數(shù)控電加工工藝——數(shù)控電火花成形加工課件

1、數(shù)控加工工藝數(shù)控電火花成形加工一、數(shù)控電火花成形加工簡介1. 數(shù)控電火花成形加工原理如圖7-1所示，電火花成形加工的原理是基于工件與工具電極（簡稱電極）之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到零件的加工要求。數(shù)控電火花成形加工數(shù)控電火花成形加工圖7-1 數(shù)控電火花成形加工電火花成形加工須具備以下條件：（1）自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證工件與電極之間經(jīng)常保持一定距離以形成放電間隙。一般為0.010.1mm左右,間隙不能過大或過小。間隙過大，極間電壓不能擊穿極間介質(zhì)，無法產(chǎn)生電火花。間隙過小、容易形成短路接觸，同樣不能產(chǎn)生電火花。（2）加工中工件和電極浸泡在液體介質(zhì)中，這種液體介質(zhì)稱為工作

2、液。（3）脈沖電源輸出單向脈沖電壓加在工件和電極上。當(dāng)電壓升高到間隙中工作液的擊穿電壓時(shí)，會使介質(zhì)在絕緣強(qiáng)度最低處被擊穿，產(chǎn)生火花放電，如圖7-2(a)所示，瞬間高溫使工件和電極表面都被蝕除掉一小塊材料形成小的凹坑，如圖7-2(b)所示。脈沖電源提供的脈沖電流波形，如圖7-3所示。 數(shù)控電火花成形加工 數(shù)控電火花成形加工1-陽極；2-從陽極上拋出金屬的區(qū)域；3-熔化的金屬微粒4-工作液；5-在工作液中凝固的金屬微粒；6-在陰極上拋出金屬的區(qū)域；7-陰極；8-氣泡9-放電通道；10-翻邊凸起；11-凹坑圖7-2 放電間隙狀況示意圖 數(shù)控電火花成形加工ti-脈沖寬度；t0-脈沖間隔；T-脈沖周期；

3、Ic電流峰值圖7-3 脈沖電流波形2. 電火花加工的特點(diǎn)及適用范圍(1)電火花加工的特點(diǎn)。 電火花加工屬不接觸加工。 加工過程中工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小。 電火花加工直接利用電能和熱能來去除金屬材料，與工件材料的強(qiáng)度和硬度等關(guān)系不大，因此可以用軟的工具電極加工硬的工件，實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”。 脈沖參數(shù)可以在一個較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可以在同一臺機(jī)床上連續(xù)進(jìn)行粗、半精及精加工。 直接利用電能加工，便于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動化。數(shù)控電火花成形加工(2)電火花加工的適用范圍。如圖7-4所示為電火花加工的適用范圍，具體有以下幾方面： 可以加工任何難加工的金屬材料和導(dǎo)電材料。 可以加工形狀復(fù)

4、雜的表面，特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工 可以加工薄壁、彈性、低剛度、微細(xì)小孔、異形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。 數(shù)控電火花成形加工7.1 數(shù)控電火花成形加工圖7-4 電火花加工的適用范圍 數(shù)控電火花成形加工3. 數(shù)控電火花成形機(jī)床的主要組成如圖7-1所示，數(shù)控電火花成形加工機(jī)床主要由主機(jī)、脈沖電源、機(jī)床電氣系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)等部分組成。（1）主機(jī)及附件。機(jī)床主機(jī)由床身、立柱、主軸頭、工作臺等組成。附件包括用以實(shí)現(xiàn)工件和電極的裝夾、固定和調(diào)整其相對位置的機(jī)械裝置及電極自動交換裝置（ATC或AEC）等。床身和立柱是機(jī)床的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主軸頭是數(shù)控電火花成形機(jī)床的關(guān)鍵部件，電極即

5、安裝在其上，主軸頭通過自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)（伺服電動機(jī)、滾珠絲杠螺母副等）帶動，在立柱上作升降移動，改變電極和工件之間的間隙。工作臺是用來支承和安裝工件，工作液槽裝在工作臺上，工作臺可作縱向和橫向進(jìn)給，分別由直流或交流伺服電動機(jī)，經(jīng)滾珠絲杠驅(qū)動。運(yùn)動軌跡是靠數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控程序控制實(shí)現(xiàn)的。 數(shù)控電火花成形加工可調(diào)節(jié)工具電極角度的夾頭屬機(jī)床附件。裝夾在主軸頭下的電極，在加工前需要調(diào)節(jié)到與工件基準(zhǔn)面垂直，在加工型孔或型腔時(shí)，還需要在水平面內(nèi)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動一個角度，使工具電極的截面形狀與加工的工件型孔或型腔預(yù)定位置一致。平動頭也屬機(jī)床附件。平動頭是為解決修光側(cè)壁和提高其尺寸精度而設(shè)計(jì)的。平動頭的動作原理是利

6、用偏心機(jī)構(gòu)將伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過平動軌跡保持機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)化成電極上每一個質(zhì)點(diǎn)都能圍繞其原始位置在水平面內(nèi)作平面小圓周運(yùn)動，許多小圓的外包絡(luò)線就形成加工表面，如圖7-5所示。 數(shù)控電火花成形加工圖7-5 平動加工時(shí)電極的運(yùn)動軌跡 數(shù)控電火花成形加工（2）脈沖電源。脈沖電源的作用是將工頻交流電轉(zhuǎn)變成一定頻率的定向脈沖電流，提供電火花成形加工所需能量。數(shù)控化的脈沖電源與數(shù)控系統(tǒng)密切相關(guān)，但有其相對的自主性，它一般由微處理器和外圍接口、脈沖形成和功率放大部分、加工狀態(tài)檢測和自適應(yīng)控制裝置以及自診斷和保護(hù)電路等組成。 數(shù)控電火花成形加工（3）數(shù)控系統(tǒng)。 自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是通過改變

7、、調(diào)節(jié)主軸頭（電極）進(jìn)給速度，使進(jìn)給速度接近并等于蝕除速度，以維持一定的“平均”放電間隙，保證電火花加工正常而穩(wěn)定進(jìn)行，以獲得較好的加工效果。常用自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)有電液自動控制系統(tǒng)和電機(jī)械式自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，數(shù)控電火花機(jī)床普遍采用電機(jī)械式自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的不同，電機(jī)械式自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為步進(jìn)電動機(jī)、直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 數(shù)控電火花成形加工 電火花成形加工單軸數(shù)控系統(tǒng)。它往往控制Z軸，Z向進(jìn)給由自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成。自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一方面始終保持電極和工件間的合理間隙，另一方面沿Z向控制主軸頭（電極）相對工件進(jìn)給，所以自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)即為Z向自動進(jìn)給系統(tǒng)。 電

8、火花成形加工多軸數(shù)控系統(tǒng)。它是對機(jī)床的多個坐標(biāo)軸的移動和轉(zhuǎn)動進(jìn)行數(shù)字控制，使之成為數(shù)字控制進(jìn)給或數(shù)控伺服進(jìn)給。由于具有X、Y、Z等多軸控制，電極和工件之間的相對運(yùn)動復(fù)雜，以滿足各種復(fù)雜型腔和型孔的加工。 數(shù)控電火花成形加工如圖7-6所示為采用X、Z、C多軸聯(lián)動加工型孔。如圖7-6(a)所示為橫向X軸伺服進(jìn)給水平加工圓孔；如圖7-6(b)所示為橫向X軸和垂直方向Z軸聯(lián)動加工；如圖7-6(c)所示為Z向伺服進(jìn)給，每加工一個長方孔后，C軸分度轉(zhuǎn)過30（12等分），加工圓周均布的多個長方形孔。圖7-6 數(shù)控X、Z、C多軸聯(lián)動加工 數(shù)控電火花成形加工如圖7-7所示為電火花三軸數(shù)控?fù)u動加工（指工作臺在數(shù)控

9、系統(tǒng)控制下向外逐步擴(kuò)弧運(yùn)動）型腔。圖7-7(a)為搖動加工修光六角型孔側(cè)壁和底面；圖7-7(b)為搖動加工修光半圓柱側(cè)壁和底面；圖7-7(c)為搖動加工修光半圓球柱的側(cè)壁和球頭底面；圖7-7(d)為用圓柱形工具電極搖動展成加工出任意角度的內(nèi)圓錐面。圖中箭頭線為電極進(jìn)給和搖動加工軌跡。 數(shù)控電火花成形加工圖7-7 電火花三軸數(shù)控?fù)u動加工數(shù)控電火花成形加工（4）工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)。工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)由工作液箱、液壓泵、電機(jī)、過濾器、工作液分配器、閥門、油杯等組成，它的作用是強(qiáng)迫一定壓力的工作液流經(jīng)放電間隙將電蝕產(chǎn)物排出，并且對使用過的工作液進(jìn)行過濾和凈化。工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)的工作方式有充油式、抽油

10、式兩種，如圖7-8所示。 數(shù)控電火花成形加工圖7-8 工作液循環(huán)方式 數(shù)控電火花成形加工其中，圖7-8(a)和如圖7-8(b)所示是充油式，將具有一定壓力的干凈液體流向加工表面，迫使工作液連同電蝕產(chǎn)物從電極四周間隙流出。如圖7-8(c)和圖7-8(d)所示是抽油式，從待加工表面，將已使用過的工作液連同電蝕產(chǎn)物一起抽出。工作液過濾裝置常用介質(zhì)（紙質(zhì)、硅藻土等）過濾器，其過濾精度一般為10m，微精加工要求12m。使用時(shí)應(yīng)注意濾芯堵塞程度，及時(shí)更換。 數(shù)控電火花成形加工4. 加工液的處理（1）電極躍動法。電極躍動法使電極作周期性上下運(yùn)動（Z軸加工時(shí)），使加工屑等從極間排出。（2）噴流法。噴流法主要有

11、電極噴流法如圖7-9(a)所示和底孔噴流法如圖7-9(b)所示。底孔噴流時(shí)還應(yīng)注意以下幾方面。當(dāng)加工余量偏向一側(cè)時(shí)，注意保持噴流路徑平衡或加強(qiáng)夾具剛性，否則會造成電極變位，加工超差。注意噴流容器和工件是否有泄漏，如有應(yīng)加以堵塞和密封，否則得不到噴流效果。要注意不要在容器及電極下部積留氣體。 數(shù)控電火花成形加工圖 7-9 加工液的處理方式 數(shù)控電火花成形加工（3）吸引法也分為電極吸引法及底孔吸引法。如圖7-9(c)和圖7-9(d)所示。吸引法常用在深孔的精加工，在數(shù)控電火花機(jī)床上進(jìn)行螺紋、斜齒輪加工時(shí)，也常使用，但是由于這時(shí)加工液的路徑較長而且是螺線形，所以最好在電極的側(cè)面加工出像絲錐溝那樣的槽

12、，以利于加工液的流通如圖7-10所示。 數(shù)控電火花成形加工 圖7-10 螺紋電極側(cè)面切槽 數(shù)控電火花成形加工（4）噴射法。噴射法一般采用如圖7-11所示方式，主要用于窄小的不通縫隙加工。圖7-11 噴射法 數(shù)控電火花成形加工在進(jìn)行諸如刻字等面積大而深度淺的加工時(shí)，若在一個方向進(jìn)行較強(qiáng)噴射時(shí)也會使另一側(cè)產(chǎn)生二次放電，引出不良結(jié)果。解決方法是將噴頭粘接在電極上，如圖7-12(a)和圖7-12(b)所示；或在電極上加工出流道和澆口，使加工液盡可能送入電極前部。這種方法能較好地發(fā)揮加工液的處理效果，如圖7-12(c)所示。圖7-12 噴射法形式 數(shù)控電火花成形加工二、數(shù)控電火花成形加工的一般工藝規(guī)律1

13、. 影響材料放電腐蝕的主要因素(1)極性效應(yīng)。在電火花加工過程中，工件和電極都要受到不同程度的電腐蝕。實(shí)踐證明，即使工件和電極材料完全相同，也會因?yàn)樗与娫吹臉O性不同而有不同的蝕除速度，這一現(xiàn)象稱為“極性效應(yīng)”。(2)電參數(shù)。電參數(shù)即為脈沖電源提供給電火花成形加工的脈沖寬度、脈沖間隙和峰值電流。研究結(jié)果表明，在連續(xù)的電火花加工過程中，工件或工具都存在單個脈沖的蝕除量q與單個脈沖能量WM在一定范圍內(nèi)成正比的關(guān)系。某一段時(shí)間的總蝕除量q約等于這段時(shí)間內(nèi)單個有效脈沖蝕除量的總和，故正、負(fù)極的蝕除速度與單個脈沖能量、脈沖頻率成正比。 數(shù)控電火花成形加工實(shí)驗(yàn)表明，火花維持電壓與脈沖電壓幅值、極間距離，以

14、及放電電流大小等的關(guān)系不大，因而可以說，單個脈沖能量正比于平均放電電流的大小和電流脈寬。由上述討論知，提高電蝕除量和生產(chǎn)率的途徑在于提高脈沖頻率f；增加單個脈沖能量WM或者增加單個脈沖平均放電電流ie （對矩形波即為峰值電流Ie）和脈沖寬度ti；減少脈沖間隔t0；設(shè)法提高系數(shù)Ka、Kc。 數(shù)控電火花成形加工(3)金屬材料熱學(xué)常數(shù)。金屬材料熱學(xué)常數(shù)指材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熱導(dǎo)率、比熱容、熔化熱、汽化熱等。當(dāng)脈沖放電能量相同時(shí)，金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化熱、汽化熱愈高，電蝕量將愈少，愈難加工；另一方面，熱導(dǎo)率愈大的金屬，由于較多地把瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)散失到其他部位，因而降低本身的蝕除量。此外，影響

15、加工電蝕量的還有工作液、加工過程的穩(wěn)定性等因素。 數(shù)控電火花成形加工2. 影響加工精度的主要因素影響電火花加工精度的因素很多，主要有機(jī)床本身的制造精度、工件的裝夾精度、電極的制造及裝夾精度、電極損耗、放電間隙、加工斜度等因素，這里主要討論與電火花加工工藝有關(guān)的因素。數(shù)控電火花成形加工（1）放電間隙大小及其一致性。電火花加工時(shí)，工具電極與工件之間存在著一定的放電間隙。由于放電間隙的大小實(shí)際是變化的，從而影響加工精度。除了放電間隙能否保持一致外，其大小對加工精度也有影響。在實(shí)際加工中應(yīng)縮小放電間隙，另外，還必須使加工過程穩(wěn)定。圖7-13 放電間隙等矩性對尖角加工時(shí)的影響 數(shù)控電火花成形加工（2）電

16、極的損耗。電火花加工時(shí)是將電極的形狀和尺寸復(fù)制到工件上，工具電極的損耗對工件尺寸精度和形狀精度都有影響。（3）二次放電。二次放電是指已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等介入而再次引起的一種非正常放電，集中反映在加工深度方向產(chǎn)生斜度和加工棱邊棱角變鈍等方面，從而影響電火花加工的形狀精度。 數(shù)控電火花成形加工產(chǎn)生加工斜度的情況如圖7-14所示圖7-14 電火花加工時(shí)的加工斜度 數(shù)控電火花成形加工3. 影響電火花加工表面質(zhì)量的工藝因素（1）表面粗糙度。電火花加工后的表面，是由脈沖放電時(shí)所形成的大量凹坑和硬凸邊排列重疊而形成的。在一定的加工條件下，加工表面的粗糙度可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示：Ra=KRati0.3Ie

17、0.4 式中：Ra實(shí)側(cè)的表面粗糙度評定參數(shù)，（m）；KRa系數(shù)（用銅電極加工淬火鋼，按負(fù)極性加工時(shí)KRa=2.3）；ti脈沖寬度，（s）；Ie電流峰值，（A）。 由上式可以看出，電蝕表面粗糙度的評定參數(shù)Ra隨脈沖寬度和電流峰值增大而增大。所以表面粗糙度主要取決于單個脈沖能量。單個脈沖能量愈大，表面愈粗糙。 數(shù)控電火花成形加工電火花加工的表面粗糙度，粗加工表面粗糙度一般可達(dá)2.512.5m；精加工表面粗糙度可達(dá)3.20.8m；微加工表面粗糙度可達(dá)0.80.2m。加工熔點(diǎn)高的硬質(zhì)合金等可獲得比鋼更小的粗糙度。由于電極的相對運(yùn)動，側(cè)壁粗糙度比底面小。近年來研制的超光脈沖電源已使電火花成形加工的粗糙度

18、達(dá)到0.200.10m左右。工件材料對加工表面粗糙度也有影響，熔點(diǎn)高的材料（如硬質(zhì)合金），單脈沖形成的凹坑較小，在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔點(diǎn)低的材料（如鋼）好。精加工時(shí)，工具電極的表面粗糙度也將影響到加工粗糙度。與紫銅電極相比，用石墨電極的加工表面粗糙度較差。 數(shù)控電火花成形加工（2）表面變質(zhì)層（電火花加工表層）。經(jīng)電火花加工后的工件表層，包括熔化凝固層和熱影響層，如圖7-15所示。圖7-15 放點(diǎn)凹坑剖面 數(shù)控電火花成形加工 熔化凝固層。凝固層位于工件表面最上層，是工件表層材料在脈沖放電的瞬時(shí)高溫作用下熔化后未能拋去，在脈沖放電結(jié)束后迅速冷卻，凝固而保留下來的金屬層。融化層的厚度隨脈

19、沖能量的增大而變厚，大約為最大不平度值的12倍，但一般不超過0.1mm。單個脈沖能量一定時(shí)，脈寬越窄，熔化凝固層越薄 熱影響層。熱影響層位于凝固層和工件基體材料之間，對未淬火的鋼，熱影響層主要為淬火層；對淬火鋼，熱影響層主要為重新淬火層，其厚度較大。單個脈沖能量及脈沖寬度愈大，表面變質(zhì)層就愈厚；工作液的冷卻速度愈快，粘度愈小，表面變質(zhì)層也愈厚。一般粗、半精加工表面變質(zhì)層的厚度為0.10.5mm，精加工為0.010.05mm，微細(xì)加工小于0.01mm。 數(shù)控電火花成形加工（3）表面力學(xué)性能。 顯微硬度及耐磨性。電火花加工后表面層的硬度一般均比較高，但對某些淬火鋼，也可能稍低于基體硬度。對未淬火鋼

20、，特別是原來含碳量低的鋼，熱影響層的硬度都比基體材料高；對淬火鋼，熱影響層中的再淬火區(qū)硬度稍高或接近于基體硬度，而回火區(qū)的硬度比基體低，高溫回火區(qū)又比低溫回火區(qū)的硬度低。因此，一般來說，電火花加工表面最外層的硬度比較高，耐磨性好。 數(shù)控電火花成形加工 殘余應(yīng)力。電火花加工表面存在著由于瞬時(shí)先熱脹后冷縮作用而形成殘余應(yīng)力，而且大部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小和分布，主要和材料在加工前的熱處理狀態(tài)及加工時(shí)的脈沖能量有關(guān)。 耐疲勞性能。電火花加工表面存在著較大的拉應(yīng)力，還可能存在顯微裂紋，因此其耐疲勞性能比機(jī)械加工的表面低許多倍。采用回火處理等，有助于降低殘余應(yīng)力，或是殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而提高其耐疲勞性能。 數(shù)控電火花成形加工4. 電極在電火花成形加工過程中，電極是十分重要的部件，對其工藝影響甚大。(1)電極損耗。電極的損耗是影響加工精度的一個重要因素。減少電極損耗的措施為： 正確選擇極性。一般說來，在短脈沖精加工時(shí)采用正極加工，而在長脈沖粗加工時(shí)則采用負(fù)極加工。 利用吸附效應(yīng)。 數(shù)控電火花成形加工（2）電極材料。在生產(chǎn)中應(yīng)選擇損耗小