电火花加工的特点-上海开放大学教学资料

1、 电火花加工的产生电火花加工的产生 随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、 高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具 有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统 的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发 展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加 工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能， 因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。 电火花是一种自激放电，电火花放电的两个电极间在放电前具较 高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花 放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电

2、压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间（通常为10- 7-10-3s）后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性（即通 道能量转换的热能来不及传至电极纵深），使通道能量作用于极 小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。 电火花加工的特点电火花加工的特点 1.脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或 无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处 理状况影响。 2.脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受 热影响范围小。 3.加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工 具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极

3、制造容易。 4. 直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化。 5.可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳 动强度。 电火花加工机床的组成及作用电火花加工机床的组成及作用 机床必须具备三个要素，即：脉冲电源，机械部分和自动控制系统，工 作液过滤与循环系统。 1.脉冲电源 加在放电间隙上的电压必须是脉冲的，否则，放电将成为连续的电弧。 所谓脉冲电源，实际就是一种电气线路或装置，它们能发出具有足够 能量的脉冲电压来。 2.机械部分和自动控制系统 其作用是维持工具电极和工件之间有一适当的放电间隙，并在线调整。 3.工作液净化与循环系统 工作液的作用是使能量集中，强化加工过程，带

4、走放电时所产生的热 量和电蚀产物。工作液系统包括工作液的储存冷却、循环及其调节与 保护、过滤以及利用工作液强迫循环系统。 电火花成形加工的基本原理电火花成形加工的基本原理 其基本原理如图一所示： 是被加工的工件做件电极，石墨或者紫铜做 工具电极。 脉冲电源发出一连串的脉冲电压，加到工件 电极和工具电极上，此时工具电极和工件均 淹没于具有一定绝缘性能的工作液中。 在自动进给调节装置的控制下，当工具电极 与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压 的作用下，两极间最近处的工作液被击穿， 工具电极与工件之间形成瞬时放电通道，产 生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被 蚀除下来，形成局部的电蚀凹坑。 这样

5、随着相当高的频率，连续不断的重复放 电，工具电极不断地向工件进给，就可以将 工具电极的形状复制到工件上，加工出所需 要的和工具形状阴阳相反的零件。 图图 电火花加工原理示意图电火花加工原理示意图 1自动进给调节装置 2脉冲电源 3工具电极4工作液 5工件 6工作台 7过 滤器 7工作液泵 综合起来，一次脉冲放电的过程可分为几个阶段：综合起来，一次脉冲放电的过程可分为几个阶段： (1)极间介质的电离、击穿及放电通道的形成极间介质的电离、击穿及放电通道的形成 (2)介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀 (3)电极材料的抛出电极材料的抛出 (4)极间介质的消电离极

6、间介质的消电离 电火花成型加工的基本条件电火花成型加工的基本条件 a) 实现工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离，即相应于脉冲电压 和相应于介质的绝缘强度的距离。若两电极距离过大，则脉冲电压不能击 穿介质，不能产生火花放电，若两极短路，则在两电极间没有脉冲能量消 耗，也不能实现电腐蚀加工。 b) 两极间必须入介质。电火花成型加工通常使用煤油或去离子水做为工作 液。 c) 输送到两极间的脉冲能量密度应足够大。一般为105106A/cm2。能量 密度足够大，才可以使被加工材料局部熔化或者气化，被加工材料表面形 成一个腐蚀痕，从而实现电火花加工。 d) 放电必须是短时间的脉冲放电。一般放电时间为

7、1s1ms。这样才能使 放电时产生的热量来不及在被加工材料内部扩散，从而把能量作用局限在 很小的范围内，保持火花放电的冷极特性。 e) 脉冲放电须重复多次进行，并且多次脉冲放电 在时间和空间是分散的。 f) 脉冲放电后的电蚀产物应能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利 进行。 1、极性效应、极性效应 电火花加工时，相同材料两电极的被腐蚀量是不同的。其中一个电 极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。如果两电极 材料不同，则极性效应更加明显。 2、覆盖效应、覆盖效应 在油类介质中放电加工会分解出负极性的游离碳微粒，在合适的脉 宽、脉间条件下将在放电的正极上覆盖碳微粒，叫覆盖效应。利用

8、 覆盖效应 可以降低电极损耗。注意负极性加工才有利做覆盖效应。 影响电火花成型加工的因素影响电火花成型加工的因素 3、加工速度、加工速度 对于电火花成形机来说加工速度是指在单位时间内，工件被蚀除的体积 或重量。一般用体积表示。若在时间T内，工件被蚀除的体积为V，则 加工速度Vw为： Vw=V/t（mm3/min） 对于线切割机来说，加工速度 是指在单位时间内，工件被切面积。即用mm2/min来表示。 在规定表 面粗糙度（如Ra=2.5m），相对电极损耗（如1%）时的最大加工速 度，是衡量电加工机床工艺性能的重要指标。一般情况下，生产厂给出 的是最大加工电流，在最佳加工状态下所能达到的最高加工速

9、度。因此， 在实际加工时，由于被加工件尺寸与形状的千变万化，加工条件 ，排屑条件等与理想状态相差甚远，即使在粗加工时，加工速度也往往 大大低于机床的最大加工速度指标。 4、工具电极损耗、工具电极损耗 在电火花成形加工中，工具电极损耗直接影响仿形精度，特别对于型腔 加工，电极损耗这一工艺指标较加工速度更为重要。 电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。 5、表面粗糙度、表面粗糙度 表面粗糙度是指加工表面上的微观几何形状误差。对电加工表面来讲， 即是加工表面放电痕坑穴的聚集，由于坑穴表面会形成一个加工 硬化层，而且能存润滑油，其耐磨性比同样粗糙度的机加表面要好， 所以加工表面允许比要求的粗糙度大些。而且在

10、相同粗糙度的情况下， 电加工表面比机加工表面亮度低。 6、二次放电、二次放电 是指已加工表面上由于电蚀产生物再次进行的非正常放电，它集中表 现在加工深度方向产生斜度和加工棱角边变钝等方面。 7、放电间隙、放电间隙 放电间隙，亦称过切量，加工中是指脉冲放电两极间距，实际效果反 映在加工后工件尺寸的单边扩大量。 两电极蚀除量之间的矛盾两电极蚀除量之间的矛盾 脉冲放电时间越长，越有利于降低工具电极相对损耗。在电火花加工的 实用过程中，粗加工采用长脉冲时间和高放电电流，既体现了速度高， 又体现了损耗小，反映了加工速度和工具电极损耗这一矛盾的缓解。 但是，在精加工时，矛盾激化了。为了实现小能量加工，必须

11、大大压缩 脉冲放电时间。为达到脉冲放电电流与脉冲放电时间参数组合合理，亦 必须大大压缩脉冲放电电流。这样，不仅加大了工具电极相对损耗，又 大幅度降低了加工速度。 加工速度与加工表面粗糙度之间的矛盾加工速度与加工表面粗糙度之间的矛盾 为了解决电火花加工工艺的这一基本矛盾，人们试图将一个脉冲能量分 散为若干个通道同时在多点放电。用这种方法既改善了加工表面粗糙度， 又维持了原有的加工速度。 到目前为止，实现人为控制的多点同时放电的有效方法只有一种，即分 离工具电极多回路加工。 为了实现整体电极的多通道加工，人们设想了各种方法，并进行了多年 的实验摸索。但是迄今为止，尚没有彻底解决。 在实用过程中，型

12、腔模具的加工采用粗、中、精逐档过渡式加工方法。 加工速度的矛盾是通过大功率、低损耗的粗加工规准解决的；而中、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，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。 电火花加工常用名词、术语及符号电火花加工常用名词、术语及符号 1、放电间隙：、放电间隙： 放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙。在加工过程 中，则称为加工间隙S，它的大小一般在0.01-0.5mm之间，粗加工时间隙较大， 精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙SF 和侧面间隙SL 2、脉冲

13、宽度、脉冲宽度ti（s）：）： 脉冲宽度简称脉宽，它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时 间（见图）为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲电压波。粗 加工可用较大的脉宽ti100s，精加工时只能用较少的脉宽ti500mm3/min，但电火花精加工时，通常 vw2后，为了实现稳定电火花 放电加工，在进给方向上要对间隙加上振幅数m，频率为数+Hz的微振动。 又如，用此方法在STAVAX不锈钢上加工了直径100m、长度400m和直 径50m、长度100m公400个锥度2度的微细圆锥柱。 电火花加工放电位置可控形的研究电火花加工放电位置可控形的研究 日本东京农工大国枝正典等人，在

14、研究电火花加工放电位置检 测技术原理的基础上，进行了放电位置的可控形研究。其试验 原理基于对放电等效电路的分析，认为由于分布电感的存在， 如果施加一个足够陡峭的高电压，则仅进点附近的电压较其它 远离进电处的高压升高的快一些。也就是说，可以在纳秒数量 级内获得优先击穿的几率。经过较为系统的实验研究，它们还 发现，施加的高电压上升速度较快，控制效果也就越好；电极 和工件中的分布电感越大，控制效果越好；最佳的高压机理放 电延迟时间为略短于普通放电延迟时间。在线切割机床上的试 验表明：在施加高电压的进展块附近的放电概率高于另一端。 这一研究进展对于电火花加工的过程控制可能带来非常深刻的 影响，很有可能

15、将过去被动的控制策略变成为主动控制策略， 从而不必依赖延长放电停歇时间来保证间隙消电力，避免放电 集中导致的拉弧等有害放电。这样不仅保证加工更加稳定。而 且可以大幅度提高加工效率。 电火花成形加工技术发展趋势电火花成形加工技术发展趋势 先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形加工技 术提出了更高要求，同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺 开发、设备更新提供了新的动力。 今后电火花成形加工的加工对象应主要面向传统切削加工不易实现的难加 工材料、复杂型面等加工，其中精细加工、精密加工、窄槽加工、深腔加 工等将成为发展重点。同时，还应注意与其它特种加工技术或传统切削加 工技

16、术的复合应用，充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势， 取得联合增值效应。 相对于切削加工技术而言，电火花成形加工技术仍是一门较年轻的技术， 因此在今后的发展中，应借鉴切削加工技术发展过程中取得的经验与成果， 根据电火花成形加工自身的技术特点，选用适当的加工理论、控制原理和 工艺方法，并在己有成果的基础上不断完善、创新。电火花成形加工机床 向数控化方向发展的趋势已不可逆转，但应注意不可盲目追求“大而全”， 应以市场为导向，建立具有开放性的数控体系。总体而言，电火花成形加 工技术今后的发展趋势应是高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、 安全、环保等。 电火花成型机床编程电火花成型机床编程

17、 下面以 HCD400K 精密数控电火花成型机床为例： （ 1 ）编程要素）编程要素 1 ）坐标系 坐标系的确立，是根据工具电极与工件之间的相对进给运动来定的，在 该机床上，需要确立的是一个由 X 、 Y 、 Z 轴组成的三维坐标系。 2 ）文件名 即加工程序名，每个加工程序都必须有文件名，文件名组成最多可以为 8 个字符，字符必须为字母和数字，扩展名省略，默认为 ISO 。文件名不 能重复，否则程序将会被覆盖掉而丢失。 3 ）指令代码及功能 G 代码、 M 代码及其功能如前章所述。 （ 2 ）平动加工）平动加工 平动加工又称劳伦加工，指在单轴加工时，其它两轴进行特定轨迹合成动 作的加工方式，

18、其主要目的是为了改善排屑条件，保证加工表面质量。平 动动作的指令格式如下： 1 ）伺服方式有三种：自由平动、步进平动和锁定平动。 自由平动： X 、 Y 、 Z 轴中选定任一轴为加工轴，作标准伺服，其它两轴 进行平动。主轴各侧面由于平动动作而间隙放电，产生了排屑效果，适用 于液处理不均、排屑不畅的复杂形状及盲孔的加工。 步进平动：加工轴作步进伺服加工，每一步进距为 2 m ，其它两轴进行 平动运动。步进平动限制了主轴的动作，使平动运行的循环运动成为优先 动作，加工速度较慢，适用于深孔排屑比较难的场合。 锁定平动：在单轴加工中，主轴的轴向运动停止并锁定，其它两轴进行平 动运动，是平动半径幅度逐步

19、扩大的一种镗加工方式。能迅速除去粗加工 的波纹，是达到尺寸精度的最快加工手段，主要用于通孔或有底型腔模加 工中，并且还能在孔内滚花、加工螺孔等。但锁定平动如在加工开始时极 间短路就不能进行。 2) 平动平面有三个： X-Y 平面、 X-Z 平面和 Y-Z 平面。 3) 平动轨迹有五种：圆形、方形、棱形、对角、正交。 4) 平动幅度范围为 5-999 m 。 平动加工的各种情况如下表所示：平动加工的各种情况如下表所示： 注：步进平动和锁定平动的代码与表中自由平动的代码基本相同 , 差异在代 码的第一位数字 分别由 0 改为 1 和 2 。 （ 3) C 代码（加工条件）代码（加工条件） C 代码是经验加工条件。选择范围 000 999 ，其中： 000 099 为 用户定义， 100 999 为系统定义。 （ 4 ）程序格式及要求）程序格式及要求 1) 格式： G 代码 参数 1 参数 2 参数 3 2) 要求与规定 在一个语句中，如果既有 C 代码，又有 M 代码和 G 代码，则规定 C 条 件在前， M 代码在中， G 代码在后，即： C 代码 M 代码 G 代码 在一个语句