模具電火花加工技術（論文）

江西工業工程職業技術學院畢業論文 1 江西工業工程職業技術學院 畢 業 論 文 題 目 模具電火花加工技術 學生姓名： 指導老師： 院 系： 機電工程系 專 業： 模具設計與制造 級 別： 2007 級 江西工業工程職業技術學院 2009 年 5 月 江西工業工程職業技術學院畢業論文 2 模具電火花加工技術 摘 要 在模具工業技術快速發展的新形勢下， 電火花加 工是當前模具加工的重要方法 之一 ， 并有著其它加工方法無可替代的優點 。電火花加工技術已取得了突破性的進展。它是一 種直接利用電能和熱能進行加工的新工藝 。 對于為尋求向客戶在較短的交貨時間以較低的價格提供較高質量的產品的模具生產商來說，電火花加工自動化是一個很有吸引力的 。 選擇 電火花加工技術作為特種加工領域的一門重要技術 ，本文從電火花加工技術發展的基本現狀、電火花的基本原理、特點、電火花加工的操作過程、電火花加工新技術的發展等五個方面入手如實論述。 關鍵字 ： 電火花加工的基本現狀、基本原理、特點、操作過程、新技術的發展 江西工業工程職業技術學院畢業論文 3 目 錄 第一章 引言 1 第二章 模具電火花發展的基本現狀 2 2.1 精密化 2 2.2 智能化 2 2.3 自動化 2 2.4 高效化 3 第三章 電火花加工 基本 原理 3 第四章 電火花加工的特點 4 第五章 模具 電火花加工的操作過程 5 第六章 電火花加工新 技術的發展 5 6.1 新工藝的應用 5 6.1.1 標準化夾具實現快速精密定位 6 6.1.2 混粉加工方法實現鏡面加工效果 6 6.1.3 搖動加工方法實現高精度加工 6 6.1.4 多軸聯動加工方法實現復雜加工 6 6.2 新技術的發展 7 6.3 電火花加工技術的發展趨勢 7 第七章 結論 8 致謝 9 參考文獻 10 江西工業工程職業技術學院畢業論文 1 第一章 引言 目前， 模具 工業的迅速發展，推動了 模具 制造技術的進步。 電火花 加工作為 模具 制造技術的一個重要分支，被賦予越來越高的加工要求。同時在數控加工技術發展新形勢的影響下，促使 電火花 加工技術朝著更深層次、更高水平的數控化方向快速發展。雖然 模具 高速加工技術的迅猛發展使電加工面臨著嚴 峻的挑戰，目前放電加工技術部分工序已被高速 加工中心 代替，但電火花 加工仍舊有廣闊的前景。如在 模具 的復雜、精密小型腔、窄縫、溝槽、拐角、冒孔、深度切削等加工領域仍被廣泛應用。同時這項技術一直被改進和提升，使放電加工技術在 模具 工業中經久不衰。先進制造技術的快速發展和制造業市場競爭的加劇對數控 電火花 加工技術提出了更高要求，同時也為其提供了新的發展動力。 江西工業工程職業技術學院畢業論文 2 第二章 模具電火花發展的基本現狀 模具 電火花加工技術正不斷向精密化、自動化、智能化、高效化等方向發展。如今新型數控電火花機床層出不窮，如瑞士阿 奇、瑞士夏米爾、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等機床在這方面技術都有了全面的提高。 2.1 精密化 電火花加工的精密核心主要體現在對尺寸精度、仿形精度、表面質量的要求。時下數控電火花機床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可達 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 。通過采用一系列先進加工技術和工藝方法，可達到鏡面加工效果且能夠成功地完成微型接插件、 IC 塑封、手機、 CD 盒等高精密模具部位的電火花加工。從總體來看，現代模具企業在先進數控電火花機床的應 用上，還沒能很好地挖掘出機床的精密加工性能。因此有必要全面推動已有數控加工技術的進一步發展，不斷提高模具加工精度。 2.2 智能化 智能控制技術的出現把數控電火花加工推向了新的發展高度。新型數控電火花機床采用了智能控制技術。專家系統是數控電火花機床智能化的重要體現，它的智能性體現在精確的檢測技術和模糊控制技術兩方面。專家系統采用人機對話方式，根據加工的條件、要求，合理輸入設定值后便能自動創建加工程序，選用最佳加工條件組合來進行加工。在線自動監測、調整加工過程，實現加工過程的最優化控制。專家系統在 檢測加工條件時，只要輸入加工形狀、電極與工件材質、加工位置、目標粗糙度值、電極縮放量、搖動方式、錐度值等指標，就可自動推算并配置最佳加工條件。模糊控制技術是由計算機監測來判定電火花加工間隙的狀態，在保持穩定電弧的范圍內自動選擇使加工效率達到最高的加工條件；自動監控加工過程，實現最穩定的加工過程的控制技術。專家系統智能技術的應用使機床操作更容易，對操作人員的技術水平要求更低。目前智能化技術不斷地升級，使得智能控制技術的應用范圍更加的廣泛。隨著市場對電加工要求的提升，智能化技術將獲得更為廣闊的發展空間。 2.3 自動化 目前最先進的數控電火花機床在配有電極庫和標準電極夾具的情況下，只要在加工前將電極裝入刀庫，編制好加工程序，整個電火花加工過程便能日以赴繼地自動運轉，幾乎無需人工操作。機床的自動化運轉降低了操作人員的勞動強度、提高生產效率。但自動裝置配件的價格比較昂貴，大多模具企業的數控電火花機床的配置并不齊全。數控電火花機床具備的自動測量找正、自動定位、多工件的連續加工等功能已較好地發揮了它的自動化性能。自動操作過程不需人工干預，可以提高加工精度、效率。普及機床的自動化程度是當前數控電火花機床行業的發展趨勢之一。 江西工業工程職業技術學院畢業論文 3 2.4 高效化 現代加工的要求為數控電火花加工技術提供了最佳的加工模式，即要求在保證加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手機外殼、家電制品、電器用品、電子儀表等領域，都要求將大面積（例如 100100mm ）工件的放電時間大幅縮短，同時又要降低粗糙度。從原來的Ra0.8m 改進到 Ra0.25m ，使放電后不必再進行手工拋光處理。這不但縮短了加工時間且省卻后處理的麻煩，同時提升了模具品質，使用粉末加工設備可達到要求。另外減少輔助時間 (如編程時間、電極與工件定位時間等 )，這就需要增強機床的自動編程功能 ，配置電極與工件定位的夾具、裝置。若在大工件的粗加工中選用石墨電極材料也是提高加工效率的好方法。最佳的加工模式是企業擴大市場空間、提升市場競爭力的資本，其開發而成的新產品、新技術亦愈受歡迎。 第三章 電火花加工基本原理 電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱 EDM。 實現電火花加工條件： （ 1） .工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離在該距離范圍內，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，產生火花放電，又可以適應在火花通道熄滅后介 質消電離以及排出蝕除產物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質、不能產生火花放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現電腐蝕加工。 （ 2） .兩電極之間必須充入介質在進行材料電火花尺寸加工時，兩極間為液體介質 (專用工作液或工業煤油 );在進行材料電火花表面強化時，兩極間為氣體介 （ 3） .輸送到兩電極間的脈沖能量密度應足夠大在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或氣化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕 痕 (凹坑 )，實現電火花加工。因而，通道一般必須有 105-106A1em電流密度。放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。一般情況下，維持通道的峰值電流不小于 2A. （ 4） .放電必須是短時間的脈沖放電脈沖。放電持續時間一般為 10-1-10-3s。由于放電時間短，使放電時產生的熱能來不及在被加工材料內部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內，保持火花放電的冷極特性。 江西工業工程職業技術學院畢業論文 4 （ 5） .脈沖放電需重復多次進行，并且多次脈沖放電在時間上和空間上是分散的這里包含兩個方面的意義 :其一時間上相鄰的兩個脈沖 不在同一點上形成通道 ;其二，若在一定時間范圍內脈沖放電集中發生在某一區域，則在另一段時間內，脈沖放電應轉移到另一區域。只有如此，才能避免積碳現象，進而避免發生電弧和局部燒傷。 （ 6） .脈沖放電后的電蝕產物能及時排放至放電間隙之外，使重復性放電順利進行在電火花加工的生產實際中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產物排離的固有特性 ;蝕除物以外的其余放電產物如介質的氣化物 )亦可以促進上述過程 ;另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環過濾，加工中采用的沖、抽 油措施等等。 進行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或將工作液充入放電間隙。通過間隙自動控制系統控制工具電極向工件進給，當兩電極間的間隙達到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產生火花放電。 在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達一萬攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作 液恢復絕緣狀態。 緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產生火花放電，重復上述過程。這樣，雖然每個脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一定的生產率。在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進給，最后便加工出與工具電極形狀相對應的形狀來。因此，只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對運動方式，就能加工出各種復雜的型面。 工具電極常用導電性良好、熔點較高、易加工的耐電蝕材料，如銅、石墨、銅 鎢合金和鉬等。在加工過程中，工具電極也有損耗，但小于工件金屬的蝕除量，甚至接近于無損耗。工作液作為放電介質，在加工過程中還起著冷卻、排屑等作用。常用的工作液是粘度較低、閃點較高、性能穩定的介質，如煤油、去離子水和乳化液等。 按照工具電極的形式及其與工件之間相對運動的特征，可將電火花加工方式分為五類：利用成型工具電極，相對工件作簡單進給運動的電火花成形加工；利用軸向移動的金屬絲作工具電極，工件按所需形狀和尺寸作軌跡運動，以切割導電材料的電火花線切割加工；利用金屬絲或成形導電磨輪作工具電極，進行小孔磨削或成形磨 削的電火花磨削；用于加工螺紋環規、螺紋塞規、齒輪等的電火花共軛回轉加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面強化等其他種類的加工。 電火花加工能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復雜形狀工件；加工時無切削力；不產生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；工具電極材料無須比工件材料硬；直接使用電能加工，便于實現自動化；加工后表面產生變質層，在某些應用中須進一步去除；工作液的凈化和加工中產生的煙霧污染處理比較麻煩。 第四章 電火花加工的特點 電火花加工是與機械加工完全不同的一種新工藝。隨著工業生產的發展和科學技術的進步，具有高熔點、高硬度、高強度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現。具有各種復雜結構與特殊工藝要求的工件越來越多，這就使得傳統的機械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進一步發展和完善機械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應生產發展的需要，并在應用中顯示出很多優異性能，因此，得到了迅速發展和日益廣泛的應用。 江西工業工程職業技術學院畢業論文 5 電火花加工的特點如下 ： 1.脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機械加工方法難于加工或 無法加工的特殊材料和復雜形狀的工件。不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響。 2.脈沖放電持續時間極短，放電時產生的熱量傳導擴散范圍小，材料受熱影響范圍校 3.加工時，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極校工具電極材料不需比工件材料硬，因此，工具電極制造容易。 4.可以改革工件結構，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度。基于上述特點，電火花加工的主要用途有以下幾項 - 1)制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模。 2)加工小孔、畸形孔以及在硬質合金上加工螺紋螺孔。 3)在金屬板材上切割出零件。 4)加工窄縫。 5） 磨削平面和圓面。 6） 其它（如強化金屬表面，取出折斷的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面復雜的零件等）。 第五章 模具電火花加工的操作過程 數控電火花加工技術的發展，使得加工過程的操作更為快捷。使用 ATC（自動電極交換裝置）的數控電火花機床的操作過程為：機床在開機后，先回到機械原點；然后裝夾工件，將基準球固定在工作臺 X、 Y 行程范圍內任意位置；把要加工的電極裝入 ATC 電極庫，將基準電極插入主軸夾頭；通過手動控制完成基準電極中心對工件零點的定位；接著完成基準電極對基準球的中心 定位，將基準電極的中心偏移量記憶。 使用自動編程軟件制作程序，首先輸入使用的電極號、加工深度，執行檢索加工條件；再制作測量加工電極中心偏移量的程序與加工程序組合，保存制作好的程序；最后調出程序執行即可開始加工。加工過程中自動裝入電極、自動測量加工電極中心偏移量、自動定位、開油加工、監測加工。整個加工過程的重要操作步驟是在編程環節，編程時加工思路一定要清晰，輸入的數值一定要準確，才能保證自動加工過程的正確執行。不具備 ATC 電極庫的數控電火花加工操作過程與上述是一樣的，只是加工中換電極、測量中心偏移量的步驟需 由手動操作完成。可見 ATC 是數控電火花加工自動化的重要工具，它的應用打破了傳統加工繁瑣的操作模式。 第六章 電火花加工新技術的發展 6.1 新工藝的應用 電火花加工工藝是實現加工目的直接手段。目前已經開發出了多種電火花加工工藝，并在生產中取得了一定的經濟效益。下面介紹幾種在數控電火花加工中新應用的工藝及其優勢。 江西工業工程職業技術學院畢業論文 6 6.1.1 標準化夾具實現快速精密定位 數控電火花加工為保證極高的重復定位精度且不降低加工效率，采用快速裝夾的標準化夾具。目前有瑞士的 EROWA 和瑞典的 3R 裝置可實現快速 精密定位。這類裝置的原理是電極在制造時，是集電極與夾具為一體的組件在裝有同數控電火花機床上配備的工藝定位基準附件相同的加工設備上完成的。工藝定位基準附件都統一同心、同位，并且各數控機床都有坐標原點。因此電極在制造完成后，直接取下電極和夾具的組件，裝入數控電火花機床的基準附件上，無需再進行糾正調節。加工過程中如需插入一 “ 急件 ” 加工，同樣可以將正在加工的半成品卸下，待急件加工完后再繼續快速裝夾加工。標準化夾具，是一種快速精密定位的工藝方法，它的使用大大減少了數控電火花加工過程中的裝夾定位時間，有效地提升了企業的 競爭力。 6.1.2 混粉加工方法實現鏡面加工效果 在放電加工液內混入粉末添加劑，以高速獲得光澤面的加工方法稱之為混粉加工。該方法主要應用于復雜模具型腔，尤其是不便于進行拋光作業的復雜曲面的精密加工?？山档土慵砻娲植诙戎?，省去手工拋光工序，提高零件的使用性能（如壽命、耐磨性、耐腐蝕性、脫模性等）。其加工原理主要是電火花工作液中加入一定比例的導電粉末，放電間隙增大，電極間的寄生電容和電流密度減少；使放電點分散、放電集中現象減少?；旆鄯椒庸ょR面主要技術要求有：電火花機床具有鏡面精加工電路（具有 極小的單個脈沖能量）；選擇合適的粉末添加劑；進行粉末添加劑的濃度管理；利用擴散裝置來消除濃度的誤差；采用無沖液處理方式?；旆奂庸ぜ夹g的發展，使精密型腔模具鏡面加工成為現實。 6.1.3 搖動加工方法實現高精度加工 電火花加工復雜型腔時，在不同方向上的加工難度和加工面積相差很大，會引起加工屑局部集中，觸發加工不穩定、放電間隙不均勻等情況。為了保證高效率下放電間隙的一致性、維持高的穩定加工性，可以在加工過程中采用電極不斷搖動的方法。加工中采用搖動的方法可獲得側面與底面更均勻的表面粗糙度，更 容易控制加工尺寸。搖動加工選用是根據被加工部位的搖動圖形、搖動量的形狀及精度的要求而定。如果在加工中不采用搖動的方法，則很難實現小間隙放電條件下的穩定加工。在精加工中很容易發現因這個原因造成的不穩定加工現象，不穩定放電使尺寸不能準確地得到控制且粗糙度不均勻。采用搖動的加工方法能能很好解決這些問題且能保證高精度、高質量的加工。 6.1.4 多軸聯動加工方法實現復雜加工 近年來，隨著模具工業和計算機技術的發展，促進了多軸聯動電火花加工技術的進步。采用多軸回轉系統與多種直線運動協調組合成多種復合運動 方式，以適應不同種類工件的加工要求，擴大了數控電火花加工的加工范圍，提高其在精密加工方面的比較優勢和技術效益。數控電火 江西工業工程職業技術學院畢業論文 7 花加工機床可利用多軸聯動很方便地實現傳統電火花機床難以加工的復雜型腔模具或微小零件的加工，如三維螺旋面、微細齒輪、微細齒條等。目前模具企業采用數控電火花加工基本采用成型電極的軸向伺服加工，但也可以巧用多軸聯動的方法來提高加工性能，如清角部位在加工可行的情況下采用 X、 Y、 Z 三軸聯動的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面積小而發生放電不穩定的現象。模具潛伏式膠口的加工通過對電極斜度裝夾定位的設計 ，也可進行斜向多軸聯動加工。 6.2 新技術的發展 數控電火花成形機（ NCSEDM 機床）各項工藝指標雖然已達到了很高的水平，可是在高速銑（ HSM）迅速發展的今天，其發展空間仍受到了一定的擠壓。但由于 HSM 在加工凹型腔時還存在一定的問題，包括深槽窄縫的加工，內清角的加工，棱邊清晰的加工，細微、復雜、精密加工，深型腔（ L/D 5）的加工等，還有超硬材料的加工也不是 HSM 的特長 。從實力來講 國外幾個著名廠商還是處于領先優勢。 日本牧野公司第一次展出電極自動交換（ AEC）和工件自動交換（ AWC）的 EDGE2 全 自動 NCSEDM機床。 AEC 采用 EROWA ITS 系統、 3R 宏系統或牧野的 Y 形系統，分直接交換式和旋轉式二種。直接交換式電極容量為 4 根，旋轉式電極容量為 8 32 根，使用卡盤適配器交換時最大電極重量（含電極夾具） 40 kg， AEC 交換時間一般為 20s； AWC 具有通用性的工件庫和工件貨盤交換裝置，容易確認的平面工件庫適合于復雜模具加工。采用輔助工作臺，以便于大工件的自動交換，采用工作液快速處理技術，使下一個工件的交換變得更快、更可靠。該機床還具有工作液恒溫控制（ 0.5 ）， Ra0.18m 的超精加工技術（電 極：直徑 40 mm 銅，工件： NAK80）， R0.015mm的銳角加工技術以及添加劑為 SC 的混粉加工技術等。 日本沙迪克公司展出的 AM45L 同樣是全自動的 NCSEDM 機床，具有電極和工件自動交換功能，采用的是 EROWA 系統，也是第一次在國際模展上展出。 瑞士夏米爾公司也開發了混粉加工技術，在國際模展上第一次展出了 ROBOFORM 350 混粉加工機床，該機床采用 1.5 L 罐裝 Gamma M150 混粉，可以用混粉工作液進行粗、精加工，并在同一臺機床上可實現普通工作液和混粉工作液二種加工方式，從混粉加工 轉換到普通工作液加工，約需 2 h 的過濾時間，而從普通工作液轉換成混粉加工，只要 30 min 的準備時間?；旆奂庸r不用過濾器。混粉的使用壽命為 400h，甚至更長一些。混粉可以實現 Ra0.2m 的精加工，即使加工面積的大小變化，也能加工出 Ra0.2m 的工件表面。例如，加工 30mm30mm5mm 的型腔，材料為 W300 鋼，用同樣的加工工藝，普通工作液 Ra0.5m ，而混粉工作液 Ra0.18m ，而且縮短了加工時間，降低了約 30%的電極損耗 6.3 電火花加工技術的發展趨勢 未來數控電火花加工 技術的發展空間是十分廣闊的。由于電火花加工過程本身的復雜性，迄今對電火花加工的機理尚未完全弄清楚，大多研究成果是建立在大量系統的工藝實驗基礎上 江西工業工程職業技術學院畢業論文 8 完成的，所以對電火花加工機理的深入研究，并以此直接指導和應用于實踐加工是數控電火花加工技術發展的根本。在現有技術水平的基礎上，不斷開發新工藝將是數控電火花加工技術發展方向。如數控電火花銑削加工是一種還不成熟的技術，值得繼續研究的新工藝。數控電火花機床在結構設計、脈沖電源的開發方面將朝更合理、更具優勢化的方向全面發展，提高加工性能，同時考慮降低機床制造的成本。數控電火花 加工在控制技術上將朝自動化、智能化