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1、第四章 电火花加工,4.1 概述 4.2 电火花加工的机理 4.3 电火花加工中的一些基本规律 4.4 电火花加机床工4.5 电火花成形加工的应用4.6 其它电火花加工机术,4.1 概 述,返回,4.1 概述,电火花加工又称放电加工（简称DM），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。,在正常电火花加工过程中，电极与工件并不接触，而是保持一定的距离，在工件与电极间施加一定的脉冲电压，当电极向工件进给至某一距离时，两极间的工作液介质被击穿，局部产生火花放电，放电产生的瞬时高温将电极对的表面材料熔化甚至汽化，使材料表面形成电腐蚀的坑穴。,4.1.1 基本概念,如适当控
2、制这一过程，就能准确地加工出所需的工件形状。在放电过程中常伴有火花，故称作电火花加工。,在加工时，工件与加工所用的工具为极性不同的电极对，电极对之间多充满工作液，主要起恢复电极间的绝缘状态及带走放电时产生的热量的作用，以维持电火花加工的持续放电。,适用于无法采用刀具切削或切削加工十分困难的场合，如航天、航空领域的众多发动机零件、蜂窝密封结构件、深窄槽及狭缝等加工，特别适宜于加工弱刚度、薄壁工件的复杂外形，异形孔以及形状复杂的型腔模具，弯曲孔等。,加工时，工具电极与工件并不直接接触，两者之间宏观作用力极小，工具电极不须比工件材料硬，因此工具电极制造容易。,4.1 概述,4.1.2 电火花加工的特
3、点,直接利用电能进行加工，因此易于实现加工过程的自动控制及实现无人化操作；并可减少机械加工工序，加工周期短，劳动强度低，使用维护方便。,由于火花放电时工件与电极均会被蚀除，因此电极的损耗对加工形状及尺寸精度的影响比切削加工时刀具的影响要大。,20世纪40年代后期，前苏联科学家鲍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类有益的一种全新工艺方法。,4.1 概述,4.1.3 发展概况,我国是国际上开展电火花加工技术研究较早的国家之一，由中国科学院电工所牵头，到世纪年代后期也先后研制了电火花穿
4、孔机床和线切割机床。,我国电火花成形机床经历了双机差动式主轴头，电液压主轴头，力矩电机或步进电机主轴头，直流伺服电机主轴头，交流伺服电机主轴头，到直线电机主轴头的发展历程,控制系统也由单轴简易数控逐步发展到对双轴、三轴联动乃至更多轴的联动控制；,脉冲电源也以最初的C弛张式电源，及脉冲发电机，逐步推出电子管电源，闸流管电源，晶体管电源，晶闸管电源及、电源复合的脉冲电源。,4.1 概述,4.1.3 发展概况,成形机床的机械部分以滑动导轨、滑动丝杠副逐步发展为滑动贴塑导轨、滚珠导轨、直线滚动导轨及滚珠丝杠副，机床的机械精度达到了微米级，最佳加工表面粗糙度已由最初的a32提高到目前的a0.02，从而使
5、电火花成形加工步入镜面、精密加工技术领域，与国际先进水平的差距逐步缩小。,电火花成形加工的应用范围从单纯的穿孔加工冷冲模具、取出折断的丝锥与钻头，逐步扩展到加工汽车、拖拉机零件的锻模、压铸模及注塑模具，近几年又大踏步跨进精密微细加工技术领域，为航空、航天及电子、交通、无线电通讯等领域解决了切削加工无法胜任的一大批零部件的加工难题。,面对现代制造业的快速发展，电火花加工技术在“一特二精”方面具有独特的优势。“一特”即特殊材料加工，在这一领域，切削加工难以完成，是电加工的最佳研究开发领域。“二精”是精密模具及精密微细加工。微精加工是切削加工的一大难题，而电火花加工由于作用力小，对加工微细零件非常有
6、利。,随着计算机技术的快速发展，将以往的成功工艺经验进行归纳总结，建立数据库，开发出专家系统，使电火花成形加工及线切割加工的控制水平及自动化、智能化程度大大提高。,4.1 概述,4.1.4 应用前景,新型脉冲电源的不断研究开发。使电极损耗大幅降低，再辅以低能耗新型电极材料的研究开发，有望将电火花成形加工的成形精度及线切割加工的尺寸精度再提高一个数量级，达到亚微米级，则电火花加工技术在精密微细加工领域可进一步扩大其应用范围。,4.2 电火花加工的机理,返回,电火花加工的原理是基于工具和工件（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属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工
7、要求。,4.2 电火花加工的机理,4.2.1 电火花加工的基本原理,电火花腐蚀的主要原因：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。,利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工应具备的条件：,（1）必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米。,4.2 电火花加工的机理,4.2.1 电火花加工的基本原理,利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工应具备的条件：,（2）两极之间应充入有一定绝缘性能的介质。对导电材料进行加工时，两极间为液体介质；进行材料表面强化时，两极间为气体
8、介质。,（3）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电蚀除点分别局限在很小的范围内；否则，会形成电弧放电，使工件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。如右图所示：,图 4-1 脉冲电源电压波形,图 4-2 电火花加工原理示意图1工件 2脉冲电源 3自动进给调节装置 4工具 5工作液 6过滤器 7工作液泵,4.2 电火花加工的机理,4.2.1 电火花加工的基本原理,图 4-2 电火花加工原理示意图,工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。,自动进给调节装置3（此处为电动机
9、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。,当脉冲电压加到两极之间，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4-3所示。,图4.3 电火花加工表面局部放大图1凹坑 2凸边,脉冲放电结束后，经过一段间隔时间t0，使工作液恢复绝缘后，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近或绝缘强度最弱处击穿放电，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
10、形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。,1、极间介质的电离、击穿，形成放电通道,火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程即所谓电火花加工的机理，也就是电火花加工的物理本质。这一过程大致可分为以下四个连续的阶段：,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,图 4-4 极间放电电压和电流波形a）电压波形 b）电流波形,当约80V的脉冲电压施加于工具电极与工件之间时（图4-4中01段和12段），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。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，因而极
11、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。,液体介质中不可避免地含有某种杂质，也有一些自由电子，使介质呈现一定的电导率。在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀。当阴极表面某处的电场强度增加到105V/mm 即100V/左右时，就会由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下电子高速向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（正离子），导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而形成放电通道。,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,1、极间介质的电离、击穿，形成放电通道,图 4-4 极间放电电
12、压和电流波形a）电压波形 b）电流波形,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0.1s，间隙电阻从绝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）。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达103104A/mm2。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25V），电流则由0上升到某一峰值电流（图4-4b中 2 3段）。,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，通道中心温度可高达10000C以上。由于电子流动形成电流而
13、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阻力，故放电开始阶段通道截面很小，电流密度高达105107A/cm2,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。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。,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。,极间介质一旦被击穿、电离、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
14、在通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，温度急剧升高。,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,2、能量的转换介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀,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），高温后裂解为 H2、C2H2、CH4、C2H4和游离碳等，水基工作液则热分解为 H2、O2 的分子甚至原子等。正负极表面的高温除使工作液气化、热分解气化外，也使金属材料熔化、直至沸腾气化。,这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬时间体积猛增，迅速热膨胀，就像火药、爆竹点燃后那样具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以见到放电间隙间冒出很多小气泡，
15、工作液逐渐变黑，和听到轻微而清脆的爆炸声。,主要靠此热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出而形成蚀除，相当于图 4-4中 34段，此时 80V 的空载电压降为 25V 左右的火花维持电压，由于它含有高频成分而呈锯齿状；电流则上升为锯齿状的放电峰值电流。,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,3、蚀除产物的抛出,通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。,气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中
16、。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。图 4-5a、b、c、d为放电过程中 4个阶段放电间隙状态的示意图。,图 4-5 放电间隙状况示意图1正极 2从正极上熔化并抛出金属的区域 3放电通道 4气泡 5在负极上熔化并抛出金属的区域 6负极 7翻边凸起 8在工作液中凝固的微粒 9工作液 10放电形成的凹坑,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,3、蚀除产物的抛出,实际上熔化和气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收缩成小颗粒外，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
17、，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损耗。,半裸在空气中电火花加工时，可以见到桔红色甚至蓝白色的火花四溅，它们就是被抛出的金属高温熔滴、小屑。,观察铜加工钢电火花加工后的电极表面，可以看到钢上粘有铜，铜上粘有钢的痕迹。如果进一步分析电加工后的产物，在显微镜下可以看到除了游离碳粒，大小不等的铜和钢的球状颗粒之外，还有一些钢包铜、铜包钢、互相飞溅包容的颗粒，此外还有少数由气态金属冷凝成的中心带有空泡的空心球状颗粒产物。,当放电结束后，气泡温度不再升高，但由于液体介质惯性作用使气泡继续扩展，致使气泡内压力急剧降低，甚至降到大气压以下，形成局部真空，再加上材料本身在低压下再沸腾的特性
18、，使在高压下溶解在熔化和过热材料中的气体析出。由于压力的骤降，使熔融金属材料及其蒸气从小坑中再次爆沸飞溅而被抛出。,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,3、蚀除产物的抛出,熔融材料抛出后，在电极表面形成单个脉冲的放电痕，其放大示意图如图4-6所示。熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极表面，形成熔化凝固层，在四周形成稍凸起的翻边。熔化凝固层下面是热影响层，再往下才是无变化的材料基体。,总之，材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果，对这一复杂的抛出机理的认识还在不断深化中。,注意：正极、负极分别受电子、正离子撞击的能量、热量不同；不同电极材料的熔点、气化点不同；
19、脉冲宽度、脉冲电流大小不同，正、负电极上被抛出材料的数量也不会相同，目前还无法定量计算。,图 4-6 单个脉冲放电痕剖面放大示意图1无变化区 2热影响层 3翻边凸起 4放电通道 5气化区 6熔化区 7熔化凝固层,4.2 电火花加工的机理,4.2.2 电火花加工的机理,4、极间介质的消电离,脉冲火花放电时产生的热量如不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的几率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道不能顺利地转移到其它部位，而始终集中在某一部位，使该处介质局部过热而破坏消电离过程，脉冲火花放电将转变为有害的稳定电弧放电，同时工作液局部高温分解后可能积碳，在该处聚成焦粒而在两
20、极间搭桥，使加工无法进行下去，并烧伤电极对。,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都应有足够的脉冲间隔时间t0，其最小脉冲间隔时间的确定，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间，还要考虑电蚀产物排离出放电区域的时间。,随着脉冲电压的下降，脉冲电流也迅速降为零，图4-4中45段，标志着一次脉冲放电结束。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
21、原则。,图 4-4 极间放电电压和电流波形a）电压波形 b）电流波形,4.3 电火花加工中的一些基本规律,返回,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,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、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。,通常把工件接脉冲电源的正极（工具电极接负极）时，称“正极性”加工；反之，工件接脉冲电源的负极（工具电极接正极）时，称“负极性”加工。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
22、减少工具电极的损耗。,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。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,1极性效应,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
23、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能，故负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。,因此,当采用窄脉冲（例如纯铜电极加工钢时，ti 80s）粗加工时，应采用负极性加工，这样可以得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,1极性效应,能量在两极上的分配对两个电极电蚀量的影响是一个极为重要的因素，而电子和正离子对电极表面的撞击则是影响能量分布的主要因素，因此，电子撞击和离子撞击无疑是影响极性效应的重要因素。但是，近年来的生产实践和研究结果表明，正的电极表面能吸附工作液
24、中分解游离出来的碳微粒，形成碳黑膜（覆盖层）减小电极损耗。,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，最大限度地降低工具电极的损耗，并合理选用工具电极的材料，根据电极对材料的物理性能、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，工具损耗尽可能小的目的。,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，电火花加工一般都采用单向脉冲电源。,由此可见，极性效应是一个较为复杂的问题。除了脉宽、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。,4.3 电火花加工中
25、的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,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、峰值电压和极性等。,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 在一定范围内成正比的关系。用公式表示为:q=KWMt(4.1)v=q/t=KWM(4.2)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。,4.3 电火花加工
26、中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,2电参数,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:,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,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）；,WM（2025）,式中:脉冲电流幅值（A）；电流脉宽（）。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,2电参数,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
27、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；,减小脉冲间隔并提高有关的工艺参数。,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。,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。常见材料的热学常数可查相应手册。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,3金属材料热学常数,每次脉冲放电时，通道内及正、负电极放电点都瞬时获得大量热能。而正、负电极放电点所获得的热能，除一部分由于热传导散失到电极其它部
28、分和工作液中外，其余部分将依次消耗在：,使局部金属材料温度升高直至达到熔点，而每克金属材料升高1C（或 1K）所 需之热量即为该金属材料的比热容；每熔化1g材料所需之热量即为该金属的熔化热；使熔化的金属液体继续升温至沸点，每克材料升高1C 所需之热量即为该熔融金属的比热容；使熔融金属气化，每气化1g材料所需的热量称为该金属的气化热；使金属蒸气继续加热成过热蒸气，每克金属蒸气升高1C所需的热量为该蒸气的比热容。,音频信号,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,3金属材料热学常数,当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热愈高，电蚀量将愈少
29、，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。,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。,当脉冲能量一定时，对不同材料的工件都会各有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽。另外，获得最大电蚀量的最佳脉宽还与脉冲电流幅值有相互匹配的关系，它将随脉冲电流幅值的不同
30、而变化。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,3金属材料热学常数,图 4-7 不同材料加工时蚀除量与脉宽的关系,图 4-7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，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，一般在液体介质中进行，介质面通常高出加工工件几十毫米。液体介质通常叫工作液，工作液的作用是：,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,4工作液
31、,形成火花击穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态；,帮助电蚀产物的抛出和排除；火花击穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态；,对工具和工件具有冷却作用。,对放电通道产生压缩作用；,工作液性能对加工质量的影响很大。介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，但粘度过大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,4工作液,目前工作液有3种:第一种工作液是油类有机化合物。电火花成形加工主要采用油类工作液。第二种工作液是乳化液,乳化液的优点是成本低,配置简便,
32、也有补偿工具电极损耗的作用,且不腐蚀机床和零件.目前,乳化液多用于电火花线切割加工。第三种工作液是水,水的优点是流动性好、散热性好,不易起弧,不燃、无味和价格低廉。,粗加工时采用的脉冲能量大、加工间隙也较大、爆炸排屑抛出能力强，往往选用介电性能、粘度较大的全损耗系统用油（即机油），且全损耗系统用油的燃点较高，大能量加工时着火燃烧的可能性小；,在中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故一般均选用粘度小、流动性好、渗透性好的煤油作为工作液。,由于油类工作液有味、容易燃烧，尤其在大能量粗加工时工作液高温分解产生的烟气很大，故寻找一种像水那样的流动性好、不产生碳黑、不燃烧、无色无味、价廉的工作液介
33、质一直是努力的目标。水基工作液就是其中研究、应用的一种。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.1 影响材料放电腐蚀的主要因素,5其它因素,电火花加工过程中电极材料瞬时熔化或气化而抛出，如果抛出速度很高，就会冲击另一电极表面而使其蚀除量增大；如果抛出速度较低，则当喷射到另一电极表面时，会反粘和涂覆在电极表面，减少其蚀除量。此外，正极上碳黑膜的形成将起“保护”作用，大大降低正电极的蚀除量（损耗量）。,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。,加工过程不稳定将干扰以致破
34、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。,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。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,1影响加工速度的主要因素,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加工速度，亦即生产率；单位时间内工具的电蚀量
35、称之为损耗速度，它们是一个问题的两个方面。,加工速度一般采用体积加工速度来表示，/t（mm3/min），有时为了测量方便，也采用质量加工速度(g/min)来表示。,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；增加单个脉冲能量WM；设法提高工艺系数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标的影响。,提高脉冲频率，可通过减小脉冲停歇时间实现，但脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离和排除电蚀产物及气泡，阻碍恢复其介电性能，以致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常进行。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损
36、耗速度,1影响加工速度的主要因素,增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增加可以提高加工速度，但同时会使表面粗糙度变坏和降低加工精度，因此一般只用于粗加工和半精加工的场合。,提高工艺系数K的途径很多。例如合理选用电极材料、电参数和工作液，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K的目的。,电火花成形加工的加工速度，粗加工（加工表面粗糙度Ra1020）时可达2001000mm3/min，半精加工（Ra2.510）时降低到20100mm3/min，精加工（Ra0.32 2.5）时一般都在10mm3/min以下。随着表面粗糙度值的减小，加工速度显
37、著下降。,加工中的工具相对损耗是产生加工误差的主要原因之一。在生产实际中用来衡量工具电极是否耐损耗，不只是看工具损耗速度，还要看同时能达到的加工速度，因此，采用相对损耗或称损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标。即：,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,2.工具相对损耗,/（4-6）,上式中的加工速度和损耗速度均以 mm3/min为单位计算时，则 为体积相对损耗；,若为等截面的穿孔加工，则 也可理解为长度损耗比。,如以g/min为单位计算时，则 为质量相对损耗。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,2.工具相对损耗,4.3.2 电火花加工的加工速度
38、和工具的损耗速度,在电火花加工过程中，降低工具电极的损耗一直是人们努力追求的目标。为了降低工具电极的相对损耗，要正确处理好电火花加工过程中的各种效应，这些效应主要包括：极性效应，吸附效应，传热效应等。,1)极性效应（正确选择极性和脉宽）,电火花加工时，由于传递和分配到正、负电极上的能量不同，使一个极的蚀除量比另一极的除量多，这种现象称为极性效应。,一般在短脉冲精加工时采用正极性加工（即工件接电源正极），长脉冲粗加工时则采用负极性加工。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,2.工具相对损耗,1)极性效应（正确选择极性和脉宽）,图4-8 脉冲宽度和
39、极性与电极相对损耗的关系1正极性加工；2负极性加工,右图是在工具电极为6mm 的纯铜，加工工件为钢，工作液为煤油，矩形波脉冲电源，加工电流峰值为10A的试验条件下得出的试验曲线。,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，随着脉冲宽度的增加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，当脉冲宽度大于120 后，电极相对损耗将小于1%，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于10%。然而在脉宽小于15的窄脉宽范围内，正极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。,4.
40、3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,2.工具相对损耗,2)吸附效应,当采用煤油等碳氢化合物作工作液时，在放电过程中将发生热分解而产生大量的碳，碳可和金属结合形成金属碳化物的微粒胶团。中性的胶团在电场作用下可能与其可动层（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，因此，在电场作用下会向正极移动，并吸附在正极表面。如果电极表面瞬时温度为4000C左右，且能保持一定时间，即能形成一定强度和厚度的化学吸附碳层，通常称之为碳黑膜，由于碳的熔点和气化点很高，可对电极起到保护和补偿作用，从而实现“低损耗”加工。,由于碳黑膜只能在正
41、极表面形成，因此，要利用碳黑膜的补偿作用来实现电极的低损耗，必须采用负极性加工。为了保持合适的温度场和吸附碳黑有足够的时间，增加脉冲宽度是有利的。,影响“吸附效应”的除上述电参数外，还有冲、抽油的影响。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,2.工具相对损耗,3)传热效应,因此，在放电初期限制脉冲电流的增长率，可使电流密度的增速不致太高，也就使电极表面温度不致过高，这将有利于降低电极损耗。,对电极表面温度场分布的研究表明，电极表面放电点的瞬时温度不仅与瞬时放电的总热量（与放电能量成正比）有关，而且与放电通道的截面积有关，还与电极材料的导热性能有关
42、。,脉冲电流增长率过高时，对在热冲击波作用下易脆裂的工具电极（如石墨）的损耗，影响尤为显著。因此一般采用导热性能比工件好的工具电极，配合使用较大的脉冲宽度和较小的脉冲电流进行加工，使工具电极表面温度较低而损耗小，工件表面温度较高而蚀除快。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度,2.工具相对损耗,为了减少工具电极损耗，还应选用合适的工具材料，一般应考虑经济成本、加工性能、耐腐蚀性能、导电性能等几方面的因素。,4)材料的选择,钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，所以除线切割加工外很少采用。,铜的熔点虽较低，但其导热性好，因
43、此损耗也较少，又比较容易制成各种精密、复杂电极，常用作中、小型腔加工用的工具电极。,石墨电极不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗，所以相对损耗很低，目前已广泛用作型腔加工的电极。,铜碳、铜钨、银钨合金等复合材料，不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小，但由于其价格较贵，制造成形比较困难，因而一般只在精密电火花加工时采用。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.3 影响加工精度的主要因素,影响加工精度的主要因素有：放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定性。,电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙，因此工件的尺寸、形状与工具并不一致。如
44、果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正工具电极的尺寸对放电间隙引起的误差进行补偿，以获得较高的加工精度。但放电间隙的大小实际上是变化的，从而影响了加工精度。,除了间隙能否保持一致性外，间隙大小对加工精度也有影响，尤其是对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，仿形的逼真度越差，影响越严重。,为了减少尺寸加工误差，应该采用较小的加工规准，缩小放电间隙，这样不但能提高仿形精度，而且放电间隙愈小，可能产生的间隙变化量也愈小；另外，还必须尽可能使加工过程稳定。精加工的放电间隙一般为0.01mm（单面），而在粗加工时可达0.5mm 以上。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.
45、3.3 影响加工精度的主要因素,影响电火花加工形状精度的因素还有“二次放电”。二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向的侧面产生斜度和加工棱角或棱边的变钝。产生加工斜度的情况如右图所示。,工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时，电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗，型腔加工时则无法采用这一方法，精密型腔加工时可采用更换电极的方法。,图 4-9 电火花加工时的加工斜度1工件实际轮廓线2工件理论轮廓线 3电极无损耗时的轮廓线,从图中可以看出：由于工具电极下端部加工时间长，绝对损耗大，而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二
46、次放电”的几率大而逐渐扩大，因而产生了加工斜度。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.3 影响加工精度的主要因素,工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上，这是因为当工具为尖角时，一则由于放电间隙的等距性，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；二则工具上的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角，如右图所示。,图4-10 电火花成形加工时圆角的形成a)工具电极有尖角时 b)工具电极有凹角时,当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的几率大，容易遭受腐蚀而成为圆角，如图 4-10b所示。,采用高频窄脉宽精加工，放电间隙小，圆角半径可以明显减小，因而提高了仿形精度，
47、可以获得圆角半径小于 0.01mm的尖棱。目前，电火花加工的精度可达0.01 0.05mm 左右。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.4 电火花加工的表面质量,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。,对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量，因为脉冲能量大，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
48、式来表示：,式中：Rmax实测的表面粗糙度（）；KR常数，铜加工钢时常取 2.3；脉冲放电时间（s）；峰值电流（A）。,（4-7）,返回,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.4 电火花加工的表面质量,1.表面粗糙度,工件材料对加工表面粗糙度也有影响，熔点高的材料（如硬质合金），在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料（如钢）好。当然，加工速度会相应下降。,精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极的加工表面粗糙度较差。,从式（4-7）可见，影响表面粗糙度的因素主要是脉宽与峰值电流的乘积，亦即单个脉冲能量的大小。但实践中发
49、现，即使单脉冲能量很小，但在电极面积较大时，Rmax很难低于2（约为 Ra0.32），而且加工面积愈大，可达到的最佳表面粗糙度愈差。,这是因为在煤油工作液中的工具和工件相当于电容器的两个极，具有“潜布电容”，当小能量的单个脉冲到达工具和工件时，电能被此电容“吸收”，只能起“充电”作用而不会引起火花放电。只有经过多个脉冲充电达到较高的电压、积累了较多的电能后，才能引起击穿放电，形成较大的放电凹坑。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.4 电火花加工的表面质量,2.表面变质层,图 4-6 单个脉冲放电痕剖面放大示意图1无变化区 2热影响层 3翻边凸起 4放电通道 5气化区 6熔化区 7熔化
50、凝固层,在电火花加工过程中，由于放电的瞬时高温和工作液的快速冷却作用，材料的表面层发生了很大的变化，粗略地可把它分为熔化凝固层和热影响层，如图4-6所示。,熔化凝固层位于工件表面最上层，它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液快速冷却作用而凝固。对于碳钢来说，熔化层在金相照片上呈现白色，故又称之为白层，它与基体金属完全不同，是一种树枝状的淬火铸造组织，与内层的结合也不甚牢固。,1)熔化凝固层,熔化层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，大约为12倍的 Rmax，但一般不超过0.1mm。,4.3 电火花加工中的一些基本规律,4.3.4 电火花加工的表面质量,2.表面变质层,2)热影响层,由于温度场分
