模具的特种加工技术.ppt

第3章 模具的特种加工技术,特种加工定义：直接利用电能、化学能、光能和声能对工件进行加工，以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求的加工方法称为特种加工。也称为电加工或传统加工。模具特种加工的内容很多，主要包括电火花成形加工、电火花线切割加工、电铸、电解加工、电化学加工、激光加工、超声波加工等。,3.1 电火花成形加工,电火花成形加工定义：电火花成形加工又称放电加工或电蚀加工（Electrical Discharge Machining简称EDM），它是指在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时的电腐蚀作用对工件进行加工的一种工艺方法。,3.1.1电火花成形加工的基本原理及特点,一、电火花成形加工原理：电腐蚀现象。图3.1所示是电火花成形加工的原理图。图3.2所示是加工表面的局部放大图,图3.1 电火花加工原理图1工件 2脉冲电源 3自动进给装置 4工具电极 5工作液 6过滤器 7泵,图3.2 加工表面的局部放大图,二、电火花成形加工的基本条件,1）脉冲电源 电火花成形时必须具有波形为单向的脉冲电源，如图3.3所示。2）足够的放电能量 脉冲放电点必须有足 够的火花放电强度使局部金属熔化和气化。火花放电的电流密度应达到105106Acm2。3）绝缘介质 为使脉冲放电重复进行，极间需充有一定的绝缘液体介质，使脉冲放电产生的电蚀产物及时扩散、排出。4）间隙 工具与工件之间需始终维持一定的间隙。,图3.3 脉冲电流波形ti 脉冲宽度 t0 脉冲间隔 T 脉冲周期 Ie 电流峰值,三、电火花成形加工的特点,1）可以加工任何硬、脆、韧及高熔点的金属 材料，包括经热处理的钢及合金。2）加工时，工具与工件不接触，二者之间没 有明显的宏观作用力，能在淬火后进行。3）放电持续时间短，10-310-7s，热量传散 范围小，保证良好的加工精度和表面质。4）脉冲参数能在较大范围内调节，可以在同 一台机床上连续进行粗、中、精及精微。5）直接利用电能进行加工，便于实现自动控 制和加工自动化。,3.1.2电火花成形加工的微观过程,1介质击穿和通道形成2能量转换、分布与传递 3电蚀产物的抛出4间隙介质的消电离,3.1.3 电火花成形机床及附件简介,电火花成形机床一般由脉冲电源、自动控制系统、机床本体以及工作液循环过滤系统等四部分组成。,一、脉冲电源,脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电所需要的能量。生产中常使用晶体管脉冲电源。,二、机床本体,1）基本组成 机床本体是指电火花成型机床的机械部分，主要包括主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽等部分。2）机床主要规格 根据我国机械工业部标准规定，电火花成形机床均用D7l加上工作台台面宽度的110表示，如：D7120。,三、自动控制系统,电火花成形加工的自动控制系统，主要是控制放电间隙大小、极间物理状态以及加工深度等。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）。生产实践中常见的电液压式间隙自动控制系统,间隙自动控制系统基本环节,（1）测量环节（2）比较环节（3）放大环节（4）执行环节,四、工作液循环过滤系统,1.循环系统 按极间电蚀产物的排除方式，工作液循环系统可以分为冲油式和抽油式两种。冲油式是将清洁的工作液强迫冲入放电间隙，使工作液连同电蚀产物一起从电极侧面间隙排出。抽油式是从电极间隙抽出工作液，使用过的工作液连同电蚀产物一起经过工件待加工面而被排出。2.过滤系统 可分为自然沉淀法及介质过滤法。,五、机床主要附件,1）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。电极夹具主要有球面铰链式调节装置和十字铰链式通用夹具2）平动头 平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。,3.1.4 电火花成形加工的基本规律,电火花成形加工的工艺效果如何，主要是用加工速度、加工精度、加工表面质量以及工具电极相对损耗等四个工艺指标来评价的。,加工速度定义,加工速度定义：电火花成形加工的速度是指在一定的电规准（脉冲电源的参数）下，单位时间内工件的电蚀量。一般采用体积加工速度（mm3/min）表示；为了测定方便，有时也采用质量加工速度（g/min）表示。,一、影响加工速度的主要因素,（1）电规准 加工速度：Vv=60 f K W（2）极性效应 在脉冲放电过程中，工件和电极都要受到电腐蚀，实践证明，即使工件和电极的材料完全相同，也会因为所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度，这种由于极性不同而发生的电蚀量不一样的现象叫做极性效应。,产生极性效应的主要原因是：,产生极性效应的主要原因是脉冲延时和脉冲能量 我国通常把工件接脉冲电源正极时的加工称之为“正极性”加工；工件接负极时则称为“负极性”加工。,如何强化极性效应,1）电火花成形加工必须采用单向脉冲电源。2）正确选择加工极性。用ti20s的短脉冲进 行精加工时，采用正极性加工；用ti50s的 长脉冲进行粗、中加工时，采用负极性加工。3）用导热性好、熔点高的材料作工具电极，可 有效降低工具电极的损耗。4）根据不同的脉冲放电能量，合理选用脉冲放电 持续时间（即脉宽ti）。,（3）金属材料的热学常数,所谓热学常数是指熔点、沸点（汽化点）、导热系数、比热容、熔化潜热、汽化潜热等。显然，当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热等愈高，电蚀量将愈少，加工速度就慢；另外，热导率愈大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其它部位，因而降低了本身的蚀除量，加工速度也就慢。,（4）工作液,工作液的作用为：1）介电作用2）压缩放电通道3）抛出和排除电蚀产物 4）冷却作用,（5）排屑条件,常常采用冲油或抽油、将工具电极定期地自动抬起等措施，改善排屑条件，限制电蚀产物浓度过大，以保证加工稳定进行。,二、影响加工精度的主要因素,（1）尺寸精度（2）形状精度 影响电火花加工形状精度的主要因素是“二次放电”。二次放电是指已加工表面上，由于电蚀产物的混入而使极间实际距离减小或是极间工作液介电性能降低，而再次发生脉冲放电现象，使间隙扩大。集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝方面。,三、影响加工表面质量的主要因素,（1）表面粗糙度（2）表面变质层（3）显微裂纹,四、工具电极相对损耗,常采用工具电极相对损耗（简称电极损耗）作为评价工具电极耐损耗的指标。即=VE/VW100 上式中的VE和VW用mm3min为单位计算时，为体积相对损耗；VE和VW用gmin为单位计算时，则为质量相对损耗。,电火花加工过程中，实现高效低损耗加工，具体途径如下：,（1）正确选择加工极性（2）利用吸附效应建立炭黑保护层（3）选用合适的材料作工具电极（4）利用电喷镀现象（5）利用电化学作用,3.1.5 型腔模的电火花加工,一、型腔模电火花加工的工艺特点与工艺方法 型腔模包括锻模、压铸模、胶木模、塑料模、挤压模等。它的加工比较困难，主要因为型腔模一般是三维曲面加工，不仅有侧面形状和尺寸精度要求，而且对其加工底面的形状和尺寸精度要求也很高。由于工作液循环和电蚀产物排除条件差，型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大。因此，对型腔模的电火花加工，既要求蚀除量大，加工速度高，又要求电极损耗低，并保证所要求的精度和表面粗糙度。,1.工艺特点,1）要求电极损耗小，以保证型腔模的成形 精度。2）成形过程蚀除量大，要求加工速度快。3）粗加工后的侧面修光较难，必须更换精 加工电极或利用平动头进行侧面修光。,2.工艺方法选择,1）单电极平动加工法2）多电极更换法3）分解电极加工法,二、工具电极的设计与制造,1.电极材料的选择 目前应用最多的电极材料是石墨和紫铜。紫铜组织致密，适用于形状复杂、轮廓清晰、精度要求较高的塑料模、胶木模、压铸模等，但紫铜加工工艺性差，难以成形磨削，而且由于紫铜密度大、价格贵，不宜作大、中型电极。石墨电极加工容易、密度小，所以适宜作大、中型电极，但石墨电极机械强度差，制造精度难以保证，且精加工时损耗较大，也容易引起稳定电弧之类的非正常放电，使工件烧伤。铜钨合金和银钨合金是较理想的电极材料，但价格贵，机械加工比较困难，故较少采用。,2.电极设计,（1）结构形式的确定 1）整体式 2）组合式 3）镶拼式,（2）电极尺寸的确定,1）电极水平尺寸 aA Kb 式中 a电极水平方向的名义尺寸，mm；A型腔图样上的名义尺寸，mm；K与型腔尺寸注法有关的系数；b电极单边缩放量，mm。2）电极垂直方向尺寸 3）电极总高度,（3）排气孔与冲油孔设计,一般情况下，冲油孔要开在不易排屑的拐角、窄缝处；而排气孔则开在蚀除面积较大以及电极端部凹入的位置。冲油孔的布置需注意不可出现无工作液流经的“死区”。排气孔和冲油孔的直径约为平动量的12倍，一般取11.5mm。为有利于排气排屑，常把排气孔、冲油孔的上端孔径加大到58mm。孔距在2040mm左右，位置相对错开，以避免加工表面出现“波纹”。,3.电极制造,紫铜电极的制造主要采用机械加工方法，并配合钳工的修光来达到预定要求。也有采用数控线切割、电铸、精锻、挤压成形等代替机械加工，然后用钳工精修。石墨电极的制造也是采用机械加工方法，然后进行修整抛光。,石墨电极制造的一般工艺过程如下：,1）加工电极固定板 2）准备样板3）准备石墨坯料 4）划线 5）加工电极 6）加工排气孔和冲油孔。7）表面修整抛光。,三、型腔电火花加工工艺,1.加工前的准备 1）工艺方法选择 2）电极准备 3）工件准备,2.电极的装夹与校正,常用的校正方法如下：1）按电极侧面校正电极。2）按电极（或固定板）的上端面作辅助基 准面校正电极的垂直度；按它们的平直 侧面校正电极的水平位置。3）按电极端面火花放电校正。,3.工件的装夹与校正,型腔模一般都由上、下模组成，为使制品不产生拼缝，应采取措施保证上、下模定位准确，合模时不致发生上下模错位现象，具体方法有如下几种：1）十字线定位法 2）定位板定位法 3）以基准面进行数控定位,4.电规准的选择与转换,为了获得好的工艺效果，在电火花加工过程中一般都是用粗规准加工出型腔的基本轮廓，以获得较高的加工速度和较低的电极损耗；然后用中、精规准逐级修光，以达到所需的表面粗糙度和加工精度。1）粗规准一般选脉冲宽度ti 400s、脉冲电流幅值大的一组脉冲参数来进行粗加工。2）中规准是粗、精规准之间的过渡参数，其脉冲宽度在50400s之间，3）精规准的脉冲宽度一般在20s以下，工作电流也很小。,（2）电规准转换,电规准转换的档数必须根据具体对象确定。一般粗加工规准一般选定一档，半精加工规准选24档，精加工规准选24档。转换的原则是下一档规准加工的表面粗糙度是上一档的1/21/3，而所留的加工余量（或称修光余量）大约为3Rmax左右。,四、典型工艺实例,图3.22所示注射模镶块，加工方法如下：1.工艺方法选择 2.工具电极设计与制造 1）电极材料 2）电极结构与尺寸 3）电极制造 4）镶块坯料加工 5）电极与镶块的装夹与定位。6）电火花成形加工。,3.1.6 电火花穿孔加工,一、穿孔工艺特点及其基本工艺路线 电火花穿孔加工与型腔模电火花成形加工的基本原理相同，是利用火花放电时的电腐蚀现象，通过工具电极相对于工件作进给运动而把成形电极的侧面形状和尺寸反拷在工件上，而加工出所需的通孔。,电火花穿孔加工的特点,1）可以在工件热处理后进行穿孔加工，避 免热处理变形影响。2）冲模的配合间隙均匀，刃口耐磨，提高 了模具质量。3）不受材料硬度限制，可以加工用一般机 械加工方法难以加工的高硬度、高韧性 金属材料，扩大了模具材料选用范围。4）对于复杂的凹模可以不用镶拼结构，简 化了模具结构，提高了模具强度。,电火花穿孔加工的基本工艺路线为：,选择加工方法选择电极材料设计电极电极加工电极组合装夹工件准备电极装夹与校正工件装夹与定位加工准备加工检验。,二、工具电极设计与制造,1.电极材料的选择 穿孔加工比较注重加工稳定性，并可通过增加工具电极长度来补偿其损耗，故常常选用黄铜，或者选用紫铜、石墨、钢、铸铁、铜钨合金和银钨合金等,2.电极的结构形式,1）整体式电极 2）镶拼式电极 3）组合电极,3.电极长度,估算公式如下：LKH+H1+H2+（0.40.8）（n1）KH 式中L所需的电极长度，mm；H 凹模的有效厚度，即要求加工的厚度，mm；H1 一些模板后部挖空时电极加长的部分，mm；H2一些小电极端部不宜开连接螺孔，需考虑电极 装夹的长度（mm），约1020mm；n 一个电极使用的次数；K 与电极材料、加工方式、型孔复杂程度等有关的 系数。,4.电极截面尺寸,实际上，电极轮廓线要比凹模型孔的轮廓线均匀缩小一个单面放电间隙，即有 aA K 式中a 电极的名义尺寸；A 凹模的名义尺寸；单面放电间隙，即末档精规准加工时 凹模下口工作部分 的放电间隙；电极轮廓凸起处尺寸为“”，凹处为“+”；K单边（半径）为1，双边（直径）为2，无缩放的为0。为了保证凹模的尺寸精度，电极的尺寸公差可取凹模型孔相应尺寸公差的1/21/3。电极表面粗糙度一般为只Ra0.81.6m。,5.阶梯电极,阶梯电极是在原有的电极上适当增长，而增长部分的截面适当缩小，呈阶梯形。阶梯电极的加工原理是利用电极的增长部分进行粗加工，然后用原来的电极在精规准下进行精修。,6.电极制造,目前，工具电极的制造一般都用电火花线切割来加工。也可以用普通机械加工，然后成形磨削。,三、凹模模坯准备,凹模在电火花穿孔加工之前，应将其它加工工序全部完成，并经热处理后磨平凹模两平面及必需的基准面。型孔需预先去除大部分余量，留有少量的余量进行电加工。电加工余量的大小直接影响加工效率与加工形状精度。余量愈小生产率及形状精度愈高。为了避免淬火变形的影响，电火花穿孔加工应在淬火之后进行。,四、电极和工件的装夹与定位,1）电极装夹 整体式电极大多数用通用夹具直接将电极 装夹在机床主轴下端；多电极则用通用夹具加定位块装夹，或用专用夹具装夹；镶拼式电极一般采用一块连接板，将几块电极连接成所需的整体，装夹后再安装在机床上校正。2）工件装夹 在一般情况下，工件被安装在工作台上的油杯或垫块上，与电极互相定位之后，再用压板和螺钉压紧。3）校正 电极装夹后必须进行校正，使其轴心线垂直于机床的工作台面（或凹模上平面）。校正方法主要是采用精密角尺校正或百分表校正。4）定位 将电极对准工件的加工位置，以保证加工孔在工件上的位置与尺寸精度。具体方法可参照型腔的加工。,五、电规准的选择与转换,一般冲模加工时电规准的转换程序是：先选用粗规准加工，当阶梯电极的台阶刚好进入刃口时，换成中规准作过渡，加工l2mm（取决于刃口高度和精规准的稳定程度），再转精规准。精规准若用两档，则依次转换，用末档修穿。,3.2 电火花线切割,电火花成形加工模具型孔，需要先加工成形电极，当被加工的模具零件精密细小、形状复杂时，不仅电极的制造难度大，而且穿孔加工的效率也很低。电火花线切割则加工能弥补电火花成形加工的不足，而且不用制造成形电极就能实现型孔的精细加工，比电火花成形机床操作更方便、效率更高。,3.2.1电火花线切割原理和特点,一、电火花线切割加工原理 电腐蚀现象 其加工原理如图3.19所示。,图3.19 电火花线切割加工示意图1数控装置 2贮丝筒 3导轮 4丝电极 5工件 6喷嘴7绝缘板 8脉冲发生器 9油泵 10油箱 11步进电机,二、电火花线切割加工特点,与电火花成型相比，电火花线切割加工有如下特点：1）不需制造专用电极，可降低成本，缩短生产周期。2）能用很细的电极丝（直径可在0.040.20mm）加 工出形状复杂、细小的通孔和外表面。3）加工过程电极损耗小，可获得较高的加工精度。4）由于丝很细，蚀除量少，对贵重金属加工有意义。5）自动化程度高，操作简便，加工周期短，成本低。6）可一模两用，加工工件作凹模，切下来料作凸模。,3.2.2电火花线切割机床,一、机床分类1）按切割轨迹的控制方式（1）靠模仿形电火花线切割机床、（2）光电跟踪控制电火花线切割机床（3）数字程序控制电火花线切割机床,2）按丝电极运动方式（1）快速走丝数控电火花线切割机床（2）慢速走丝数控电火花线切割机床,二、机床组成,数控电火花线切割机床主要由脉冲电源、机床本体、工作液循环系统、数字程序控制系统等四大部分组成。如图3.20所示。,图3.20 数控电火花线切割加工机床1电动机 2储丝筒 3钼丝 4丝架5导轮 6工件 7十字拖板 8床身,1.脉冲电源,在加工过程中金属蚀除量较少，可采用精规准一次切割成形，而不必考虑丝电极的损耗，因此要求脉冲电源能保证较高的加工速度、加工精度、加工质量及丝电极允许的承载电流的能力。目前常采用功率较小、脉冲宽度窄、频率较高、峰值电流较大的高频脉冲电源，主要是晶体管脉冲电源。,2.机床本体,1）床身 要有足够的刚度和强度。2）坐标工作台 工作台分别由两台步进电动机驱动，通过滚珠丝杠螺母副传动，驱动向拖板（中拖板）和向拖板（上拖板）带动工作台进给，如图3.21所示。3）丝电极驱动装置 丝电极经丝架7，由导轮6定位，穿过工件，再经导轮到贮丝筒9，被整齐地绕在贮丝筒上，贮丝筒在电动机带动下带动丝电极实现走丝运动。如图3.22所示。,图3.21坐标工作台1床身 2下拖板 3中拖板 4上拖板 5、7丝杠 6、8步进电机,图3.22快速走丝机构1-工作台 2夹具 3工件 4脉冲电源 5电极丝 6导轮 7丝架 8工作液箱 9贮丝筒,3.工作液循环系统,电火花线切割加工中工作液循环系统的作用与电火花成形加工相同。快速走丝时采用的工作液是乳化液。慢速走丝时采用的工作液是去离子水。,4.数字程序控制系统,电火花线切割加工中，数字程序控制系统是根据工件的形状与尺寸要求，按照一定的格式编写程序，然后按规定的编码把程序制成穿孔纸带，再输入专用计算机。计算机则按照所输入的加工程序进行计算，并发出进给信号来控制步进电动机驱动坐标工作台拖板移动，自动控制丝电极和工件之间的相对运动轨迹和进给速度，从而实现工件形状和尺寸的加工。,3.2.3程序编制方法,一、数字程序控制原理 电火花线切割机床的数字程序控制系统，能够控制加工同一平面上由直线和圆弧组成的任何图形的工件，这是最基本的控制系统。快速走丝电火花数控线切割加工普遍采用的是逐点比较法。逐点比较法加工斜线的原理如图3.23所示。逐点比较法加工逆时针方向圆弧如图3.24所示。,图3.23 加工斜线的原理 图3.24 加工圆弧的原理,逐点比较法控制滑板进给是步进的，它每走一步要完成四个工作节拍，如图3.25所示。,图3.25 工作节拍框图,二、程序编制方法,在线切割加工之前，必须对被加工工件进行程序编制，即把被加工零件的切割顺序，切割方向及有关尺寸等信息，按一定格式记录在机床所需要的输入介质（穿孔纸带）上，最后输入给机床的数控装置。我国电火花线切割机床所用编程代码有3B、4B、ISO等格式。,1.3B代码简介,（1）3B代码的程序格式如表3.5所示。,1）B为分隔符号，因为x、y、J均为数码，需 用分隔符将他们分开。2）x、y为坐标值。加工直线时，以起点为 原点建立坐标系，x、y为此坐标系中终点 的坐标值，当线段平行于坐标轴时，令x、y值为零，可省略不写；加工圆弧时，以圆心为原点建立坐标系，x、y为此坐标系中起点的坐标值。编程时x、y均取绝对值，以m为单位。3）当加工同一个工件的不同轮廓线段时，可 取不同的线段起点作为坐标原点，但坐标轴方向应始终保持不变，即坐标系发生平移。,4）J为计数长度，是指被加工线段或圆弧在X轴或Y轴上的投影长度，也以m为单位。但必须写足六位数，不足六位在前补零。如J=1980m时，应写成001980。5）G为计数方向，可按直线或圆弧的终点坐标值选取，如表3.5所示。X方向和Y方向分别记为Gx和Gy。,6）Z为加工指令，是用来传送被加工图形的形状、所在象限和加工方向等信息的。加工指令共有十二种，分为直线L和圆弧R两大类。对于直线，当终点坐标位于第一、二、三、四象限时，分别记为L1、L2、L3、L4，如图3.38 a）所示；当直线平行于坐标轴时，L1、L2、L3、L4如图3.38 b）所示。对于圆弧，当起点坐标位于第一、二、三、四象限，顺时针加工时记为SR1、SR2、SR3、SR4，如图3.38 c）所示；逆时针加工时记为NR1、NR2、NR3、NR4，如图3.29 d）所示；当起点位于坐标轴上时，以加工方向的趋势来确定其加工指令。,图3.29 直线和圆弧的加工指令,（2）纸带编码,目前，我国数控线切割机床多数采用五单位标准纸带，其实样如图3.30所示。,（3）加工程序编制,数控电火花线切割加工程序编制，是根据工件图样尺寸、电极丝的粗细以及放电间隙大小等因素。在保证一定精度的条件下，求得相应的数据和指令，再按规定的程序格式编制加工程序单。,注意点：,1）所要编制的加工程序单，不是工件的轮廓曲线，而是加工过程中电极丝中心相对工件的移动轨迹（如图3.31中点划线所示），二者之间的垂直距离为f。即在编程时必须根据给定的加工条件，首先求出其单边补偿量f f+（311）式中 d电极丝的直径；单边放电间隙。,图3.31 电极丝中心相对工件的移动轨迹,2）电极丝中心的移动轨迹是由若干条子程序段组成的连续曲线，而每条子程序段都应该是光滑的直线或圆弧。不难理解，前一条子程序段的终点就是下一条子程序段的起点。3）根据图样尺寸及加工条件，准确地求出各线段的交点（线与线、圆弧与圆弧、圆弧与线的交点）坐标值。这些坐标值是相对某一个直角坐标系而言，为了方便计算，一般应尽量选择图形的对称轴为坐标系的坐标值；,4）工件尺寸一般都有公差要求，编程时应取其公差带的中心为编程计算尺寸。如圆弧R10 mm，编程时的圆弧半径取 R=10+0.01+0.03）mm=10.02 mm。5）合理选择切割起始点及方向。起始点应选在线段交点处，以避免出现接痕。起点还应接近被加工工件的重心，这样在加工临近结束时，工件自重影响会小一些。切割方向的选择，主要是为了避免工件材料内应力所产生的变形影响。,（4）典型实例,加工图3.32所示零件凹模和凸模的3B程序。,图3.32 零件图,