特种加工教案.docx
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特种加工教案
课题：
概论
课时：
2
授课：
尹有根
教学目标：
特种加工的概念、特点及发展、分类
教学重点：
1特种加工的特点及发展
2特种加工的分类
1.1特种加工的概念
一、引入课题:
特种加工产生的条件，之所以产生特种加工普通机械加工满足不了加工的要求。
一些难加工的材料、一些有特殊要求的零件、加工效率（生产率）、生产成本等等都需要特种加工。
比较普通加工与特种加工的区别来引入课题。
二、讲课内容
1、特种加工的产生及定义
随着社会生产的需要和科学技术的进步，20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工。
后来，由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新加工方法。
这些新加工方法从广义上定义为特种加工（NTM，Non-TraditionalMachining），也被称为非传统加工技术，其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或其组合施加到工件被加工的部位上，从而实现材料去除。
©可播放特种加工的一些视频。
1.2特种加工的特点及发展
1.3特种加工的分类
一、复习旧课:
特种加工产生的原因及定义。
二、引入新课：
特种加工范围广但有一些共性。
与机械加工比起来有以下的一些特点。
三、讲课内容
1、与传统的机械加工相比，特种加工的不同点是：
（1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他能量（如电、化学、光、声、热等）去除金属材料。
（2）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，故加工的难易与工件硬度无关。
（3）各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。
正因为特种加工工艺具有上述特点，所以就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。
2、特种加工技术的研究主要表现在以下几个方面：
（1）微细化。
（2）特种加工的应用领域正在拓宽。
（3）广泛采用自动化技术。
3、我国特种加工技术的发展情况
我国的特种加工技术起步较早。
20世纪50年代中期我国工厂已设计研制出电火花穿孔机床，60年代末上海电表厂张维良工程师在阳极—机械切割的基础上发明了我国独创的快走丝线切割机床，
4、特种加工的分类
分类没有明确的规定，一般按能量来源和作用形式以及加工原理可分为表1-1所示的形式
表1-1常用特种加工方法的分类
依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析，区别对待，合理选择特种加工方法。
如表1-2所示
表1-2几种常见特种加工方法的综合比较
四、总结：
1、特种加工的特点和发展方向。
2、特种加工的分类
课题：
第二章电火花加工
2.1电火花加工的基本原理及其分类
2.2电火花加工的机理
课时：
2
授课：
尹有根
教学目标：
电火花加工的物理本质及特点
教学重点：
1电火花加工的基本原理及其分类
2电火花加工的机理
2.1电火花加工的物理本质及特点
一、复习旧课：
与机械加工比较特种加工的特点及它的发展方向和分类。
二、引入新课:
电火花加工是特种加工的典型代表。
我们看见电火花加工中有火花产生材料就被蚀除掉了这是什么原因呢？
三、讲课内容：
1、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。
分为以下几个阶段（如图2-1所示）：
图2-1电火花加工原理
（1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道（如图2-1（a）所示）。
（2）电极材料的熔化、气化热膨胀（如图2-1（b）、（c）所示）。
（3）电极材料的抛出（如图2-1（d）所示）。
（4）极间介质的消电离（如图2-1（e）所示）。
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。
上述步骤
（1）～（4）在一秒内约数千次甚至数万次地往复式进行，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，蚀出另一个小凹坑。
（如图2-2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。
图2-2电火花表面局部放大图
2、电火花加工、电火花线切割加工的特点
1）．共同特点
（1）二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切削力。
（2）二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。
（3）最小角部半径有限制。
电火花加工中最小角部半径为加工间隙，线切割加工中最小角部半径为电极丝的半径加上加工间隙。
2）．不同特点
（1）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（如图2-3所示）。
而线切割加工是利用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）做电极，对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法，如图2-4所示。
图2-3电火花加工
图2-4线切割加工
（2）从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方法加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进行轮廓图形加工，余料仍可利用。
（3）从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极（一般用铜、石墨等材料制作而成）；线切割加工用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）做电极。
（4）从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，易损耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于电极丝连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。
（5）从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹等（如图2-5（a）所示）；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件（如图2-5（b）所示）。
（a）电火花加工产品（b）线切割加工产品
图2-5加工产品实例
四、总结：
1、电火花加工的物理本质
2、电火花加工、电火花线切割加工的异同点
五、作业：
1、电火花加工的物理本质是什么？
2、电火花加工与电火花线切割加工的异同点是什么？
课题：
第二章电火花加工
2.3电火花加工的一些基本规律
课时：
2
授课：
尹有根
教学目标：
电火花加工的一些基本规律
教学重点：
1电火花加工的一些基本规律
一、复习旧课：
电火花加工的特点
二、引入新课：
表面粗糙度、加工精度时电火花加工两个中的指标。
三、讲课内容：
１、影响表面粗糙度的主要因素
电火花加工表面粗糙度的形成与切削加工不同，它是由若干电蚀小凹坑组成的，能存润滑油，其耐磨性比同样粗糙度的机加工表面要好。
当峰值电流一定时，脉冲宽度越大，单个脉冲的能量就大，放电腐蚀的凹坑也越大、越深，所以表面粗糙度就越差。
在脉冲宽度一定的条件下，随着峰值电流的增加，单个脉冲能量也增加，表面粗糙度就变差。
在一定的脉冲能量下，不同的工件电极材料表面粗糙度值大小不同，熔点高的材料表面粗糙度值要比熔点低的材料小。
工具电极表面的粗糙度值大小也影响工件的加工表面粗糙度值。
由于电极的相对运动，工件侧边的表面粗糙度值比端面小。
干净的工作液有利于得到理想的表面粗糙度。
２、影响加工精度的主要因素
1）．放电间隙
间隙大小对形状精度也有影响，间隙越大，则复制精度越差，特别是对复杂形状的加工表面。
2）．加工斜度 进入行腔后二次放电，产生加工斜度。
3）．工具电极的损耗
工具电极的损耗锥度反映到工件上是加工斜度。
３、电火花加工表面变化层和机械性能
图3-11电火花加工表面变化层
２）表面变化层的机械性能
※显微硬度及耐磨性
工件在加工前由于热处理状态及加工中脉冲参数不同，加工后的表面层显微硬度变化也不同。
加工后表面层的显微硬度一般比较高，但由于加工电参数、冷却条件及工件材料热处理状况不同，有时显微硬度会降低。
※残余应力
电火花表面存在着由于瞬时先热后冷作用而形成的残余应力，而且大部分表现为拉应力。
※疲劳性能
电火花加工后，工件表面变化层金相组织的变化，会使耐疲劳性能比机械加工表面低许多倍。
４、电火花加工的稳定性
1）．电规准与加工稳定性
一般来说，单个脉冲能量较大的规准，容易达到稳定加工。
在微细加工、排屑条件很差、电极与工件材料不太合适时，可增加间隔来改善加工的不稳定性，但这样会引起生产率下降。
对每种电极材料对，必须有合适的加工波形和适当的击穿电压，才能实现稳定加工。
当平均加工电流超过最大允许加工电流密度时，将出现不稳定现象。
2）．电极进给速度
电极的进给速度与工件的蚀除速度应相适应，这样才能使加工稳定进行。
进给速度大于蚀除速度时，加工不易稳定。
3）．蚀除物的排除情况
4）．电极材料及工件材料
对于钢工件，各种电极材料的加工稳定性好坏次序如下：
紫铜（铜钨合金、银钨合金）>铜合金（包括黄铜）>石墨>铸铁>不相同的钢>相同的钢；
淬火钢比不淬火钢工件加工时稳定性好；硬质合金、铸铁、铁合金、磁钢等工件的加工稳定性差。
5）．极性不合适的极性可能导致加工极不稳定
6）．加工形状
５、合理选择电火花加工工艺
一般来说，主要采用两种方法来处理：
第一，先主后次，如在用电火花加工去除断在工件中的钻头、丝锥时，应优先保证速度，因为此时工件的表面粗糙度、电极损耗已经不重要了；第二，采用各种手段，兼顾各方面。
其中主要常见的方法有：
（1）粗、中、精逐挡过渡式加工方法。
（2）先用机械加工去除大量的材料，再用电火花加工保证加工精度和加工质量。
（3）采用多电极。
在加工中及时更换电极，当电极绝对损耗量达到一定程度时，及时更换，以保证良好的加工质量。
四、总结
１、影响表面粗糙度、加工精度的因素
２、如何控制电火花加工表面变化层和机械性能、加工的稳定性
３、如何合理选择电火花加工工艺
电火花加工机床简介
一、复习旧课:
电火花加工的物理本质及电火花加工、电火花线切割加工的异同点。
二、引入课题:
知道了电火花加工的本质，接下来分开来介绍电火花加工和线切割加工。
先看看电火花加工。
三、讲课内容：
1、机床型号、规格、分类
我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。
例如D7132中，D表示电加工成型机床（若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK）；71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320mm。
电火花加工机床按其大小可分为小型（D7125以下）、中型（D7125～D7163）和大型（D7163以上）；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。
2、电火花加工机床结构
电火花加工机床主要由机床本体、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，如图2-6所示。
图2-6电火花机床
1）、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。
机床主轴头和工作台常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、油杯等。
本节主要介绍平动头。
在电火花加工中当用一个电极进行粗加工时，将工件的大部分余量蚀除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得转换规准逐挡进行修整。
但由于中、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的放电间隙小，若不采取措施则四周侧壁就无法修光了。
平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。
平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。
平动头的动作原理是：
利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线面积就形成加工横截面积，如图2-7所示，其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量，其大小可以由零逐渐调大，以补偿粗、中、精加工的电火花放电间隙δ之差，从而达到修光型腔的目的。
图2-7平动头扩大间隙原理图
（a）机械式平动头（b）数控平动头
图2-8平动头外形
2）、脉冲电源
在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。
脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足如下要求：
（1）要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。
（2）火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。
（3）脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。
（4）脉冲波形的主要参数（峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等）有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。
（5）有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。
※弛张式脉冲电源
弛张式脉冲电源是最早使用的电源，它是利用电容器充电储存电能，弛张式脉冲电源结构简单，使用维修方便，加工精度较高，粗糙度值较小，但生产率低，电能利用率低，加工稳定性差，故目前这种电源的应用已逐渐减少。
如图2-9所示
图2-9RC线路脉冲电源
※闸流管脉冲电源
闸流管是一种特殊的电子管，当对其栅极通入一脉冲信号时，便可控制管子的导通或截止，输出脉冲电流。
由于这种电源的电参数与加工间隙无关，故又称为独立式电源。
闸流管脉冲电源的生产率较高，加工稳定，但脉冲宽度较窄，电极损耗较大。
※晶体管脉冲电源
晶体管脉冲电源其输出功率大，电规准调节范围广，电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。
晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上。
四、总结
1、电火花机床型号、规格、分类
2、电火花机床的机床本体和脉冲电源的结构和特点
课题：
第二章电火花加工
2.4电火花加工的脉冲电源
2.5电火花加工的自动进给调节系统
2.6电火花加工机床
课时：
2
授课：
尹有根
教学目标：
1.电火花加工的脉冲电源、自动进给调节系统
2.电火花加工机床
教学重点：
1.电火花加工的脉冲电源、自动进给调节系统
2.电火花加工机床
一、复习旧课：
电火花机床型号、规格、分类及电火花机床的机床本体和脉冲电源的结构和特点。
二、引入新课：
上次课介绍了电火花的平动头和脉冲电源是电火花机床厂家的核心机密，今天继续看以下另外的两个部件。
三、讲课内容
3、自动进给调节系统
在电火花成型加工设备中，自动进给调节系统占有很重要的位置，它的性能直接影响加工稳定性和加工效果。
电火花成型加工的自动进给调节系统，主要包含伺服进给系统和参数控制系统。
伺服进给系统主要用于控制放电间隙的大小，而参数控制系统主要用于控制电火花成型加工中的各种参数（如放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔等），以便能够获得最佳的加工工艺指标等。
1）伺服进给系统的作用及要求
在电火花成型加工中，电极与工件必须保持一定的放电间隙。
伺服进给系统一般有如下要求
（1）有较广的速度调节跟踪范围。
（2）有足够的灵敏度和快速性。
（3）有较高的稳定性和抗干扰能力。
这里简单介绍电液压式伺服进给系统的原理。
2）电液压式伺服进给系统
图2-10所示为DYT-2型液压主轴头的喷嘴—挡板式调节系统的工作原理图。
图2-10喷嘴—挡板式电液压自动调节器工作原理
当放电间隙短路时，动圈两端电压为零，此时动圈不受电磁力的作用，挡板受弹簧力处于最高位置Ⅰ，喷嘴与挡板门开口为最大，使工作液流经喷嘴的流量为最大，上油腔的压力下降到最小值，致使上油腔压力小于下油腔压力，故活塞杆带动工具电极上升。
当放电间隙开路时，动圈电压最大，挡板被磁力吸引下移到最低位置Ⅲ，喷嘴被封闭，上、下油腔压强相等，但因下油腔工作面积小于上油腔工作面积，活塞上的向下作用力大于向上作用力，活塞杆下降。
当放电间隙最佳时，电动力使挡板处于平衡位置Ⅱ，活塞处于静止状态。
4、工作液过滤和循环系统
电火花加工中的蚀除产物，一部分以气态形式抛出，其余大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中，直径一般为几微米。
随着电火花加工的进行，蚀除产物越来越多，充斥在电极和工件之间，或粘连在电极和工件的表面上。
蚀除产物的聚集，会与电极或工件形成二次放电。
为了改善电火花加工的条件，一种办法是使电极振动，以加强排屑作用；另一种办法是对工作液进行强迫循环过滤，以改善间隙状态。
图2-11工作液循环系统油路图
四、总结：
1、自动进给调节系统特点及工作原理
2、工作液过滤和循环系统作用
2.2电火花加工机床简介
一、复习旧课:
自动进给调节系统特点及工作原理并工作液过滤和循环系统作用。
二、引入新课：
现今各种加工机床都以数控化，接下来我们来看一下电火花机床的数控系统功能。
三、讲课内容：
5、数控系统
1）数控电火花机床的类型
根据机床的数控坐标轴的数目，目前常见的数控机床有三轴数控电火花机床、四轴三联动数控电火花机床、四轴联动或五轴联动甚至六轴联动电火花加工机床。
现在部分数控电火花机床还带有工具电极库，在加工中可以根据事先编制好的程序，自动更换电极。
2）数控电火花机床的数控系统工作原理
数控电火花机床能实现工具电极和工件之间的多种相对运动，可以用来加工多种较复杂的型腔。
目前，绝大部分电火花数控机床采用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等，具体内容如下：
（ISO代码编程ISO代码是国际标准化机构制定的用于数控编码和程序控制的一种标准代码。
代码主要有G指令（即准备功能指令）和M指令（即辅助功能指令），具体见表2-1。
表2-1常用的电火花数控指令
表2-2工作坐标系
以上代码，绝大部分与数控铣床、车床的代码相同，只有G54、G80、G82、M05等是以前接触较少的指令，其具体用法如下：
图2-12工作坐标系切换
一般的慢走丝线切割机床和部分快走丝线切割机床都有几个或几十个工作坐标系，可以用G54、G55、G56等指令进行切换（如表2-2所示）。
如图2-12所示，可以通过如下指令切换工作坐标系。
G92G54X0Y0；
G00X20.Y30.；
G92G55X0Y0；
这样通过指令，首先把当前的O点定义为工作坐标系0的零点，然后分别把X、Y轴快速移动20mm、30mm到达点O‘，并把该点定义为工作坐标系1的零点。
G80:
含义：
接触感知。
格式：
G80轴＋方向
如：
G80X－；/电极将沿X轴的负方向前进，直到接触到工件，然后停在那里
G82：
含义：
移动到原点和当前位置一半处。
格式：
G82轴
如：
G92X100.;/将当前点的X坐标定义为100.
G82X;/将电极移到当前坐标系X=50.的地方
M05：
含义：
忽略接触感知，只在本段程序起作用。
如：
G80X－；/X轴负方向接触感知
G90G92X0Y0；/设置当前点坐标为（0，0）
M05G00X10./忽略接触感知且把电极向X轴正方向移动10mm
图2-13工件找正图
以上代码通常用在加工前电极的定位上，具体实例如下：
如图2-13所示，ABCD为矩形工件，AB、BC边为设计基准，现欲用电火花加工一圆形图案，图案的中心为O点，O到AB边、BC边的距离如图中所标。
已知圆形电极的直径为20mm，请写出电极定位于O点的具体过程。
首先将电极移到工件AB的左边，Y轴坐标大致与O点相同，然后执行如下指令：
G80X+;
G90G92X0;
M05G00X－10.；
G91G00Y－38.；
G90G00X50.；
G80Y+；
G92Y0；
M05G00Y－2.；/电极与工件分开，2mm表示为一小段距离
G91G00Z10.；/将电极底面移到工件上面
G90G00X50.Y28.；
四、总结
电火花加工机床的数控系统的功能指令和编程方法
课题：
第二章电火花加工
2.7电火花穿孔成形加工
课时：
2
授课：
尹有根
教学目标：
电火花穿孔成形加工
教学重点：
电火花穿孔成形加工方法
4.1电火花加工方法
1、穿孔加工方法
一、复习旧课：
影响表面粗糙度、加工精度的因素，如何合理选择电火花加工工艺
二、引入新课：
电火花加工主要由三部分组成：
电火花加工的准备工作、电火花加工、电火花加工检验工作。
其中电火花加工可以加工通孔和盲孔，前者习惯称为电火花穿孔加工，后者习惯上称为电火花成型加工。
它们不仅是名称不同，而且加工工艺方法有着较大的区别，本章将分别加以介绍。
三、讲课内容：
1、电火花穿孔加工方法
电火花穿孔加工一般应用于冲裁模具加工、粉末冶金模具加工、拉丝模具加工、螺纹加工等。
1）．间接法
间接法是指在模具电火花加工中，凸模与加工凹模用的电极分开制造，首先根据凹模尺寸设计电极，然后制造电极，进行凹模加工，再根据间隙要求来配制凸模。
图4-1为间接法加工凹模的过程。
间接法的优点是：
图4-1间接法
（1）可以自由选择电极材料，电加工性能好。
（2）因为凸模是根据凹模另外进行配制，所以凸模和凹模的配合间隙与放电间隙无关。
间接法的缺点是：
电极与凸模分开制造，配合间隙难以保证均匀。
2）．直接法
直接法适合于加工冲模，是指将凸模长度适当增加，先作为电极加工凹模，然后将端部损耗的部分去除直接成为凸模直接法加工的凹模与凸模的配合间隙靠调节脉冲参数、控制火花放电间隙来保证。
直接法的优点是：
（1）可以获得均匀的配合间隙、模具质量高。
（2）无须另外制作电极。
（3）无须修配工作，生产率较高。
直接法的缺点是：
（1）电极材料不能自由选择，工具电极和工件都是磁性材料，易产生磁性，电蚀下来的金属屑可能被吸附在电极放电间隙的磁场中而形成不稳定的二次放电，使加工过程很不稳定，故电火花加工性能较差。
（2）电极和冲头连在一起，尺寸较长，磨削时较困难。
3）.混合法
混合法也适用于加工冲模，是指将电火花加工性能良好的电极材料与冲头材料粘结在一起，共同用线切割或磨削成型，然后用电火花性能好的一端作为加工端，将工件反置固定，用“反打正用”的方法实行加工。
（如图4-2所示）。
图4-2混合法
混合法的特点是：
（1）可以自由选择电极材料，电加工性能好。
（2）无须另外制作电极。
（3）无须修配工作，生产率较高。
（4）电极一定要粘结在冲头的非刃口端
4）.阶梯工具电极加工法
阶梯工具电极加工法在冷冲模具电火花成型加工中极为普遍，其应用方面有两种：
（1）无预孔或加工余量较大时，可以将工具电极制作为阶梯状，将工具电极分为两段，即缩小了尺寸的粗加工段和保持凸模尺寸的精加工段。
（2）在加工小间隙、无间隙的冷冲模具时，配合间隙小于最小的电火
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