便携式电火花加工机设计毕设论文.docx
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便携式电火花加工机设计毕设论文
摘要
电火花加工技术是特种加工技术的一种。
从电火花创立至今，己经有61年的历史，经过世界各国学者的不断努力，电火花加工的发展非常迅速，应用范围不断扩大，基础理论和技术装备都日趋完善。
电火花加工技术发展已成为现代生产上极其重要的加工手段，在制造业中发挥着不可替代的作用。
随着制造技术水平的不断提高，涌现出很多问题需要我们解决。
目前，便携式电火花加工装置己成为研究的热点。
在航空航天、微电子、医学、光学以及模具等各个领域中，有许多零件采用常规机床加工困难，甚至无法加工，特别是对狭小空间内的加工，还有微细孔的加工以及特殊加工材料的加工等，采用便携式电火花加工装置则会取得令人满意的效果。
为了适应当今电火花加工技术发展的需要，本文设计了一台便携式电火花加工机，设计内容包括：
电火花加工机的机械结构设计，电火花加工机的自动进给调节系统与机械装置设计，并且详细的陈述了电火花的基本工艺规律。
Abstract
EDMtechnologyisaspecialprocessingtechnology.Foundedfromtheelectricspark,has61yearsofhistory,throughthecontinuouseffortsofscholarsaroundtheworld,EDMhasdevelopedrapidly,increasingscopeofapplication,basictheoryandtechnicalequipmentarematuring.EDMtechnologyhasbecomeextremelyimportantmodernproductionprocessmeans,inthemanufacturingsectorplaysanirreplaceablerole.
Withincreasinglevelsofmanufacturingtechnology,manyproblemshaveemergedweneedtosolve.Atpresent,theportabledeviceEDMhasbecomearesearchhotspot.Intheaerospace,microelectronics,medical,optical,andmoldandotherfields,therearemanypartsusingconventionalmachiningdifficult,ifnotprocessing,particularlyforsmallspaceprocessing,aswellasmicro-holemachiningandspecialprocessingofmaterialsprocessing,usingEDMequipmentwillbeportabletoachievesatisfactoryresults.
TomeetthecurrentneedsofthedevelopmentofEDMtechnology,thepaperdesignofaportableEDMmachine,thedesignincludes:
ElectricalDischargeMachiningofMechanicalDesign,ElectricalDischargeMachiningofautomaticfeed-conditioningandmechanicalequipmentdesign,andadetailedstatementofthebasictechnologyofEDMlaw.
1绪论
1.1课题研究的背景
电火花加工技术是历史最悠久的特种加工方法，在模具制造业、航空、航天和电子等众多领域得到广泛应用。
对于传统的切削加工难于胜任的超硬、耐高温合金等难加工材料以及深孔、窄缝等形状的加工，电火花加工显示出其独特的优势，成为加工这些材料不可缺少的加工方法。
1900年科尔许特利用放电制造出了胶状金属粉末，并首次提出有关将放电应用于金属加工的技术关键和电极损耗报告。
1935—1937年美国的斯廷纳和英国的罗得福先后发明了交流放电切割和直流放电切割的方法。
然而电弧放电能量不易控制，难以用于金属的精密加工。
直到1943年，前苏联拉扎林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、气化而被蚀除掉，开创和发明了电火花加工方法，用铜丝在淬火钢上加工出小孔，可用软的工具加工任何硬度的金属材料，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。
从而创立了电火花加工（EDM）技术，开创了金属材料非切削加工的新时代。
随着科学技术的不断发展和实际生产需要，对机械制造提出了更高的要求：
产品向小批量、多品种的柔性制造方向发展，制造进到要求越来越高，制造周期要求越来越短。
由于能源和环境保护等问题，制造业还需要实现可持续发展。
在这样的背景下，根据电火花加工本身具有的特点，认为电火花加工技术将在加工的精密性、细微化、高速化和高效率、绿色加工以及复合加工方面发展，并需要开发新的电火花加工方法，拓宽电火花加工的范围。
1.2课题研究的意义
电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。
随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。
具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。
因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。
电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。
1、电火花加工的特点如下[15]：
（1）由于电火花加工是基于脉冲放电时的蚀除原理，其脉冲放电的能量密度很高，因而可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料。
此外，在一定条件下还可以加工半导体材料和非导电材料。
（2）加工时，工具电极与工件材料不接触，有利于小孔、薄壁、窄槽以及各山东大学硕士学位论文种复杂截面的型孔、曲线孔、型腔等的加工，也适合于精密细微加工。
（3）当脉冲放电的持续时间很短时，放电时所产生的热量来不及传散，可以
减小材料被加工表面热影响层，提高材料加工后的表面质量，同时，还适合于加
工热敏感性较强的材料。
（4）脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行
粗、半精及精加工。
（5）直接利用电能进行加工，便于实现自动化。
2、电火花加工的条件
实现电火花加工，应具备如下条件：
（1）工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离。
（2）两电极间必须充入介质。
（3）输送到两电极间的脉冲能量应足够大。
（4）放点必须是短时间的脉冲放电。
（5）脉冲放电需要重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的。
这里包含两个方面的意义：
其一，相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道；其二，若在一定时间内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲放电应转移到另一区域。
只有如此，才能避免积炭现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。
（6）脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，是重复性放电顺利进行。
在电火花加工的实际生产中，上述过程通过两个途径完成：
一方面，火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性，使出产物以外的其余放电产物亦可以促进上述过程；另一方面，还必须利用一些人为的辅助工艺措施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等等。
3、电火花加工的应用
基于上述特点和条件，电火花加工的主要用途有以下几项：
（1）穿孔加工一般指贯通的二维型孔的电火花加工。
它既可以是等截面通孔，也可以是变截面通孔。
此外，还包括用片状电极切断和侧面成形等。
（2）型腔加工一般指三维型腔和型面电火花加工，此外，还包括电火花雕刻。
（3）线电极切割这种加工方法的加工原理是用移动着的线状电极丝按预定的轨迹进行切割加工，其运行轨迹可以用靠模、光电或数字程序等方式来控制，适用于切断、切割各类复杂型孔以及零件和工具等的加工。
（4）电火花磨削这种加工方法实质上是应用机械磨削的成形运动进行电火花加工。
它的工具电极与工件电极之间作相对运，其中之一或二者作旋转运动。
（5）电火花展成加工这种加工方法是利用成形工具电极与工件电极作相对的展成运动（回转、回摆或往复运动等），使二者相对应的点保持固定重合的关系，逐点进行电火花加工。
（6）表面强化这种加工方法一般是以空气为极间介质，工具电极相对于工件作小振幅的振动，二者时而短接，时而离开。
在这过程中产生脉冲式的火花放电，使空气中的氮或工具材料渗透到工件表面层内部，以改善工件表面的机械性能。
（7）非金属电火花加工一般是用高频高压的脉冲电源，通过尖状电极施加到所要加工的非金属工件上，并使其产生火花放电而瞬时释放出大量的热量，从而使工件的局部材料瞬时熔化和汽化，以达到加工的目的。
（8）其他电火花加工除上述几种应用外，电火花加工还可用于打印标记、刻字、跑合齿轮啮合件、取出折断在零件中的丝锥或钻头，以及对己淬火零件进行整修等。
1.3国内外发展现状
随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高。
因此，微细加工技术受到了世界各国的普遍重视，投入了大量人力、物力进行研究。
70年代初，美国斯坦福大学开始了微型机械的研究。
80年代以后，日本和西欧各国对此项研究也日益重视起来。
电火花加工技术作为特种加工领域的一个重要分支，在制造业中得到广泛应用。
因此，微小型电火花加工装置的研究成为整个微型机械研究领域的一个重要方向。
目前，在航空航天、微电子、医学、光学、模具等各个领域中，有许多零件采用常规机床加工困难甚至无法加工，特别是对狭小空间内的加工、微细孔的加工及难加工材料的加工等，采用微小型电火花加工装置加工则会取得令人满意的效果。
微小型电火花加工装置己成为整个微型机械制造领域一个非常重要的研究方向，具有重大的理论意义和实际应用前景。
在小型电火花加工机构的研究上，国外的主要代表为原日本东京大学的博士生、现丰田工业大学的古谷克司和丰田工业大学的毛利尚武等人。
他们已研制出蠕动式、冲击式和椭圆驱动式三种小型电火花加工机构，并在冲击式机构基础上研制出改进的装置和自走式小型电火花加工装置，在蠕动式的基础上研制出点阵式电火花加工装置。
在国内，清华大学在北京市自然科学基金的资助下，对采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置进行了研究。
哈尔滨工业大学研制出基于WEDM法的微细电火花加工装置和蠕动式小型电火花加工装置，首次提出并研制了基于超声马达的电极直接驱动式微型电火花加工装置。
南京航空航天大学较早地开展了小型电火花加工装置的研究，并开发了电磁冲击式小型电火花加工装置。
国际上，微小型电火花加工装置向着更加小型化、精密化、实用化的方向发展。
我国由于起步晚，考虑实际的技术水平和经济状况，应在以下几方面重点发展，以达到实用化的目的:
①掌握研究动向，紧跟国际前沿，抓住关键技术;
②研制性能稳定的放电加工微能脉冲电源;
③高响应性的伺服驱动系统的研制;
④结构简单、加工容易、性能可靠的电极驱动机构的研制;
⑤在电极上附加小振幅振动的小型电火花加工装置的研制。
可见，微小型电火花加工装置将成为电火花加工领域的一个重要组成部分，随着它的进一步完善和发展，将会有广泛的实际应用前景。
2加工机的原理和组成
2.1电火花的基本原理
电火花加工又称放电加工（ElectricalDischargeMachining简称EDM），是一种利用电、热能量进行加工的方法。
在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。
因放电过程可见到火花，故称为电火花加工。
[15]
电火花成型加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。
其基本原理如图2—1所示是被加工的工件做件电极，石墨或者紫铜做工具电极。
脉冲电源发出一连串的脉冲电压，加到工件电极和工具电极上，此时工具电极和工件均淹没于具有一定绝缘性能的工作液中。
在自动进给调节装置的控制下，当工具电极与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，两极间最近处的工作液被击穿，工具电极与工件之间形成瞬时放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来，形成局部的电蚀凹坑。
这样随着相当高的频率，连续不断的重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可以将工具电极的形状复制到工件上，加工出所需要的和工具形状阴阳相反的零件
图2—1电火花加工原理示意图
1—自动进给调节装置 2—脉冲电源 3—工具电极
4—工作液 5—工件 6—工作台 7—过滤器 8—工作液泵
放电蚀除的物理过程是电动力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。
这一过程大致可以分为以下几个连续的阶段：
极间介质的电离、击穿及放电通道的形成；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；间隙介质的消电离。
（1）极间介质的电离、击穿及放电通道的形成
当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。
电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。
由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。
当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。
由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。
间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20~30V），电流则由零上升到某一峰值电流。
（2）介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀
极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。
电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。
于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。
通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。
这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。
观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。
电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。
（3）电极材料的抛出
通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。
通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。
由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。
熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。
这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。
实际上，金属材料的蚀除、抛出过程比较复杂的。
目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。
（4）间隙介质的消电离
随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。
由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。
此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。
2.2电火花加工机床的组成
电火花加工工艺及机床设备的类型较多，但按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途等来分，大致可以分为六大类：
电火花穿孔成型加工机床、电火花线切割机床、电火花磨削机床、电火花共扼回转加工机床、电火花表面强化机、电火花刻字装置等。
其中应用最广、数量较多的是电火花穿孔成型加工机床和电火花线切割机床。
尽管电火花加工机床的结构型式较多，有立柱式、龙门式、滑枕式、摇臂式等。
但都包含四个基本部分：
脉冲电源、工作液及其循环过滤系统、自动进给调节系统和机床本体部分。
2.2.1脉冲电源
电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电流或直流电流转变成具有一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙所需要的能量。
火花放电必须是瞬时的脉冲性放电才能用于加工，放电连续一段时间后需要停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7-10-9s，这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，使每一次的放电分别局限在很小的范围内。
否则像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工，因此电火花加工必须采用脉冲电源。
脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极消耗等技术经济指标有很大的影响。
脉冲电源的种类很多，可以归纳为RC、RLC线路脉冲电源，电子管、闸流管脉冲电源，晶体管脉冲电源和可控硅脉冲电源四类。
不同的脉冲电源其脉冲宽度及应用是不同的，应根据加工对象与加工要求合理地选择。
电火花加工机床采用的各种脉冲电源的特点及应用范围见表2—1。
表2—1各种脉冲电源的特点及应用和范围
类型
特点
应用范围
RC脉冲电源
结构简单，工作可靠，使用、维修方便，加工精度较高，表面粗糙度值小但工具电极损耗较大，生产率较低，电能利用率较低，工作液绝缘性能和间隙状态对脉冲参数有影响，稳定性较差
主要用于电火花精微加工
闸流管式脉冲电源
加工稳定，加工精度较高，表面粗糙度值小，生产率比RC脉冲电源大，但脉冲参数调节范围较小，较难获得大的脉冲参数，工具电极损耗较大
主要用于钢打钢时穿孔加工，目前已被晶体管式脉冲电源代替
晶体管式脉冲电源
脉冲参数调节范围广，可适应粗、半精、精加工的需要，容易实现自动化控制，工具电极损耗低，生产率高，但大功率脉冲电源的线路比可控硅电源复杂
适用于电火花加工用各种情况下的脉冲电源，除大功率电源采用可控硅电源外，一般均已采用晶体管电源
可控硅式脉冲电源
可适应粗、半精加工的需要，生产率高，大能量、大功率加工时的路线比晶体管电源简单，但精加工用脉冲电源的控制和调节不如晶体管电源方便
适用于中、大型工件穿孔和成型加工
RC脉冲电源的线路如图2—2所示，它是脉冲电源的基本线路。
它由两个回路组成：
一个回路是充电回路，由直流电源E、充电电阻R（调节充电速度，同时防止电流过大转变为电弧放电，又称限流电阻）和电容器C组成；另一个回路是放电回路，由电容器C、工件电极和工具电极及放电间隙组成。
该脉冲电源能周期性对电容器缓慢充电，在极短时间内快速放电，把工频交流电流或直流电流转换成一定频率的重复脉冲电流。
电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故称为弛张式脉冲电源。
1—工具电极2—工件图2—2RC脉冲电源的线路
RC线路脉冲电源的电能利用率很低，因为大部分电能经过限流电阻时转化为热能损失掉了；而且生产率也低，因为电容器的充电时间比放电时间长得多。
为了改进RC线路脉冲电源的性能，在充电回路中加入一个带有空气隙的铁心电感L，V组成RLC脉冲电源，如图2—3所示。
限流电阻R分为两部分:
一部分电阻用以限制短路电流;另一部分电阻用电感L代替。
因为纯电感对直流电路来说阻值很小，但对交流电或脉冲电流却具有感抗能力，起限流作用，从而发热消耗的电能少。
所以RLC线路脉冲电源的电能利用率比RC线路高，最大可达80%—92%，在实际应用中一般也有60%—80%。
缩短电容器C的充电时间，即缩短了脉冲间歇时间，从而提高了脉冲频率。
图2—3RLC脉冲电源的线路
RC、RLC线路脉冲电源都是弛张式脉冲电源，它们的优点是：
线路简单可靠，成本低廉，容易掌握。
其缺点是：
生产率低，工具损耗大，工作稳定性较差（其中，RLC线路比RC线路的电能利用率高，脉冲间歇系数较小）。
因为弛张式脉冲电源中电容器放电时间较短，很难获得高生产率、损耗低的长脉冲，而且这种电源本身并不独立形成和发生脉冲，而是靠电极间工作液的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断。
间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度和排出情况都影响脉冲参数，脉冲的频率、宽度、能量不稳定，而且放电间隙经过限流电阻始终和直流电源接通，没有开关元件使之隔离出来，随时都有放电的可能，容易转为电弧放电。
针对这些缺点，研制出放电间隙和直流电源各自独立，互相隔离，能独立形成和发生脉冲的电源，主要有闸流管式、电子管式、晶闸管式、晶体管式等脉冲电源。
它们减少了电极间隙物理状态参数变化的影响。
本次设计选用晶体管脉冲电源，它适用于电火花加工用各种情况下的脉冲电源。
并且，脉冲参数调节范围广，可适应粗、中、精加工的要求，易于实现电机低损耗、生产效率高；易于实现自适应控制和微机控制，脉冲参数、波形的调节范围非常广。
近年来，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊要求，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源基础上，派生出高、低压复合脉冲电源，多回路脉冲电源，自适应控制脉冲电源，高频分组和梳形波脉冲电源等。
2.2.2工作液及其循环过滤系统
电火花加工大多数是在工作液中进行的。
电火花加工对工作液的基本要求是：
有较高的绝缘性能，较好的流动性和渗透能力，能进入窄小的放电空隙，能冷却电极和工件表面，把电蚀产物冷凝、扩散到放电间隙之外，此外还应对人体及设备无害、安全和价格低廉。
目前还没有一种液体介质能全面满足上述全部要求。
电火花加工时常采用煤油作为工作液。
煤油系碳氢化合物，在电火花放电时能分解出氢气和游离碳黑微粒，这些游离碳在负极性加工时，被吸附在带正电荷的工具电极表面上可以大大减少和补偿电极损耗。
但是煤油的最大特点是易燃和易蒸发呛人的油烟在大功率粗加工时常采用机械油或渗入一定比例的机械油，它的闪点、燃点和挥发性都大大低于普通煤油，不易着火，对人及环境的危害较小。
常用的工作液有：
煤油、乳化液和水。
电加工界一直在努力研究用水或水基工作液来代替煤油。
在小面积精加工时，如加工喷丝板上的小异型孔，可用蒸馏水或离子水或水中加入甘油、酒精等添加剂的水基工作液。
但在大面积加工时效果还不如煤油。
工作液在电火花加工过程中需要油泵使之循环流动，此外还需用过滤装置把工作液中的电蚀产物—金属小屑和高温分解出来的碳黑过滤出来。
工作液循环过滤系统包括工作液箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。
放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散，定期抬刀以及使刀具电极附加振动等排除外，常采用强迫循环的办法加以排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度。
此外也可带走一部分热量。
图2—4为工作液强迫循环的两种方式，a）和b）为冲油式，较易实现，排屑冲刷能力强，一般常
采用，但电蚀产物仍通过已加工区，稍影响加工精度；c）和d）为抽油式，在加工过程中，分解出来的气体（H2、C2H2等）易积聚在抽油回路的死角处，遇电火花引燃会爆炸“放炮”，因此一般用得较少，在要求小间隙、精加工时也有采用的。
a）和b）为冲油式c）和d）为抽油式
图2—4工作液强迫循环方式
为了不使工作液越用越脏，影响加工性
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