谷巍 机电一体化论文.docx

1、谷巍 机电一体化论文 准考证号：本科生毕业论文关于电火花加工的研究与论述学 院： 专 业： 机电一体化专业 班 级： 学生姓名： 谷巍 指导老师： 完成日期： 2014年3月20日 本科论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 本科论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保

2、留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要在电火花加工基础理论研究领域，由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研究手段缺乏创新性，迄今尚未取得突破性进展。但在加工工艺和控制理论研究领域，由于研究成果可直接应用于生产实践，因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的领域，其研究热点主要集中在高效加工技术、

3、高精密加工技术(如镜面加工技术)、低损耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术(如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等)以及操作安全、环境保护等方面。在工艺设备开发方面，目前的新型电火花成形加工机床在加工功能、加工精度、自动化程度、可靠性等方面已全面改善，许多机床已具备了在线检测、智能控制、模块化等功能，已不再是传统意义上的特种加工机床，而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心。关键词：技术；产业；发展；前景；电火花加工Abstract The electric spark forming processing technology developme

4、nt status of electric spark machining at present, in the field of fundamental research, since the discharge process complexity, randomness and study means lack of innovation, has so far not been achieved breakthrough progress. But in the process and control theory research area, the research results

5、 can be directly applied to production practice, because this has become the current EDM technology research in active field, its research mainly focuses on efficient processing technology, high precision machining technology (such as the mirror surface machining technology), low loss, fine processi

6、ng technology processing technology of non conductive materials, processing technology, electric spark surface treatment technology, intelligent control technology (such as artificial neural network technology, fuzzy control technology, expert systems) and safe operation, environmental protection et

7、c.In the process of equipment development, the current model of EDM machine tool in machining function, precision, automation, reliability and other aspects have been fully improved, many machine has the on-line detection, intelligent control, modular functions, is no longer in the traditional sense

8、 of special processing machine, and more like cutting in the NC machine tool and machining center.Key words: technology; industry; development prospect; Electrical Discharge Machining.目录第一章 前言 11.1研究背景 11.2研究的目的和意义 21.3相关概念的界定 31.3.1电火花 31.3.2电火花加工 3第二章 国内外研究综述 42.1国外研究综述 422国内研究综述 5第三章 电火花加工的原理 6第四

9、章 电火花加工技术的发展趋势 74.1电火花加工精密化 74.2电火花加工微细化 84.3 电火花加工的高速高效化 94.4开发新的加工工艺 10第五章 结论 10附录 12致谢 13第一章 前言 1.1研究背景1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。50年代，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。60年代，出现了晶体管和可控硅脉

10、冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。电火花加工技术作为特种加工领域的重要技术之一，最早应用于二战时期折断丝锥取出时的加工。随着人类进入信息化时代，电加工技术取得了突飞猛进的发展，可控性更高，数字化程度更好。在中国电火花加工技术起步稍晚。根据中国的国情，实现电火花加工技术的原始创新是很困难的

11、，只能采取引进消化吸收再创新的策略，因为这套系统集成了很多学科领域的知识，如计算机的软硬件、微电子、数控、电力半导体、机械技术、电气技术等，是多方面、多学科集成的产品，是比较复杂的高科技产品。国内现在显然还没有一个能够独立进行原始创新的团队，因此注定要经历一个长时间痛苦的积淀过程，所以我认为中国的电火花技术创新之路别无选择。政府也越来越认识到高校已经不再是创新的主战场，必须依托企业才能实现。制造业是一个传统行业。一个国家的发展终归要落脚于制造业，因此作为基础工业，制造业必定拥有永久的生命力，而电加工行业也不例外。随着各项技术的不断发展，电加工技术也在进步，至于一项技术能够发展多久，也要看这个行

12、业中的人怎样去尽心敬业、钻研并推进它。众所周知，模具也是一个国家发展的基础行业，许多批量生产的产品都离不开模具，而电火花加工是制造模具的最主要技术之一。电火花加工仿形逼真以柔克刚，只要是导电的材料均可加工，而不受硬度、脆性、粘性等材料特性的限制，这是其他加工方法无法比拟的。电火花加工的另一个特点是可进行精密微细加工，微小孔、异型腔等的微细加工是其他设备无法替代的。从技术发展过程来看，电火花加工技术经历了手动电火花加工、液压伺服、直流电机、步进电机、交流伺服电机等一系列过程。控制系统也越来越复杂，从单轴数控到3轴数控、再到多轴联动。20世纪90年代初期，3轴电火花机在国内还是空白，主要是从日本和

13、瑞士引进。后来国内发展大概经历了以下几个阶段：首先制造主机，也就是机械部分，相对较为简单；此后是数控系统部分，可以理解为引进；之后是整个电源，是消化阶段。经历这三个阶段之后是吸收，最后是再创新。对电火花加工而言，最核心的部分就是数控系统部分，当然花费的精力也最多。我认为电火花成形机下一步的发展空间在精密微细和特殊材料两个方面。特殊材料（如航空航天领域用的材料）专机，窄槽窄缝、异型腔的加工，精密模具等领域都是发展重点。在精加工方面，曾经有过高速铣要代替电火花的传言，现在证明这是不现实的。现在粗加工、大电流的火花机又有回头的趋势，在家电、汽车很多行业中应用。人类新开发出来的导电的特殊材料都可进行放

14、电加工，而高速铣通常很难实现。精密微细加工比如喷丝板等微小型零件都离不开电火花加工；航空航天领域中很多零部件需要多轴联动电火花加工。我们国家在专用机型上有创新的能力，有很大的空间。1.2研究的目的和意义传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用,但是随着科学技术和生产发展的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门要求尖端科学技术产品向高精度、高强度、高速度、高温、高压、大功率和小型化等方向发展,它们要求机械制造部门解决各种难加工材料（如硬质合金、高强度合金、耐热钢、硬韧表面涂层、陶瓷及金刚石等）的加工；解决各种特殊复杂表面（如涡轮机叶片、模具型腔、喷丝头的小孔窄缝等）的

15、加工；解决各种具有特殊要求的零件（如高精度的薄壁零件、弹性元件等）的加工等一系列问题。这些问题仅靠传统加工方法是很难解决的,有些甚至是无法实现的。因而产生了电火花加工,它具有切削加工不具有的特点：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)工具硬度可以低于被加工材料的硬度；3)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，正因为电火花加工具有的这种特点，所以电火花加工得到了广泛的应用。电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。电火花加工零件的数量在3000件以下时，比模具冲压零件在经济上更

16、加合理。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工可大体分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。1.3相关概念的界定1.3.1电火花利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。 电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。电火花是一种自激放电，其特点如下： 火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间（通常为10-7-10-3s）后

17、及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性（即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深），使通道能量作用于极小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。 利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。 电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。 电火花可以作用在很多物体上,比如:电火花加工,电火花线切割机,电火花机床,电火花成型机,电火花线切割机,电火花检测仪,电火花穿孔机等等。1.3.2电火花加工电火花加工（Electrical Discharge Machining，简称EDM），也称放电加工，主要由机械厂完成。是特种加工技术的一种，广泛应用在模具制造、机械加

18、工行业。放电加工可以用来加工传统切削方法难以加工的超硬材料和复杂形状的工件，通常用于加工导电的材料，可以在诸如钛合金、工具钢、碳钢和硬质合金等难加工材料上加工复杂的型腔或者轮廓。放电加工原理是在导电的工具电极和工件之间施加上周期性快速变化的电压脉冲，通过浸没在绝缘介质中的工具电极与工件之间的脉冲性放电所产生的局部高温使工件表面金属熔化、气化，从而蚀除金属。因此在加工过程中几乎不存在切削力。第二章 国内外研究综述2.1国外研究综述目前，国外的电火花加工新技术主要有线电极电火花磨削精微、微细电火花加工，混粉镜面电火花加工，液中放电表面改性处理，单次放电微细轴电机和探针电火花加工，放电堆积成型加工，

19、绝缘陶瓷电火花加工，气体中放电电火花加工，气体中放电线切割加工，双电极电火花加工，电火花放电点位置的检测与控制，线切割放电点位置的检测与控制，扫描创成电火花加工，钛合金电火花线切割表面着色，反复反铐精微，微细电火花加工，弯曲孔电火花加工，电火花直线电机伺服控制，新的摇动控制技术等。六十年代开始,“生产工程学研究的国际研究所”为“电加工座谈会”（ISEM）的国际代表团，即世界主要的电火花生产商和研究员进行了调整。生产工程学研究的国际研究所如CIRP一样正式地被大家接受,这代表了“国际学院培养的IEtude 科技生产机械学”。ISEM 已经是一个电火花、激光、ECM和其它高科技加工技术信息的交换论

20、坛。ISEMXI将会在瑞士举行，它的主题范围包括电火花处理过程和物理学、电火花机械学、电火花科技、电火花控制和电火花应用。虽然电火花只是全世界工业总的加工工具的一小部分，但全世界范围内的关于电火花研究和发展的实验室在近几年内飞速增长。很多技术中心在主要的电火花建设者的集资下或通过政府研究部门的集资，越来越多的电火花研究项目得到更深入和更好的组织。一些电火花制造商为资金有限的大学捐赠了机器，这为将来的工程师获得亲自参与、理解电火花过程的能力提供了帮助。下列机构已经建立了电火花研究和发展项目。他们只代表了全世界致力于电火花科学技术先进性的实验室的和研究工程的一部分。除了为主要的电火花制造商设立的先

21、进研究实验事工作之外，也为那些对电火花工业的将来发展有直接作用的研究所工作。22国内研究综述进入21世纪，电火花成形加工技术得到了迅猛发展，突破了许多传统观念和概念的束缚，产生了一些新的技术和应用领域，成为现代制造技术的重要组成部分。电火花成形加工的数控系统采用人工神经网络技术、混沌理论、仿真技术，以进一步提高加工的各项工艺指标、可靠性和自动化程度；脉冲电源则在保证电火花加工工艺指标的前提下，向稳定、可靠、环保、绿色、节能方向发展。目前，在电火花加工基础理论研究领域，由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研究手段缺乏创新性，迄今尚未取得突破性进展。但在加工工艺和控制理论研究领域，由于研究成果可直

22、接应用于生产实践，因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的领域，其研究热点主要集中在高效加工技术、高精密加工技术(如镜面加工技术)、低损耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术(如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等)以及操作安全、环境保护等方面。在工艺设备开发方面，目前的新型电火花成形加工机床在加工功能、加工精度、自动化程度、可靠性等方面已全面改善，许多机床已具备了在线检测、智能控制、模块化等功能，已不再是传统意义上的特种加工机床，而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心。电火花加工的精密核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。时

23、下数控电火花机床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可达2-3m、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3m。通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、IC塑封、手机、D盒等高精密模具部位的电火花加工。从总体来看，现代模具企业在先进数控电火花机床的应用上，还没能很好地挖掘出机床的精密加工性能。因此有必要全面推动已有数控加工技术的进一步发展，不断提高模具加工精度。智能控制技术的出现把数控电火花加工推向了新的发展高度。新型数控电火花机床采用了智能控制技术。专家系统是数控电火花机床智能化的重要体现，它的智能性体现在精确的检测技术和模

24、糊控制技术两方面。专家系统采用人机对话方式，根据加工的条件、要求，合理输入设定值后便能自动创建加工程序，选用最佳加工条件组合来进行加工。在线自动监测、调整加工过程，实现加工过程的最优化控制。专家系统智能技术的应用使机床操作更容易，对操作人员的技术水平要求更低。目前智能化技术不断地升级，使得智能控制技术的应用范围更加的广泛。随着市场对电加工要求的提升，智能化技术将获得更为广阔的发展空间。目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下，只要在加工前将电极装入刀库，编制好加工程序，整个电火花加工过程便能日以赴继地自动运转，几乎无需人工操作。机床的自动化运转降低了操作人员的劳动强度、提高

25、生产效率。但自动装置配件的价格比较昂贵，大多模具企业的数控电火花机床的配置并不齐全。普及机床的自动化程度是当前数控电火花机床行业的发展趋势之一。现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式，即要求在保证加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。其它数控电火花加工技术在微细化、安全化、环保化等方面也取得了长足的发展。数控电火花加工技术日新月异的发展，至使机床生产厂家纷纷对生产技术予以了改进。目前数控电火花机床在伺服系统和脉冲电源的改进上取得了重大成果，大大的提高了数控电火花加工的质量、加工效率。第三章 电火花加工的原理进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，

26、或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就

27、能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，

28、可将电火花加工方式分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；加工时无切削力；不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加

29、工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。电火花加工的主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。第四章 电火花加工技术的发展趋势先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形加工技术提出了更高要求，同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺开发、设备更新提供了新的动力。今后电火花成形加工的加工对象应主要面向传统切削加工不易实现的难加工材料、复杂型面等加工，其中精细加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等将成为发展重点。同时，还应注意与其它特种加工技术或传统

30、切削加工技术的复合应用，充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势，取得联合增值效应。相对于切削加工技术而言，电火花成形加工技术仍是一门较年轻的技术，因此在今后的发展中，应借鉴切削加工技术发展过程中取得的经验与成果，根据电火花成形加工自身的技术特点，选用适当的加工理论、控制原理和工艺方法，并在己有成果的基础上不断完善、创新。电火花成形加工机床向数控化方向发展的趋势已不可逆转，但应注意不可盲目追求“大而全”，应以市场为导向，建立具有开放性的数控体系。总体而言，电火花成形加工技术今后的发展趋势应是高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、安全、环保等。4.1电火花加工精密化电火花加工的精密化可以理

31、解为两方面的内容：一是加工尺寸上的精密性，二是加工表面质量的精密性。在电火花加工过程中，与尺寸精度有直接关系的因素是放电间隙和电极损耗。加工间隙的一致性、稳定性以及电极损耗的大小直接影响电火花加工的精度。精密的电火花加工，加工过程中应保持较小的放电间隙，并使放电间隙稳定在一个较小范围内。而放电间隙的调整与极间状态密切相关，实时、准确地检测出两极间的放电状态，则为调整两极间合适的放电间隙提供了必要的条件，加工间隙的准确调整还有赖于合理的伺服控制策略等。由于电火花加工状态复杂多变，为加工状态的检测和放电间隙的控制增加了难度。因此，需加强电火花加工状态的检测、加工间隙的控制以及电源的稳定性等方面的研

32、究。实现电火花精密加工时，要采用精加工规准来完成工件的尺寸精度和表面精度。然而，电火花加工过程中，均不同程度存在工具电极损耗。虽然人们从工作液的种类、电源、控制、工作介质、电极材料等多方面对电极损耗进行了广泛的研究，在减少电极损耗方面取得了一定的研究效果。但是到目前为止，在精加工和微细加工中，电极损耗现象还是比较严重。电极损耗的存在必然对电火花加工的尺寸精度产生影响，需要对工件进行多次加工以补偿由于电极损耗而造成的尺寸偏差，这样增加了加工时间和加工成本。因此，如何降低工具电极的损耗，从而实现高速、低损耗的精密加工是电火花加工不断追求的目标4.2电火花加工微细化生产实际的需要使得微机电系统的应用越来越广泛，微细化发展成为机械制造业的重要发展方向，其中微细电火花加工技术是实现微细加工的重要加工方法之一引。这是由电火花加工的特点所决定的，即工具与工件之间几乎没有宏观的作用力，且不受工件硬度的制约，有利于实现加工尺寸的微细化。电火花线磨削技术WEDG(Wire Electric Discharge Grinding)的出现，使微细电火花加工进入了实用化阶段，因