放电加工工艺模板.doc
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1、 一. 緒論二. 電火花加工效應 三. 電火花加工工藝指標 四. 電火花加工基础矛盾及解決五. 機床操作及電極製作六. 注意事項 一. 緒論 1. 什麽是電火花加工 平時我們在開電燈或關電閘時,不時會看到開闢處碰出火花.久而久之,開闢觸片便被電腐蝕,影響開闢壽命.所以一直被人們視為有害放電現象,經過長期觀察發現,這種火花放電在特定場合含有其特殊作用,可通過脈衝電源使這種電腐蝕持續進行,在較短時間內產生較大金屬腐蝕量.從而加工出特異形狀之工件.這便是電火花加工之雛形.電火花是脈衝電源產生一種自激放電,是一種利用電、熱能量進行加工方法。在加工過程中,使工具電極和工件之間不斷産生脈衝性火花放電,靠放
2、電時局部,暫態産生高溫把金屬蝕除下來。亦稱放電加工或電蝕加工。火花放電不一样於弧光放電、輝光放電等其它形式自激放電,其特點以下:火花放電兩個電極間在放電前具較高電壓,當兩電極靠近時,其間介質被擊穿後,隨即發生火花放電。伴隨擊穿過程,兩電極間電阻急劇變小,兩極之間電壓也隨之急劇變低。火花通道必須在維持暫短時間(通常爲10-7-10-8s)後及時熄滅,才可保持火花放電“冷極”特征(即通道能量轉換熱能來不及傳至電極縱深),使通道能量作用於極小範圍。通道能量作用,可使電極局部被腐蝕。利用火花放電時産生腐蝕現象對導電材料進行尺寸加工方法,叫電火花加工。電火花加工是在較低電壓範圍內,在液體介質中火花放電。
3、 2. 電火花加工特點電火花加工是與機械加工完全不一样一種新工藝。隨著工業生産發展和科學技術進步,含有高熔點、高硬度、高強度、高脆性,高粘性和高純度等性能新材料不斷出現。含有各種複雜結構與特殊工藝要求工件越來越多,這就使得傳統機械加工方法不能加工或難於加工。所以,人們除了進一步發展和完善機械加工法之外,還努力尋求新加工方法。電火花加工法能夠適應生産發展需要,並在應用中顯示出很多優異性能,所以,得到了快速發展和日益廣泛應用。電火花加工特點以下:1.脈衝放電能量密度高,便於加工用一般機械加工方法難於加工或無法加工特殊材料和複雜形狀工件。不受材料硬度影響,不受熱處理狀況影響。2.脈衝放電持續時間極短
4、,放電時産生熱量傳導擴散範圍小,材料受熱影響範圍小。3.加工時,工具電極與工件材料不接觸,兩者之間宏觀作用力極小。工具電極材料不需比工件材料硬,所以,工具電極製造轻易。4.直接利用電能加工,便於實現加工過程自動化。5.能够改革工件結構,簡化加工工藝,提升工件使用壽命,降低工人勞動強度。基於上述特點,電火花加工关键用途有以下幾項:1) 製造沖模、塑膠模、鍛模和壓鑄模。2) 加工小孔、畸形孔和在硬質合金上加工螺紋螺孔。3) 在金屬板材上切割出零件。4) 加工窄縫。5) 磨削平面和圓面。6) 其它(如強化金屬表面,取出折斷工具,在淬火件上穿孔,直接加工型面複雜零件等)。 3. 實現電火花加工條件實現
5、電火花加工,應具備以下條件:電火花加工原理是基於工具電極和工件(正,負電極)之間脈衝性火花放電時電腐蝕現象來蝕除多餘金屬,以使零件尺寸,形狀和表面質量達到預定要求。要實現電火花加工,必須滿足下列條件。1.工具電極和工件電極之間必須維持合理距離,即相應於脈衝電壓和相應於介質絕緣強度距離。在該距離範圍內,既能够滿足脈衝電壓不斷擊穿介質,産生火花放電,又能够適應在火花通道熄滅後介質消電離和排出蝕除産物要求。若兩電極距離過大,則脈衝電壓不能擊穿介質、不能産生火花放電,若兩電極短路,則在兩電極間沒有脈衝能量有消耗,也不可能實現電腐蝕加工。由此可見,兩電極間合理距離必須較小,但又不可短路。在電火花加工中,
6、工具電極與工件電極之間距離叫作“間隙”。“加工間隙”或“放電間隙”就是指兩電極之間合理距離。間隙是否合理,受到脈衝電壓、火花通道能量和介質介電係數等很多原因制約。所以,間隙大小隨這些原因變化而變化。通常情況下,電火花加工放電間隙在數微米到數百微米範圍內。 若將間隙調整到合理間隙和短路之間(即小於合理間隙),雖然不妨礙沖電壓擊穿介質,不过由於間隙過小會導致積炭,甚至發生電弧,給加工造成危害。2.兩電極之間必須充入介質。在進行電火花尺寸加工時,兩極間爲液體介質,在進行材料電火花尺寸加工時,兩極間爲液體介質;在進行材料電火花表面強化時,兩極間爲氣體介質。兩極間沒有介質(即真空)自激放電屬於輝光放電,
7、不能實現電火花加工。3.輸送到兩電極間脈衝能量密度應足夠大。在火花通道形成後,脈衝電壓變化不大,所以,通道電流密度能够表徵通道能量密度。能量密度足夠大,才能够使被加工材料局部熔化或汽化,從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕(凹坑),實現電火花加工。所以,通道通常必須有105-106A/cm2電流密度。放電通道必須含有足夠大峰值電流,通道才能够在脈衝期間得到維持。通常情況下,維持通道峰值電流不小於2A。4.放電必須是短時間脈衝放電。放電持續時間通常爲10-6-10-3s。由於放電時間短,使放電時産生熱能來不及在被加工材料內部擴散,從而把能量作用局限在很小範圍內,保持火花放電冷極特征。假如放電時間等
8、於或大於10-2s,則肯定使放電沿火花一過渡電弧一弧光放電這一規律發展,從而使加工不能正常進行。5.脈衝放電需重復数次進行,並且数次脈衝放電有時間上和空間上是分散。這裏包含兩個方面意義:其一時間上相鄰兩個脈衝不在同一點上形成通道;其二,若在一定時間範圍內脈衝放電集中發生在某一區域,則在另一段時間內,脈衝放電應轉移到另一區域。只有如此,才能避免積炭現象,進而避免發生電弧和局部燒傷。6.脈衝放電後電蝕産物能及時排放至放電間隙之外,使重復性放電順利進行。在電火花加工生産實際中,上述過程通過兩個途徑完成。首先,火花放電和電腐蝕過程本身具備將蝕除産物排離固有特征;蝕除物以外其餘放電産物(如介質汽化物)亦
9、能够促進上述過程;其次,還必須利用部分人爲輔助工藝方法,比如工作液迴圈過濾,加工中採用沖、抽油方法等等。二. 電火花加工效應 電火花加工中通常有以下效應產生:極性效應、噴鍍、覆蓋效應、沈積效應、傳熱效應。1. 極性效應電火花加工時,相同材料兩電極被腐蝕量是不一样。其中一個電極比另一個電極蝕除量大,這種現象叫做極性效應。假如兩電極材料不一样,則極性效應愈加複雜。我們通常把陰極蝕除量與陽極蝕除量之比叫做極性係數。極性係數小於1,稱之爲負極性,此時,工件接電源正極,工具電極接負極,反之極性係數大於1,稱之爲正極性,此時,工件接電源負極,工具電極接正極。極性係數改變意味著兩極能量分佈改變。影響極性效應
10、原因:1.脈衝寬度在電場作用下,通道中電子奔向陽極,正離子奔向陰極。由於電子質量輕,慣性小,在短時間內轻易獲得較高運動速度;而正離子質量大,不易加速,故在窄脈衝時,電子動能大,電子傳遞給陽極能量大於正離子傳遞給負極能量,使陽極蝕除量大於陰極蝕除量,即爲負極性。而在寬脈衝時,正離子有足夠時間加速可獲得較高速度,而且質量又大多,轟擊陰極動能較大,同時除液體介質蒸氣正離子外,陰極和陽極蒸氣中正離子也參予了對陰極轟擊。所以,正離子傳遞給陰極能量超過了電子傳遞給陽極能量,陰極蝕除量便大於陽極蝕除量即爲正極性。見圖一。 (%) 100 50 30 正極性 10 5 3 1 負極性 0.5 0.3 1 2
11、5 10 20 50 100 200 500 1000 脈寬ti (uS)圖一不一样極性時電極損耗電極對Cu/st Ip=48A2.脈衝能量隨著放電能量增加,尤其是極間放電電壓增加,每個正離子傳遞給陰極平均動能增加,電子動能雖然也隨之增加,但當放電通道和很大時,由於電位分佈變化引发陽極區電壓降低,阻止了電子奔向陽極,減少了電子傳遞給予陽極能量,使陰極能量大於陽極能量,即脈衝能量大時陰極蝕除量大於陽極蝕除量。 2. 覆蓋效應在材料放電腐蝕過程中,一個電極電蝕産物轉移到另一電極表面上,形成一定厚度覆蓋層,這種現象叫覆蓋效應。在油類介質中加工時,覆蓋層关键是石墨化碳素層,其次是粘附在電極表面金屬微粒
12、結層。1. 碳素層生成條件(1)要有足夠高溫度。電極上待覆蓋表面溫度不低於碳素層生成溫度,但低於熔點,以使碳粒子燒結成石墨化耐蝕層。(2)要有足夠多電蝕産物,尤其是介質熱解産物碳粒子。(3)要有足夠時間,方便在表面上形成一定厚度碳素層。(4)採用正極性加工,因爲碳素層易在陽極表面生成。(5)必須在油類介質中加工。2. 影響覆蓋效應关键原因(1)脈衝能量與波形,增大放電加工能量有助於覆蓋層生長,但寬脈衝大電流對中精加工有相當大不足,減小脈衝間隔則有利於在各種規准下生成覆蓋層。但間隔過小則有轉變爲電弧放電危險,採用一些組合脈衝如矩形波派生出來梳形波及各種疊加脈衝波形也有助於覆蓋層生成。(2)電極對
13、,銅打鋼時覆蓋效應比較明顯。因爲銅對碳素層生成起著類似催化劑作用。但銅打硬質合金卻不大轻易生成覆蓋層。(3)工作介質,石油産品油類介質在放電産生高溫下,生成大量碳粒子,有助於碳素層生成。而在含有一定離子導電水介質中採用負極性加工時,會産生另一種覆蓋現象鍍覆現象。即在陰極表面上形成一層緻密電鍍層。(4)工藝條件,工作介質髒;介質處於液相與氣相混合狀態,間隙過熱,放電在間隙空間分佈較集中,電極截面大,電極間隙較小,加工較穩定等,全部有助於生成覆蓋層。間隙中工作液流動影響也很大,沖油壓力過大會破壞覆蓋層生成。 合理利用覆蓋效應,有利於降低電極損耗,甚至可做到“無損耗”加工。但如處理不當,出現過覆蓋現
14、象,將會使電極尺寸在加工中超過了加工前尺寸,反而破壞了加工精度。所謂無損耗加工即指在加工過程中,在某種特定條件下由於覆蓋效應作用,彌補了電極損耗,當彌補作用與電極損耗大致平衡時,能够認爲電極無損耗。但加工條件比較苛刻,不易達到。通常電極損耗達到1%以下,即可認爲是無損耗加工。 三. 電火花加工工藝指標 一、加工速度 對於電火花成形機來說加工速度是指在單位元時間內,工件被蝕除體積或重量。通常见體積表示。若在時間T內,工件被蝕除體積爲V,則加工速度Vw爲:Vw=V/t(mm3/min)對於線切割機來說,加工速度是指在單位元時間內,工件被切面積。即用mm2/min來表示。在規定表面粗糙度(如Ra=2
15、.5m),相對電極損耗(如1%)時最大加工速度,是衡量電加工機床工藝性能关键指標。通常情況下,生産廠給出是最大加工電流,在最好加工狀態下所能 進給方向 測量線 LF H 加工前電極形狀 LE圖二 相對長度損耗QL;H加工深度LF-計數深度,LE-電極損耗LELF-LE QL= 100%達到最高加工速度。所以,在實際加工時,由於被加工件尺寸與形狀千變萬化,加工條件,排屑條件等與理想狀態相差甚遠,即使在粗加工時,加工速度也往往大大低於機床最大加工速度指標。 電 極 紫銅 損 2 耗 (%) 1 石墨 0.05 0.1 沖油壓力 (kg/cm2)圖 三 沖油壓力對電極損耗影響二、工具電極損耗 在電火
16、花成形加工中,工具電極損耗直接影響仿形精度,特別對於型腔加工,電極損耗這一工藝指標較加工速度更爲关键。電極損耗分爲絕對損耗和相對損耗。絕對損耗最常见是體積損耗Ve和長度損耗Veh二種方法,它們分別表示在單位時間內,工具電極被蝕除體積和長度。即Ve=V/t(mm3/min)Veh=H/t(mm/min) 相對損耗工具電極絕對損耗與工件加工速度百分比。通常採用長度相對損耗比較直觀,測量也比較方便。在線切割加工中,電極絲損耗對工件質量影響不大,故通常不加以討論。但快走絲機床使用鉬作爲電極絲,是重復放電,所以絲損耗影響到電極絲使用壽命,在實際加工中應予適當考慮。見圖二。在電火花成形加工中,工具電極不一
17、样部位,其損耗速度也不相同。在精加工時,通常電規准選取較小,放電間隙太小,通道太窄,蝕除物在爆炸與工作液作用下,對電極表面不斷撞擊,加速了電極損耗,所以,如能適當增大電間隙,改善通道狀況,即可降低電極損耗。見圖三。三、表面粗糙度 表面粗糙度是指加工表面上微觀幾何形狀誤差。對電加工表面來講,即是加工表面放電痕坑穴聚集,由於坑穴表面會形成一個加工硬化層,而且能存潤滑油,其耐磨性比同樣粗糙度機加表面要好,所以加工表面允許比要求粗糙度大些。而且在相同粗糙度情況下,電加工表面比機加工表面亮度低。國家標準規定:加工表面粗糙度用Ra(輪廓平均算術偏差)和Rz(不平度平均高度)之一來評定。工件電火花加工表面粗
18、糙度直接影響其使用性能,如耐磨性,配合性質,接觸剛度,疲勞強度和抗腐蝕性等。尤其對於高速高潔,高壓條件下工作模具和零件,其表面粗糙度往往是決定其使用性能和使用壽命關鍵。四、放電間隙 放電間隙,亦稱過切量,加工中是指脈衝放電兩極間距,實際效果反应在加工後工件尺寸單邊擴大量。對電火花成形加工放電間隙定量認識是確定加工方案基礎。其中包含工具電極形狀,尺寸設計,加工工藝步驟設計,加工規准切換和相應工藝方法設計。 新國際粗糙度數值與老國標光潔度等級對照表(表1) 原光潔度等級Ra(m)Rz(m)基础長度(mm)12340-8020-4010-20160-32080-16040-808455-102.5-
19、520-4010-202.56781.25-2.50.63-1.250.32-0.636.3-103.2-6.31.6-3.20.8 关键電參數對工藝指標影響(表1) 工藝指標電參數加工速度電極損耗表面粗糙度值備 注峰值電流Im 加工間隙 型腔加工錐度 脈衝寬度tk 加工間隙 加工穩定性 脈衝間歇to 加工穩定性 空載電壓Vo 加工間隙 加工穩定性 介質清潔度 中粗加工 精加工 穩定性 表示影響不大 三. 電火花加工基础矛盾及解決根據國內外多年研究和應用實驗,從電火花加工理論和工藝技術發展中,人們認識到電火花加工存在下述三個基础矛盾。1.工件與工具電極電蝕量之間矛盾。從工藝觀點出發,即成型精度
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