电火花相关的复合加工技术.docx

电火花相关的复合加工技术.docx

《电火花相关的复合加工技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电火花相关的复合加工技术.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

电火花相关的复合加工技术

电火花相关的复合加工技术

电火花复合加工是特种加工的一种,它是利用电能转化为热能来进行加工的非传统加工方法,又是一门多学科综合的高级技术。

现在已经广泛用于金刚石、硬质合金、聚晶立方氮化硼等难加工材料的加工中,工件材料的可加工性不在与硬度、强度、韧性、脆性等有直接的关系。

它不仅改变了零件的传统典型工艺路线,而且对产品的结构设计及结构工艺性衡量标准产生了重要影响。

但是,电火花复合加工的发展也面临着许多问题,如工作液的环保、加工效率低等。

为了解决加工过程遇到的问题,各国研究人员在不断研究开发特种加工领域中的新方法,尤其是加工精度高、效率高、经济型的复合加工,利用多种形式能量的综合作用来实现对工件材料的加工,消除污染,清洁生产,促进制造技术的进一步发展。

因此,电火花复合加工技术的应用与发展逐渐成为特种加工领域中一个十分重要的分支,已经成为制造领域的主流技术,研究开发和推广应用前景十分广阔。

1超声波电火花复合加工原理及适用范围

1.1超声波电火花复合加工原理在电火花加工中,引入工具电极的超声振动,可以强化电火花加工过程,提高生产率。

它是电火花和超声波复合加工工艺,一般称为超声波电火花复合加工或超声放电复合加工。

超声放电复合加工在加工小孔、窄缝及精微异型孔时,可获得较好的加工效果。

其原理是在电火花加工中引入超声波,使工具电极端面作超声振动,超声声学部件夹固在电火花加工机床主轴头下部,电火花加工用的方波脉冲电源（RC线路脉冲电源也可）加到工具和工件上（精加工时工件接正极）。

加工时主轴作伺服进给,工件端面作超声振动。

当不加超声振动时,电火花精加工的放电脉冲利用率为3～5%;加上超声振动后,电火花精加工的有效放电脉冲利用率可提高到50%以上,从而提高了生产率2～20倍。

愈是小面积、小用量加工,生产率的提高愈多。

对超声放电复合加工技术的发展国内外研究人员作了大量的工作。

印度Madras工业大学的V.S.R.Murti和P.K.Philip对加工机理进行了研究;罗马尼亚PolytechnieInstituteofBucharest的St.Enache等人对工具电极在振动作用下的电火花加工进行了研究;日本的Yashihilo等人研究了压电高频响应驱动器对电火花加工速度的影响;哈尔滨工业大学的杜松岩进行了方波电源超声电火花复合加工研究;郭永丰提出了超声电火花同步复合加工小孔技术;北京电加工研究所曹风国等人进行了超硬工具材料超声放电复合抛光方法的研究;山东大学艾兴、张建华教授等人提出了基于机械脉冲放电原理的超声频间隙脉冲放电加工技术;哈尔滨工业大学的金长善等对喷丝板超声放电磨料复合加工进行了研究,在一定程度上解决了生产率与表面质量之间的矛盾[5]。

1.2超声波电火花复合加工的适应范围

超声波电火花复合加工主要加工小孔、窄缝及精微异型孔。

解决了电火花加工放电间隙过小而无法加工的的难题。

超声电火花复合加工不适宜加工工件面积较大的粗、半精加工。

2超声振动辅助气中放电复合加工的基本原理及适用范围

2.1超声振动辅助气中放电复合加工的基本原理超声振动辅助气中放电复合加工技术是以高压气体为工作介质并辅以超声波振动辅助的电火花加工。

图1所示为超声振动辅助气中放电加工基本原理图。

固定在主轴头上的工具电极与固定在工作台上的工件分别与高频脉冲电源两个输出端相连接。

伺服控制单元通过伺服进给装置使工具电极和工件之间保持一个很小的、可进行火花放电的间隙。

工具电极制成中空的薄壁管形状,放电加工时,主轴头带动工具电极旋转,同时在电极中间通以高压气体介质。

工作台固定在超声变幅杆端部,工件随着工作台一起作超声频振动。

当脉冲电压加到两电极之间时,立即在极间形成一个电场。

由于工具电极与工件表面微观不平,使极间电场分布不均匀,最终导致气体介质在绝缘强度最低处或间隙最小处击穿,形成放电通道,在该局部产生火花放电。

放电产生的瞬时高温使工件电极和工具电极表面材料熔化和气化,熔化和气化的材料在爆炸力作用下从电极表面上分离并迅速被极间高速流动的气体介质带走,在两电极表面上各形成一个凹坑。

脉冲放电结束后,经过一段间隔时间后气体介质恢复绝缘,第二个脉冲电压加到两电极上又在极间相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电,又形成一个小凹坑。

这样随着连续不断的重复脉冲放电,工具电极不断地向工件电极进给以维持适宜的放电间隙。

超声振动辅助气中放电加工试验是在山东大学自行研制的超声振动辅助气中电火花加工机床上进行的。

从试验结果可以看出,超声振动辅助气中放电加工产生的火花明显地比常规火花放电产生的火花明亮。

目前常采用煤油作为电火花成形加工的工作液,性能方面能够全面符合电火花加工的要求。

但容易着火,芳烃含量高,有刺激性气味,对人体呼吸道健康不利,且会逐步发挥消耗。

为找到一种清洁的工作液,各国研究人员都在进行许多的实验研究。

日本东京农工大学M.Kunieda等人对气中放电加工方式进行了研究,实验研究了不同气体介质中的放电加工,证实了气中放电加工的可行性;华中大学的徐盛林教授对气中放电加工作了进一步的研究;山东大学张建华教授对超声放电复合加工利用高压气体作为工作介质进行了研究,取得了实质性的成果,并应用到了实际加工中[6.7]。

2.2超声振动辅助气中放电复合加工的适用范围

超声振动辅助气中放电加工除具有超声放电加工的特点之外,还具有如下特点:

①减少了污染:

避免了常用的煤油和电加工液作为介质带来的环境污染问题,是绿色环保型的加工方法;②简化了机床结构:

气体不需回收,工作液回收过滤系统可以省去;③适用范围广、加工效率高,工具电极简单。

3结束语

电火花复合加工技术的发展体现了绿色制造的加工理念,加工效率不断提高,电极损耗率在逐渐降低,加工精度越来越高。

CNC电火花成型机床技术向精密化、自动化、柔性化、集成化和智能化方向发展。

据有关资料报道,日本企业为了缩短加工时间,构筑了电火花连续自动加工系统。

用一台机器人搬运、处理几的热胀冷缩变形,使得涂层的电阻发生改变。

理论上讲,涂层变化的电阻值Rx与刀具的形变δ具有一一对应的关系,对应关系为:

Rx=F（δ）,那么,只要测量到这个变化的电阻值,也就测出了刀具形变引起的误差。

每个电阻值Rx对应着相应的电流或电压值,这个变化的模电讯号是比较容易检测到的,模电讯号经过相应的电路转换成数字信号μ,其关系式为:

μ=G（Rx）,也就是μ=G[F（δ）]。

切削时,刀片变形引起的电流或电压变化值经过传感技术在线检测后,由A/D转换电路转换成数字信号,输入到数控装置,那么,数控装置就可以根据实际切削时,因为刀具变化引起的误差δ,由控制程序根据关系式μ=G[F（δ）]计算得来的μ值,随机地进行补偿和控制进给,基本原理如图3所示。

这就相当于在原来的闭环系统基础上又增加了一个封闭环,而成为双闭环数控机床。

在编写它的控制程序前,需要通过实验等手段建立起刀具形变与涂层电阻变化的数学模型,也就是建立起它们之间的对应关系,它们的关系也可以通过列表方式表示出来,以供编写补偿计算的控制程序时使用。

该工作量大,而且内容复杂,又是直接影响到这些误差控制精度的关键。

如此一来,闭环系统的误差控制范围被延伸到了加工切削的终端—刀具,使得数控机床的控制精度进一步得到提高。

这种涂层刀片的技术一旦成熟后,它就可以作为数控机床专用刀具使用,其前景非常广阔。

3方案分析

（1）控制进给功能都是现成的,但需要在目前闭环数控机床的基础上,考虑系统程序对这些方面的误差进行补偿计算,这个补偿值应是该闭环需补偿的量δ与原来闭环需补偿的量δ'之和,此时系统需补偿的值是δ总=δ+δ'。

（2）突破这项技术的难点是,这种涂层刀片必须与系统配套,也就是说,系统程序处理的数据来源必须与确立系统程序的依据是一一对应关系。

当然,它的技术一旦成熟后,这种刀具可以统一它的标准,问题也就会迎刃而解。

参考文献《机电产品开发与创新》康新龙

RC电火花加工电源,随电阻R变小,加工生产率增高。

但是,R值变小会使间隙放电困难,容易产生持续放电以至不能进行加工。

如使电极作超声振动,即使R值较小,可得到高效率加工。

图1是使电极作超声振动的电火花（放电）加工电路原理图。

在图中,超声波发生器输出功率150瓦,频率为24千赫,电极端部振幅12微米,电极材料是黄铜,直径为3毫米;工作液采用水,直流电源电压为100伏,电容C最大值为290微法:

工件是高速钢。

图2表示在上述条件下,电阻R（欧）与加工生产率的

关系曲线。

此时,平均加工电流为短路电流的50%。

由图2可见,在一般的电火花加工中,当R值小于20欧姆时,从理论上讲,放电频率增加。

但实际加工中,由于工作液的离子化和产生电蚀产物等原因,难以保持火花放电,而使加工不能进行。

然而,如果使电极作超声振动,因其有搅拌工作液的作用,减少了上述现象,R值即使减小到8欧姆以下,也可获得高效率加工。

图3是在图,所示的加工条件下,电容C的容量与生产率的关系曲线。

由图可知,在一般的电火花加工中,随着电容量变小,加工生产率降低。

但在超声电火花复合加工时,电容量一直减小到10微法,而生产率几乎不变。

正如前述,这是由于超声振动和空化作用,将工作液轻微搅动,防止了因放电引起的工作液绝缘强度降低的缘故。

另外,根据实验结果所测,超声电火花复合加工的工件表面光洁度比一般电火花加工稍高,不过差别不太大.图4所示的加工方法是使电极以28千赫超声频振动,又给工件以10赫的低频振。

这样,可以使充电回路的电阻R进一步减小至3~4欧情况下,也可进行高效率加工。

图5表示在电源电压为94伏,电极材料为黄铜、直径为4毫米,工件为高速钢,工作液采用水时,以电容容量为参量,电阻R和加工生产率之间的关系。

图中电阻值从2.1欧姆到8.1欧姆,而且它包括了充电回路电阻值以外直流发电机的电阻。

所以,实际充电回路的电阻最小值为0.8欧姆。

由图可知,加工生产率与l/R大致成比例,在有超声振动时生产率高。

图6表示在电容C一420微法,电阻R=5.O欧姆时,电源电压与加工生产率以及电极损耗之间的关系。

由图可知,在同样的电源电压情况下,超声电火花加工比一般电火花加工生产率高,而且电极损耗少。

参考文献《航空工艺技术》岛川正宪

在电火花微小孔加工中,由于被加工孔的孔径细微（0.5mm以下）,加工时放电间隙狭小（1微米左右）,电蚀产物易聚积在孔的底部,排屑困难,稳定的放电间隙范围小且容易受其它工艺参数的影响,易造成频繁的短路和非正常的放电;同时,为达到较高的加工尺寸精度和表面精度,常采用减小单个脉冲放电能量的方法,减小材料的蚀除量,降低了加工速度;另外,由于微孔加工工具电极细微,当深径比较大时,异常放电易烧毁工具电极,造成加工不能稳定进行,可加工范围变窄,使传统的电火花加工在微细加工中不能成为有效的加工方法[1~2]。

目前常采用的提高电火花加工能力的方法,如人工排气法,强迫冲液或抽液法、加速工作液循环等方法,常因加工条件或加工要求的限制而无法实现。

因此,为改善电火花加工性能,在微细加工中,采用超声电火花复合加工是非常有效的手段。

在电极上附加超声振动,就可以使电极端面频繁进入合适的放电间隙,提高火花击穿的概率;同时由于超声的空化作用和泵吸作用,可以增大被加工材料的去除量,加速工作液循环,改善间隙放电条件,从而提高被加工孔的深径比、加工稳定性、生产率和脉冲电源的利用率,并且在振幅得到良好控制的情况下,可以获得更高的加工精度。

1超声电火花复合加工的研究现状

1．1国外的研究现状

1986年,印度Madras工业大学的V.S.R.MURTI和P.K.PHILIP使用扫描电子显微镜对火花间隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行了详细的研究[3]。

其实验条件为:

开路电压40V,放电间隙0.1mm,电极的超声振动频率22kHz,振幅3微米。

结果显示,大部分碎屑呈现轻微椭圆度的球形,除有个别的中空结构外,其余均为实体结构。

电源的脉冲特性明显影响到形成碎屑的尺寸,在超声的作用下碎屑颗粒的椭圆度减小,颗粒尺寸、铜电极的蚀除量和碎屑碰撞的剧烈程度均有明显的增加。

同时,实验者指出放电间隙中附加超声辐射场对EDM将产生下面的影响：

1，空化作用加剧,增大了放电区中颗粒碰撞的随机性和剧烈程度,使形成碎屑颗粒的尺寸变大;

2，放电区中颗粒的受力更复杂,增加了超声场辐射力的作用;

3，放电区中声流场交替地变化加速了电解液的循环和扰动效果。

英国的RODNEYW.J.等人在1990年申请了电火花超声复合穿孔的专利[4]。

该装置如图1所示。

主要用于加工在导电基上有非导电层的零件,例如:

在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。

整个加工过程分两个阶段进行:

首先用超声振动将非导电层去除掉,当传感器感知金属层出现时,即刻改用电加工的方法进行加工或电火花与超声复合的方法进行加工。

该装置在电火花加工（EDM）的基础上附加超声加工（USM）,有效地解决了具有导电层和非导电层零件的加工问题。

罗马尼亚PolytechnicalInstituteofBucharest的ST.ENACHE等人对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究。

建立了电极在外力振动情形下的数学模型,该外力来源于放电区的气化和空化作用所形成的放电间隙中压力波的变动,通过这种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性。

虽然这种作用非超声附加的效果,但可直接预示超声-电火花复合加工必将改善EDM的加工性能。

1989年法国的D.Kremer,J.L.Lebrun,B.Hosari和A.Mosisan系统地研究了超声振动对电火花加工性能影响[5~6]。

图2是D.Kremer等人自行设计的超声复合电火花加工装置简图。

实验中,工件采用35NCD16钢（C:

0.35%;Ni:

3.5%;Cr:

1.6%;Mo:

0.24%;Mn:

0.4%;Si:

0.23%）,电极为石墨,工作液为DEL-HELDIME82,电流密度为1~10A/cm2,脉冲周期为5~200微妙,上下冲油,振幅分别为4微米和8微米。

结果表明,超声振动提高了加工速度,粗加工提高10%,精加工提高400%,使加工过程稳定,特别是精加工时尤为突出,精加工时可稳定加工的面积增大,电极损耗增加10%~15%,振幅为85%~15%,振幅为4,D.Kremer等人认为电极的超声振动改善加工过程的主要原因是:

1，电极表面的高频振动加速了工作液的循环,使间隙充分消电离;2，间隙间很大的压力变化导致更有效的放电,这样就能从弧坑中去除更多融化的金属,使热影响层减小,热残余应力降低,微裂纹减小。

日本的YoshihitoIMAI等人研究了压电高频响应驱动器对电火花加工速度的影响,指出高频振动对使用工作液的精加工（10微米Rmax）,高光滑面（1微米Rmax）和¢240微米微孔的加工速度可提高1.5~2.5倍。

1.2国内的研究现状

在我国,中国纺织工业大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、山东工业大学、北京电加工研究所、苏州电加工机床研究所等单位进行了超声电火花复合加工的研究。

80年代初,中国纺织工业大学的贺庆华等人进行了超声在精微小孔电火花加工中的应用和超声回转微孔电火花加工的研究,采用超声频率18kHz~29kHz,振幅1微米~20微米,RC脉冲电源;

¢0.01mm、¢0.13mm、¢0.17mm钨丝电极;去离子水工作液;1Cr18Ni9Ti不锈钢工件,用电源电压200V进行超声电火花复合加工微小孔实验,他们指出,采用超声RC非独立式脉冲电源比单纯采用的RC非独立式脉冲电源其最大加工速度提高4倍左右,而最大加工速度提高近十倍,可加工孔深增加。

贺庆华等人认为加工效率提高的原因是由于超声空化作用使电火花加工中的电蚀产物从放电间隙中细化并抛出,从而提高了脉冲电源的利用率[7]。

哈尔滨工业大学杜松岩在导师刘晋春教授的指导下进行了方波电源超声电火花复合加工研究,他指出,窄脉宽精微加工时,超声振动不仅起到促进排屑作用,而且使电蚀产物在电极间分布均匀,使击穿沿时缩短,最主要的是大幅度提高了脉冲的利用率,从而显著地提高加工速度;在大面积、长脉冲、大峰值电流的粗规准加工时,超声振动不能提高速度;超声复合电火花加工的工艺效果与加工面积、电极形状有关,加工面积较小时效果显著,特别适用于微小孔、窄缝的加工。

哈尔滨工业大学的郭永丰在国内首次提出了超声电火花同步复合加工小孔技术,使超声复合电火花加工速度提高了20%~50%,并提出了放电概率间隙的概念[8]。

他认为,若使电极端面的超声振动与电火花脉冲放电同步起来,电极端面的超声振动引起间隙随超声振动周期性地减小和增大,每经过一次超声振动,间隙变化一次,在间隙减小到最小间隙之前,产生一次电火花瞬时击穿放电,理论上间隙每周期性地变化一次,就能引起一次电火花放,电的超声和电火花复合加工。

80年代末90年代初,北京电加工研究所曹凤国等人进行了超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法的研究,并用于聚晶金刚石拉丝模孔的研磨抛光。

苏州电加工机床研究所陈钟燮,许亦先等人进行了超声-电火花复合研磨抛光技术研究,并分析了工艺性能和加工特点。

90年代初,山东工业大学贾志新等人对超声频间隙脉冲放电加工进行了研究,并对陶瓷进行了加工实验,分析了放电特性和加工特性,贾志新等人研制的超声频间隙脉冲放电加工原理如图3所示。

其工作原理如下:

当两个分离的电极（工具电极和工件电极）浸入到电解液中,加一电压,阴极发生电子冷发射,并随之在特定的区域产生离子化状态。

由于液体介质的消电离作用,使离子化过程显著衰减,在距阴极一定距离处电离作用就会终止。

当提高电压时,会加强离子化作用,并使离子化区扩大。

当电压提高到某一值时,使离子化状态足以形成从阴极到阳极的电子流,产生放电,这时的电压值就成为极限放电电压。

若令两电极间的电压不变,而逐渐减小两电极间的距离,当距离小到某一值时,也会从阴极到阳极形成电子流,产生放电。

不仅电压脉冲可形成火花放电,周期改变极间间隙同样可形成火花放电,这样可以用普通的直流电源代替专用的直流脉冲电源,通过极间间隙的周期变化（间隙脉冲）,实现放电加工。

超声频间隙脉冲放电加工技术就是根据这一原理提出的[9~11]。

哈尔滨工业大学的金长善等人,在97年对喷丝板超声波电火花磨料复合加工进行了研究,在一定程度上解决了生产率与表面粗糙度之间的矛盾。

其加工过程如下:

将电火花电源设计成较大的容量,采用US-EDM复合加工,将所加工的工件快速加工透,一旦加工透,将电火花电源容量减小,保持超声波振荡的振幅恒定,并在工具电极与工件间加入磨料,在保证主轴以一定的慢进给条件下加工一段时间即可。

实验结果表明,采用普通的电火花加工后,工件表面的粗糙度为Ra2.5微米,再进行1min左右的超声波电火花磨料复合加工,表面粗糙度达到Ra0.16微米[12]。

南京航空航天大学的钱军等人进行了工件激振式复合电火花微细孔加工的研究[1]。

它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于,通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环,进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。

装置如图4所示。

作者进行了不同激振驱动电压对加工速度的影响实验,得到下面结论:

随着激振驱动电压峰值的增加,相应的压力波幅值增大,其对工作液的扰动作用也更强烈。

由此改善排屑和工作液循环,提高放电脉冲的利用率。

使加工速度得到提高。

又进行了不同工件厚度的加工对比实验和不同工件材料的加工对比实验。

得出结论:

工件越薄,排屑越有利,加工速度提高的越快;复合加工对不同工件材料均有提高深径比的作用。

作者认为这主要由于工件激励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用,这有助于改善电火花微细加工的排屑条件,提高放电脉冲的利用率,使加工速度得到提高,并使微细孔电火花加工的深径比得到提高。

2。

超声电火花复合加工的发展趋势和展望

1，现有的超声电火花复合加工的理论还不成熟,今后,应在其理论上进行更加深入的研究,以达到更好地利用其进行加工的目的。

2，随着机电一体化技术及相关技术的发展,超声电火花复合加工机床向着精密化、小型化的方向发展,以扩大其应用的广度和深度。

总之,随着超声电火花复合加工理论的不断深入,装置的不断成熟,必将有越来越广泛的应用领域和广阔的应用前景

参考文献《航空精密制造技术》袁松梅赵万生刘维东栾英艳

有关混粉电火花加工已有许多研究,并有应用。

对于超声磨料混粉电火花加工技术的研究资料和报道却很少。

这种加工方法是在混粉电火花加工的基础上,通过施加于电极的超声机械振动,在放电间隙中加入磨料并与导电粉有机复合进行的加工,是一种光整加工方法。

由于增加了放电电极的超声机械振动和磨料的加入,实现了超声机械放电等多种能量的混粉复合电火花加工,强化了电火花光整加工的效能,达到了进一步降低加工表面粗糙度值和提高表面质量及增效的目的。

1基本原理

在电火花加工中要实现型面光整加工是极其困难的,不仅加工表面粗糙度达不到要求,且加工速度太低,有的根本无法加工,如采用精修加工后再用抛光的方法,对于复杂型面而言也是一个难题。

因此为了解决电火花光整加工问题,产生了混粉电火花加工,目前已有许多有关研究和应用报道,这种方法是通过在煤油介质中加入导电粉末,使放电间隙增大,形成了多通道放电加工,细化了单个脉冲放电能量,并有减小极间电容的作用等,因此混粉电火花加工对提高电火花加工表面质量、改善加工表面粗糙度和提高精加工放电加工效率均有明显的作用。

在上述加工的基础上,再在电极上施加一个超声机械振动（振荡频率f为24kHz）,该超声机械振动通过联结于加工电极的变幅杆,使电极振动放大,大约为0.01~0.05mm,由于电极前端面产生强烈的高频振动,极间的工作液会发生类似液体的瞬间“空腔”及瞬间“闭合”现象,产生了高频泵吸作用,形成了极间工作液强烈的冲击,如此加大了放电间隙中蚀除产物的排除力度,确保了在小的放电能量和放电间隙下加工更稳定,加工效率进一步提高。

与此同时,由于极间产生的高频机械振动,极间的工作液及其混入的悬浮的导电铝粉和磨料,产生了高速强烈的扰动,大大促进了导电粉末和磨料的均匀搅拌,更进一步发挥了混入导电粉末的电火花放电加工作用,提高了放电效率和表面加工质量。

不仅如此,伴随着工作液的高速扰动和强烈冲击,悬浮在煤油中的磨料对工件表面不断产生高速冲击作用,特别在放电停歇时间中发生得更强烈,这种冲击将产生类似于高压液体磨料流的喷射冲击效能,对加工面产生了超声高速的机械抛磨和对尖峰的去除效果,进一步