模具特种加工
特种加工技术在模具制造中的应用
技术改造特种加工技术在模具制造中的应用陈丹湖（温州技师学院，浙江 温州 325600）摘 要：随着现代机械制造业的飞速发展，特种加工技术在机械制造业中的地位和作用越发重要。
要发挥特种加工技术的优势，落实更加合理的控制方案，从而匹配加工模式和应用体系，有效提升工艺效果，满足制造行业的基本需求。
本文分析了模具制造中应用特种加工技术的意义，并对技术应用方案予以讨论。
关键词：特种加工技术；模具制造；意义；技术方案为了提升模具加工控制流程的合理性，要建构完整的应用约束机制，整合技术流程，满足生产效率和高品质高精度要求，提升金属性型尺寸精度和造型美观度，实现经济效益和管理效益的和谐统一。
1 模具制造中应用特种加工技术的意义在模具加工工艺中，特种加工是十分非常关键的环节之一，借助电能、化学能以及光能等基础能量结构完成加工处理，不仅能提升精度，还能结合相应的模具制造要求和工艺标准完成热特殊加工[1]。
基于此，要充分发挥不同特种加工技术的优势作用，落实更加匹配的技术应用运行方案。
一方面，模具制造中选取适宜的特种加工技术是为了更好地提高模具制造的质量，选取匹配的特种加工技术方案，有效实现不同尺寸和不同形态元件的加工处理，以保证对应工序的标准化水平。
另一方面，特种加工技术的应用能最大程度上提高工作生产的效率，并且成本较低，满足高质量低投入的发展要求，这也是多数企业在模具制造工序中采取特种加工技术的重要原因。
综上所述，模具制造中应用特种加工技术具有重要的实践意义，是推动经济效益、管理效益双赢的技术方案。
2 模具制造中应用特种加工技术的方案为了发挥特种加工技术的应用优势，要依据模具制造的具体标准和内容落实技术处理工艺，确保电火花加工技术、电子束加工技术以及快速成型技术等都能得以应用。
相较于传统的模具加工处理方案，特种加工技术能有效整合模具制造流程和工艺要点，为技术全面可持续发展奠定坚实基础。
2.1 电加工在电加工处理工序中，要将工具和工件之间的脉冲火花放电作为根本，利用电腐蚀处理的作用消解其他金属材料，从而满足零件制作的尺寸工艺标准，能在满足形状要求的同时优化表面质量。
模具的电加工知识
达到 10 A/cm ――10 A/cm ，使局部金属能够熔化或汽化。在放电通道形成后，脉冲电压变 化不大，因此，通道的电流密度可以表征其能量密度。能量密度足够大，才可以使被加工材 料局部熔化或汽化，从而在被加工材料表面形成一个腐蚀凹坑，实现电火花加工。 （3）瞬时的单向脉冲放电。火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，
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电火花加工原理如图 5-1 所示。 工件 1 和工具电极 2 置于绝缘的工作液 5 中， 分 别与直流电源的正负极相连接。 脉冲电源 6 由限流电阻 R 和电容器 C 组成， 这是比较简单的 结构， 它的作用是利用电容的充电和放电把直流电转变为脉冲电流。 新型脉冲电源的结构虽 然有了极大的改变，但把工频交流电转变为能够产生一定频率的单向脉冲电流始终是其根 本。在脉冲电流作用下，当工具电极和工件逐步接近到较小的间隙值时，两者之间会产生绝 缘介质击穿、能量释放、脉冲停歇等过程，由于该过程在极短的时间内发生，因此在局部放 电区域会产生瞬时超高能量， 其中心温度可高达 10000 度以上， 这足以使金属材料熔化或者 汽化，产生局部的小凹坑，如此不断的脉冲循环、局部腐蚀，最终实现了工件加工的目的。 电火花成形加工正是无数微观电腐蚀现象累加的宏观表现， 图 5-2 所示是经 1-8 小时不同时 间火花放电成形加工而成的模具型腔，部分型腔经过钳修抛光。
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需停歇一段时间，其放电持续时间为 10 ―10 s。由于放电时间短，使放电时产生的热能来 不及传导扩散到被加工材料内部， 从而把能量作用局限在很小范围内， 保持火花放电的冷极 特性（即放电通道能量转换的热能来不及传至电极纵深或者是被加工材料内部） ，既保证了 工件良好的加工精度和表面质量， 又使其内在质量不受影响。 而在先后两次脉冲放电之间必 须有足够的停歇时间，以避免起弧、局部烧伤现象。否则，会像持续电弧放电那样使表面破 坏。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。
特种加工
特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。
与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，[1]能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。
(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。
(3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。
(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。
特种加工技术的主要应用领域是：难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。
难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。
低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。
以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。
电加工技术原理电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工电火花加工特点1：电火花加工速度与表面质量模具在电火花机加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。
粗加工采用大功率、低损耗的实现，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽略。
2：电火花碳渣与排渣电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。
实际中往往以牺牲加工速度去排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压，大休止脉波等等。
另一个影响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。
唯有积极开创良好排除的条件，对症的采取一些方法来积极处理。
3：电火花工件与电极相互损耗电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。
电火花机粗加工一般采用长放电脉波和大电流放电，加工速度快电极损耗小。
特种加工
10.1 概 述
特种加工不是主要依靠机械能，而是主要利用电能、热能、声能、光能、电化
学能等能量或其复合以实现材料去除的加工方法。 1.特种加工的特点 （1）加工范围不受材料的物理、机械性能的限制，能加工任何软、硬、脆、耐 热或高熔点金属以及非金属材料，适应性强，范围广。 （2）易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。 （3）易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区以及毛 刺等均比较小。 （4）两种或两种以上不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工。 2.特种加工的分类 （1）电火花加工 分为电火花成型加工和电火花线切割加工等。 （2）电化学加工 分为电解加工、电解磨削、电镀、涂镀等。 （3）激光加工 分为激光切割、打孔、打标记和激光表面处理等。 （4）电子束加工 分为切割、打孔、焊接等。 （5）离子束加工 分为蚀刻、镀覆、注入等。 （6）等离子加工 主要为等离子切割。
电火花线切割加工与电火花成形加工都是直接利用电能对金属材料进行加工 的，同属蚀除加工，其加工原理相似。线切割加工是利用不断运动的电极丝与工 件之间产生火花放电，从而将金属蚀除下来，实现轮廓切割，如图10.3所示。
2．电火花线切割加工的特点 与电火花成形加工相比，电火花线切割加工有如下特点： （1）不需要单独制造电极。 （2）一般不需考虑电极损耗。 （3）能加工精密细小、形状复杂的通孔零件或零件外形。 （4）不能加工盲孔。 3．线切割机床的分类 1）按切割的轨迹分类 按线切割加工的轨迹可以将其分为直壁切割、锥度切割和上下异形面线切割加工。 （1）直壁切割 是指电极丝运行到切割段时，其走丝方向与工作台保持垂直关系。 （2）锥度切割 锥度切割又分为圆锥面切割和斜（平）面切割。（3）上下异形 面切割 在前两种切割中，工件的上下表面的轮廓是相似的，而在上下异形面切 割中，工件的上下表面的轮廓不是相似的。
特种加工 课程标准
《特种加工》课程标准一课程基本信息课程名称特种加工开课系部机电工程系课程总学时/(分学期学时) 40/40课程总学分/(分学期学分) 4/4制定/修订日期 2011年7 月 8 日二课程性质特种加工是模具设计与制造三年制高职专业设置的一门专业课,是学生具备了一定专业基础知识之后开设的课程.先修课程有《机械制图与cad》、《机械制造基础》、《机械设计基础》、《工程材料及热处理》等。
该课程培训学生应用新技术的能力,开设一学期,教学时数为40学时,3学分。
三课程目标1知识目标：（1）了解《特种加工》这门课程的性质、地位和独立价值。
知道这门课程的研究范围、基本框架、研究方法、学科进展和未来发展方向。
（2）理解这门课程的主要概念、基本原理和方法。
（3）掌握电火花成型及电火花线切割加工的基本理论和技术。
（4）掌握电化学加工基本理论和技术。
（5）理解快速成形加工基本理论和技术。
（6）理解激光加工基本理论。
（7）理解超声波加工基本理论（8）理解电子束、离子束加工基本理论。
（9）了解其他特种加工方法。
2 能力目标：着重培训学生的电火花加工机床操作技能,提高动手能力和应用新技术的能力,通过本课程的学习,要求学生能较熟练地使用电火花、线切割机床的全部功能完成中等复杂程度零件的加工,数控电火花线切割机床简单故障和加工中不正常现象的排除方法,初步具备在现场分析,处理工艺及程序问题的能力.3素质目标（1）能够把理论知识与应用性较强实例有机结合起来,培养学生的专业实践能力.同时使学生对专业知识职业能力有深入的理解（2）培养职业技术素质, 培养学生爱岗敬业与团队合作的精神。
增强就业能力和工作能力。
四、学习内容和要求这门学科的知识与技能要求分为知道、理解、掌握、熟悉四个层次。
这四个层次的一般涵义表述如下：了解——是指对这门学科、材料成形过程和方法及工程技术的认知。
理解——是指对这门学科所涉及的基本概念、原理、方法的领会，能作自主的解释、说明，并把握一般成形过程和方法的相互关系。
特种加工特点及应用
特种加工特点及应用特种加工是指对特殊材料、特殊形状的工件进行加工的一种工艺，其主要特点是加工难度大、工艺复杂、技术要求高、加工精度高等。
特种加工通常需要特殊的机械设备和加工工具，以及专门的操作和工艺掌握。
本文将从特种加工的定义、特点和应用领域三个方面进行详细描述。
首先，特种加工的定义是对特殊材料、特殊形状的工件进行加工的一种工艺。
特殊材料可以是高硬度材料如超硬材料、高温材料如钨钼合金等，亦或是具有特殊性能和特殊用途的材料如陶瓷材料、复合材料等。
特殊形状的工件可以是非常复杂的内外形状如齿轮、螺纹、电极等。
特种加工的目的是在保证工件材料性能的同时，满足特殊形状和尺寸的要求。
其次，特种加工的特点主要表现在以下几个方面。
首先，加工难度大。
特种材料具有较高的硬度、韧性以及热传导性能等，对机械设备和加工工具的性能要求较高，加工过程中易产生刀具磨损、工件变形等问题。
其次，工艺复杂。
特种材料及其特殊形状的工件加工需要经过多道工序，其中包括切削、磨削、电火花加工（EDM）、激光加工等多种工艺。
再者，技术要求高。
特种加工需要操作人员具备较高的技术水平和丰富的实际经验，对于加工工艺参数的选择和控制要求精细。
最后，加工精度高。
特种工件通常对尺寸、形状和表面质量等要求较高，因此特种加工需要具备较高的加工精度和加工表面的光洁度。
最后，特种加工在许多领域有着广泛的应用。
首先，在航空航天领域，许多航空发动机零件、航天器外壳等都采用了特种加工技术。
其次，在模具制造领域，由于特种材料具有高硬度、高耐磨性和高抗腐蚀性能，因此特种加工广泛应用于模具的加工和制造。
再者，在医疗器械制造领域，特种加工技术可以用于人工骨、人工关节等医疗器械的加工和制造。
此外，特种加工还在光学器件制造、微电子器件制造、汽车零部件制造等领域得到了广泛的应用。
综上所述，特种加工是一种对特殊材料、特殊形状的工件进行加工的工艺，其具有加工难度大、工艺复杂、技术要求高、加工精度高等特点。
特种加工
先进制造技术
超声波加工产品
超声波抛光机
先进制造技术
特种加工实例
电火花加工
加工各种高硬度、 加工各种高硬度、高 强度、高韧性、 强度、高韧性、高脆性 的导电材料， 的导电材料，并且常用 于模具的制造过程中。 于模具的制造过程中。
先进制造技术
电火花加工产品
电火花加工样品
先进制造技术
特种加工实例
水力切割机
先进制造技术
液体喷射加工技术
水力切割过程
先进制造技术
The End Thanks!
先进制造技术
激光加工产品
激光焊接样品
先进制造技术
激光加工产品
激光蚀刻样品
先进制造技术
激光加工产品
激光加工样品
先进制造技术
激光加工产品
激光加工样品
先进制造技术
特种加工实例
旋转超声加工机床
先进制造技术
超声波加工产品
超声波加工样品 旋转超声加工是一种复合加工方法， 旋转超声加工是一种复合加工方法，它将金刚石工 具的优良切削性能与工具的超声频振动结合起来， 具的优良切削性能与工具的超声频振动结合起来，是加 工硬脆材料的一种较好方法，具有良好的应用前景。 工硬脆材料的一种较好方法，具有良好的应用前景。
先进制造技术
（四）超声加工
声波是人耳能感受的一种纵波，它的频率在16～ 16000Hz范围内。当频率超过16000Hz就称为超声波。超声 波具有波长短、能量大，传播过程中反射、折射、共振、 损耗等现象显著的特点。 1.超声加工 利用工具端面作16 ～ 25kHz 的超声频振动，使工作液中的悬 浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实 现加工，称为超声加工。
先进制造技术
(高教)模具特种加工技术(第2版)-习题答案
（高教）模具特种加工技术(第2版)-习题答案项目一1．判断题（√）1）电火花加工中若能合理利用覆盖效应则有助于降低电极的损耗。
（√）2）电加工加工中，电极接负极的叫正极性加工。
（√）3）电火花加工中，应尽量利用极性效应减少电极的损耗。
（×）4）电火花成形机床不能加工硬质合金等极硬的材料。
（×）5）电火花成形机床可以加工各种塑料零件。
（×）6）因局部温度很高，电火花加工不但可以加工可导电的材料，也可以加工不导电的材料。
（×）7）电火花加工中，工具和工件之间存在显著的机械切削力。
2．单项选择题1）下列加工方法中产生的力最小的是（D ）。
A．铣削B．磨削C．车削D．电火花2）下列叙述正确的是（A ）。
A．电火花加工中，工件接脉冲电源正极的加工叫正极性加工。
B．电火花加工中，电极、工件的材料通常都一样。
C．短脉冲加工中，工件往往接负极。
D．电火花加工中，可以不采用脉冲电源。
３）电火花成形机床加工时，为安全起见工作液面要高于工件，一般为（C ）。
A.0～5mmB.5～10mmC.30～50mmD.150～200mm４）某国产机床型号为DM7120，其中D表示（ B ）。
A.线切割机床B.电加工机床C.电火花加工机床D.数控加工机床５）电火花成形机床主要加工对象为（ C ）。
A.木材B.塑料C.金属等导电材料D.陶瓷６）下列液体中，最适宜作为电火花成形机床工作液的是( C )。
A.汽油B.矿泉水C.煤油D.自来水３．问答题1）电火花加工后工件表面是否有许多微小的凹坑？结合电火花加工原理解释原因。
是，电火花加工原理2）电火花加工后电极的表面是否还是电极材料的原有颜色？如果不是，请解释原因。
不是，覆盖效应3）根据加工前后测量的电极长度，查看电极尺寸是否缩短？如果电极尺寸缩短，比较一下电极缩短量与加工出的深度值是否相等？如果不等，请解释原因。
缩短，极性效应项目二1．判断题（√）1）脉冲间隔的主要作用之一是使工作液体恢复结缘。
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未淬火T10钢经电 火花加工后的表面
显微硬度
（3）表面微观裂纹
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已淬火T10钢经电火花加工 后的表面显微硬度
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四、工具电极的损耗
1、正确的选择极性
2、正确的选择电极材料
3、正确的建立炭黑保护层
4、正确的利用电喷度现象
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第一节 模具电火花成形加工
电火花成形加工的设备
1)脉冲电源，电极：铜 、钢、石墨 2) 工作液循环系统 加工介质：煤油、煤油和机油、水基工作液 3)自动控制系统 4）机床本体
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第一节 模具电火花成形加工
1、脉冲电源
（1）作用：输出足够能量的单向脉冲电流来产生电
火花放电来蚀除金属。
（2） 脉冲电源的参数
➢电源幅值 ➢ 脉冲亮度 ➢ 脉冲间歇
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第一节 模具电火花成形加工
2）产生原因分析
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第一节 模具电火花成形加工
（3）脉冲宽度对电蚀量的影响
影响：脉冲宽度越大，电蚀量越大； 当达到一个峰值时，脉冲宽度越大，电蚀量越小。
原因:
当脉宽过短时，热量过于集中，金属在气化状态 下抛出的百分比增大，而气化而要消耗一定的能 量，导致电蚀量减少；而当脉宽过长时，通过传 导而散失的热量过高，因而电蚀量也降低。
（2）基本要求：
➢ 足够的稳定性
➢ 较高的灵敏度和快速反应能力 ➢ 较宽的速度调节范围 ➢ 结构简单可靠，维修方便
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模具特种加工
第一节 模具电火花成形加工
第二节 模具电火花线切割加工 第三节 模具电化学加工 第四节 模具超声波加工与激光加工 第五节 挤压研磨抛光
第六节 其它光整加工
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第一节 模具电火花成形加工
一、电火花加工基本原理 二、模具电火花加工特点及应用范围 三、电火花成形加工设备 四、影响电火花加工速度的基本因素 五、电火花穿孔、型腔加工
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第一节 模具电火花成形加工
（4）材料的热力学常数对电蚀量的影响
金属材料的热力学常数
➢溶点 ➢沸点 ➢比热容 ➢溶化热 ➢汽化热 ➢导热系数2020/8/19 Nhomakorabea15
二、影响电火花加工质量及加工效率的主要因素 1、影响电火花加工精度 （1）电极损耗对加工精度的影响
1）型腔加工；用电极的体积损耗率 来衡量。
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（2） 脉冲电源的要求
➢放电能量 ➢ 单向放点脉冲 ➢ 脉冲参数（电源幅值，脉冲间歇，脉冲亮度） ➢加工效率和电极损耗速度
➢放电能量和放电频率稳定 ➢性能可靠，操作方便，维修方便
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第一节 模具电火花成形加工
2、自动进给调节系统
（1）作用：确保工件与电极之间在加工过程中始终保持 一定的放电间隙，并且能自动补偿放电蚀除 金属后间隙增大的部分。
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第一节 模具电火花成形加工
3、电火花加工的特点 ➢以柔克刚：电极材料不受工件硬度、韧性的影响。
➢不存在宏观切削力：工件和工具电极不会变形，可 加工低刚度零件及小孔零件。
➢电脉冲参数可以任意调节：在同一台机器上可以完 成粗、中、精及精微加工。
➢易于实现自动控制及自动化加工
➢ 广泛应用于凹模型孔、型腔加工
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第一节 模具电火花成形加工
一、影响电火花加工速度的基本因素 （1）脉冲参数对电蚀量的影响
在单位时间内，正极或负极的总腐蚀量为：
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第一节 模具电火花成形加工
单个脉冲放电能量为：
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第一节 模具电火花成形加工
（2）极性效应现象 1）定义：电火花加工过程中，正极和负极表面虽然都 受到电腐蚀，但其腐蚀量是不相同的，这种 由于正负极不同而导致材料腐蚀量不同的现 象叫做极性效应现象。
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第一节 模具电火花成形加工
一、电火花加工基本原理
原理：在一定的介质中，通过工具电极和工件之间的 脉冲放电产生电腐蚀作用，对工件进行加工的一种方 法。
1) 电极：铜 、钢、石墨
2) 加工介质：煤油、
煤油和机油、水基工作液
3) 脉冲电源
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第一节 模具电火花成形加工
2、电火花加工的物理本质 ➢ 介质的击穿与放
电通道的形成
➢ 能量的转换 分布与传递
➢ 电极材料的抛出 ➢ 极间介质消电离
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第一节 模具电火花成形加工
2、电火花加工的物理本质 ➢ 介质的击穿与放
电通道的形成
➢ 能量的转换 分布与传递
➢ 电极材料的抛出 ➢ 极间介质消电离
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1、电火花成形设备必须具备的条件：
➢工具电极和工件之间必须保持一定的放电间隙，并 且可自动调节。
➢极间放电电流密度要足够高能使放电点金属熔化和 气化。
➢极间放电应该是瞬时脉冲性的，每次放电不但要集 中，而且局限于很小的范围内。
➢每一次放电结束后能及时消电离恢复其介质性能。
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第一节 模具电火花成形加工
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第一节 模具电火花成形加工
4、电火花加工的应用范围
➢穿孔加工——凹模、挤压模、粉末冶金模等异形 孔及微孔。
➢ 型腔加工——注射模、压塑模、吹塑模、压铸模、 锻模及拉深模等型腔。
➢ 强化金属表面——凸凹模的刃口
➢ 磨削平面及圆弧面
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效果评价
➢加工速度：极性效应，工作液，排屑条件 ➢加工精度：尺寸，形状 ➢表面质量：Ra，表层组织 ➢电极损耗：电极选择，材料
2）穿孔加工：用长度损耗率来衡量。
（2）放电间隙对加工精度的影响
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(3)加工斜度对加工精度的影响
在加工过程中随着加工深度的 增加，二次放电次数增多，侧面 间隙逐渐增大，使加工孔入口处 的间隙大于出口处的间隙，出现 加工斜度，使加工表面产生形状 误差，
(4)加工圆角对加工精度的影响
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三．影响表面质量的工艺因素
（1）表面粗糙度
（2）表面变化层 经电火花加工后的表面将产生 包括凝固层和热影响层的表面变化层，
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1） 凝固层
是工件表层材料在脉冲放电的瞬间高 温作用下熔化后未能抛出，在脉冲放 电结束后迅速冷却、凝固而保留下来 的金属层。
2）热影响层 位于凝固层和工件基体材料之间，该 层金属受到放电点传来的高温影响， 使材料的金相组织发生了变化。