电极设计基础知识

第一章电极设计部分自放电加工在工业生产中应用以来﹐首先获得大量使用的就是模具制造行业。

近来﹐随着模具要求的提高﹐模具材料愈来愈多地使用超硬合金﹐放电加工得到了更为广泛的应用。

其中﹐放电加工又分为雕形放电加工及线切割放电加工。

本书主要介绍雕形放电加工的有关内容。

第一节放电加工原理及其工艺特点及规律放电加工是基于电火花腐蚀原理而工作的。

如图所示﹐电源提供的电流通过R给电容C充电。

随着由充电的进行,电容上的电压逐渐升高至一固定的电压﹐我们称该电压其为空载电压。

同时﹐伺服马达驱动着电极逐渐接近工件﹐电极与工件的电压将在二极面”相对最靠近点”使电介液电离击穿而形成火花放电﹐并在火花通道上瞬时产生大量热能﹐使金属局部熔化﹐甚至气化蒸发﹐而将工件蚀除下来。

在放电后﹐随着电容C上的电压的降低﹐电介质的绝缘性又会恢复﹐从而阻断电流。

电火花加工时﹐电极与工件间通过放电而使二者都被蚀除﹐蚀除物有固相(碳渣)和气相的﹐并且伴有声波(电磁波)的幅射。

在加工中﹐工具电极的蚀除我们称为电极消耗。

另外﹐放电后电极表面往往覆有涂层(特别在消耗小的时候)﹐工件的被加工面则会产生与原材料性能不同的变质层﹐对后加工有一定影响。

t时间t VA电火花放电电压与电流的波形如上图所示﹐其放电电压一般在25~45伏之间﹐其大小与电极与工件材料的性质﹑工作液﹑脉冲电流等因素均有关系。

正常放电过程一般认为是”充电------介质电离------放电-----放电结束-----介质绝缘恢复”的重复过程。

一般:U1>U2>U3>U4<表1-1>放电加工的产物可分为固相﹑气相和辐射波三部分。

它们的产生与放电的强弱有很大的关系。

固相电加工产物的形状﹐产生场合以及对加工的影响见表1-2﹕气相产物主要为CO﹑CO2﹐其中有一部分是有毒气体。

<表1-2>放电加工的工艺特点﹕放电加工时﹐工件材料的去除不是靠刀具的机械刀﹐加工时无机械切削力的作用﹐因此就没有因为切削力而产生的一系列设备﹑工艺问题。

也不会产生由于切削刀而引起的弹性变形。

有利于加工薄壁结构﹑蜂窝结构﹑小孔﹑窄槽和微细的型孔和型腔。

放电加工的电流密度很高﹐产生的高温足以熔化和气化任何导电材料。

即使象硬质合金﹑热处理后的钢材及合金等﹐都能加工。

虽然放电加工具有很多优点﹐但也有它的缺点﹕1.加工需要电极﹐电极的加工占整个加工过程不小的比例。

2加工表面有变质层﹐对后加工及使用均有不利的影响。

3.加工效率偏低。

4.加工精度相对较低。

5.加工工件必须是导电材料。

第二節电极间隙及其几何形状与摇摆的关系从上节放电加工原理中我们知道﹐由于放电时工件与电极之间是通电介质的击穿来进行加工的﹐在空间上有一段距离﹐再加上放电时电火花也有一定的作用范围。

两者综合后的结果是工件加工后的尺寸要比电极的尺寸大一些﹐我们将这大一些的尺寸称为放电间隙。

为了保证加工后工件的尺寸﹐我们在电极设计时要特别考虑放电对截面间隙的影响。

下面我们要讨论一下﹕(注﹕在这里﹐我们主要讨论2D电极的加工﹐3D电极的设计另有章节专门加工说明)。

一﹑基本几何形状基本几何基状可分为方形﹑圆形﹑球形﹑倒角﹑倒圆﹑断差﹑斜面等。

a.方形﹕如图所示﹕电极的截面尺寸可分别计算如下﹕B1=B-2*d’L1=L-2*d’B1﹕电极宽度 B﹕工件图面宽度尺寸 d’﹕放电间隙 L1﹕电极长度 L﹕工件图面长度尺寸在计算截面尺寸时﹐只要每边均减去一个放电间隙即可﹐这里是全封闭的摇摆方式﹐方形电极在精修时可直接作方形跑位加工即可﹕设d”为精修放电间隙d1=d’-d”则精修时可使用如下程序进行跑位加工。

(1).先在x+d1 y+d1处加工.(2).再在x+d1 y-d1处加工.(3).再在x-d1 y+d1处加工.(4).最后在x-d1 y+d1处加工.在具有摇摆功能的放电加工机来说﹐则可以使用对应的方形摇摆功能。

如Sodisk机台﹐可设定为 LN001 STEP d1。

b.圆形﹕如图所示电极的截面尺寸可计算如下﹕D1=D-2*d’D1﹕电极直径 D﹕工件图面直径 d’﹕放电间隙摇摆方式﹕(1).可使用圆形轨迹指令G02﹑G03使电极作圆轨迹加工。

(2).使用相应机台的圆形摇摆模式。

c.球形﹕如图所示﹕电极的截面尺寸可计算如下﹕ SR 1=SR-d ’SR 1﹕电极尺寸 SR ﹕工件图面尺寸 d ’﹕放电间隙 摇摆方式﹕(1).对于有球形摇摆的机台来说﹐可使用该功能。

(2).使用圆形加工方式(G02 G03)。

(3).使用圆形摇摆方式。

无论在使用圆形摇摆方式还是圆形加工方式均会造成加工后球面的底部有一小平面。

设d ”为精加工时的间隙 则SR ’=SR 1+d ” S=(d ’-d ”)*2SR ’﹕加工后实际球半径 SR 1﹕电极球半径S ﹕底部平面直径 d ’﹕粗加工放电间隙(电极设计间隙) d ”﹕精加工实际间隙如果工件底部不充许有平面﹐则需要再设计一精加工电极﹐其尺寸按﹕SR 1=SR-d ”进行设计﹐则可以解决此问题。

d.倒角﹕如图所示﹐计算如下﹕ A 1=A-(1-tg δ/2)*d ’ B 1=B-(1-tg(90-δ)/2)*d ’ C 1=C-2*d ’摇摆方式﹕1.采用方形摇摆。

2.采用方形跑位。

但是不论是采用方形摇摆还是直接采用方形跑位加工﹐如果只是采用一种间隙的电极(一般为粗加工时的间隙)均会使得在精加工后的倒角尺寸偏小﹐而造成工件异常。

对于这种状况﹐可采取以下两种方法解决﹕1.采用两种电极加工﹐分别按粗加工时的间隙和精加工时的间隙设计﹐但会增加制造成本。

2.在设计电极时﹐尺寸C按粗加工间隙设计﹐而对尺寸A﹑B则按精加工间隙设计﹐计算如下﹕A1=A-(1-tgδ/2)*d”B1=B-(1-tg(90-δ)/2)*d”C1=C-2*d’d’﹕粗加工放电间隙 d”﹕精加工放电间隙e.倒圆﹕如图所示﹐计算如下﹕ R a1=R a+d’R b1=R b-d’A1=A-2*d’d’:粗加工放电间隙RB1A同倒角一样﹐为了避免使用同一电极精修造成工件R 角偏小﹐也可使用倒角的设计方法﹐R 设计为精加工间隙。

对于右图﹐在设计成一样间隙时﹐可以采用圆形摇摆加工﹐也能保证尺寸。

f.断差﹕断差的设计一般等于图面的尺寸﹐即﹕A 1=AA 1﹕电极断差尺寸 A ﹕图面断差尺寸一般来说﹐放电加工时的断差尺寸由电极保证﹐而与放电加工的操作无关。

因此﹐在电极设计时﹐对此类尺寸的公差要求要严一些﹐一般均要比工件图面尺寸精度高1~2个级别。

另外﹐对深度方向的断差﹐如右图所示。

由于较深的部分在加工时消耗要大一些﹐故在设计时应将尺寸标注为正公差﹐不宜使尺寸偏小。

另外﹐对电极修整容易性来说﹐当断差尺寸偏大时﹐只要在较深的面OK 后﹐将电极底部修整掉一部分﹐即可将较浅的面也加工OK 。

从这一方面来说﹐电极上断差的尺寸也是宜大不宜小。

g.﹕斜面﹕‘A斜面与倒角有类似之处﹐但斜面呈在尖点﹐在加工时应特别注意到在精加工时﹐如果是用粗电极加工﹐应该先加工尖点的一侧﹐再跑位加工另外一侧﹐这时应该Z 轴抬起一个深度﹕ t=X ’*tg δt ﹕Z 轴应减小的深度 X ’﹕X 轴的摇摆量 δ﹕斜面角度当然﹐采用粗﹑精两种电极的设计方案也是可行的。

二﹑复合形状电极设计﹕复合形状是一般我们要设计的图形﹐它是基本几何形状组合而成﹐其设计方法与基本几何形状的设计大同小异﹐但由于各种几何形状组合在一起他们之间相互有所制约。

因此﹐在设计时应加以注意﹐特别是在只设计一种电极来完成粗﹑精加工的情况下﹐如果没有注意选择合适的设计方法﹐往往会造成加工后尺寸超差或不到位的情况发生﹐下面由一个例子来说明此种情况﹕ 例﹕以上图所示﹐我们由前面的计算方法可得﹕设电极粗放间隙为d ﹐精修间隙为d ’﹐则在设计两种电极(粗﹑精)分别加工时﹐A ﹑B 的尺寸分别为﹕ 粗放电极﹕A 1=A-(1-tg δ/2)*dB1=B-2*d E1=E-2*d精放电极﹕A2=A-(1-tgδ/2)*d”B2=B-2*d” E2=E-2*d”在此种情况下﹐可以使工件加工完毕﹐并保证了尺寸。

而假设我们只设计一种电极来加工工件﹐由于精修时的间隙是一样的﹐故设计后的电极的A尺寸应等于A2﹐即应按下述尺寸设计﹕A’=A-(1-tgδ/2)*d” B’=B-2*d’ E’=E-2*d’由上例可见﹕在只设计一种电极来完成粗精加工时﹐特别应注意使与斜面相关联的尺寸保证按精修间隙设计才能保证能使加工后工件尺寸是正确的。

粗放条件的间隙较大﹐可以通过单独对直边进行间隙的缩放来达到。

当然﹐有些几何形状是无法通过此一种方法来设计的(比如3D电极)﹐此时就只能设计成多种间隙的电极来加工了。

第三节放电间隙的选择在电极设计的过程中﹐如何选择合适的间隙是首先要考虑的。

一般来说﹐放电间隙的大小是取决于放电加工条件的强弱的﹐所选用的条件越强﹐放电间隙就越大。

而放电加工条件选择则取决于放电面积的大小。

在一般情况下﹐放电面积越大﹐所采用的放电条件也越强﹐这样才能保证有较好的加工效率。

但问题是我们如何确定在一定面积下所选的加工条件能保证有较高的加工效率? 是不是所选择的加工条件越强则加工效率就越高呢﹖在回答这个问题之前﹐我们先来看一个图表﹕加工效率(mm 3/mm) （铜/石墨电极 负极性加工）上图是一个加工面积﹐加工电流(加工条件)及加工效率的关系图。

曲线表明﹕(1).在相同面积时﹐加工效率并不随加工条件的增加而呈线性增加。

(2).加工面积越大﹐加工电流也充许越大﹐且加工效率也随之增加。

(3).在面积一定的情况﹐存在一个极限电流的大小﹐在加工电流超 过此值后﹐加工效率不仅不升高﹐反而下降。

因此﹐并不是加工条件越强﹐加工效率就越高。

据一些技朮文献说明﹐各种材料的电极加工的最大电流密度如下﹕铜和铜合金 < 5A/CM 2石墨 < ３A/CM 2铁合金(包括铸铁) < ２A/CM 2在我们公司﹐一般按0.1A/mm 2作为极限加工电流密度。

因此﹐电极设计时的间隙的确定一般可采用两种方法﹕一种是由加工时的放电面积计算出IP(峰值电流)﹐一般可参照下式﹕IP=放电面积* 1A/mm 2（放电面积以mm 2为单位）然后选择合适的加工方案﹐并确定对应的加工条件﹐再根据条件以条加工电流(A)件表中查出δ和R max﹐并将δ和R max相加便可作为放电间隙的设计依据。

另外一种是查表法(也叫近似间隙法)﹐该方法使用更为方便。

由于放电加工时﹐机台可作一定的摇摆加工﹐可对放电间隙进行一定的补偿﹐故设计时﹐间隙并不需要十分准确。

一般来说﹐只要达到与实际间隙的有80%的准确度即可。

因此﹐使用此方法在设计时更为实用﹐其方法如下﹕（1）.由公式﹕IP=放电面积* 1A/mm2（放电面积以mm2为单位）计算出IP值注﹕1.此表仅供参考﹐实际设计时可作适当调整。