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电火花加工

电火花加工（英语：electrical discharge machining，EDM），是一种借由放电产生火花，使工件成为所需形状的一种制造工艺。介电质液体分隔两电极并施以电压，产生周期性快速变化的电流放电，以加工材料。其中一个电极称为工具电极，或称为极头，另一个电极则称为工件电极，或简单称作工件。在电火花加工的过程中，工具电极和工件电极间不会有实际的接触。

电火花加工机
电火花加工控制面板

当两个电极间的电位差增大时，两电极之间的电场亦会增大，直到电场强度高过介电强度，此时会发生介电质崩溃，电流流过两电极，这个现象和和电容崩溃一样（参见击穿电压），移除部分电极材料。当电流停止时，新的介电质会流到电极间的电场，排除固体颗粒，而介电质的绝缘性恢复。在电流流过之后，两电极间的电位差会回到介电质崩溃之前，如此可以重复进行新一次的介电质崩溃。

历史

放电的侵蚀现象最早在1770年由英国物理学家约瑟夫·普利斯特里发现。[1]

型腔电火花加工

1943年，两位俄国学者拉扎连科夫妇（Dr. B.R. Lazarenko 及 Dr. N.I. Lazarenko）受命研究防止钨电极接触时造成火花而侵蚀的现象。虽然研究失败了，但他们发现只要将电极放在介电质液体中，这种侵蚀现象可以被很精确的控制，这让他们发明了电火花加工机，用以加工难以加工的材料，像是钨。他们发明的机器也被称作RC电路机器，因为他们使用RC电路将电极充电。[2]

同一时期，美国的一组人马哈罗德·斯塔克（Harold Stark）、维克多·哈丁（Victor Harding）和杰克·比弗（Jack Beaver）也发明电火花加工机，用来移除在铝铸件里断掉的钻头和牙攻。起初他们使用微弱的电刻蚀工具制作，但不成功，在使用了更强大的火化、自动重复的火花和电磁断续器排列而成的液体置换功能后，成了实用的机器，他们的机器可以在一分钟内产生60次火花，后来改进的真空管电路可以在一分钟之内产生数千次火花，显著的增加切削速度。[3]

线切割电火花加工

线切割电火花加工机在1960年代出现，最初是为了用硬化钢制造工具（模具）。在线切割电火花加工机，工具电极是一条线。为了避免线的侵蚀而造成断裂，线被卷在两个卷轴之间，使线上进行切割的部分持续改变。最早的数值控制（Numerial controlled, NC）机器是从穿孔带垂直型型铣床转变而来，苏联在1967年制造出最早商业化的数值控制线切割电火花加工机。

可以光学追踪工程图的机器最早由大卫·H·迪尔邦（David H. Dulebohn）在安德鲁工程公司[4]的团队制作出来，原先是为了铣床和磨床而做。工程图后来被数值控制机床（CNC）控制的绘图仪制作，以获得更高的精度。使用 CNC 绘图仪和光学线追踪技术的线切割电火花加工机在1974年被制造出来。迪尔邦用相同的 CNC 程序直接控制电火花加工机，而第一台 CNC 电火花加工机在1976年被制造出来。[5]

1980年代，电火花加工机采用工业级 CPU 控制，实现G代码编辑等功能，极大的提升了使用性能。至1990年代，采用了多轴控制及刀库（ATC）技术。近年，无电阻技术、直线导轨技术、混粉技术等一批新工艺也成功运用在电火花加工机上。

应用

电火花加工广泛应用在模具制造、机械加工行业。电火花加工可以用来加工传统切削方法难以加工的超硬材料和复杂形状的工件，通常用于加工导电的材料，可以在诸如钛合金、工具钢、碳钢和硬质合金等难加工材料上加工复杂的型腔或者轮廓。

应用这种加工方法的机床主要有：

  • 放电成型加工机床：工具电极一般采用石墨或紫铜，工具和工件浸没在煤油基工作液中，通过放电把工具电极上的形状复制到工件上。
  • 放电线切割加工机床：采用去离子水（Deionized water）作为绝缘介质，采用黄铜丝或黄铜镀锌丝作为工具电极（ 中国发明的往复走丝电火花加工线切割机床通常采用乳化液，采用钼丝作为工具电极）。

电火花加工区

优点

电火花加工具有以下的优点：

  • 可以制造传统切削加工机所无法生产的奇形异面。
  • 加工坚硬的材料也可以有好的公差精度。
  • 传统加工机的切削力可能会损坏小型的工件，但电火花加工没有此情形。
  • 容器和管道内部的尖角加工
  • 细小深孔加工,直径可达0.015"

缺点

电火花加工具有以下的缺点：

  • 不能加工非导体（已经有技术可以加工陶瓷材料）。
  • 加工速度缓慢。
  • 加工成本高。

线切割

随着更严格的公差，多轴线切割加工中心机新增许多功能。像是多条线同时切割两个部分、控制线的磨损、断线时自动穿线、优化加工步骤。

线切割常用于需要低残留应力的地方，由于线切割几乎没有存在切削力，所以不会对材料增加应力。也几乎不会影响材料的机械性能。

电火花加工分类

  • 放电线切割，区分快走丝线切割，中走丝线切割，慢走丝线切割。
快走丝线切割的走丝速度为6～12 m/s，电极丝作高速往返运动，切割精度较差。
中走丝线切割是在快走丝线切割的基础上实现变频多次切割功能，是近几年发展的新工艺。
慢走丝线切割的走丝速度为0.2m/s，电极丝做低速单向运动，切割精度很高。
  • 放电成型机，区分CNC放电成型机及ZNC放电成型机。
CNC放电为三轴或多轴数控放电成型机，ZNC放电单轴数控放电成型机。
  • 专用放电，如轮胎模具专用放电，鞋模专用放电等等

参考来源

引用

  1. ^ Krar, Stephen F. and Gill, Arthur R. (2003) Exploring Advanced Manufacturing Technologies, Industrial Press Inc. ISBN 0831131500. p. 6.2.1
  2. ^ Jameson 2001，第8页.
  3. ^ Jameson 2001，第10–12页.
  4. ^ Dulebohn, "Tracer controlled machining by electrically induced erosion", 美国专利第3,614,372号, filed 4 December 1969, issued 19 October 1971.
  5. ^ Jameson 2001，第12–17页.

书目

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