精密与特种加工实验指导书.docx
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精密与特种加工实验指导书
精密与特种加工
实
验
指
导
书
2006年7月
刘伟香编
第一章实验报告要求
实验报告应包括以下内容
实验一电火花成型加工
一、实验目的
二、实验原理
三、实验设备、仪器、工具或材料
四、实验步骤
五、电火花成型加工中应注意的一些问题
六、实验数据、现象记录
七、电火花成型机床参数
八、思考题或讨论题
1、电火花成型机床主要由哪几部分组成?
2、简述“电规准”的选择依据。
实验二电火花数控线切割
一、实验目的
二、实验原理
三、实验设备、仪器、工具或材料
四、实验步骤
五、电火花线切割加工中应注意的一些问题
六、实验数据、现象记录
七、思考题或讨论题
1、电火花线切割机床主要由哪几部分组成?
2、简述线切割机床上工件装夹方法。
3、简述快走丝线切割与慢走丝线切割的区别。
第二章实验指导书
《精密与特种加工》是一门专业选修课。
其主要任务是使学生了解与初步掌握各种精密与特种加工方法的基本原理、基本规律、主要特点和应用,为应用精密与特种加工方法打下初步的基础。
本课程的实践性很强,因此实验课是完成本课程教学的重要环节。
目的是使学生初步掌握实验室现有精密与特种加工设备的结构,工作原理及不同工艺参数对加工精度的影响。
预备知识
一、本课程实验教学应达到的实验能力标准
1、掌握电火花加工机床的基本组成和结构特点。
2、了解电火花加工原理及与机械加工的区别。
3、了解电火花加工的基本规律。
4、了解电火花加工方法的工艺特点和应用领域,掌握相关工艺参数的选择标准和选择方法。
5、在指导教师的指导下,能编制出简单的加工程序
实验报告应包含指定加工零件的程序编制、加工条件选择、加工方法等内容。
二、电火花加工原理
1、基本原理
电火花加工(ElectricalDischargeMachining简称EDM)是把工具电极与工件浸在电介质溶液(工作液)中,并在其间施加脉冲电压,当电极与工件的距离很近时,极间介质被击穿,产生火花放电,在电火花放电时,火花通道中瞬时将产生大量的热,足以使工件表面的金属局部熔化,甚至气化蒸发而被电蚀下来,这时工件的金属表面形成了微小的凹坑。
局部气化和熔化的金属在爆炸力的作用下,将被抛入工作液中迅速冷却,并凝固成微小的金属颗粒,在工作液的冲刷下,金属颗粒会离开火花放电区。
一次火花放电后,介质绝缘强度恢复,等待下一次放电。
经过不断地火花放电,工件表面的金属将会不断地被蚀除,则在工件表面复制出工具电极的形状,从而达到成型加工的目的。
图1为原理图。
2、工作要素
Ø电极材料——要求导电,损耗小,易加工;常用材料:
紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等,其中石墨最常用。
Ø工作液——主要功能压缩放电通道区域,提高放电能量密度,加速蚀物排出;常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。
Ø放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必要条件。
为保持适当的放电间隙,在加工过程中,需采用自动调节器控制机床进给系统,并带动工具电极缓慢向工件进给。
Ø脉冲宽度与间隔——影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。
脉冲频率高、持续时间短,则每个脉冲去除金属量少,表面粗糙度值小,但加工速度低。
通常放电持续时间在2μs至2ms范围内,各个脉冲的能量2mJ到20J(电流为400A时)之间。
三、电火花加工的特点
1)不受加工材料硬度限制,可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料和复杂形状工件;
2)加工时无显著切削力,发热小,所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性,工具电极可以做得十分微细,能进行微细加工和复杂型面加工;
3)脉冲参数调整方便,可一次装夹完成粗、精加工,不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷;
4)工具电极材料无须比工件材料硬;
5)直接使用电能加工,易于实现数控加工;
6)加工后表面产生变质层,在某些应用中须进一步去除;
7)工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。
图1电火花成形加工原理
四、电火花加工的局限性
1)电火花加工生产效率低;
2)被加工的工件只能是导体;
3)存在电极损耗,这就影响了成型精度;
4)加工表面有变质层;
5)加工过程必须在工作液中进行。
电火花加工时放电部位必须在工作液中,否则将引起异常放电;
6)切割加工有厚度极限。
五、电火花加工的应用
a可直接加工各种金属及其合金材料、特殊的热敏感材料、半导体和非导体材料。
b可加工各种形状复杂的型孔和型腔工件,包括圆孔、方孔、多边形孔、异形孔、曲线孔、螺纹孔、微孔、深孔等型孔工件及各种型面的型腔工件。
例如加工从数微米的孔、槽到数米的超大型模具和工件。
c各种工件与材料的切割,包括材料的切断、特殊结构工件的切断,切割微细窄缝及微细窄缝组成的工件,如金属栅网、慢波结构、异型孔喷丝板、激光器件等。
d加工各种成型刀、样板、工具、量具、螺纹等成型零件。
e磨削各种工件。
如小孔、深孔、内圆、外圆、平面等磨削和成型磨削。
f刻字、打印铭牌和标记。
g表面强化。
如金属表面高速淬火、渗氮、渗碳、涂覆特殊材料及合金化等。
h辅助用途。
如去除折断在工件中的丝锥、钻头,修复磨损件,跑合齿轮啮合件等。
六、电火花加工机床的分类:
根据目前电火花设备使用情况来分,可分为3大类:
1)电火花成型加工:
采用成型工具电极进行仿形电火花加工的方法;
2)电火花线切割加工:
利用金属线作为电极对工件进行切割的方法;
3)其他类型电火花加工:
如电火花磨削加工、电火花回转加工、电火花研磨、珩磨以及金属电火花表面强化、刻字等。
其中应用最广数量较多的是电火花成型加工机床和电火花线切割机床。
七、电火花加工的发展趋势
1)大力开发应用CNC电火花加工技术美国、西欧、日本已开发出可以实现四、五坐标联动CNC电火花加工机床和加工中心和CAD/CAM系统软件。
加工过程实现计算机数控后,电火花加工精度可提高至1μm表面粗糙度达到Ra0.1μm以下。
为了提高加工精度,在CNC电火花加工机床上可加装加工精度自动补偿装置。
2)开发应用自适应控制和加工过程最佳化技术实现无人化加工,提高加工效率和加工精度。
3)大力发展微细电火花加工技术高技术产品趋于微小型化和集成化,微小型零件的尺寸精度、表面粗糙度等均已达到常规工艺无法适应的地步。
因此微细电火花技术的发展受到国外高度重视。
日本已经用微细电火花加工技术加工出10μm的电极,并用此电极加工出15μm的微小孔,深径比可达10:
1,圆柱度和表面粗糙度均可达到很高的水平;微细电火花模腔蚀刻技术与电火花抛光技术组合应用表面粗糙度可达到镜面质量要求。
4)开展行星式电火花加工技术应用研究工具电极以几十至几百μm为半径作有轨道运动可提高加工效率、改善工件底部表面加工的表面粗糙度、提高加工表面与工具形状的一致性、消除电极端角腐蚀。
5)开发应用多头多电极高速电火花打孔技术美国GE公司制造CFM56发动机短环燃烧室7000余个气膜冷却孔(直径Ф0.75—2.5mm,孔深1—6.25mm)采用组合式多工作头多电极(6个工作头,每个工作头36个电极)计算机数控电火花加工机床,提高了自动化程度和加工效率。
八、电火花加工的步骤
电火花加工主要由三部分组成:
电火花加工的准备工作、电火花加工、电火花加工检验工作。
电火花加工的准备工作有电极准备、电极装夹、工件准备、工件装夹、电极工件的校正定位等。
电火花加工的步骤如图2所示。
九、实验项目一览表
序号
实验项目
内容提要
实验
类型
学时
分配
主要仪器
设备
实验
地点
备注
1
线切割加工
G代码编程
机床操作与编程
4学时
线切割机床
2
电火花加工
电参数对加工效率的影响
验证课堂教学结论
2学时
电火花加工机床
图2电火花加工的步骤
十、机床型号、规格、分类
我国国标规定,电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。
例如D7132中,D表示电加工成型机床(若该机床为数控电加工机床,则在D后加K,即DK);71表示电火花成型机床;32表示机床工作台的宽度为320mm。
在中国大陆外,电火花加工机床的型号没有采用统一标准,由各个生产企业自行确定,如日本沙迪克(Sodick)公司生产的A3R、A10R,瑞士夏米尔(Charmilles)技术公司的ROBOFORM20/30/35,台湾乔懋机电工业股份有限公司的JM322/430,北京阿奇工业电子有限公司的SF100等。
电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下)、中型(D7125~D7163)和大型(D7163以上);按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。
随着科学技术的进步,国外已经大批生产三坐标数控电火花机床,以及带有工具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心,我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。
实验一电火花成型加工
电火花成型加工实验要求:
应知内容:
电火花成型机床的组成、工作原理、工艺方法和实际应用;
应会内容:
电火花成型机床的操作方法、加工机理、特点、放电间隙特征、加工过程的控制以及检测。
一、实验目的
1、掌握电火花成型机床结构组成;
2、掌握电火花成型机床作用和性能;
3、掌握工件的装夹、位置校正;
4、初步掌握电火花成型机床基本操作。
二、实验原理
电火花加工是在一定介质中,通过电极与工件之间脉冲放电时的电腐蚀作用,进行加工的一种工艺方法。
可以加工各种高熔点、高硬度、高强度、高纯度、的材料,在模具制造中被用于型孔和型腔加工。
三、实验设备、仪器、工具或材料
1、精密电火花成型机床,江苏三星机械制造有限公司,型号D7132一台
2、工件三件
3、电极加工好的紫铜电极
4、百分表三台
四、实验步骤
1、装夹、找正工件(保证加工面与工作台面平行);
2、装夹并找正电极(保证电极中心的垂直度);
3、利用“碰边短路原理”设置Z零点;
4、采用粗规准(Ap=30、Pa=600)及精规准(Ap=3、Pa=90)分别加工深度为3mm型腔,记录加工时间和加工表面粗糙度。
五、注意事项
1、杜绝电极下降时撞击工件;
2、“电规准”必须按指导教师指定的参数量设置。
六、实验数据、现象记录
粗规准
精规准
加工时间
表面粗糙度
加工现象
其它
七、电火花成型机床基本结构
电火花成型机床主要由主机(包括伺服进给系统的执行机构)和伺服进给系统、脉冲电源、工作液循环过滤系统等几部分组成
八、电火花成型机床参数
D71系列精密电火花成型机参数表
产品说明:
产品参数:
D7125
D7132
D7140
D7150
工作台面尺寸(mm)
450×250
600×320
650×400
800×500
工作台行程(mm)
250×150
320×200
400×300
500×400
Z轴行程(mm)
200
220
200+220
200+220
最大电极重量(Kg)
50
50
50
100
最大工件重量(Kg)
500
500
750
1000
工作台定位精度(mm)
0.02
0.02
0.02
0.02
最大加工电流(A)
30/50
50/100
60/100
100
电极损耗
1%
油槽内腔尺寸(mm)
900×520×315
900×530×355
1125×640×395
1325×780×495
机床外型尺寸(mm)
1350×1120×
2043
1350×1120×
2143
1520×1550×
2165
1520×1750×
2415
机床总重量(Kg)
1000
1200
2000
3000
九、电火花加工中应注意的一些问题
1、加工精度问题
加工精度主要包括“仿形”精度和尺寸两个方面。
所谓“仿形”精度,是指电加工后的型腔与加工前工具电极几何形状的相似程度。
影响“仿形”精度的因素有:
(1)使用平动头造成的几何形状失真,如很难加工出清角,尖角变圆等。
(2)工具电极损耗及“反粘”现象的影响。
(3)电极装夹校正装置的精度和平动头、主轴头的精度以及刚性影响。
(4)规准选择转换不当,造成电极损耗增大。
影响尺寸精度的因素有:
(1)操作者选用的电规准与电极缩小量不匹配,以致加工完成以后,使尺寸精度超差。
(2)在加工深型腔时,二次放电机会较多,使加工间隙增大,以致侧面不能修光,或者即使能修光,也超出了图纸尺寸。
(3)冲油管的放置和导线的架设存在问题。
导线与油管产生阻力,使平动头不能正常进行平面圆周运动。
(4)电极制造误差。
(5)主轴头、平动头、深度测量装置等机械误差。
2、表面粗糙度问题
电火花加工型腔模,有时型腔表面会出现尺寸到位,但修不光的现象。
造成这种现象的原因有以下几方面:
(1)电极对工作台的垂直度没校正好,使电极的一个侧面成了倒斜度,这样相对应模具侧面的上部分就会修不光。
(2)主轴进给时,出现扭曲现象,影响了模具侧表面的修光。
(3)在加工开始前,平动头没有调到零位,以致到了预定的偏心量时,有一面无法修出。
(4)各挡规准转换过快,或者跳规准进行修整,使端面或侧面留下粗加工的麻点痕迹,无法再修光。
(5)电极或工件没有装夹牢固,在加工过程中出现错位移动,影响模具侧面粗糙度的修整。
(6)平动量调节过大,加工过程出现大量碰撞短路,使主轴不断上下往返,造成有的面修出,有的面修不出。
3、影响模具表面质量的“波纹”问题
用平动头修光侧面的型腔,在底部圆弧或斜面处易出现“细丝”及鱼鳞状的凸起,这就是“波纹”。
“波纹”问题将严重影响模具加工的表面质量,一般“波纹”产生的原因如下:
(1)电极材料的影响。
如在用石墨做电极时,由于石墨材料颗粒粗、组织疏松、强度差,会引起粗加工后电极表面产生严重剥落现象(包括疏松性剥落、压层不均匀性剥落、热疲劳破坏剥落、机械性破坏剥落),因为电火花加工是精确“仿形”加工,故在电火花加工中石墨电极表面剥落现象经过平动修整后会反映到工件上,即产生了“波纹”。
(2)中、粗加工电极损耗大。
由于粗加工后电极表面粗糙度值很大,中、精加工时电极损耗较大,故在加工过程中工件上粗加工的表面不平度会反拷到电极上,电极表面产生的高低不平又反映到工件上,最终就产生了所谓的“波纹”。
(3)冲油、排屑的影响。
电加工时,若冲油孔开设得不合理,排屑情况不良,则蚀除物会堆积在底部转角处,这样也会助长“波纹”的产生。
(4)电极运动方式的影响。
“波纹”的产生并不是平动加工引起的,相反,平动运动能有利于底面“波纹”的消除,但它对不同角度的斜度或曲面“波纹”仅有不同程度的减少,却无法消除。
这是因为平动加工时,电极与工件有一个相对错开位置,加工底面错位量大,加工斜面或圆弧错位量小,因而导致两种不同的加工效果。
“波纹”的产生既影响了工件表面粗糙度,又降低了加工精度,为此,在实际加工中应尽量设法减小或消除“波纹”。
十、思考题或讨论题
1、电火花成型机床主要由哪几部分组成?
2、简述“电规准”的选择依据。
电火花数控线切割实验
电火花数控线切割实验要求:
应知内容:
电火花数控线切割机床的结构、电火花线切割的基本原理和加工步骤、工艺方法和实际应用;
应会内容:
数控线切割机床的操作;熟悉数控指令代码,学会G代码编写程序,根据待切割工件的轮廓形状,编制线切割的数控程序,分析研究电规准的选择对线切割加工的影响;了解工件的装夹过程及找正方法;了解加工工艺参数对加工速度及精度的影响。
预备知识
一、基础知识
数控电火花线切割机床,简称线切割机床,是以运动的金属丝为工具电极,在控制系统的控制下,按预先设定的轨迹对工件进行加工。
线切割机床适合加工各种模具,切割微细精密及形状复杂的零件、样板,切割钨片、硅片等。
广泛应用在机械、电子电气等领域。
一)工作原理
电火花线切割加工时,用连续移动的钼丝(或铜丝)作工具阴极,工件为阳极。
机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动,可切割出二维图形(图1)。
同时,丝架可作小角度摆动,可切割出斜面。
电火花切割时,在电极丝和工件之间进行脉冲放电。
如图1所示电极丝接脉冲电源的负极,工件接脉冲电源的正极。
当来一脉冲电源时,在电极丝和工件之间产生一次火花放电,在放电通道的中心瞬时温度可高达10000℃以上,高温使工件金属融化,甚至有少量气化,高温也使电极丝和工件之间的工作液部分生产气化,这些气化后的工作液和金属蒸汽瞬间迅速膨胀,并具有爆炸的特性。
这种热膨胀和局部微爆炸抛出融化和气化的金属材料而实现对工件材料进行电蚀切割加工。
通常认为电极丝与工件的放电间隙δ电在0。
01mm左右,若电脉冲电压高,放电间隙会大一些。
线切割编程时,一般取δ=0。
01mm。
每来一个电脉冲时,要保证在电极丝和工件之间产生的是火花放电是火花放电而不是电弧放电,必须创造必要的条件,首先必须是两个电脉冲之间有足够的间隙时间使放电间隙中的介质消电离,即使放电通道中的带粒子复合为中性粒子,恢复本次放电通道处间隙中介质的绝缘强度,以免总在同一处发生、发生放电而导致电弧放电。
一般脉冲间隙应为脉冲宽度的4杯以上。
为了保证火花放电时电极丝(一般用钼丝)不被烧断,必须向放电间隙注入大量工作液,以使电极丝得带充分冷却,同时电极丝必须作高速轴向运动,以避免火花放电总在电极丝的局部位置而被烧断,电极丝速度约在7—10mm/s左右。
高速运动的电极丝,有利于不断往放电间隙中带入新的工作液,同时也有利于把电蚀产物从间隙中带出去。
二)线切割加工的应用范围
(1)加工模具
(2)加工电火花成型加工用的电极(3)加工零件
三)数控电火花线切割机参数
主要技术参数见表一。
表一主要技术参数
型号
DK7725系列
DK7732系列
DK7740系列
工作台面尺寸
640mm×460mm
880mm×540mm
900mm×550mm
工作台行程
320mm×250mm
420mm×320mm
480mm×400mm
最大切割厚度
普通可调线架为300mm,锥度可调线架为250mm
最大切割锥度
6°
最大切割速度
>120mm2/min
加工表面粗糙度
Ra≤2.5μm(20mm2/min)
电极丝直径
φ0.10mm–φ0.19mm
保护功能
断线自动关断走丝电机
工作电源
单相220V50Hz
功耗
<1KW
机床尺寸
1400mm×1150mm×1600mm
1400mm×1300mm×1600mm
数控电火花线切割机型号DK7732的含义如下:
DK7732
线切割加工机床可按多种方法进行分类,通常按电极丝的走丝速度分成快速走丝线切割机床(WEDM-HS)与慢速走丝线切割机床(WEDM-LS)。
快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动,一般走丝速度为8~10m/s,是我国独创的电火花线切割加工模式。
快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够双向往返运行,重复使用,直至断丝为止。
线电极材料常用直径为0.10~0.30mm的钼丝(有时也用钨丝或钨钼丝)。
对小圆角或窄缝切割,也可采用直径为0.6mm的钼丝。
工作液通常采用乳化液。
快速走丝线切割机床结构简单、价格便宜、生产率高,但由于运行速度快,工作时机床震动较大。
钼丝和导轮的损耗快,加工精度和表面粗糙度就不如慢速走丝线切割机床,其加工精度一般为0.01~0.02mm,表面粗糙度Ra为1.25~2.5μm。
慢速走丝线切割机床走丝速度低于0.2m/s。
常用黄铜丝(有时也采用紫铜、钨、钼和各种合金的涂覆线)作为电极丝,铜丝直径通常为0.10~0.35mm。
电极丝仅从一个单方向通过加工间隙,不重复使用,避免了因电极丝的损耗而降低加工精度。
同时由于走丝速度慢,机床及电极丝的震动小,因此加工过程平稳,加工精度高,可达0.005mm,表面粗糙度Ra≤0.32μm。
慢速走丝线切割机床的工作液一般采用去离子水、煤油等,生产率较高。
慢走丝机床主要由日本、瑞士等国生产,目前国内有少数企业引进国外先进技术与外企合作生产慢走丝机床。
四)线切割加工机发展史
20世纪中期,苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时,发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉,从而开创和发明了电火花加工方法,线切割放电机也于1960年发明于苏联。
当时以投影器观看轮廓面前后左右手动进给工作台面加工,其实认为加工速度虽慢,却可加工传统机械不易加工的微细形状。
代表的实用例子是化织喷嘴的异形孔加工。
当时使用之加工液用矿物质性油(灯油),绝缘性高,极间距离小,加工速度低于现在械械,实用性受限。
将之NC化,在脱离子水(接近蒸馏水)中加工的机种首先由瑞士放电加工机械制造厂在1969年巴黎工作母机展览会中展出,改进加工速度,确立无人运转状况的安全性。
但NC纸带的制成却很费事,若不用大型计算机自动程序设计,对使用者是很大的负担。
在廉价的自动程序设计装置(AutomaticProgramedToolsAPT)出现前,普及甚缓。
日本制造厂开发用小型计算机自动程序设计的线切割放电加工机廉价,加速普及。
线切割放电加工的加工形状为二次元轮廓。
自动程序装置广用简易形APT(APT语言比正式机型容易),简易形APT的出现为线切割放电机发展的重要因素。
五)机床结构
数控电火花线切割机床由工作台、走丝机构、供液系统、脉冲电源和控制系统(控制柜)等五大部分组成。
A)机床机械部分
机床机械部分主要由床身、工作台、运丝装置、线架、冷却系统、夹具、防水罩等部件组成。
1)工作台主要由拖板、导轨、丝杆运动副、齿轮传动机构组成。
如图2所示
图2 工作台结构
1-下拖板 2-中拖板 3-上拖板 4-滚珠丝杆 5-步进电机 6-齿轮传动机构
2)运丝机构由储丝筒组合件上、下拖板、齿轮副、丝杆副、换向装置和绝缘件等组成,如图3所示。
图3 储丝筒组合件
1-储丝筒 2-电动机 3-联轴器 4-丝杆 5-支架 6-支架 7-拖板 8-底座 9-螺母
3)丝架采用单柱支撑、双臂悬梁结构,如图4、5所示。
图4 丝架结构示意图
图5 走丝示意图
4)滚动轴承、电机型号规格见表二。
表二滚动轴承、电机型号规格
编号
名称
型号
规格
精度
数量
安装部位
Z1
轴承
D204
E
2
丝筒运丝
Z2
轴承
D204
D
2
丝筒
Z3
轴承
D203
C
1
拖板丝杠
Z4
轴承
D36105
C
2
拖板丝杠
Z5
轴承
D36105
C
2
拖板丝杠
Z6
轴承
D24
D
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