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电火花加工原理 电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。虽然一次脉冲放电的时 间很短，但它是电磁学、热力学和液体力学等综合利用的过程，是相 当复杂的。综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下阶段：（1）极间介质的电离，击穿及放电通道的形成 当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一 个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升 高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极 和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因面极间电场强 度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般 为最大。当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻 从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。间隙电压则由击穿 电压迅速下降到火花维持电压（一般约为 20-30V）,电流则由0上升 到某一峰值电流。（2）介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀 极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道 间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过 碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬间热 源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽 化。这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内 成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可 以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的 爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的 电极材料抛出蚀除。（3）电极材料的抛出 通道和正负极表面放电点瞬时高温使工件液汽化和金属材料熔 化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽 化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排 挤、抛出而进入工作液中。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的 材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部 分抛入工作液中并收缩成小颗粒处，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附 在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些 条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的消耗。实际上，金属材料的蚀除、抛出过程是比较复杂的，目前，人们 对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。（4）极间介质的消电离 随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一 段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中 性离子，恢复本次放电通道介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度 等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证 在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放 电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。为了在 2 个电极之间产生电火花，这 2 个电极之间的电压必须高 于间隙（电极-工件之间）击穿电压取决于：1）电极和工件之间的距离；2）电介液的绝缘能力（水质比电阻）；3）间隙的污染状况（腐蚀废物）。放电首先在电场最强的点发生，这是个复杂的过程；自由正离子 和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道；在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到 8000到 12000 度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些 材料，同时，由于某种原因电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并 且它的压力规则上升直到非常高；然后电流中断，温度突然降低，引 起气泡内向爆炸，产生的动力把深化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的 材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走；对于电极及 工件腐蚀对不对称的问题，主要取决于电极热传导性，材料的熔点，持续时间以及放电密度，发生在电极上称作损耗，发生在工件上称作 去除材料。电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使 工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施 加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝 缘强度最低处，由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度 集中使放电区的温度瞬间高达 10000-12000度，工件表面和工具电极 表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸 力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅 速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀 除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的 电火花成型加工原理图 1-工件2-脉冲3-自动4-工具电极5-工作液 6-过滤器 7-泵影响电加工质量的因素 影响加工质量的原因是多方面的，大致与电极材料的选择、电极制造、电极装夹找正、加工规准的选择、操作工艺是否恰当等有关。要防止 产生废品，应注意下列各点。1、正确选择电极材料 在型腔加工中，石墨是常用的电极材料，但由于石墨的品种很多，不 是所有的石墨材料都可作为电加工的电极材料，应该使用电加工专用 的高强度、高密度、高纯度的特种石墨。紫铜电极常用于精密的中、小型型腔加工。在使用铸造或锻造制造的紫铜坯料做电极时，材质的 疏松、夹层或砂眼，会使电极表面本身有缺陷、粗糙和损耗不均匀，使加工表面不理想。2、制造电极时正确控制电极的缩放尺寸 制造电极是电火花加工的第一步，根据图纸要求，缩放电极尺寸是顺 利完成加工的关键。缩放的尺寸要根据所决定的放电间隙再加上一定 的比例常数而定。一般宁肯取理论间隙的正差，即电极的标称尺寸要 偏“小”一些，也就是“宁小勿大”。若放电间隙留小了，电极做“大”了，使实际的加工尺寸超差，则造成不可修废品。如电极略微偏“小”，在 尺寸上留有调整的余地，经过平动调节或稍加配研，可最终保证图纸 的尺寸要求。在型孔加工中无论是制造阶梯电极，还是用直接加工 电极，由于最终要控制凸凹模具的配合间隙，因此对电极缩放尺寸的 要求是十分严格的，一般应控制在 0.01mm。3、把好电极装夹和工件找正的第一关 在校正完水平与垂直，最后紧固时，往往会使电极发生错位、移动，加工时造成废品。因此，紧固后还要不厌其烦地再找正检查一下，甚 至在加工开始进行了少量进给后，还需要停机再查看一下是否正确无 误。因为电火花加工开始阶段是很重要的一个环节，也是需要操作者 最精心的时候。由于电极装夹不紧，在加工中松动，或找正误差过大，是造成废品的 一个原因。电极或辅助夹具的微小松动，会给加工深度带来误差。有 时在多次重复加工中，加工条件相同，但深度误差分散性很大，往往 也是电极松动造成的。加工过程中夹具发热，也会使电极松动。对于 一些小型单电极，只用一个螺栓与电极连接固定，则更容易发生松动，特别是石墨电极采用这种夹固方法 是非常不可靠的。在进行型孔加工中，一般为了减少加工量，都进行预铣或预钻。加工 留量越小，越有利于提高加工速度，但也会给找正带来困难，造成废 品的潜在危险也越大，多型孔同时加工的场合更是如此，由于预铣、预钻孔的尺寸不够均匀一致，往往多数孔已经找正，而有一二个孔略 偏。如果观察粗略，就有可能加工后个别型孔留有“黑皮”而造成废品。因此在加工初始阶段，一定要停机查核，确实无误后再继续加工。4、要正确选用加工规准，了解脉冲电源的工艺规律 了解和掌握脉宽、脉间、电流、电压、极性等一组电规准对应产生的 电极损耗、加工速度、放电间隙、表面粗糙度以及锥度等工艺效果，是避免产生废品、达到加工要求的关键。不控制电极损耗就不能加工 出好的型腔，控制不好粗糙度和放电间隙，就不能确定最佳平动量，修光型腔侧壁。控制不准放电间隙和粗糙度就加工不出好的型孔。常 常有人埋怨电源的电极损耗异乎寻常的大，这往往是由于极性接反 了，或者是用高频、窄脉宽进行型腔的粗加工。5、防止由于脉冲电源中电气元件的影响而造成废品 脉冲电源在维修中由于更换了元器件，使脉冲参数发生改变，也会使 加工达不到人们预期的效果。或由于电源中元器件损坏、击穿，引起 拉弧放电，也是造成工件严重破坏的原因。6、注意实际进给深度由于电极损耗引起的误差 在进行尺寸加工时，由于电极长度相对损耗会使加工深度产生误差。而由于规准变化的不同，误差也会很不一致，往往使实际加工深度小 于图纸要求。因此一定要在加工程序中，计算、补偿上电极损耗量，或者在半精加工阶段停机进行尺寸复核，并及时补偿由于电极损耗造 成的误差，然后再转换成最后的精加工。7、正确控制平动量 型腔或型孔的侧壁修光要靠平动，既要达到一定粗糙度的要求，又要 达到尺寸要求，需要认真确定逐级转换规准时的平动量。否则有可能 还没达到修光要求，而尺寸已经到限，或者已经修光但还没有达到尺 寸要求。因此，应在完成总平动量 75%的半精加工段复核尺寸，之 后再继续进行精加工。8、防止型腔在精加工时产生波纹和黑斑 在型腔加工的底部及弯角处，易出现细线或鱼鳞状凸起，称为波纹。产生的原因有以下几方面：电极损耗的影响：电极材料质量差，方向性不对，电参数选择不当，造成粗加工后表面不规则点状剥落（石墨电极）和网状剥落（紫铜电 极）。在平动侧面修光后反映在型腔表面上就是“波纹”。冲油和排屑的影响：冲油孔开得不合理，“波纹”就严重；另外排屑不 良，蚀除物堆积在底部转角处，也助长了“波纹”的产生。减少和消 除的方法：采用较好的石墨电极，粗加工开始时用小电流密度，以改善电极表面 质量。采用中精加工低损耗的脉冲电源及电参数。合理开设冲油孔，采用适当抬刀措施。采用单电极一修正电极工艺，即粗加工后修正电极，再用平动精加工 修正，或采用多电极工艺。精加工留在型腔表面的黑斑常常给最后的加工带来麻烦。仔细观察这 部分的表面不平度较周围其他部分要差。这种黑斑常常是由于在精加 工时脉冲能量小，使积留在间隙中的蚀除物不能及时排出所致。因此，在最后精加工时要注意控制主轴进行灵敏的“抬刀”，不使炭黑滞留而 产生黑斑。9、注意装夹在一起的大小电极在放电间隙上的差异（此处主要指侧 面间隙）原则上放电间隙应不受电极大小的影响，但在实际加工中，大电极的 加工间隙小，而小电极加工间隙反而偏大，一般认为：大小电极组装精度可能不一样，小电极垂直精度不易装得象大电极那 样高，使其投影面积增大，造成穿孔加工放电间隙扩大。小电极在穿孔加工过程中容易产生侧向振动，造成放电间隙扩大。由于穿孔进给速度受大电极的限制，使小电极二次放电机会增多，致 使其放电间隙扩大。10、防止在型孔加工中产生“放炮”在加工过程中产生的气体，集聚在电极下端或油杯内部，当气体受到 电火花引燃时，就会象“放炮”一样冲破阻力而排出，这时很容易使电 极与凹模错位，影响加工质量，甚至报废。这种情况在抽油加工时更 易发生。因此，在使用油杯进行型孔加工时，要特别注意排气，适当 抬刀或者在油杯顶部周围开出气槽、排气孔，以利排出积聚的气体。11、注意热变形引起的电极与工件位移 在使用薄型的紫铜电极时，加工中要注意由于电极受热变形而使加工 的型腔产生异常。另外值得注意的是停机后，由于人为的因素，使电极与工件发生位移。在开机时，又没注意电极与工件的相对位置，常常会使接近加工好的 工件报废。12、注意主轴刚性和工作液对放电间隙的影响 电火花加工的蚀除物从间隙排出的过程中，常常在电极与工件间引起 电极与加工面的二次放电。二次放电的结果使已加工过的表面再次电 蚀，在凹模的上口电极进口处，二次放电机会就更多一些，这样就形 成了锥度。电火花加工的锥度一般在 46之间。二次放电越多，锥度越大。为了减小锥度，首先要保持主轴头的稳定性，避免电极不 必要的反复提升。调节好冲、抽油压力，选择好适当的电参数，使主 轴伺服处于最佳状态，既不过于灵敏，也不迟钝，都可减少锥度。在 加工深孔中为了减少二次放电造成锥度超差，常采用抽油加工或短电 极的办法。13、要密切注视和防止电弧烧伤 加工过程中局部电蚀物密度过高，排屑不良，放电通道、放电点不能 正常转移，将使工具工件局部放电点温度升高，产生积炭结焦，引起 恶性循环，使放电点更加固定集中，转化为稳定电弧，使工具工件表 面积炭烧伤。防止办法是增大脉间及加大冲油，增加抬刀频率和幅度，改善排屑条 件。发现加工状态不稳定时就采取措施，防止转变成稳定电弧。常用电极材料及相关知识 电极材料必须是导电性良好，损耗小，造型容易，并具有加工稳 定、效率高、材料来源丰富、价格便宜等特点。常用电极材料有紫铜、石墨、黄铜、铜钨合金和钢、铸铁等。紫铜电极：它质地细密，加工稳定性好，相对电极损耗较低小，适应 性广，尤其适用于制造精密花纹模的电极，其缺点为精车、精磨等机 械加工困难。石墨电极：特别适用于大脉宽大电流型腔加工中，电极损耗可做到小 于 0.5%，抗高温，变形小，制造容易，重量轻。缺点：容易脱落、掉渣，加工表面粗糙度较差，精加工时易拉弧。黄铜电极：黄铜电极最适宜中小规准情况下加工，稳定性好，制造也 较容易，但缺点是电极的损耗率较一般电极都大，不容易使被加工件 一次成形，所以一般只用在简单的模具加工、通孔加工、取断丝锥等。铸铁电极：目前较少应用的一种材料，主要特点：制造容易、价格低 廉、材料来源丰富，放电加工稳定性也较好，特别适用于复合式脉冲 电源加工，电极损耗一般达 20%以下，对加工冷冲模最适合。钢电极：钢电极在我国应用比较多，它和铸铁电极相比，加工稳定性 差，效率也较低，但它可把电极和冲头合为一体，只要一次成形，可 缩短电极与冲头的制造工时。电极损耗与铸铁相似，适合“钢打钢”冷冲模加工。铜钨合金与银钨合金电极：由于含钨量较高，所以在加工中电极损耗 小，机械加工成形也较容易，特别适用于工具钢、硬质合金等模具加 工及特殊异形孔、槽的加工。加工稳定，在放电加工中是一种性能较 好的材料。缺点：价格较贵，尤其是银钨合金电极。电极制造工艺 石墨在加工前应在油里浸透好，以便在机械加工时，石墨屑不易飞 扬，清角线和棱角线不易剥落。石墨和紫铜电极采用一般的机械加 工（车、铣、刨、磨等），最后钳工修正成形。考虑到经济效益，在能够采用机械加工的地方尽量用机械加工，线切割和电火花 加工配套应用 中精加工低损耗电源输出功率较小，生产率略低，加工模具的双 面间隙在 0.10.25mm 左右。目前人们还是采用平动方法，扩大间隙来达到修 光型腔的目的，但是平动方法也有它的不足之处，仿形精度受到一定影响，四周 会产生圆角，底部产生平台，因此平动量不宜太大，一般为 0.10.3mm 因而 确定了电极的缩放量为 0.10.3mm 根据型腔模具设计原则，电极尺寸的缩放 按几何方法计算，因此在电极设计时只要在技术要求上写明电极的缩放量即可。目前国内的线切割机床都有间隙补偿装置。线切割机床可利用间隙补偿装置自行 切割电极。