电火花加工.docx

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电火花加工

教案

课题：

3.1概述

3.2电火花加工

教学目的：

1．了解特种加工的种类

2．了解特种加工的特点

3．掌握电火花加工的原理、特点

4.掌握电火花加工的应用

教学重点：

电火花加工的原理、特点和应用

教学难点：

电火花加工的原理

教学方法：

讲授

教具：

多媒体

课时：

2学时

1.概述

特种加工定义：

特种加工是指那些不属于常规加工工艺范畴的且主要是利用电能、声能、光能、热能以及化学能来切除材料的一种新型加工方法。

种类：

电类——电火花加工，电火花线切割加工，电子束加工，离子束加工等；光类——激光加工等；机械类——喷射加工；声机械类——超声波加工等；化学类——化学加工等；电化学类——电解加工，电铸加工，涂镀加工等；电化学机械类——电解磨削，电解珩磨等。

液流机械类——挤压珩磨，水射流切割等；

特点：

加工适应性强，加工范围广，不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力，冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。

两种或两种以上不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工。

2．电火花加工

电火花加工原理：

电火花加工是通过工件和工具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，从而将金属腐蚀下来，达到按要求改变材料的形状和尺寸的加工工艺。

这一过程大致分为以下几个阶段：

1）．极间介质的电离、击穿，形成放电通道（如图3.1（a）所示）

图3.1电火花加工原理图

2）．电极材料的熔化、气化热膨胀（如图3.1（b）、（c）所示）

3）．电极材料的抛出（如图3.1（d）所示）

4）．极间介质的消电离（如图3.1（e）所示）

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3.2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3.2电火花加工平面的形成

3电火花加工的主要特点

（1）.以柔克刚

由于电火花加工是一种腐蚀作用，电极与工件材料的相对硬度上没有必须的要求，工具电极的材料硬度可以比工件材料的硬度低。

（2）．工件不变形

由于电火花加工没有机械力作用，工件加工完后不会产生变形

（3）．连续进行粗、半精和精加工

（4）．易于实现控制和加工自动化

（5）．工具电极的制造有一定难度

（6）．电火花加工效率较低

（7）．电火花加工只适用于导电材料的工件

4电火花加工的应用

（1）．加工各种形状复杂的型腔和型孔。

（2）．电火花加工常作为模具工作件淬火后的精加工工序。

（3）．对如图3.3所示的模具型孔或型腔，可以整体成形，不必按图中分成1、2、3块的方式进行镶拼。

（4）．可以用作模具工作件的表面强化手段。

（5）．可以进行电火花磨削。

（6）．电火花加工可以刻字和刻制图案

小结

通过本次课程的学习，主要应了解特种加工的种类和特点，掌握电火花加工的原理、特点和应用。

在讲课的时候电火花加工的原理要配合动画或者相应的原理图来讲解，对于其特点和应用要举我们熟悉的例子。

教案

课题：

3.2.4电火花成形加工设备

3.2.5影响电火花加工的主要因素

教学目的：

1．了解电火花成形加工设备的组成和作用

2．掌握影响电火花加工的主要因素

教学重点：

影响电火花加工的主要因素

教学难点：

影响电火花加工的主要因素

教学方法：

讲授

教具：

多媒体

课时：

2学时

1.电火花成形加工设备

（1）.机床型号、规格、分类

电火花成形机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。

（2）.电火花成形加工机床结构

电火花成形加工机床也称电火花成形机。

它主要由机械部分（包括床身、立柱、纵横工作台、主轴头等）；脉冲电源（内有脉冲电源、电极自动跟踪系统、操作系统）；工作液循环处理系统等组成。

（3）．机床附件

1）平动头平动头主要用于型腔模在中加工和精加工时精修腔壁。

目的是提高仿形精度，保证加工稳定性。

2）电极夹具电极夹具是装夹工具电极并将其固定在主轴上的机床附件。

常用的有十字铰链式和球面铰链式两种，如图3.5和图3.6所示。

当工具电极较大时，可以采用如图3.7所示的螺纹夹头进行装夹。

其连接螺杆是与主轴相连接的。

2.影响电火花加工的主要因素

（1）．影响电火花加工生产率的主要因素

生产率通常以加工速度——单位时间内蚀除工件材料的体积（或质量）大小来衡量，用mm3/min（或g/min）表示。

1）．极性效应

在电火花成形加工中，工件材料在被逐渐蚀除的同时，工具电极的材料也在被蚀除。

但是，二者的蚀除量是不一样的——即使正、负两电极使用同一材料。

这种现象就叫做极性效应。

所谓极性，是指工件与脉冲电源哪个电极相连接。

若工件与电源的阳极相接，则称为阳极性加工；若工件与电源的阴极相接，则称为阴极性加工。

2）．电参数的影响

a脉冲宽度当其它参数不变时，增大脉宽，工具电极损耗减小，生产率提高，加工稳定性变好。

但是，应该针对不同的电极材料、不同的工件材料和加工要求，选择脉冲宽度。

b脉冲间隔脉冲间隔减小，放电频率提高，生产率相应提高。

c脉冲能量在正常情况下，蚀除速度与脉冲能量成正比。

（2）．影响电火花加工精度的主要因素

1）．加工斜度

斜度的大小，主要与二次放电的次数及单个脉冲能量大小有关。

次数越多，能量越大，则斜度就越大。

而二次放电的次数主要与排屑条件、排屑方向及加工余量有关。

2）.工具电极的精度及损耗

由于电火花加工属仿形加工，工具电极的加工缺陷会直接复印在工件上，因此，工具电极的制造精度对工件的加工精度会造成直接影响。

3）．电极和工件的装夹及定位

装夹、定位的精度和校正的准确度都会直接影响工件的加工精度。

4）．机床的热变形

电火花加工产生的加工热是很高的，使得机床主轴轴线产生偏转，从而影响工件的加工精度。

小结

通过本次课程的学习，主要应了解机床的基本结构和各个部分的作用;掌握影响电火花加工的主要因素,由于影响电火花加工的因素较抽象,学生不容易理解,所以在讲解的时候要尽可能的多举例说明影响因素。

教案

课题：

3.2.6电极的设计与制造

教学目的：

1．了解电极材料的选择和结构形式

2．掌握电极截面尺寸的确定

3、掌握电极制造的工艺方法

教学重点：

1．电极截面尺寸的确定

2．电极制造的工艺方法

教学难点：

电极截面尺寸的确定

教学方法：

讲授

教具：

多媒体

课时：

2学时

1．电极材料的选择

电极材料的特点应该是：

损耗小、成形快、加工稳定性好、机械加工工艺性好、价格适宜和来源广。

常用的电极材料有：

铸铁、钢、石墨、黄铜、紫铜、铜钨合金和铜银合金等。

2．电极的结构形式

常用的电极结构形式有四种：

即整体式、组合式、分解式和镶拼式。

（1）．加工型孔的电极

1）整体式电极这种电极是用整块材料加工出的，是一种最常用的结构形式。

特别适合尺寸较小，不太复杂的型孔加工。

如果型孔的加工面积较大，需要减轻电极本身的重量，可以在电极上加工一些“减轻孔”或者将其“挖空”。

如图3.8所示。

对减轻孔的设置有两点要求：

一是为了不影响工作液的强迫循环，减轻孔应设成盲孔。

二是孔口向上，以免孔内聚集气体引起爆鸣，以影响加工稳定性。

对一些容易变型或断裂的小电极，可在其尾部设置台肩，以起加强作用，如图3.9所示。

2）镶拼式电极有些电极由于结构的原因，做成整体较为困难，不易加工。

可以将其分成几块，加工完后再镶拼在一起，形成一个整体的电极。

图3.10是F形硅钢片冲裁模加工凹模的电极。

3）分解式电极是将复杂形状的电极分解成若干简单形状的电极，对型孔进行若干次分别加工成形。

图3.11是用分解式电极加工凹模的示意图。

4）组合式电极为了简化定位工序，提高型孔之间的位置精度和加工速度，可以采用组合式电极，如图3.12所示。

（2）．加工型腔的电极

型腔电极与型孔电极一样，也可分为整体式、镶拼式、组合式和分解式。

用得较多的是前两种。

因为型腔加工，几乎都是盲孔加工，排气、排屑条件较差，掌握不好将会严重影响加工状态的稳定性，甚至使加工无法进行。

所以，在设计时往往都通过设置排气、排屑孔和冲油孔来改善加工条件，如图3.13和3.14所示。

3．电极截面尺寸的确定

电极的截面尺寸分成横向截面和纵向截面尺寸。

（1）．穿孔电极的尺寸确定

1）电极长度图3.15是穿孔电极长度计算图。

其电极有效长度L为：

L=kH+H1mm（3-1）

式中H——凹模需电火花加工的厚度；

H1——其大小为（0.4～0.8）H；

L’——夹持端长度。

约为10～20mm）。

k——与电极材料、型孔的复杂程度以及加工方式有关的系数。

在生产实践中，还广泛使用阶梯电极。

所谓阶梯电极就是在原电极的基础上适当加长，如图3.16所示。

尺寸计算主要是L′和d′：

L′＝（1.2～1.4）Hmm（3－2）

d′＝d－2a或者d′＝（0.7～0.8）d（3－3）

式中H——为凹模需电火花加工的厚度；

a——为单边缩小量。

2）电极的截面尺寸电极的截面尺寸是按凹模型孔的截面尺寸均匀地减小一个单面放电间隙δ，其尺寸公差可取凸模相应尺寸公差的1／2～1／3，表面粗糙度一般取Ra0.8μm～Ra1.6μm。

a）按凹模尺寸和公差确定电极截面尺寸

如图3.17所示，电极的截面尺寸可按下式计算：

a＝A±kδ（3－4）

式中a——电极的截面尺寸；

A——型腔的名义尺寸；

k——系数，双边尺寸（图中a1、a2）取2，单边尺寸（图中r1、r2）取1，无缩放的（图中C）取0：

±——当电极轮廓为凹下（图中a2、r2）时取“＋”，为凸起（图中a1、、r1）时取“－”；

δ——精加工时的放电间隙，就是电极单边缩放量。

b）按凸模尺寸和公差确定电极截面尺寸

分为三种情况：

第一种凸模和凹模的配合间隙等于放电间隙，即X＝δ。

此时，电极的截面尺寸与凸模的截面尺寸完全相同。

第二种凸模和凹模的配合间隙大于放电间隙，即X＞δ。

电极的截面尺寸在凸模的四周均匀增大一个（X-δ）值。

如图3.18所示。

第三种凸模和凹模的配合间隙小于放电间隙，即X＜δ。

电极的截面尺寸在凸模的四周均匀缩小一个（δ-X）值。

如图3.19所示。

（2）．型腔电极的尺寸确定

型腔电极的纵向截面尺寸的确定是以型腔尺寸和放电间隙δ为依据进行计算。

参考图3.20，计算式如下：

H’=H（3－5）

R1’=R1-δ（3－6）

R2’=R2+δ（3－7）

（3－8）

电极总长度可由下式计算：

L＝H’＋L1＋L2mm（3－9）

式中L——电极的有效长度；

L1——电极需伸入型腔的高度；

L2——预留长度，考虑加工终了时夹具与工件不碰撞和电极重复使用等因素，一般预留10～20mm为宜。

4．电极制造的工艺方法

电极的制造不仅与材料有关，还与复杂程度和尺寸大小有关。

成形磨削的电极是与凸模用粘结剂粘结在一起同时磨削的，也可以用锡焊将电极与凸模连接在一起。

多型孔穿孔电极，可采用数控加工方法制造，也可按组合式电极制造。

有些电极形状较为复杂，可采用数控加工方法制造，也可按镶拼式电极进行制造。

阶梯电极的小端也可以成形磨削，。

（1）．石墨电极及其加工

石墨电极是电火花加工中最常用的电极材料之一。

石墨电极的制造基本上都采用切削加工和成形磨削。

石墨电极还可以压力振动的方法加工。

无论是整体电极还是拼合电极，都应使压制时的施压方向与电火花加工的进给方向垂直，如图3.21所示。

（2）．铜电极及其加工

铜属软金属材料，加工时易变形，加工的电极表面粗糙度较差。

切削加工时要用肥皂水作工作液，同时，进刀量要尽可能小。

（3）．铜钨合金、银钨合金电极及其加工

宜选用硬质合金刀具作切削加工。

磨削加工时容易堵塞砂轮；选择的砂轮粒度不能太细，宜选用白刚玉砂轮；磨削时要加磨削液。

薄的工件加工时容易回弹，因此，进刀量要尽可能小。

5、电极和工件的装夹定位

（1）．电极的装夹

装夹电极的夹具有：

钻夹头、螺纹夹头、十字铰链式夹具、球面铰链式夹具等。

（2）．工件的装夹

工件一般直接压在工作台上；若有冲油要求时，工件要安装在工作台上的油杯或垫块上；待找正后用压板和螺栓压紧。

（3）．找正与定位

找准电极与工件间正确的相对位置，以保证模具的制造精度。

而定位就是将电极和工件间找正后的位置确定下来，保证定位精度。

电极的找正方法有：

角尺法和千分表法，分别如图3.22、图3.23和图3.24所示。

两种方法都是找正电极对工作台的垂直度。

角尺找正要在两个互相垂直的方向进行，图3.22中画出了角尺找正的两个方向。

小结

通过本次课程的学习，主要应了解电极材料的选择和结构形式、掌握电极截面尺寸的确定和电极制造的工艺方法。

其中电极截面尺寸的确定和工艺相对较难，但是本章的重点应多举例讲授。

教案

课题：

3.2.7电火花成形加工的主要加工方法

3.2.8电火花加工规准的选择

3.2.9电火花加工的工作液选择

教学目的：

1．掌握电火花成形加工的主要加工方法

2．掌握电火花加工规准的选择

3．了解电火花加工的工作液选择

教学重点：

1．电火花成形加工的主要加工方法

2.电火花加工规准的选择

教学难点：

电火花加工规准的选择

教学方法：

讲授

教具：

多媒体

课时：

2学时

3.2.7电火花成形加工的主要加工方法

电火花成形加工方法主要有穿孔加工方法和型腔加工方法。

常用的电火花型腔加工方法有单电极平动法、多电极加工法、分解电极加工法和程控电极加工法。

1．单电极平动法

单电极平动法是采用一个电极完成粗、半精、精加工。

首先用低损耗、高生产率的粗规准加工，利用平动头作小圆运动。

如图3.25所示。

按粗、中、精顺序逐级改变电参数，同时依次加大电极平动量，以补偿前后两个加工规准之间型腔侧面的放电间隙差和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿形修光，直至完成整个型腔加工。

单电极平动法在模具型腔加工中应用非常广泛。

平动加工的特点是只需一个电极、一次安装便可完成加工，并且排屑方便。

但是，难以获得高精度的型腔，尤其是清棱、清角差。

2．多电极加工法

多电极加工法将粗、精加工分开，用不同的电极更换加工同一个型腔，每个电极加工时必须把上一规准的放电痕迹去掉。

多电极加工仿形精度高，适于尖角、窄缝多的型腔加工。

3．分解电极加工法

分解电极加工法是单电极平动法和多电极加工法的综合云应用。

根据型腔形状特点，将电极分解为主、副型腔电极制造。

配合不同的电规准，先加工主型腔，再用副型腔电极加工尖角、窄缝等处的副型腔。

这种方法有利于提高加工速度和改善加工表面质量。

4．程控电极加工法

程控电极加工法是将型腔分解为更为简单的表面，制造相应简单的电极，在数控电火花机床上，由程序控制自动更换电极和转换电规准，实现复杂型腔的加工。

3.2.8电火花加工规准的选择

电规准是指根据不同的加工要求选择的一组电参数。

其内容有：

脉冲宽度

、脉冲电流峰值

和脉冲频率

。

电火花加工规准根据加工所能得到的型面质量及放电间隙的大小分为粗规准、中规准和精规准三种。

其中粗规准主要用于粗加工，去除大部分加工余量；中规准是由粗规准转为精规准的过渡规准；精规准是达到电火花加工指标的主要规准。

正确选择电加工规准是保证电火花加工质量、提高加工速度的重要环节。

对于不同的加工情况，对规准的选择也不同。

在电规准的选择过程中，经验非常重要。

在书中表3-2中给出了一般情况下的加工规准选择。

3.2.9电火花加工的工作液选择

1．工作液的作用

1）．压缩放电通道，使放电能量高度集中在极小的区域内，既加强蚀除效果，又提高放电仿形的精确度。

2）．加速电极间隙的冷却，有助于防止金属表面局部热量积累，防止烧伤和电弧放电的产生。

3）．加剧放电的流体动力过程，有助于金属的抛出，加速了电蚀产物的排除。

4）．有助于加强电极表面的覆盖效应和改变工件表面层的物理化学性能。

2．对工作液的要求

1）工作液应具有一定的绝缘性。

2）有较好的冷却性能。

3）有较好的洗涤性能，利于排屑。

4）有较好的防锈性能，利于机床维护和工作防锈。

5）工作液对人体应无害。

工作时，不放出有害气体。

3．常用工作液的种类及其应用

电火花加工最常用的工作液为煤油。

其次是机油、锭子油。

水和水基工作液（包括去离子水等）用得较少。

小结

通过本次课程的学习，主要应掌握电火花成形加工的主要加工方法和电火花加工规准的选择、了解电火花加工的工作液选择。

其中电规准的选择较难是确定加工零件质量好坏的重要因素之一要详细讲解

教案

课题：

3.3电火花线切割加工

教学目的：

1．掌握电火花线切割加工的原理、特点和分类

2．了解快走丝线切割机床简介

教学重点：

1．电火花线切割加工的原理、特点和分类

教学难点：

无

教学方法：

讲授

教具：

多媒体

课时：

2学时

3.3.1电火花线切割加工的原理、特点和分类

1．电火花线切割加工的原理

电火花线切割加工与电火花成形加工都是直接利用电能对金属材料进行加工的，同属蚀除加工，其加工原理相似。

线切割加工是利用不断运动的电极丝与工件之间产生火花放电，从而将金属蚀除下来，实现轮廓切割的。

如图3.26所示

图3.26电火花线切割加工原理图

1-工作液箱2-储丝筒3-电极丝4-供液管5-进电块

6-工件7-夹具8-脉冲电源9-纵横拖板

2．电火花线切割加工的特点

与电火花成形加工相比，电火花线切割加工有如下特点：

（1）．不需要单独制造电极

（2）．不需考虑电极损耗

（3）．能加工精密细小、形状复杂的通孔零件或零件外形

（4）．不能加工盲孔

3．线切割机床的分类

（1）．按切割的轨迹分类

按线切割加工的轨迹可以将其分为直壁切割、锥度切割和上下异形面线切割加工。

1）直壁切割是指电极丝运行到切割段时，其走丝方向与工作台保持垂直关系。

2）锥度切割锥度切割又分为圆锥面切割和斜（平）面切割。

3）上下异形面切割在前两种切割中，工件的上下表面的轮廓是相似的，而在上下异形面切割中，工件的上下表面的轮廓不是相似的。

（2）．按走丝速度分类

1）快速走丝线切割机床

快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10m/s，是我国独创的电火花线切割加工模式。

快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够双向往返运行，重复使用，直至断丝为止。

2）慢速走丝线切割机床

慢速走丝线切割机床走丝速度低于0.2m/s。

3.3.2快走丝线切割机床简介

由于科学技术的发展，目前在生产中使用的快走丝线切割机床几乎全部采用数字程序控制，这类机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成。

1．机床本体

机床本体主要由床身、工作台、运丝机构和丝架等组成，具体介绍如下：

（1）床身

床身是支承和固定工作台、运丝机构等的基体。

（2）工作台

目前在电火花线切割机床上采用的坐标工作台，大多为X、Y方向线性运动。

（3）运丝机构

在快走丝线切割加工时，电极丝需要不断地往复运动，这个运动是由运丝机构来完成的。

最常见的如图3.27），这种形式的运丝机构的优点是结构简单、维护方便，因而应用广泛。

其缺点是绕丝长度小，电动机正反转动频繁，电极丝张力不可调。

图3.27快走丝线切割机床结构图

（4）丝架

丝架的主要作用是在电极丝快速移动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持垂直。

2．脉冲电源

电火花线切割加工的脉冲电源与电火花成型加工作用的脉冲电源在原理上相同，不过受加工表面粗糙度和电极丝允许承载电流的限制，线切割加工脉冲电源的脉宽较窄（2～60μs），单个脉冲能量、平均电流（1～5A）一般较小，所以线切割总是采用正极性加工。

3．数控系统

具体体作用现在两方面：

（1）轨迹控制作用。

（2）加工控制。

4．工作液循环系统

主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管和过滤网罩等。

小结

通过本次课程的学习，主要应掌握电火花线切割加工的原理、特点和电火花线切割加工的程序编制、了解快走丝线切割机床结构及各部分作用。

教案

课题：

3.3电火花线切割加工

教学目的：

1．掌握电火花线切割3B代码程序编制

教学重点：

线切割3B代码程序编制

教学难点：

无

教学方法：

讲授

教具：

多媒体

课时：

2学时

3.3.3电火花线切割加工的程序编制

1.线切割3B代码程序格式

线切割加工轨迹图形是由直线和圆弧组成的，它们的3B程序指令格式如表3-3所示。

表3-33B程序指令格式

2．直线的3B代码编程规则

1）x，y值的确定

以直线的起点为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示直线终点的绝对值坐标，单位为μm。

图3.28直线轨迹

如图3.28（a）所示的轨迹形状，请读者试着写出其（b）、（c）、（d）图中各终点的x，y值（注：

在本章图形所标注的尺寸中若无说明，单位都为mm）。

2）G的确定

G用来确定加工时的计数方向，分Gx和Gy。

直线的计数方向取直线的终点坐标值中较大值的方向，即当直线终点坐标值X>Y时，取G=GX；当直线终点坐标值X

取G=GY，二、四象限取G=GX。

G的确定如图3.29所示。

图3.29G的确定

3）J的确定

J为计数长度，以μm为单位。

J的取值方法为：

由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将直线向X轴投影得到长度的绝对值即为J的值；若G=Gy，则将直线向Y轴投影得到长度的绝对值即为J的值。

直线编程，可直接取直线终点坐标值中的大值。

即：

X＞Y，J=X；X＜Y，J=Y，X=Y，J=X=Y。

4）Z的确定

加工指令Z按照直线走向和终点的坐标不同可分为L1、L2、L3、L4，其中与+X轴重合的直线算作L1，与-X轴重合的直线算作L3，与+Y轴重合的直线算作L2，与-Y轴重合的直线算作L4，具体可参考图3.30。

图3.30Z的确定

3．圆弧的3B代码编程

1）x，y值的确定

以圆弧的圆心为原点，建立正常的直角坐标系，x，y表示圆弧起点坐标的绝对值，单位为μm。

如在图3.31（a）中，x=30000，y=40000；在图3.31（b）中，x=40000,y=30000。

图3.31圆弧轨迹

2）G的确定

圆弧的计数方向取圆弧的终点坐标值中较小值的方向，即当圆弧终点坐标值X>Y时，取G=Gy；当圆弧终点坐标值X

取G=Gx，二、四象限取G=Gy。

（如图3.31（a）所示）；若y>x，则G=Gx（如图3.31（b）所示）。

具体可参见图3.31（c）。

3）J的确定

由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将圆弧向X轴投影；若G=Gy，则将圆弧向Y轴投影。

J值为各个象限圆弧投影长度绝对值的和。

如在图3.10（a）、（b）中，J1、J2、J3大小分别如图中所示，J=|J1|+|J2|+|J3|。

4）Z的确定

由圆弧起点所在象限和圆弧加工走向确定。

按切割的走向可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令：

SR1、SR2、SR3、SR4、NR1、NR2