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电火花成形加工的工作原理及特点

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:如图2-3所示为电火花加工的铜电极和加工后形成的模具产品。放电状态放电状态指电火花加工时放电间隙内每一脉冲放电时的基本状态。图2-5电火花加工的5种放电状态4)电弧放电。波形特点是td和高频振荡的小锯齿波基本消失。加工速度vw或Vw对于电火花成形机来说加工速度是指在单位时间内,工件被蚀除的体积或质量。

电火花成形加工的工作原理及特点

1.电火花成形加工原理

电火花成形加工与传统的切削加工完全不同,其加工原理如图2-1所示,加工过程是在液体介质中进行的,工件与工具分别与脉冲电源的两输出端相连,机床的自动进给调节装置使工件4和工具电极2之间保持适当的放电间隙(0.01~0.5 mm),当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压(达到间隙中介质的击穿电压)时,会击穿介质绝缘强度最低处,产生局部火花放电。由于放电区域很小,放电时间极短,所以,能量高度集中,使放电区的温度瞬时高达10 000~12 000℃,工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中,并被冷却为金属小颗粒,然后被工作液迅速冲离工作区,从而使工件表面形成一个微小的凹坑,如图2-2所示。一次放电后,介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀除,并在工件上复制出工具电极的形状,从而达到成形加工的目的。如图2-3所示为电火花加工的铜电极和加工后形成的模具产品。

图2-1 电火花成形加工原理图

1—主轴;2—工具电极;3—工作油槽;4—工件;5—工作液装置;6—脉冲电源

图2-2 电火花加工表面局部放大示意图

(a)单个脉冲放电形成的凹坑;(b)多次脉冲放电后的表面

图2-3 铜电极及模具

(a)电火花加工的铜电极;(b)加工后形成的模具

2.电火花加工常用名词、术语及符号

(1)放电间隙

放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一定距离间隙。在加工过程中,则称为加工间隙S,这一间隙视加工电压和加工量而定,它的大小一般在0.01~0.5 mm,粗加工时间隙较大,精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙和侧面间隙。

(2)脉冲宽度ti(μs)

为了防止电弧烧伤,电火花加工只能用断断续续的脉冲电压,如图2-4所示为脉冲电源电压波形。脉冲宽度简称脉宽,它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间,粗加工可用较大的脉宽ti>80μs,精加工时只能用较小的脉宽ti<10μs。

(3)脉冲间隔to(μs)

脉冲间隔简称脉间或间隔,也称脉冲停歇时间。它是两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间过短,放电间隙来不及消除电离和恢复绝缘,容易产生电弧放电,烧伤工具和工件;脉冲间隔选得过长,将降低加工生产率。加工面积、加工深度较大时,脉冲间隔也应稍大。

(4)开路电压或峰值电压

开路电压是间隙开路时电极间的最高电压,等于电源的直流电压。峰值电压高时,放电间隙大,生产率高,但成形复制精度稍差。

图2-4 脉冲电源电压波形

(5)火花维持电压

火花维持电压是每次火花击穿后,在放电间隙上火花放电时的维持电压,一般在25 V左右,但它实际是一个高频振荡的电压。电弧的维持电压比火花的维持电压低5 V左右,高频振荡频率很低,一般示波器上观察不到高频成分,观察到的是一水平亮线。过渡电弧的维持电压则介于火花和电弧之间。

(6)加工电压或间隙平均电压U(V)

加工电压或间隙平均电压是指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压,它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间隔等电压的平均值。在正常加工时,加工电压在30~50 V,它与占空比(指脉冲宽度与脉冲间隔之比)、预置进给量等有关。占空比大、欠进给、欠跟踪、间隙偏开路,则加工电压偏大;占空比小、过跟踪或预置进给量小(间隙偏短路),加工电压即偏小。

(7)加工电流I(A)

加工电流是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时小,粗加工时大;间隙偏开路时小,间隙合理或偏短路时则大。

(8)短路电流Is(A)

短路电流是放电间隙短路时(或人为短路时)电流表上指示的平均电流(因为短路时还有停歇时间内无电流)。它比正常加工时的平均电流要大20%~40%。

(9)峰值电流Ie(A)

峰值电流是间隙火花放电时脉冲电流的最大值(瞬时),日本英国、美国常用Ie表示,虽然峰值电流不易直接测量,但它是影响生产率、表面粗糙度等指标的重要参数。在设计制造脉冲电源时,每一功率放大管串联限流电阻后的峰值电流是预先选择计算好的。为了安全,每个50W的大功率晶体管选定的峰值电流约为2~3 A,电源说明书中也有说明,可以按此选定粗、中、精加工时的峰值电流(实际上是选定用几个功率管进行加工)。

(10)放电状态

放电状态指电火花加工时放电间隙内每一脉冲放电时的基本状态。一般分为5种放电状态和脉冲类型。如图2-5所示。(www.xing528.com)

1)开路(空载脉冲)。放电间隙没有击穿,间隙上有大于50 V的电压,但间隙内没有电流流过,为空载状态(td=ti)。

2)火花放电(工作脉冲,或称有效脉冲)。间隙内绝缘性能良好,工作液介质击穿后能有效地抛出、蚀除金属。波形特点是:电压有td、tc,电流有Ie,波形上有高频振荡的小锯齿波形。

3)过渡电弧放电(不稳定电弧放电,或称不稳定火花放电)。过渡电弧放电是正常火花放电与稳定电弧放电的过渡状态,是稳定电弧放电的前兆。波形特点是击穿延时td很小或接近于零,仅成为一尖刺,电压电流波上的高频分量变低成为稀疏和锯齿形。早期检测出过渡电弧放电,对防止电弧烧伤有很大意义。

图2-5 电火花加工的5种放电状态

4)电弧放电(稳定电弧放电)。由于排屑不良,放电点集中在某一局部而不分散,局部热量积累,温度升高,恶性循环,此时火花放电就成为电弧放电,由于放电点固定在某一点或某局部,因此称为稳定电弧,常使电极表面结炭、烧伤。波形特点是td和高频振荡的小锯齿波基本消失。

5)短路(短路脉冲)。放电间隙直接短路相接,这是由于伺服进给系统瞬时进给过多或放电间隙中有电蚀产物搭接所致。间隙短路时电流较大,但间隙两端的电压很小,没有蚀除加工作用。

以上各种放电状态在实际加工中是交替、概率性地出现的(与加工规准和进给量、冲油、间隙污染等有关),甚至在一次单脉冲放电过程中,也可能交替出现两种以上的放电状态。

(11)加工速度vw或Vw(mm3/min)

对于电火花成形机来说加工速度是指在单位时间内,工件被蚀除的体积或质量。一般用体积表示。若在时间T内,工件被蚀除的体积为V,则加工速度Vw为:Vw=V/T(mm3/min),有时为了测量方便,也用质量加工速度vm或Vm(g/min)来表示。对于线切割机来说,加工速度是指在单位时间内,工件被切面积,即用mm2/min来表示。在规定表面粗糙度(如Ra=2.5μm)、相对电极损耗(如1%)时的最大加工速度,是衡量电加工机床工艺性能的重要指标。一般情况下,生产厂给出的是最大加工电流,在最佳加工状态下所能达到的最高加工速度。因此,在实际加工时,由于被加工工件尺寸与形状的千变万化,加工条件、排屑条件等与理想状态相差甚远,即使在粗加工时,加工速度也往往大大低于机床的最大加工速度。

(12)表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面上的微观几何形状误差。对电加工表面来讲,即是加工表面放电痕——坑穴的聚集,由于坑穴表面会形成一个加工硬化层,而且能储存润滑油,其耐磨性比同样粗糙度的机加工表面要好,所以加工表面允许比要求的粗糙度大些。而且在相同粗糙度的情况下,电加工表面比机加工表面亮度低。

(13)相对损耗或损耗比(损耗率)θ(%)

相对损耗或损耗比是工具电极损耗速度和工件加工速度之比值,并以此来综合衡量工具电极的耐损耗程度和加工性能。

(14)面积效应

面积效应指电火花加工时,随加工面积大小变化而加工速度、电极损耗比和加工稳定性等指标随之变化的现象。一般加工面积过大或过小时,工艺指标通常降低,这是由于“电流密度”过小或过大引起的。

(15)深度效应

随着加工深度增加而加工速度和稳定性降低的现象称深度效应。主要是电蚀产物积聚、排屑不良所引起的。

3.电火花成形加工的特点

电火花成形加工的优点主要如下。

1)加工时,工具电极与工件材料不接触,两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需比工件材料硬,因此,工具电极制造容易。

2)由于电火花加工是靠脉冲放电的电热作用蚀除工件材料的,脉冲放电的能量密度高,便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响,不受热处理状况影响,与工件的机械性能关系不大。

3)由于放电蚀除材料不会产生大的机械切削力,因此对脆性材料如导电陶瓷或薄壁弱刚性的航空航天零件,以及普通切削刀具易发生干涉而难以进行加工的精密微细异形孔、深小孔、狭长缝隙、弯曲轴线的孔、型腔等,均适宜采用电火花成形加工工艺来解决。

4)脉冲放电持续时间极短,放电时产生的热量传导扩散范围小,放电又是浸没在工作液中进行的,因此,对整个工件而言,在加工过程中几乎不受热的影响。

5)可以改革工件结构,简化加工工艺,提高工件使用寿命,降低工人劳动强度。

电火花加工也有其一定的局限性。

1)它主要用于加工金属等导电材料,在一定条件下,才能对半导体和非导电材料进行加工。

2)在一般情况下,电火花加工的加工速度要低于切削加工。因此,合理的加工工艺路线应当是:凡可用刀具加工的,尽量采用常规机械切削加工去除大部分加工余量,仅将刀具难以进行切削的局部留下,采用电火花加工工艺补充加工。但最近的研究成果表明,采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工,其生产率甚至不亚于切削加工。

3)由于电火花加工是靠电极间的火花放电去除金属,因此工件与工具电极都会有损耗,而且工具电极的损耗大多集中在尖角及底部棱边处,这直接影响了电火花成形加工的成形精度。

4)最小圆角半径有限制,难以清角加工。

5)加工后表面产生变质层,在某些应用中需进一步去除。

6)工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。

由于电火花加工具有传统切削加工无法比拟的优点,其应用领域日益扩大,已成为先进制造技术中不可缺少的重要补充工艺手段之一,目前已广泛应用于各类精密模具制造、航天、航空、电子、电器、精密微细机械零件加工,以及汽车仪器仪表、轻工等众多行业。主要解决难加工材料(超硬、超软、脆性材料等)及复杂形状零件的加工难题。其加工范围已达到小至几十微米的小轴、孔、缝,大到几米的超大型模具和零件。

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