电火花加工技术论文

电火花加工的历史

1943年，联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。

50年代初，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。

60年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调围。

到70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。

电火花加工

电火花加工是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬间产生的高温把金属蚀除下来。又称放电加工和电蚀加工，英文称（Electrical Discharge Machining,简称EMD）。

按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类:

①利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工;

②利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工;

③利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削;

④用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工;

⑤小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。

电火花加工的基本原理

(1)极间介质的电离、击穿,形成放电通道

放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中型粒子组成,带电粒子高速运动,相互碰撞,产生大量热能,使通道温度相当高,通道中心温度可达到10000摄氏度以上。由于放电时电流产生磁场，磁场又反过来对电子流动产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性力压缩效应的作用，通道扩展受到很大阻力，故放电开始阶段通道截面很小,而通道有高温热膨胀形成的压力高达几百万帕,高温高压的

放电通道以及随后瞬间气化形成的气体急速扩展,产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应、声效应和热效应等,这就形成了肉眼所能看到的电火花。

(2)介质热分解、电极材料的融化,汽化热膨胀

极间介质被电离、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。电能转化为动能，动能通过相互碰撞转化为热能。正极和负极表面形成瞬间热源，使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液介质气化,进而进行热分解。并且使两电极表面的金属材料开始融化直至沸腾气化。气化后的工作液和金属蒸汽瞬间体积猛增,形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时,可以看到工件与工具电极间有小气泡冒出，工作液逐渐变黑并听到轻微的爆炸声。

(3)电极材料的抛出

通道和正负级表面放电点瞬间时使高温使工作液气化和金属材料融化、气

化，热膨胀产生很高的瞬间压力。通道中心的压力最高，使气化的其体体积不断向外膨胀，形成一个扩的冲击围形似“气泡”，在该围外、上下压强不相同，压力高的地方的熔融金属液体和蒸汽就被排挤、抛出而进入工作液。在放电过程中冲击气泡不断扩大，当放电结束后，气泡温度不再升高，但由于液体介质的惯性作用，气泡会继续向外扩，使气泡压力急剧降低，甚至降低到大气压一下，形成局部真空，使在高压下溶解在熔化和过热液态金属材料中的气体析出，以及液态金属本身在低压下再沸腾。由于压力的骤降，是熔融金属材料以及其蒸气在加工形成的小坑中再次爆沸飞溅而被抛出。

(4)极间介质的消电离

在电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散,就会改变间隙介质的成分和降低绝缘强度。那么产生的热量将不能及时传出,带电粒子自由能不易降低，将大大减少复合几率，是电离过程不充分，将使下一个脉冲放电通道不能顺利的转移到其他部位，而始终集中在某一部分，使该处介质局部过热而破坏消电离过程，脉冲火花放电将恶循环的转变为有害的稳定电弧放电，此外还使该处介质局部过热,局部过热的工作液高温分解,结碳,使加工无法进行,并烧坏电极。因此为了保证电火花加工过程的正常进行,在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除,恢复放电通道的绝缘性,使工作液介质消电离。

电火花加工的条件

为了达到利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工，需创造创造以下条件：

1.必须使工具电极和工件被加工表面之间保持一定的放电间隙，这一间隙加

工条件而定，通常为0.02~0.1mm。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间工作液介质，因而不能产生火花放电；如果间隙过小，很容易造成短路接触，同样不能产生火花放电。为此，火花加工过程中不许具有工具电极的自动进给和调节装置，使其和工件的加工表面保持某一放电间隙。

2.火花放电必须是瞬时的脉冲性放电放电间隙加上电压后，延续一段时间

t1，需停歇一段时间t0，延续时间ti，一般为1~1000μs，停歇时间t0一般需要20~100μs，这样才能使放电所产生的热量传导扩散到其余部分，把每一次的放电蚀点分别局限在很小的围，否则，像持续电弧放电那样，会使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此电火花加工必须采用脉冲电源。

3.火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如没有、皂化液或

去离子水等。液体介质又称工作液，他们必须有较高的绝缘强度（电阻率为10^3~10^7Ω·cm），有利于产生脉冲性火花放电。同时，液体还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑、小气泡等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。

电火花加工的优点以及缺点

优点：

1、能加工硬质合金和淬火的压铸模具镶块；

2、能加工复杂的型腔的模具如形状复杂的深孔、细孔、加强筋、窄槽；

3、加工时有很小的受力

4、主要加工塑料模具和压铸模具和热锻模具

5、使用的电极材料多为比加工工件比较软的石墨和紫铜；采用石墨和紫铜的

特点是采用电加工的形状都比较复杂加工电极比较烦琐，采用容易加工的石墨会产生事半功倍的效果；

6、直接使用电能加工，改变的传统的加工方法，操作简单，易于掌握，容易

实现电气自动化。电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。

缺点：

1、加工速度较慢。

2、往往在加工比较大的型腔时需要其他的加工方法配合比如为了高效率需要

铣去型腔部分，然后用电极再去加工。

3、采用电火花加工的工件通常都是盲孔不便于观察，到精加工时放电间隙调

小，特别容易产生积碳，严重时甚至产生烧损的现象。

4、加工时工件装卡在电极卡头的垂直下方，找正时需要长时间附下身去找

正，对不正的情况，操作者的腰部特别容易疲劳。

5、采用的工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常

用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油，装卡时遇到怕卡出痕迹的工件不能垫纸板和织物只能垫铜皮。工作环境要求防火，工作时要求排烟，操作者要求戴防毒面具，排烟不倡导致室的烟雾增多，严重影响操作者的身体健康。在来回装卡工件时，手上势必会粘上煤油，对手上的皮肤伤害很大。

6、装卡电极时，同一工件粗加工和精加工，工件不动，只要换电极就要重新

找正，哪怕把电极拆下来简单处理一下，给操作者带来很大的工作量。

7、电火花加工测量尺寸非常复杂往往要借助辅助工具，所以对尺寸的要求相

对较低。

影响材料放电腐蚀的因素

1.极性效应对电蚀量的影响

极性效应：单纯由于正负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象

1)产生极性效应的原因：

在电火花放电过程中，正、负两极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而融化、气化抛出的电蚀量也不一样。

2)影响极性效应的因素：

脉宽、脉间、脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极对的材料等。

2.电参数的影响（电参数主要指的是电压脉冲宽度t1、电流脉冲宽度t e、脉冲

间隔t o、脉冲频率f、峰值电流 e、峰值电压和极性等。）

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

W m=∫0te u（t）i（t）dt

火花放电精细的电阻的非线性特性，击穿后间隙上的火花维持电压是一个与电极对材料及工作液种类有关的数值。

由上述可得，提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量W m（可增加平均放电电流e和脉冲宽度t i，减少脉冲间隙t0，提高系数k a、k e）

3.金属材料热学常数对电蚀量的影响

金属材料的热学常数包括熔点，沸点，热导率，比热容，融化热，气化热等。

而正负极产生的热量主要消耗在：

a)由于热传导散失在电极其他部分和工作液中

b)使局部金属材料温度升高至熔点

c)熔化金属材料

d)使熔化的金属材料继续升温至沸点

e)使熔融金属气化

f)使金属蒸汽继续加热成过热蒸汽

所以可得脉冲放电能量相同时，金属的热学常数越高，电蚀量越小，越难加工。此外热导率越大的金属，由于传热快导致瞬间传达的热量越多，因而降低了自身的电蚀量。

4.工作液对电蚀量的影响

a)形成火花击穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙绝缘状态，防止

破坏性电弧放电；

b)对放电通道产生压缩作用，限制其扩展；

c)有利于电蚀产物的抛出和排除

d)对工具和工件有很好的冷却作用

5.一些其他因素对电蚀量的影响

加工过程的稳定性；电极材料；电极材料瞬间熔化或气化抛出的速度

电火花加工的加工速度和工具的损耗速度以及降低工具损耗的方法

电火花加工时，工件和工具同时遭受不同程度上的电蚀，单位时间工件的电蚀量称为加工速度，单位时间工具的加工速度称为损耗速度。

●加工速度

提高加工速度的途径有提高脉冲频率f，增加单个脉冲能量w m，提高工艺系数k等。加工速度的围，粗加工（200~1000mm/min）、半精加工（20~100 mm/min）、精加工（小于10 mm/min）。随着表面粗糙度的减小，加工速度显著降低。

●工具损耗速度

衡量电极是否耐磨损，不仅仅只是看工具损耗速度vε，还要看同时能达到的加工速度v w，所以用相对损耗（损耗比）θ作为衡量工具电极耐磨的指标。

θ=vε/ v w×100%

降低工具电极的损耗：

a)正确的选用极性和脉宽，一般在短脉冲精加工时采用正极性加工，而在长

脉冲粗加工时采用负极性加工。

b)利用吸附效应

由于电火花加工“积炭”现象总是发生在正极，所以在粗加工中往往为了提高生产率、降低电极损耗，均采用“负极加工”（工件接负极，电极接正极）。由于工具电极在煤油之类的碳氢化合物工作液中工作时，碳氢化合物将发生热分解，而产生大量的碳，这些碳粒又和金属结合形成金属碳化合物的微粒，即胶团。中性的胶团在电场作用下可能与其胶团的外层脱离而成为带电荷的碳胶粒。电火花加工中的碳胶粒一般带负电荷，在电场作用下向正极移动，并吸附在正极表面，如果电极表面瞬时温度在#""<左右，且能保持一段时间，即能形成一定强度和厚度的化学吸附层，即“炭黑膜”，由于碳的熔点和气化点很高，且有很高的抗蚀作用，可对电极起到保护和补偿作用，从而实现“低损耗”加工。影响吸附效应的还有冲、抽油的影响，采用强迫冲、抽油有利于间隙间电蚀产物的排除，使加工稳定但会使吸附、镀覆效应减弱，从而增加电极损耗。

c)利用热传导效应

电火花加工的热传效应放电加工中在电流幅值一定的情况下如果放电时间太短以致热量来不及传入金属导致主要是气化而熔化减少；如果放电时间过长使太多的热量传入金属深处也会使熔化减少。只有把放电时间设置在最佳值，才能最好的利用热效率，使电蚀量最大。这种现象称为传热效应。电极的放电点的瞬时温度不仅与瞬时放电能量成正比，而且与放电通道的截面面积有关，还跟电极材料的导热性能相关。因此限制放电初期的脉冲电流有助于限制电流的密度，可以使电极的损耗降低。脉冲电流增长率过高对在热冲击波作用下易脆裂的工具电极（如石墨）的损耗影响非常显著。另一方面，一般采用工具电极的导热性能比工件的导热性能好一些。如果采用较大的脉冲宽度和较小的脉冲电流进行加工，导热作用会使电极表面温度较低而减少损耗，工件表面温度仍较高而有利于工件的蚀除。

d)选用合适的电极材料

电火花加工的脉冲电源

要求：

●所产生的脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小，这样才能最大化

的利用极性效应，提高生产率和减小工具电极的损耗。

●脉冲电压波形的前后沿应该较陡，这样才能减少电极间隙的变化及油污程

度等对脉冲放电宽度和能量等参数的影响，使工艺过程稳定。因此一般采用矩形波脉冲电源

●脉冲的主要参数应能在很宽的围调节，以满足粗、中、精加工的要求。