1、 概述概述u基本概念基本概念 n电火花加工又称放电加工（电火花加工又称放电加工（Electrical Discharge Machine,简称简称DMDM），其加工过程与传统的机械加工），其加工过程与传统的机械加工完全不同。电火花加工是一种电、热能加工方法。完全不同。电火花加工是一种电、热能加工方法。n电火花加工的原理是基于工具和工件电火花加工的原理是基于工具和工件(正、负电极正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属。达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定的加属。达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定的加工要求工要求u 发展概况
2、发展概况 n2020世纪世纪4040年代后期，前苏联科学家鲍年代后期，前苏联科学家鲍拉扎连科针对拉扎连科针对插头或电器开关在闭合与断开时经常发生电火花烧蚀插头或电器开关在闭合与断开时经常发生电火花烧蚀这一现象，经过反复的试验研究，他终于发明了电火这一现象，经过反复的试验研究，他终于发明了电火花加工技术，把对人类有害的电火花烧蚀转化为对人花加工技术，把对人类有害的电火花烧蚀转化为对人类有益的一种全新工艺方法。类有益的一种全新工艺方法。实现电火花加工必须解决的问题 工具电极和工件被加工表面之间保持一定的放电间隙 火花放电是瞬时的脉冲性放电 及时排出电蚀产物 足够高的电流密度通常几微通常几微米至几百
3、米至几百微米微米ti=11000sto=50100s绝缘强度绝缘强度103 107cm图图4.1 电火花加工原理示意图电火花加工原理示意图1工件工件 2脉冲电源脉冲电源 3自动进给调节装置自动进给调节装置 4工具工具 5工作液工作液 6过滤器过滤器 7工作液泵工作液泵工件工件1 1与工具与工具4 4分别与脉冲电源分别与脉冲电源2 2的两输出端相联接的两输出端相联接。自动进给调节装置自动进给调节装置3 3（此处为电动机及丝杆螺母机（此处为电动机及丝杆螺母机构）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙。构）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙。当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对当脉冲电压加
4、到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图4.14.1所示。所示。图图4.1 电火花加工表面局部放大图电火花加工表面局部放大图1凹坑凹坑 2凸边凸边脉冲放电结束后，经过一段间隔时间脉冲放电结束后，经过一段间隔时间t t0 0，使工作使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最
5、近或绝缘强度最弱处击穿会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。放电，又电蚀出一个小凹坑。左图表示单个脉冲放电后的电蚀坑 右图表示多次脉冲放电后的电极表面 这样以相当高的频率，连续这样以相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。个小凹坑所组成。一一 电火花加工的机理电火花加工的机理 火花放电时，电极表面的金属材料究竟是火花放电时，电极表面的金属材料究竟是
6、怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程即所怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程即所谓的电火花加工机理，也就是电火花加工的物谓的电火花加工机理，也就是电火花加工的物理本质。理本质。了解这一微观过程，有助于掌握电火花加了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工的基本规律，才能对脉冲电源、进给装置、工的基本规律，才能对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求。机床设备等提出合理的要求。每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程大致可分为以下四个合作用的过程。这一过程大致可
7、分为以下四个连续的阶段：连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀；蚀介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀；蚀除产物的抛出；极间介质的消电离。除产物的抛出；极间介质的消电离。极间介质中存在许多杂质极间介质中存在许多杂质气体击穿理论气体击穿理论气体击穿的原因：一是气体的介电常数小，因此气泡中的气体击穿的原因：一是气体的介电常数小，因此气泡中的电场强度比液体中的高；二是气体的击穿电场强度比液体低电场强度比液体中的高；二是气体的击穿电场强度比液体低图图 4-3 极间放电电压和电流波形极间放电电压和电流波形a）电压波形电压波
8、形 b）电流波形电流波形从雪崩电离开始，到建立放电通道的过程从雪崩电离开始，到建立放电通道的过程非常迅速，一般小于非常迅速，一般小于0.1s0.1s，间隙电阻从绝间隙电阻从绝缘状况迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流缘状况迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值（几安到几百安）。由于迅速上升到最大值（几安到几百安）。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达达10103 310104 4A/mmA/mm2 2。间隙电压则由击穿电压迅间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为速下降到火花维持电压（一般约为25V25V），），电流则由电流则由0
9、 0上升到某一峰值电流（图上升到某一峰值电流（图4.3b4.3b中中 2 2 3 3段）。段）。火花维持电压:火花维持电压是电火花加工中每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25 V左右，但它实际是一个高频振荡的电压。影响电场强度的因素：初始电子和电场强度影响电场强度的因素：初始电子和电场强度影响电场强度的因素：极间电压和极间距离影响电场强度的因素：极间电压和极间距离雪崩电离过程是由电子的运动决定的雪崩电离过程是由电子的运动决定的放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）粒子和带负电粒子（电放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）粒子和带负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或
10、分子）组成的等离子体。子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。带电粒子高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，通道带电粒子高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，通道中心温度可高达中心温度可高达1000010000C C以上。以上。由于电子流动形成电流而产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的由于电子流动形成电流而产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力，故放电开始阶段通道截面很小，电流密度高达阻力，故放电开始阶段通道截面很小，电流密度高
11、达105105107A/cm2,107A/cm2,而通而通道内由瞬时高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕。道内由瞬时高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕。高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体（以后发展成气泡）高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体（以后发展成气泡）急速扩展，并产生一个强烈的冲击波向四周传播。急速扩展，并产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和局部爆炸冲击波等。应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和
12、局部爆炸冲击波等。放电通道在高温的作用下，首先把工作液介质气化，进而放电通道在高温的作用下，首先把工作液介质气化，进而热裂分解气化（如煤油等碳氢化合物工作液），高温后裂解热裂分解气化（如煤油等碳氢化合物工作液），高温后裂解为为 H2H2、C2H2C2H2、CH4CH4、C2H4C2H4和游离碳等，水基工作液则热分解和游离碳等，水基工作液则热分解为为 H2H2、O2 O2 的分子甚至原子等。的分子甚至原子等。图图 4.4 放电间隙状况示意图放电间隙状况示意图1正极正极 2从正极上熔化并抛出金属的区域从正极上熔化并抛出金属的区域 3放电通道放电通道 4气泡气泡 5在负极上熔化并抛出金属的区域在负极
13、上熔化并抛出金属的区域 6负极负极 7翻边凸起翻边凸起 8在工作液中凝固的微粒在工作液中凝固的微粒 9工作液工作液 10放电形成的凹坑放电形成的凹坑电极材料抛出是在脉冲持续时间结束后的抛出电极材料抛出是在脉冲持续时间结束后的抛出1 1）脉冲消失后观察到阳极射线流）脉冲消失后观察到阳极射线流2 2）通道形成过程中通道中仅有氢气存在）通道形成过程中通道中仅有氢气存在通道的高温高压特性使相变区保持下来，通道消失后高温高压消失，相通道的高温高压特性使相变区保持下来，通道消失后高温高压消失，相变区爆炸性释放变区爆炸性释放抛出材料为球形颗粒抛出材料为球形颗粒电极上形成放电痕，熔化层，热影响层，材料基体电极
14、上形成放电痕，熔化层，热影响层，材料基体 随着脉冲电压的下降，脉冲电流也迅速随着脉冲电压的下降，脉冲电流也迅速降为零，图降为零，图4.44.4中中4 45 5段，标志着一次脉冲段，标志着一次脉冲放电结束。放电结束。图图 4.4 极间放电电压和电流波形极间放电电压和电流波形a）电压波形电压波形 b）电流波形电流波形此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消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电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免下一次总是重复在同一处绝缘强度，以免下一次总是重复在同一
15、处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证发生放电而导致电弧放电，这样可以保证在其他两极相对最近处或电阻率最小处形在其他两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道，这是电火花加工时成下一击穿放电通道，这是电火花加工时所必须的放电点转移原则。所必须的放电点转移原则。脉冲间隔的选择：消电离时间，电蚀产物脉冲间隔的选择：消电离时间，电蚀产物扩散、排出放电区域的难易程度，放电通扩散、排出放电区域的难易程度，放电通道的热扩散道的热扩散1.1.主要优点主要优点（1 1）适合于任何难切削材料的加工）适合于任何难切削材料的加工（2 2）可以加工特殊及复杂形状的表面和零件。）可以加工特殊及复杂形状的表面和零件
16、。（3 3）脉冲参数在较大范围内调节）脉冲参数在较大范围内调节2.2.加工的局限性加工的局限性主要用于加工金属等导电材料。主要用于加工金属等导电材料。加工速度慢。加工速度慢。存在电极损耗。存在电极损耗。超硬材料超硬材料:聚聚晶金刚石晶金刚石,立立方氮化硼方氮化硼电极材料多用紫电极材料多用紫铜或石墨铜或石墨工具电极工具电极电火花加工用的工具是电火电火花加工用的工具是电火花放电时的电极之一，故称为工具花放电时的电极之一，故称为工具电极，有时简称电极。电极，有时简称电极。按工具电极的形状，工具电极和工件相按工具电极的形状，工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致可分为：对运动的方式和用途的不同
17、，大致可分为：电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类。大类。表表4.1电火花加工工艺的分类情况及各类电火花加工工艺的分类情况及各类加工方法的主要特点和用途加工方法的主要特点和用途:P57一、影响材料放电腐蚀的因素一、影响材料放电腐蚀的因素1极性效应在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。即使是相同材料（例如钢加工钢），正、负电极的电蚀量也是不同的。这种单纯由于正、负极性不
18、同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。如果两电极材料不同，则极性效应更加明显。在生产中，将工件接脉冲电源正极(工具电极接脉冲电源负极)的加工称为正极性加工(如下图所示)，反之称为负极性加工(如下图所示)。脉冲电源工具电极工件电极脉冲电源工具电极工件电极在电火花加工中极性效应越显著越好，这样，可以把电蚀量小的一极作为工具电极，以减少工具电极的损耗。1 极性效应 产生极性效应的原因很复杂，对这一问题的笼统解释是：产生极性效应的原因很复杂，对这一问题的笼统解释是：在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的撞击和瞬时热源的作用，在两极表
19、面所分配到的能量离子的撞击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。不一样，因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。在用窄脉冲（即放电持续时间较短）加工时，电子的撞击在用窄脉冲（即放电持续时间较短）加工时，电子的撞击作用大于离子的撞击作用，正极的蚀除速度大于负极的蚀除作用大于离子的撞击作用，正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度，这时工件应接正极。速度，这时工件应接正极。当采用长脉冲（即放电持续时间较长）加工时，质量和惯当采用长脉冲（即放电持续时间较长）加工时，质量和惯性大的正离子将有足够的时间加速，到达并撞击负极表面的性大的正离子将有足够的时间加速，到达并撞
20、击负极表面的离子数将随放电时间的延长而增多；由于正离子的质量大，离子数将随放电时间的延长而增多；由于正离子的质量大，对负极表面的撞击破坏作用强，同时自由电子挣脱负极时要对负极表面的撞击破坏作用强，同时自由电子挣脱负极时要从负极获取逸出功，而正离子到达负极后与电子结合释放位从负极获取逸出功，而正离子到达负极后与电子结合释放位能，故负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。能，故负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。近年来的生产实践和研究结果表明，正的电极表面的吸附、覆盖和镀覆作用也是产生极性效应的原因。例如：纯铜作工具电极，吸附工作液中分解游离出来的碳微粒，形成碳黑膜（覆盖层）减小电极损
21、耗。极性效应除了受到脉宽、脉间的影响外，还有脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极对的材料等都会影响到极性效应。其中主要原因是脉冲宽度。从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应愈显著愈好，加工中必须充分利用极性效应，最大限度地降愈显著愈好，加工中必须充分利用极性效应，最大限度地降低工具电极的损耗，低工具电极的损耗，当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极效应便相互抵消，增加了工具的损耗。因此，电火花加的极效应便相互抵消，增加了工具的损耗。因此，电火花加工一般都采用单向脉冲电源。工一般都采用单向脉冲电源。
22、为了充分利用极性效应，合理选用工具电极的材料，根据为了充分利用极性效应，合理选用工具电极的材料，根据电极对电极对材料的物理性能、加工要求选用最佳的电规准，正确材料的物理性能、加工要求选用最佳的电规准，正确地选用加工极性，达到工件的蚀除速度最高，工具损耗尽可地选用加工极性，达到工件的蚀除速度最高，工具损耗尽可能小的目的。能小的目的。2电参数 电参数主要是指电压脉冲宽度ti、电流脉冲宽度te、脉冲间隔to、脉冲频率、峰值电流ie、开路电压和脉冲的前沿上升率和后沿下降率。对蚀除影响的综合作用规律用脉冲能量的大小和变化率来描叙。在电火花加工过程中，无论正极或负极都存在单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一
23、定范围内成正比的关系。用公式表示为:q=KWMt v=q/t=KWM 式中:q 在t时间内的总蚀除量（g或mm3）；蚀除速度（g/min或mm3/min）,亦即工件生产率或工具损耗速度；WM单个脉冲能量（J）；脉冲频率（HZ）；t 加工时间（s）；K 与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺系数；有效脉冲利用率。单个脉冲放电所释放的能量取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间，所以单个脉冲放电能量为:WM dttituet)()(0式中te单个脉冲实际放电时间（s）；WM单个脉冲放电能量（J）。放电间隙中随时间而变化的电压（V）；放电间隙中随时间而变化的电流（A）；)(ti)(tu 火花维持
24、电压是一个与电极对材料和工作液种类有关的数值（煤油中纯铜加工钢为25V，石墨加工钢为30-35V，乳化液中钼丝加工钢16-18V）正负极的电蚀量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽；在通常的晶体管脉冲电源中，脉冲电流近似地为一矩形波，故当纯铜电极加工钢时的单个脉冲能量为:WM（20-25）iete式中:ie脉冲电流幅值（A）；te电流脉宽（s）。提高电蚀量和生产率的途径在于：提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲能量或者说增加平均放提高脉冲频率，增加单个脉冲能量或者说增加平均放电电流（对矩形脉冲即为峰值电流）和脉冲宽度和减小脉电电流（对矩形脉冲即为峰值电流）和脉冲宽度和减小脉冲
25、间隔；冲间隔；提高有关的工艺参数提高有关的工艺参数KaKa、KcKc。在实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系在实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其它工艺指标的影响，例如脉冲间隔时间过短，将产和对其它工艺指标的影响，例如脉冲间隔时间过短，将产生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度值也随之增大等等。值也随之增大等等。.金属材料热学常数对电蚀量的影响 所谓热学常数，是指熔点、沸点（气化点）、热导率、比热容、熔化热、气化热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、气当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸
26、点、比热容、熔化热、气化热愈高，电蚀量将愈少，愈难加工；化热愈高，电蚀量将愈少，愈难加工；热导率较大的金属，会将瞬时产生的热量传导散失到其它部位，因热导率较大的金属，会将瞬时产生的热量传导散失到其它部位，因而降低了本身的蚀除量。而降低了本身的蚀除量。当单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值愈小，脉冲宽度愈长，散失当单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值愈小，脉冲宽度愈长，散失的热量也愈多，从而使电蚀量减少；的热量也愈多，从而使电蚀量减少；若脉冲宽度愈短，脉冲电流幅值愈大，由于热量过于集中而来不及若脉冲宽度愈短，脉冲电流幅值愈大，由于热量过于集中而来不及传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比
27、例增大，传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比例增大，多耗用了气化热，电蚀量也会降低。多耗用了气化热，电蚀量也会降低。因此，电极的蚀除量与电极材料的热导率以及其它热学常数、放因此，电极的蚀除量与电极材料的热导率以及其它热学常数、放电持续时间、单个脉冲能量等有密切关系。电持续时间、单个脉冲能量等有密切关系。图图 4.54.5 不同材料加工时蚀除量不同材料加工时蚀除量与脉宽的关系与脉宽的关系图4.5示意地描绘了在相同放电电流情况下，铜和钢两种材料的电蚀量与脉宽的关系。从图中可知，当采用不同的工具电极和工件材料时，选择脉冲宽度在ti附近时，再加以正确选择极性，既可以获得较高的生产率，
28、又可以获得较低的工具损耗，有利于实现“高效低损耗”加工。电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀，单电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称之为位时间内工件的电蚀量称之为加工速度加工速度，亦即，亦即生产率生产率；单位时；单位时间内工具的电蚀量称之为间内工具的电蚀量称之为损耗速度损耗速度，它们是一个问题的两个方，它们是一个问题的两个方面。面。电火花成形加工的加工速度，是指在一定电规准下，电火花成形加工的加工速度，是指在一定电规准下，单位时间内工件被蚀除的体积单位时间内工件被蚀除的体积V或质量或质量m。一般常用一般常用体积体积加工速度加工速度:Vw=V/T来表
29、示来表示 单位为单位为mmmm3 3/mim/mim 有时为了测量方便，也用有时为了测量方便，也用质量质量加工速加工速:Vm=m/t表示表示 单位为单位为g/mimg/mim根据前面对电蚀量的讨论，提高加工速度的途径在于提高根据前面对电蚀量的讨论，提高加工速度的途径在于提高脉冲频率脉冲频率；增加单个脉冲能量；增加单个脉冲能量W WM M；设法提高工艺系数；设法提高工艺系数K K。同时还应考虑这些因素间的相互制约关系和对其它工艺指同时还应考虑这些因素间的相互制约关系和对其它工艺指标的影响。标的影响。提高工艺系数提高工艺系数K K的途径很多。例如合理选用电极材料、电的途径很多。例如合理选用电极材料
30、、电参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等，从而提高参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等，从而提高有效脉冲利用率，达到提高工艺系数有效脉冲利用率，达到提高工艺系数K K的目的的目的。液体介质通常叫做工作液，：(1)加速电蚀产物的排除。介电性能好，密度大的工作液有利于形成压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应；(2)工作液的强迫循环和工具电极定时抬刀是及时转移电蚀产物的有效途径。如果加工面积较小，而采用的加工电流较大，也会使局部电如果加工面积较小，而采用的加工电流较大，也会使局部电蚀产物浓度过高，放电点不能分散转移，放电后的余热来不及蚀产物浓度过高，放电点不能分散转移，放
31、电后的余热来不及传播扩散而积累起来，造成过热，形成电弧，破坏加工的稳定传播扩散而积累起来，造成过热，形成电弧，破坏加工的稳定性。性。加工过程不稳定将干扰以致破坏正常的火花放电，使有效脉加工过程不稳定将干扰以致破坏正常的火花放电，使有效脉冲利用率降低。随着加工深度、加工面积的增加，或加工型面冲利用率降低。随着加工深度、加工面积的增加，或加工型面复杂程度的增加，都将不利于电蚀产物的排出，影响加工稳定复杂程度的增加，都将不利于电蚀产物的排出，影响加工稳定性和降低加工速度，严重时将造成结炭拉弧，使加工难以进行性和降低加工速度，严重时将造成结炭拉弧，使加工难以进行。电极材料对加工稳定性也有影响。用钢电极
32、加工钢时不易稳电极材料对加工稳定性也有影响。用钢电极加工钢时不易稳定，用纯铜、黄铜电极加工钢时则比较稳定。脉冲电源的波形定，用纯铜、黄铜电极加工钢时则比较稳定。脉冲电源的波形及其前后沿陡度影响着输入能量的集中或分散程度，对电蚀量及其前后沿陡度影响着输入能量的集中或分散程度，对电蚀量也有很大影响。也有很大影响。加工过程的稳定性加工过程的稳定性脉冲电源的波形及其前后陡度影响输入能量的集中和分散程脉冲电源的波形及其前后陡度影响输入能量的集中和分散程度，对电蚀量也有很大影响。度，对电蚀量也有很大影响。加工极性对稳定性的影响：正极性加工有利于形成放电通道，加工极性对稳定性的影响：正极性加工有利于形成放电
33、通道，从而提高加工稳定性。从而提高加工稳定性。粗加工粗加工200-1000mm200-1000mm3 3/min/min，半精加工，半精加工20-100mm20-100mm3 3/min/min，精加工，精加工在在10mm10mm3 3/min./min.加工过程的稳定性加工过程的稳定性电火花成形的加工速度电火花成形的加工速度电极损耗是电火花成型加工中的重要工艺指标。在生产中，衡量某种工具电极是否耐损耗，不只是看工具电极损耗速度Ve的绝对值大小，还要看同时达到的加工速度Vw，即每蚀除单位重量金属工件时，工具相对损耗多少。因此，常用相对损耗或损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标。电极相对损耗：指工
34、具电极损耗速度e与工件损耗速度w之百分比。即=Ve/Vw 100%钨、钼的熔点和沸点高，损耗小，但机械加工性能差，价格钨、钼的熔点和沸点高，损耗小，但机械加工性能差，价格贵，主要用于线切割；贵，主要用于线切割；铜的熔点低，导热性好，损耗小，又能制成各种电极，常用铜的熔点低，导热性好，损耗小，又能制成各种电极，常用于中、小型腔加工；于中、小型腔加工；石墨电极热学性好，在常脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补石墨电极热学性好，在常脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极损耗，广泛的用于型腔加工；偿电极损耗，广泛的用于型腔加工；铜碳、铜钨和银钨合金，导热性好，熔点高，电极损耗小，铜碳、铜钨和银钨合金，导热性好
35、，熔点高，电极损耗小，但是价格昂贵，制造困难，用于精密电火花加工。但是价格昂贵，制造困难，用于精密电火花加工。图图4.64.6 脉冲宽度和极性与电极相对损耗的脉冲宽度和极性与电极相对损耗的关系关系1 1正极性加工；正极性加工；2 2负极性加工负极性加工 右图是在工具电极为右图是在工具电极为6mm 6mm 的纯铜，加的纯铜，加工工件为钢，工作液为煤油，矩形波脉冲电工工件为钢，工作液为煤油，矩形波脉冲电源，加工电流峰值为源，加工电流峰值为10A10A的试验条件下得出的试验条件下得出的试验曲线的试验曲线。由图可见，当峰值电流一定时，无论是正极由图可见，当峰值电流一定时，无论是正极性加工还是负极性加工
36、，随着脉冲宽度的增加性加工还是负极性加工，随着脉冲宽度的增加电极相对损耗都在下降。电极相对损耗都在下降。负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽度大于度大于120 120 后，电极相对损耗将小于后，电极相对损耗将小于1%1%，可以实现低损耗加工。，可以实现低损耗加工。如果采用正极性加工，不论采用哪一档脉冲宽度，电极的相对损耗都难低如果采用正极性加工，不论采用哪一档脉冲宽度，电极的相对损耗都难低于于10%10%。然而在脉宽小于。然而在脉宽小于1515的窄脉宽范围内，正极性加工的工具电极相对的窄脉宽范围内，正极
37、性加工的工具电极相对损耗比负极性加工小。但当电极材料不同时，情况也不同。损耗比负极性加工小。但当电极材料不同时，情况也不同。影响加工精度的主要因素影响加工精度的主要因素 电加工精度包括尺寸精度和仿型精度(或形状精度)。影响精度的因素很多，放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定性和二次放电。1放电间隙放电间隙 电火花加工放电间隙对加工精度的影响表现：放电间隙的不稳定性和间隙内电场分布的不均匀性。如果加工过程中放电间隙是常数，根据工件加工表面的尺寸、形状可以预先对工具尺寸、形状进行修正。但放电间隙是随电参数、电极材料、工作液的绝缘性能等因素变化而变化的，从而影响了加工精度。间隙内电场分布
38、的不均匀性：复杂形状的加工表面，棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。因此为了减少加工误差，采用较弱的加工规准，缩小放电间隙，这样不但提高仿形精度，而且放电间隙小，间隙变化量也愈小。另外还必须尽可能使加工过程稳定。放电间隙在精加工时一般为0.0l-0.1 mm，粗加工时可达0.5 mm以上(单边)。1 1放电间隙放电间隙电火花加工时尖角变圆电火花加工时尖角变圆当工具为凹角时，工件上对应的尖当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的几率大，容易遭受角处放电蚀除的几率大，容易遭受腐蚀而成为圆角。腐蚀而成为圆角。当工具为尖角时：一则由于放电间隙的等距性，当工具为尖角时：一则由于放电间隙的
39、等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心，放电间隙工件上只能加工出以尖角顶点为圆心，放电间隙S为半径的圆弧；二则工具的尖角本身因尖端放为半径的圆弧；二则工具的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角。电蚀除的几率大而损耗成圆角。采用高频窄脉宽精加工，采用高频窄脉宽精加工，放电间隙小，圆角半径可放电间隙小，圆角半径可以明显减小，因而提高了以明显减小，因而提高了仿形精度，可以获得圆角仿形精度，可以获得圆角半径小于半径小于 0.010.01mmmm的尖棱。的尖棱。目前，电火花加工的精度目前，电火花加工的精度可达可达0.010.01 0.050.05mmmm 左右。左右。2 工具电极的损耗工具电极的
40、损耗 3 3二次放电二次放电 电火花加工时，产生斜度的情况如下图所示。由于工具电极下面部分加工时间长，损耗大，因此电极变小，而入口处由于电蚀产物的存在，易发生因电蚀产物的介入而再次进行的非正常放电(即“二次放电”)，因 而产生加工斜度。电火花加工时的加工斜度工件123工具x1电极无损耗时的工具轮廓线；2电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线；3实际工件轮廓线 主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分。1.表面粗糙度 电火花加工表面粗糙度的形成与切削加工不同，它是由无方向性的无数电蚀小凹坑所组成，特别有利于保存润滑油；而机械加工表面则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。两者相比，在相同
41、的表面粗糙度和有润滑油的情况下，表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。单个脉冲能量对表面粗糙度的影响：脉冲能量大，每次脉单个脉冲能量对表面粗糙度的影响：脉冲能量大，每次脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙度恶化。表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用如下实验度恶化。表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用如下实验公式来表示：公式来表示：4.03.0maxeeRitKR式中：式中：RmaxRmax实测的表面粗糙度（实测的表面粗糙度（）；）；KR KR 常数，铜加工钢时常取常数，铜加工钢时常取 2.32.3；脉冲放电时间（脉冲
42、放电时间（ss）；）；峰值电流（峰值电流（A A）。）。etei加工速度对表面粗糙度的影响：例如从Ra2.5um提高到Ra1.25um，加工速度降为原来的1/5 平动法和摇动法及混粉加工等工艺，可以改善精度。电火花穿孔加工侧面表面粗糙度Ra1.25um-0.32um电火花成形加工平动法和摇动法表面粗糙度Ra0.63um-0.04um电火花磨削加工Ra0.04um-0.02um一般电火花加工表面粗糙度Ra2.5um-0.63um工件材料对表面粗糙度的影响：熔点高的材料，在相同能量下加工的表面粗糙度比熔点低得材料好。工具电极表面粗糙度对加工表面粗糙度的影响：例如，石墨电极表面比较粗糙，因此它加工出
43、的工件表面粗糙度值也大。在电火花加工过程中，工件在放电瞬时的高温和工作液迅速冷却的作用下，表面层发生了很大变化。这种表面变化层的厚度大约在0.01-0.5 mm之间，一般将其分为熔化层和热影响层，如下图所示。基体金属热影响层熔化层电火花加工表面 熔化凝固层是放电瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液熔化凝固层是放电瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液快速冷却而凝固。例如碳钢，凝固层呈现白色，与基体完全快速冷却而凝固。例如碳钢，凝固层呈现白色，与基体完全不同，是树枝状的淬火铸造组织，与内层结合不牢固。不同，是树枝状的淬火铸造组织，与内层结合不牢固。熔化凝固层厚度随脉冲能量的增大而变厚，大概为熔化凝固层
44、厚度随脉冲能量的增大而变厚，大概为1-21-2倍倍Rmax,Rmax,一般不超过一般不超过0.1mm.0.1mm.热影响层位于熔化凝固层和基体之间热影响层位于熔化凝固层和基体之间热影响层材料未熔化，但是发生了金相组织变化，与基体热影响层材料未熔化，但是发生了金相组织变化，与基体金属没有明显的界限金属没有明显的界限 热影响层：热影响层：淬火钢中包括淬火区、高温回火区、低温回火区淬火钢中包括淬火区、高温回火区、低温回火区未淬火钢：淬火区未淬火钢：淬火区 显微裂纹 电火花加工中，加工表面层受高温作用后又迅速冷却而产生残余拉应力。在脉冲能量较大时，表面层甚至出现细微裂纹，裂纹主要产生在熔化层，只有脉冲
45、能量很大时才扩展到热影响层。不同材料对裂纹的敏感性也不同，硬脆材料容易产生裂纹。由于淬火钢表面残余拉应力比未淬火钢大，故淬火钢的热处理质量不高时，更容易产生裂纹。脉冲能量对显微裂纹的影响是非常明显的。脉冲能量愈大，显微裂纹愈宽愈深；脉冲能量很小时，一般不会出现显微裂纹。电火花加工中，加工表面层受高温作用后又迅速冷却而产生残余拉应力。在脉冲能量较大时，表面层甚至出现细微裂纹，裂纹主要产生在熔化层；脉冲能量对显微裂纹的影响是非常明显的。脉冲能量愈大，显微裂纹愈宽愈深；脉冲能量很小时，一般不会出现显微裂纹。不同材料对裂纹的敏感性也不同，硬脆材料容易产生裂纹。由于淬火钢表面残余拉应力比未淬火钢大，故淬
46、火钢的热处理质量不高时，更容易产生裂纹。表面变质层的形成导致电火花加工表面力学性能的改变，通常硬度和耐磨性提高，耐疲劳性能下降；试验表明：表面粗糙度在Ra0.32-0.08um范围内时，表面变质层厚度在3-5um，电火花加工表面的耐疲劳型将与精密机械加工表面相似。电火花穿孔成型加工机床主要由机主机、脉冲电电火花穿孔成型加工机床主要由机主机、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液净化及循环系统等部分源、自动进给调节系统、工作液净化及循环系统等部分组成，如下图所示。组成，如下图所示。间 隙参考值增益设定控制装置进给系统自动进给调节系统比较器放大器间 隙传感器脉冲电源床 身工作液循环过 滤 系 统(a)
47、原理图(b)实物 主机主要由主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。因为电火花加工宏观作用力极小，所以对机械系统的强度无严格要求，但为了避免变形和保证精度，要求具有必要的刚度。主轴头主轴头是电火花成型机床中最关键的部件，是自动调节系是电火花成型机床中最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。对主轴头的要求对主轴头的要求是：结构简单、传动链短、传动间隙小、是：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形
48、小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载的要求。的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载的要求。主轴头主要由进给系统、上下移动导向和水平面内防扭机主轴头主要由进给系统、上下移动导向和水平面内防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。构、电极装夹及其调节环节组成。主轴头常用的形式：电主轴头常用的形式：电-液压式主轴头和电液压式主轴头和电-机械式主轴头、机械式主轴头、电电-液压式主轴头：液压式主轴头：一种形式是液压缸固定、活塞联通主一种形式是液压缸固定、活塞联通主轴上下移动；另一种是活塞固定、液压缸体连同主轴上下轴上下移动
49、；另一种是活塞固定、液压缸体连同主轴上下移动。移动。电电-机械式主轴头机械式主轴头：传动链短，电动机直接带动丝杠或不传动链短，电动机直接带动丝杠或不需要传动部件直接驱动主轴。需要传动部件直接驱动主轴。常用的工具电极夹具有十字铰链式和球面铰链式。常用的工具电极夹具有十字铰链式和球面铰链式。工具电极的装夹及其调节装置的形式很多，其作用是调工具电极的装夹及其调节装置的形式很多，其作用是调节工具电极和工作台的垂直度以及调节工具电极在水平节工具电极和工作台的垂直度以及调节工具电极在水平面内微量的扭转角。面内微量的扭转角。常见的方法有：粗、中、精逐挡过渡式加工方法。粗加工用以蚀除大部分加工余量，使型腔按预
50、留量接近尺寸要求；中加工用以提高工件表面粗糙度等级，并使型腔基本达到要求，一般加工量不大；精加工主要保证最后加工出的工件达到要求的尺寸与粗糙度。在加工时，首先通过粗加工，高速去除大量金属，这是通过大功率、低损耗的粗加工规准解决的；其次，通过中、精加工保证加工的精度和表面质量。中、精加工虽然工具电极相对损耗大，但在一般情况下，中、精加工余量仅占全部加工量的极小部分，故工具电极的绝对损耗极小。在粗、中、精加工中，注意转换加工规准。电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电源转成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙所需要能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程
