模具制造技术（II）

模具材料与制造技术（二）,第三章 电火花成型加工 32 电火花成型加工机床 33. 电火花成型加工工艺规律 34 电火花穿孔加工工艺 35 型腔的电火花加工工艺 第四章 电火花线切割加工 42 线切割数字程序控制原理及编程 43 电火花线切割加工工艺 第五章 模具零部件加工与装配 52冲裁模的装配 53 塑料模的装配,第三章 电火花成型加工,电火花加工是利用电能、热能进行加工的一种新技术，可分为金属电火花加工和非金属电火花加工。模具制造技术中采用的是金属电火花加工，简称电火花加工。,3-1 电火花加工的原理及特点,一、火花放电的物理过程,1、自激放电三种形式,辉光放电火花放电弧光放电 两静电极上电压逐渐增大，气体中离子在电场作用下移动形成电流。直到单位时间内消散的离子数目等于气体中单位时间内产生的离子数目时，气体放电伏安特性曲线为止，在此之前符合欧姆定律。 由于两极间产生的离子数与消散的平衡，电压继续增加而电流基本不变，饱和电流阶可产生（CD段）,电压增加，离子动能的增加，获得很大速度的离子与中性分子碰撞而使其电离成为离子和电子，这时电流激增，两极附近气体开始发光，并伴有特殊微音产生，此即第一种负激放电形式辉光放电（DA段）,极间介质电离，介质导电性剧增而被击穿，其结果极间电压急剧下降而电流剧烈增大，并放出火花，此为火花放电（AB段） 火花放电是非稳定过程，持续时间仅为10-610-3S，具有明显的脉冲特性。 火花放电时，若两极间仍维持较高电压，则产生稳定的弧光放电，其持续时间10-310-1S。,2、火花放电的特征,非稳定过程，持续时间很短（10-610-3S） 电流激增，极间电压下降。 放电通道呈鼓形，阴阳极上放电斑点大小相等，两极上电流密度相同（105106A/cm2）. 放电温度很高（可高达1000012000）. 火花放电击穿电压高（36KV/cm） 多数情况下，阳极蚀除得多.,二、电火花加工的基本原理,在工具电极与工件之间，施加高频脉冲压，并使两者靠近。当两者距离恰当时，间隙中产生很强的电场而使该区域介质电离，产生火花放电。由于放电时间很短，能量高度集中，使放电区瞬间高温达1000012000，因此工件表面上的金属局部熔化，甚至汽化，蒸发.在爆炸力等力作用下熔化，汽化的金属被抛入工作液中冷却成小颗粒，并被工作液冲离火花放电区.,电火花加工过程：,介质的击穿和通道形成 能量的转换和传递 电蚀产物的抛出 间隙介质的消电离,实现火花加工的基本条件：,工件与工具电极是火花放电时的两极. 工件的蚀除速度远远大于工具电极的. 两极间施加直流高频脉冲电流. 工具电极应及时进给补偿.,电火花加工的特点：,以“以柔克刚”，能加工硬度很高的材料； 加工精度高，表面粗糙度低. 加工速度慢，能耗较高，成本较高,32 电火花成型加工机床,由四大部分组成：脉冲电源，自动调节统， 机床本体，工作液循环过滤系统。,一、脉冲电源,其作用是把普通的220V（或380V）50Hz的交流电转变成高频脉冲直流电，供电火花加工所需的放电能量。,脉冲电源应满足以下列要求：,足够的脉冲放电能量； 必须是短时间的脉冲性放电，脉冲波形接近矩形； 相邻脉冲之间应有一定间隙时间； 脉冲波形基本上是单向的，以便利用极性效应； 性能可靠，其主要参数（如：电流峰值，脉冲宽度ton，脉冲间隙隔toff）有较宽的调节范围。 性能稳定，操作简便，维修方便。,两种脉冲电源: 驰张式脉冲电源 应用最早，结构最简单的脉冲电源。它是利用电容器时而充电时而放电（一张一弛）来产生脉冲电流的。其主要脉冲参数与放电间隙大小及其物理状态密切相关。 独立式脉冲电源 自身能产生脉冲，其主要脉冲参数由电源内部决定，与放电间隙大小及其物理状态无关。,1、驰张式脉冲电源 其基本型式是RC电路（改进型：RLC、RLCL、RLCLC电路。） 优点：加工精度高粗糙度低，工作可靠，装置简单，易于制造，操作维修方便。 缺点：是加工速度低，电能利用率低，工具电极损耗大，加工稳定性较差。,2、独立脉冲电源,主要包括：电子管式、闸流管式、晶体管式、晶闸流管式等。 电子管式和闸流管式脉冲电源 五六十年代曾被广泛使用。脉冲参数调节范围小，难获得大的脉冲宽度。精加工的加工速度高，但工具电极损耗大。多用于电火花穿孔加工。 电子管式的脉冲参数调节方便，而闸流管式的脉冲参数较难调节与配合。,晶体管式脉冲电源 由于晶体管式脉冲电源具有较高的频率，脉冲参数调节范围大，实现自动控制极为方便，故现已成为生产中普遍使用的脉冲电源 。 高低压复合式晶体管电源 高低压复合式晶体管脉冲电源由加工回路（60V80V）和高压（300V）击穿回路组成。 特点：加工稳定好，生产率高，脉冲利用率大大提高。放电间隙可增大，改善排屑条件，可避免产生“钢打钢”现象。 “钢打钢”现象：采用闸流管（或晶体管）脉冲电源时，若工具电极和工件都是导磁材料，则钢铁金属颗粒被脉冲电流磁场磁化后，连同分解游离出来的碳黑等吸附粘连在钢铁电极间隙之间，形成不稳定的“二次放电”，使电极在自动进给时容易出现弧光放电或短路。即所谓“钢打钢”现象。,二、自动调节系统,电液压自动调节系统 工作循环： 放电间隙测量环节电子放大器电机转换液压放大执行机构,典型的间隙自动控制系统,间隙自动控制系统类型很多，按其执行环节不同，主要有三大类“电磁悬浮式（目前已少见）、电液压式（喷嘴挡板式）、电动机式（伺服电动机式、步进电动机式、宽调速电机、力矩电动机式）,三、机床本体,电极和工件装夹固定和运动的机械系统 工作液循环过滤系统 机械系统由主轴头、床身、立柱、工作台 及坐标系统和电极夹头等组成,四、工作液循环过滤系统,工作液的主要作用： 保证电极间隙具有适当的绝缘电阻； 压缩放电通道，集中放电能量； 使工具电极和工件表面迅速冷却； 及时排除极间电蚀产物。,电极夹具,电极夹具的作用是把工具电极装夹固定在主轴上，并能调节电极的轴线与主轴轴线重合或平行。要求夹具结构简单、刚性好、精度高、调节方便。,平动头,平动头是电火花成形加工中比不可少的附件，主要用于型腔模在半精和精加工时精修侧面。同时还能提高仿形精度，保证加工稳定性，有利于间隙排屑，防止短路和拉弧等。,33. 电火花成型加工工艺规律,工艺指标主要有：加工速度、精度、表面质量、电极损耗等。 电规准：电火花加工中，脉冲电源的脉冲宽度， 峰值电流和脉冲间隙等一组合适电参数。 加工速度：一定电规准下单位时间内工件 被蚀除的体积（或质量） Vv=V/t mm3/min 或 VG=m/t g/min,一、工具电极的材料,工具电极耐电蚀性愈高、能耗愈小，仿形精度则愈高。 工具电极的材料，其热学物理常数较大。钨和石墨耐电蚀性好，是由于它们的熔点、沸点温度很高。铜的耐电蚀性较高，是因为其导热系数和传温系数都很大。,工具电极材料：钨、钼、石墨、铜氧化钨（WO3），硼画物，炭化物、硅化物、铜钨合金、银钨合金、铜石墨等等。 影响工具电极的相对损耗的因素，除了工具电极材料的耐蚀性能外，还有电蚀产物的抛出、极间能量的分布和传递、极性效应等。,二、工作液,要求：具有适当的粘度、绝缘性、对放电作用的化 学稳定性、使用安全性。 主要作用: 绝缘，压缩放电通道，排除电蚀产物，冷却，消电离。 多采用石油产物（如机油、变压器油、锭子油、柴油、煤油等）。 粗加工中也可以采用“水”为工作液。精加工则只能用蒸馏水、去离子水或乙醇水溶液等为工作液。,工作液粘度： 粘度大时，有利于限制放电通道的膨胀，使放电能量集中，加强蚀除效果。粘度低，则有利于排屑。 工作液成分： 油类介质中加入活化剂，能提高加工工艺指标。活化剂有：硫、四氯化碳等。可局部提高金属表面附近液体的粘度，形成牢固的吸附膜，从而限制放电通道的膨胀，改变两极上的能量分布，提高生产率，降低工具电极损耗。 油类介质中加入各种添加剂（铜、铝、镍、钫的氧化物粉末），在放电作用下可产生大量负离子与正离子复合，减少对阴极的离子轰击，故也能提高加工速度和降低工具电极损耗。,三 影响加工精度的主要因素 加工精度包括尺寸精度和仿形精度 尺寸精度 尺寸精度主要指加工后的尺寸公差，它实际上是一个综合指标，受到“仿形精度，机床精度、电极制造精度及损耗、放电间隙波动、装夹定位精度及工艺操作”等因素的综合影响。,放电间隙 （mm）波动 放电间隙的大小在放电加工过程中实际上是变化的。单个脉冲能量增大，增大；间隙击穿电压增大，增大；加工稳定性差，增大。 =Kuu+Ktt-n+KRW0.4+Am 其中，u 脉冲电压幅值(V) ； Ku 与工作液介电强度有关的常数（mm/V）； t 脉冲电压延续时间（s）； Kt 与液体介质有关的常数（mms）； n与液体介质有关的常数，对于矿物质n =4； KR 与加工材料有关的常数（mm/J） ； W 单个脉冲能量（J）； Am 放电间隙扩大量（mm），约3m左右 。,放电间隙大小也会直接影响尺寸精度。 电极损耗大小直接影响尺寸精度。 仿形精度 仿形精度主要包括侧面间隙、锥度、圆角半径等的大小及其均匀性。,(1)斜度,电火花加工时侧面产生斜度，使上端尺寸大而底端尺寸小。这是由于“二次放电”和工具电极损耗而产生，如图3-5所示。 二次放电：已加工表面上，由于电蚀产物的混入而使极间实际距离减小或极间工作液介电性能降低，再次发生脉冲放电的现象。 工具电极在加工过程中，下端的工作时间长，绝对损耗量大；相反，上端的工作时间短，绝对损耗量小。,（2）圆角,电火花加工时，工具电极上的尖角和凹角，很难精确地复制在工件上，而是形成一个小圆角。这是因为当工具电极为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的机率大，容易遭受电蚀而形成圆角；工具电极上的尖角加工工件凹角时，由于放电等距离性，故只能加工出圆角，如图3-6所示,棱角倒圆的原因：,尖角和棱边处电极损耗比面严重。 放电间隙的等距离性,四、影响加工速度的主要因素,1、影响加工速度的电量主要有脉冲宽度、脉冲间隔、电流峰值。 脉冲宽度的影响 在电流峰值一定时，脉冲能量与脉冲宽度成正比。随着脉冲宽度增加，加工速度提高；但脉冲宽度超过某一定值后，随着脉冲宽度增加，加工速度反而下降。 原因：脉冲宽度过大时，单个脉冲能量过大，电能转换来的热能有较大部分散失在工件和工具电极之间而不起蚀除作用。同时，随着电蚀产物增多，使排气排屑条件恶化，极间消电离时间不足，加工稳定性变差，脉冲能量利用率降低，因而加工速度反而下降。,脉冲间隔的影响 在脉冲宽度一定的情况下，脉冲间隔小，加工速度高因为脉冲间隔小，单位时间内的工作脉冲数量多 但是，脉冲间隔过小，不能消电离时间太短，则不能充分消电离，将引起加工稳定性变差，加工速度反而下降。,电流峰值的影响 当脉冲宽度和脉冲间隔一定时，脉冲能量与电流峰值成正比。随着电流峰值增加，加工速度提高；但电流峰值超过某一定值后，随着电流峰值增加，加工速度反而下降。 原因：电流峰值过大时，单个脉冲能量过大，电能转换来的热能有较大部分散失在工件和工具电极之间而不起蚀除作用。同时，随着电蚀产物增多，使排气排屑条件恶化，极间消电离时间不足，加工稳定性变差，脉冲能量利用率降低，因而加工速度反而下降。,2、影响加工速度的非电量主要有：加工面积和深度、工作液种类及其循环方式、排屑条件、工件材料和形状、加工极性。 加工面积的影响 当加工面积小于某一临界值时，随加工面积减小，加工速度急剧下降。这种现象叫做面积效应。 加工面积过小，脉冲放电过分集中，电蚀产物排除不畅。同时，还会产生气体排挤液体的现象，造成在气体介质中进行放电加工。气体介质中的放电加工速度比液体介质中的低个数量级。 加工面积足够大时，加工速度几乎不受加工面积大小的影响,排屑条件的影响 排屑条件良好，电蚀产物能及时排除，极间工作液稳定，则加工速度可提高。 如果排屑条件差，电蚀产物（金属微粒、碳黑等）和液体分解产物（如气体）不能及时排除，将使加