 因电场效应形成一个导电的电离通道而产生火花 形成细电弧柱 由于电流密度极高上一页 下一页返回 打击被加工工件时产生很高的热能使被加工工件熔化 被熔化部分变成金属熔滴和碎屑散布于加工液中 熔化的金属被抛出后 遗留的痕迹被加工液浸入冷却 使放电间隙恢复绝缘 而放电周围未被除去部分隆起 形成下一个脉冲电流的放电点。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 因此得到迅速发展和广泛应用。在模具制造中被用于凹模型孔和型腔的加工。二、电火花加工的特点上一页 下一页返回
4、电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺 它不用机械能量 不靠切削力去除金属 而是直接利用电能和热能来去除金属 已成为常规切削、磨削加工的重要补充。相对于机械切削加工而言 电火花加工具有以下特点。()适用于传统机械加工方法难以加工或无法加工的材料。如淬火钢、硬质合金、耐热合金钢等。因为材料的去除是靠放电热蚀作用实现的 材料的加工性主要取决于材料的热学性能 如熔点、比热容、热导率等 几乎与其硬度、韧性等力学性能无关。工具电极材料不需要比工件硬 所以电极制造比较容易。上一页 下一页返回()可加工特殊及复杂形状的零件。由于在加工过程中 电极和工件不接触两者间的宏观作用力很小 所以便于加工各种型孔、
5、立体曲面、小孔、深孔、窄缝零件 而不受电极和工件刚度的限制。由于可以简单地将工具电极的形状反向复制到工件上 因此特别适用于薄壁、低刚性、弹性、微细及复杂形状表面的加工。由于其脉冲放电时间短 材料表面加工受热影响范围比较小 所以适宜于热敏性材料的加工。()电火花加工可以改变机械零件的加工工艺路线 由于电火花加工不受材料硬度、脆性等的影响 上一页 下一页返回 所以可以在零件淬火后进行加工 这样可以避免淬火过程中产生的热处理变形。如在模具零件加工制造中 可以将模具零件淬火到 的硬度 再进行电火花加工零件。()随着数控技术的发展 电火花加工容易实现加工过程自动化。加工过程中的电参数较机械量易于实现数字
6、控制 所以能进行零件加工中的粗加工、半精加工、精加工等各工序 从而简化加工工艺过程。上一页 下一页返回 三、电火花加工的局限性()电火花加工生产效率低。()被加工的工件只能是导体。()存在电极损耗 影响了成型精度。()加工表面有变质层。()加工过程必须在工作液中进行。电火花加工时放电部位必须在工作液中 否则将引起异常放电。()线切割加工有厚度极限。上一页 下一页返回 四、电火花加工的工作原理 电火花加工的原理是基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属 以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。其工作原理如图 ()所示。工件 与工具 分别与脉冲电源 的
7、两输出端相连接。自动进给调节装置 使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙 这个间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关 一般为.。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。若脉冲电压加到两极之间 便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质上一页 下一页返回 在该局部产生火花放电 瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属 各自形成一个小凹坑。从加工原理来看 电火花加工是将电极形状复制到工件上的一种工艺方法。在实际中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工)。电火花加工的主要原理是:电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热量 能达到 以上
8、的温度 此温度足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被腐蚀掉从而形成放电凹坑。随着比较高的频率连续不断地重复放电 工具电极就会不断地向工件进给 从而可将工具的形状复制在工件上 这样就可以加工出想要加工的零件。上一页 下一页返回 五、电火花加工的物理本质 电火花加工基于电火花腐蚀原理 是在工具电极与工件电极相互靠近时 极间形成脉冲性火花放电 在电火花通道中产生瞬时高温 使金属局部熔化 甚至气化 从而将金属蚀除下来。那么两电极表面的金属材料是如何被蚀除下来的呢?这一过程大致分为以下几个阶段 如图 所示。()极间介质的电离、击穿 形成放电通道 如图 ()所示。工具电极与工件电极缓缓靠近 极间的电场强度增
9、大 由于两电极的微观表面是凹凸不平的 因此在两极间距离最近的、处电场强度最大。上一页 下一页返回 工具电极与工件电极之间充满着液体介质 液体介质中不可避免地含有杂质及自由电子 它们在强大的电场作用下 形成了带负电的粒子和带正电的粒子 电场强度越大 带电粒子就越多 最终导致液体介质电离、击穿 形成放电通道。放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子及中性粒子组成的。由于通道截面很小 通道内因高温热膨胀形成的压力高达数十兆帕 高温、高压的放电通道急速扩展 产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应 这就形成了肉眼所能看到的电火花。()电极材料的熔化、气化热膨胀。液体介质
10、被电离、击穿 形成放电通道后 通道间带负电的粒子奔向正极 带正电的粒子奔向负极上一页 下一页返回 粒子间相互撞击 产生大量的热能 使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化 进而气化 然后高温向四周扩散 使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增 形成了爆炸的特性。所以观察电火花加工时,可以看到工件与工具电极间有冒烟现象 并听到轻微的爆炸声()电极材料的抛出。正、负电极间产生的电火花现象使放电通道产生高温、高压。通道中心的压力最高 工作液和金属气化后不断向外膨胀 形成内外瞬间压力差 高压力处的熔融金属液体和蒸气被排挤 抛出放电通道大部分被抛入到工作
11、液中。仔细观察电火花加工 可以看到橘红色的火花四溅 这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。上一页 下一页返回()极间介质的消电离。加工液流入放电间隙 将电蚀产物及残余的热量带走 并恢复绝缘状态。若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散 产生的热量将不能及时传出 使该处介质局部过热 局部过热的工作液高温分解、积炭 使加工无法继续进行 并烧坏电极。因此 为了保证电火花加工过程的正常进行 在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出 恢复放电通道的绝缘性 使工作液介质消电离。上述步骤()()在 内数千次甚至数万次地往复进行 即单个脉冲放电结束 经过一段时间间隔(即脉冲间隔)使工作液恢复绝
12、缘后 第二个脉冲又作用到工具电极和工件上 又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电 上一页 下一页返回 蚀出另一个小凹坑。这样以相当高的频率连续不断地放电 工件不断地被蚀除 故工件加工表面将由无数个相互重叠的小凹坑组成 如图 所示。所以电火花加工是大量的微小放电痕迹逐渐累积而成的去除金属的加工方式。六、电火花加工的必要条件 经过多年生产实际的总结 要想充分利用好电火花放电的现象来完成对机械零件的加工 必须满足以下 个条件。上一页 下一页返回()电火花放电时必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的小的放电间隙 这一间隙随加工条件而定 通常约为几微米至几百微米。如果间隙过小 很容
13、易形成电极间的短路 从而不能产生火花放电现象。如果间隙过大 两极间电压不能击穿极间介质 同样也不能产生火花放电现象。()电火花放电时必须在有一定绝缘性能的液体介质(工作液)中进行 如煤油、皂化液或去离子水等。在电火花生产过程中 液体介质一方面具有很高的绝缘强度以有利于产生脉冲性的火花放电。另一方面形成火花放电通道 并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态 同时能对在电火花加工过程中产生的电蚀产物清洗和排出 并能对工具、工件产生冷却作用。上一页 下一页返回()电火花放电时必须是瞬时的脉冲性放电 放电延续一段时间后 需休息一段时间 这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其他部分。为此 在电火花加工
14、中必须采用脉冲电源。七、电火花加工用的脉冲电源 电火花加工用的脉冲电源是把工频交流电压和电流转换成一定频率的单向脉冲电压和电流 以供给两电极放电间隙所需要的能量来进行金属加工。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。因此 脉冲电源性能的好坏 在电火花加工设备和电火花加工工艺技术中 都具有十分重要的意义。上一页 下一页返回 八、电火花工作液 电火花加工必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 该液体介质通常称为电火花工作液(或称为加工液)。电火花工作液是参与放电蚀除过程的重要因素 它的各种性能均会影响加工的工艺指标 所以要正确地选择
15、和使用电火花工作液。.电火花工作液的作用 电火花加工时 工作液有以下几方面的作用。()消电离作用。在脉冲间隔火花放电结束后 尽快恢复放电间隙的绝缘状态(消电离)以便下一个脉冲电压再次形成电火花放电。工作液有一定的绝缘强度 电阻率较高 放电间隙消电离、恢复绝缘时间短。上一页 下一页返回()排除电蚀产物作用。电火花加工过程中会产生大量的电蚀产物 如果这些电蚀产物不能及时排除 会影响到电火花的正常加工。而工作液可以使电蚀产物较易从放电间隙中排除出去 免得放电间隙严重污染 从而导致火花放电点不分散而形成有害的电弧放电。()冷却作用。由于电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热量 工作液可以冷却工具电极和
16、降低工件表面瞬时产生的局部高温 使工件表面不会因局部过热而产生积炭、烧伤现象。()增加电蚀量。工作液可以压缩火花放电通道 增加通道中被压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力 从而抛出更多熔化和气化的金属。上一页 下一页返回.电火花工作液的要求 电火花工作液与脉冲电源及控制系统一样 也是实现正常电火花加工不可缺少的条件。工作液不仅对加工效率、精度、电极损耗等工艺指标有直接的影响 也对环保、安全、使用寿命有直接的影响 因此对工作液提出了更高的要求。.电火花工作液的种类 早期的电火花工作液基本上都是使用水和一般矿物油(如煤油、变压器油等)。但近年来 随着环保要求的提高、机床升级换代以及引进国外不同类型的电
17、火花工作液等 开始出现了合成型、高速型和混合型的电火花工作液。目前 在我国市场上 常见的电火花工作液有以下几种。上一页 下一页返回()煤油。()水基及一般矿物油型。()合成型(或半合成型)。()高速合成型电火花加工液。.工作液的使用注意事项 随着电火花加工技术的不断完善与发展 要求对配套的电火花工作液进行正确的使用。在工作中只有正确使用电火花工作液 才能延长工作液的使用寿命 才能使电火花设备安全正常地生产 才能保证加工人员的人身安全。()防止溶解水带入。当空气的温度和湿度较高时 空气中的水分一部分被吸附在油中而成为溶解水 溶解水的出现引起工作台的锈蚀和油品混浊 也影响油品的介电性能。上一页 下
18、一页返回()预防工作液溅到加工人员身上。根据实验可知 当人体皮肤长时间接触工作液时 会引起皮肤干燥、开裂及过敏。因此 当皮肤接触到工作液时应及时用水加洗涤液洗净。当衣服沾染较多时应及时换下 并将身上沾的油洗净。九、电火花机床 电火花成型机床主要包括主机、电源箱、工作液循环过滤系统及附件等。主机用于支承、固定工具电极及工件 实现电极在加工过程中稳定的伺服进给运动。图 所示为一种典型的电火花成型加工机床。电火花加工机床既可用于穿孔加工 又可用于成型加工。因此 我国国标规定 电火花成型机床均用 加上机床工作台面宽度的/表示。其型号表示方法如下:上一页 下一页返回.电火花加工机床结构 电火花加工机床主
19、要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成。上一页 下一页返回.电火花加工机床的分类 电火花加工机床按其大小可分为小型(以下)、中型()和大型(以上)。按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步 国外已经大批量生产三坐标数控电火花机床 以及带有工具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心 我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。.机床本体 机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成 是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。上一页 下一页返回 床身、立柱、坐标工作台是电火花机床的
20、骨架 起着支承、定位和便于操作的作用。因为电火花加工宏观作用力极小 所以对机械系统的强度无严格要求 但为了避免变形和保证精度 要求具有必要的刚度。上一页返回 任务描述 本任务主要描述电火花加工中对电极、工件的要求以及电火花加工工艺指标的确定。任务分析 方孔冲模如果采用机械加工的方法 它的生产效率很低 表面质量也很难满足零件的需要 而采用电火花加工 可以加工出合格的零件。但在电火花加工前 必须要掌握电火花加工工件电极材料的选用、设计、制造等以及对电火花加工工件的要求和电火花加工参数指标的确定。下一页返回 知识准备 一、电火花加工工具电极 电火花加工用的工具 是火花放电时电极之一 故称工具电极。它
21、用以蚀除工件材料 但是电火花加工用的电极工具又不同于机加工的刀具或者线切割用的电极丝它不是通用的 而是专用的工具 需要按照工件的材料、形状及加工要求进行电极材料选择、形状设计、加工制造并安装到机床主轴上。在电火花加工中 工具电极是一项非常重要的因素 电极材料的性能将影响电极的电火花加工性能(材料去除率、工具损耗率、工件表面质量等)因此 正确选择电极材料对于电火花加工至关重要。上一页 下一页返回 电火花加工用工具电极材料应满足高熔点、低热胀系数、良好的导电导热性能和力学性能等基本要求 从而在使用过程中具有较低的损耗率和抵抗变形的能力。电极具有微细结晶的组织结构对于降低电极损耗也比较有利 一般认为
22、减小晶粒尺寸可降低电极损耗率。此外 工具电极材料应使电火花加工过程稳定、生产率高、工件表面质量好 且电极材料本身应易于加工、来源丰富及价格低廉。由于电火花加工的应用范围不断扩展 对与之相适应的电极材料(包括相应的电极制备方法)也不断提出新的要求。随着材料科学的发展 人们对电火花加工工具电极材料不断进行着探索和创新 上一页 下一页返回 目前在研究和生产中已经使用的工具电极材料有石墨、或 等单金属、或 基合金、钢、铸铁、基复合材料、聚合物复合材料和金刚石等几大类。常用电火花加工用工具电极材料)石墨 石墨具有良好的导电、导热性和可加工性 是电火花加工中广泛使用的工具电极材料。石墨有不同的种类 可按石
23、墨粒子的大小、材料的密度和机械与电性能进行分级。其中 细级石墨的粒子和孔隙率较小 机械强度较高 价格也较贵 用于电火花加工时通常电极损耗率较低 上一页 下一页返回 但材料去除率相应也要低一些。市场上供应的石墨等级平均粒子大小在 以下 选用时主要取决于电极的工作条件(粗加工、半精加工或精加工)及电极的几何形状。工件加工表面粗糙度与石墨粒子的大小有直接关系通常粒子平均尺寸在 以下的石墨等级专门用于精加工。用两种不同等级的石墨电极加工难加工材料上的深窄槽 比较它们的材料去除率和电极损耗率。研究结果表石墨种类的选择主要取决于具体的电火花加工对材料去除率和电极损耗率哪方面的要求更高。上一页 下一页返回
24、与其他电极材料相比 石墨电极可采用大的放电电流进行电火花加工 因而生产率较高。粗加工时电极的损耗率较小 但精加工时电极损耗率增大 加工表面粗糙度较差。石墨电极重量轻 价格低。由于石墨具有高脆性 通常难以用机械加工方法做成薄而细的形状 因此在精细复杂形状电火花加工中的应用受到限制 而采用高速铣削可以较好地解决这一问题。为了改善石墨电极的电火花加工性能 将石墨粉烧结电极浸入熔化的金属(或)中 并对液态金属施加高压 使金属 或 填充到石墨电极的孔隙中 以改善其强度和导热性。注入金属后 石墨电极的密度、热导率和弯曲强度增大 电阻率大幅度降低 电极表面粗糙度得到改善。实验研究结果表明这种新材料电极与常规
25、石墨电极相比 电极损耗率和材料去除率无明显差别 上一页 下一页返回 但加工表面粗糙度更小 尤其是注入 的石墨电极可获得小得多的加工表面粗糙度。石墨的机械加工性能优良 其切削阻力小 容易磨削 很容易制造成型 无加工毛刺 密度小 只有铜的/电极制作和准备作业容易。在石墨的切削加工中 刀具很容易磨损 一般建议用硬质合金或金刚石涂层的刀具。在粗加工时 刀具可直接在工件上下刀。精加工时 易发生崩角、碎裂的现象 所以常采用轻刀快进的方式加工背吃刀量可小于.。石墨电极在加工时产生灰尘比较大 粉尘有毒性 这就要求机床有相应的处理装置 机床密封性要好。在加工前将石墨在煤油中浸泡一段时间可防止崩角、减少粉尘。上一
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