电火花加工或 EDM 是一种非接触式加工形式,可从电极或导线发射火花以蒸发任何硬度的材料。

放电加工或 EDM 是一种非接触式工艺,可以加工零件,无论其硬度如何。它涉及将电极或导线和导电工件放入循环的介电流体中。流体充当绝缘体,直到特定的火花间隙和电压将其电离并使火花能够传播到工件。这种火花的温度在 14,430 到 21,630° F (8,000 - 12,000° C) 之间,足以腐蚀工件的一部分。使用 CNC,操作员可以根据需要移动电极或导线,并快速打开和关闭电流。这适应了从工件上冲洗掉熔融材料(通常称为“切屑”)。工作时间和关闭时间之间的关系称为 EDM 过程的“工作周期”。

浸没在水中的 EDM 头部加工图像

视觉上令人印象深刻的沉降 EDM 工艺实际上一次只能产生一个火花。但是每秒有 500 到 30,000
个火花,人眼无法跟上它——大多数相机也跟不上。

EDM 工艺有两种主要变化:沉降片(也称为“ram”或​​“vertical”)EDM 和线 EDM。每个都使用不同的材料,并适合不同的最终应用。

什么是 Sinker EDM?

Sinker EDM 使用电极作为其“切割”工具,电极的形状作为其将在工件中产生的成品形状的镜像、略小的图像。电极一次产生一个火花——但电流的频率意味着该工具每秒可以产生500 到 30,000 个火花.

用于电火花放电加工的电极通常是铜或石墨。铜电极适用于需要精细表面光洁度的小零件和零件,但其热膨胀特性使其不适用于较大的零件。此外,这些电极对活组织有毒,会污染介电流体,导致工件氧化。尽管如此,铜电极通常在处理铝、黄铜和铜等低熔点合金以及碳和不锈钢时使用。许多操作员将铜与高达 70% 的钨结合以提高电极的耐用性,但加工这些合金可能需要硬质合金刀具。

石墨电极是铜更常见的兄弟,这种电极具有高耐热性、优异的导电性、良好的热膨胀特性和良好的机械加工性——但只能达到中等的表面光洁度。一般来说,石墨电极最适合不需要光滑表面或精细细节的大型零件或大批量工作。

两张图表展示了电压变化如何导致电流强度变化

改变电压参数应该改变安培数,从而改变 EDM 过程中的火花参数。 图片来源:Pat Crownhart,MC Machinery

无论操作使用哪种材料,热损伤都会影响沉降片电火花加工中的电极。影响磨损的因素包括火花频率、极性和电流强度。长时间保持电流开启会导致低频操作,牺牲表面光洁度以提高材料去除率。反之亦然,高频操作提高了表面光洁度。石墨电极在高频操作中表现出显着增加的磨损。

正极性可保护电极免受磨损并更好地保证尺寸精度,但负极性会增加磨损,从而将石墨电极的材料去除率提高多达 50%。铜电极也能看到其中的一些影响,但并不那么明显。

电火花放电加工的推荐安培数为每平方英寸接触工件的电极表面 50 至 65 安培。铜电极总共可以使用高达 100 安培,而石墨电极可以接受高达 600 安培。更高的安培数支持粗加工操作,而较低的安培数对于精加工或精细操作是必需的。

Sinker EDM 的主要应用是模具加工,但它也可用于攻丝硬化材料和坚韧的航空航天合金,以及其他任务。

什么是电火花线切割?

线切割机通过线驱动系统将一根线从供应线轴送入工件。电线由电触点通电,并以由手头操作确定的特定速度穿过工件。去离子水流或水浴围绕电线,并且沿着电线的长度连续发出火花。滚轮夹住金属丝并提供张力,而工件上方和下方的导轨将金属丝定位在其路径上——帮助它在工件上实现复杂的形状。

此过程中使用的线材通常直径为 0.010 至 0.012 英寸,更细的线材为 0.001 至 0.004 英寸。钢丝的材质对手术的成败也有很大的影响,因为硬的钢丝如果抗拉强度不够,在突然的冲击下很容易断裂。较软的线材被证明更适合高锥度切割操作。

线切割机切割金属片的照片,线穿过工件

Wire EDM 使用一种小直径的线材,该线材会发出火花来加工复杂的路径。电线的材料决定了它的抗拉强度和导电性能。 照片来源:牧野

不同芯线和涂层布置中的铜、锌和黄铜的组合构成了电火花线切割中使用的多种线材类型,但还有其他类型的线材适用于特定应用。尤其是钼,适合切割内半径较小的复杂工件(但其成本和可冲洗性差限制了其整体使用);使用钢芯、铜涂层和黄铜最终涂层的钢包线适用于极端切割操作,例如加工高工件或具有极端冲洗限制的零件;和扩散退火丝适用于精密和高速切削(但对自动螺纹的适用性有限)。镀银黄铜线以其性价比而闻名,

冲洗切屑

如前所述,EDM 需要一种作为绝缘体和导体同样成功的介电流体。它必须冷却工件和电极,并且必须将熔化的颗粒冲离火花隙(通常在 0.0005 到 0.005 英寸之间)。

在电火花放电加工中,这通常是具有高闪点和低粘度的石蜡或石脑油基矿物油。通过适当的过滤和循环,油在更换前可以正常使用 18 到 36 个月。

Sinker EDM 通常看到四种类型的冲洗。“正常流”冲洗是最常见的类型,是加压流体通过电极或工件中的通道进入火花隙的方向。“真空或抽吸”冲洗越来越流行,介电流体在切割端进入电极,并通过主轴端或工件上的孔退出。“喷射或侧面”冲洗是一种折衷的冲洗版本,它使用来自工件一侧的有针对性的流体喷射或喷射——仅在电极或工件的形状和尺寸不允许前两者之一时使用方法。当切口非常浅或穿过非常薄的部分时,“浸入式”冲洗可提供足够的冷却和颗粒去除;

电火花线切割沿与工件接触的线材部分浓缩去离子水(电火花线切割的介电流体)。这偶尔会使用加压喷射,但更常见的是使用“压力冲洗杯”,电线和介电流体从底部的喷嘴流出。该喷嘴应靠近零件以获得最大效果,最大距离为 0.005 英寸。

过滤很重要,但电火花线切割在正常操作下仍会导致电解。当电流与受电解化学变化污染的材料相互作用时,表面开始降解,热影响层的深度增加。抗电解电源可以通过将电压调制与晶体管脉冲电路和传感器结合使用来减少杂散火花,从而最大限度地减少这个问题。

马达快如子弹头列车

在 EDM 的早期兴起中,滚珠丝杠驱动 EDM 中使用的电极和导线。这些电机由于齿隙、旋转运动和直线运动之间的转换而降低了加工精度。直线电机使用与驱动日本子弹头列车相同的磁力发动机技术,效率更高,速度和加速度更高。由于速度快,直线电机会在磁铁处产生大量热量,迫使操作员循环冷却冷却液或减少磁铁寿命。

在电火花放电加工过程中产生的快速 Z 轴运动直线电机在电极进入和离开工作区域时创建了一个自然的冲洗系统。这使操作员能够在没有辅助冲洗的情况下加工深达 4 英寸的形状,同时保持均匀的火花隙并提高表面光洁度。

Wire EDM 还看到了直线电机的好处,包括表面光洁度、加工时间和精度提高。与滚珠丝杠驱动设置相比,直线电机的精度和响应能力提高了转角精度、定位精度和圆度能力。在单次切削加工中提高表面光洁度可以消除额外的加工次数——在某些电火花线切割作业中减少多达 60% 的加工时间。线切割 EDM 的 X 轴和 Y 轴的移动速度与沉降片 EDM 中的 Z 轴不同,这意味着直线电机在线切割 EDM 中产生的热量更少,并且通常不需要冷却线。

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