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（學(xué)生論文）電火花加工技術(shù)【摘 要】電火花加工又稱為放電加工（Electrical Discharge Machining，簡稱為EDM），是一種直接利用電能和熱能進行加工的新工藝。電火花加工技術(shù)作為特種加工領(lǐng)域的一門重要技術(shù)，本文從電火花加工的發(fā)展歷程、基本原理、特點、加工規(guī)律、新技術(shù)進展等五方面入手加以論述。 【關(guān)鍵詞】電火花加工的發(fā)展歷程、基本原理、特點、規(guī)律、技術(shù)進展。Abstract EDM, also known as EDM (Electrical Discharge Machining, referred to as EDM), is a direct use of electricity and thermal energy for processing of new technology. EDM as a special processing technology in the field of an important technology, this article from the EDM development of the basic principles and characteristics, processing rules, new technologies, such as progress in five aspects to be discussed. Key words EDM course of development, basic principles and characteristics of the law, technology一、電火花加工技術(shù)的發(fā)展歷程電火花加工是利用兩極見脈沖放電時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，對材料進行加工的方法。早在十九世紀，人們就發(fā)現(xiàn)了電器開光的觸點開閉時，以為放電，使接觸部位燒蝕，造成接觸面的損壞。這種放電引起的電極燒蝕現(xiàn)象叫做電腐蝕。起初，電腐蝕被認為是有害的，為減少和避免這種有害的電腐蝕，人們一直在研究電副食產(chǎn)生的原因和防止的辦法。當(dāng)人們掌握了它的規(guī)律之后，便創(chuàng)造條件，轉(zhuǎn)害為益，把電腐蝕用于生產(chǎn)中。研究結(jié)果表明，當(dāng)兩極產(chǎn)生放電的過程中，放電通道瞬時產(chǎn)生大量的熱，足以使電極材料表面局部熔化或汽化，并在一定條件下，熔化或汽化的部分能拋離電極表面，形成放電腐蝕的坑穴。二十世紀四十年代初，人們進一步認識到，在液體介質(zhì)中進行重復(fù)性脈沖放電時，能夠?qū)?dǎo)電材料進行尺寸加工，因此，創(chuàng)立了“電火花加工法”。電火花加工技術(shù)作為特種加工領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，最早應(yīng)用于二戰(zhàn)時期折斷絲錐取出時的加工。隨著人類進入信息化時代，電加工技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，可控性更高，數(shù)字化程度更好。在中國電火花加工技術(shù)起步稍晚。根據(jù)中國的國情，實現(xiàn)電火花加工技術(shù)的原始創(chuàng)新是很困難的，只能采取引進消化吸收再創(chuàng)新的策略，因為這套系統(tǒng)集成了很多學(xué)科領(lǐng)域的知識，如計算機的軟硬件、微電子、數(shù)控、電力半導(dǎo)體、機械技術(shù)、電氣技術(shù)等，是多方面、多學(xué)科集成的產(chǎn)品，是比較復(fù)雜的高科技產(chǎn)品。國內(nèi)現(xiàn)在顯然還沒有一個能夠獨立進行原始創(chuàng)新的團隊，因此注定要經(jīng)歷一個長時間痛苦的積淀過程，所以我認為中國的電火花技術(shù)創(chuàng)新之路別無選擇。政府也越來越認識到高校已經(jīng)不再是創(chuàng)新的主戰(zhàn)場，必須依托企業(yè)才能實現(xiàn)。制造業(yè)是一個傳統(tǒng)行業(yè)。一個國家的發(fā)展終歸要落腳于制造業(yè)，因此作為基礎(chǔ)工業(yè)，制造業(yè)必定擁有永久的生命力，而電加工行業(yè)也不例外。隨著各項技術(shù)的不斷發(fā)展，電加工技術(shù)也在進步，至于一項技術(shù)能夠發(fā)展多久，也要看這個行業(yè)中的人怎樣去盡心敬業(yè)、鉆研并推進它。眾所周知，模具也是一個國家發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，許多批量生產(chǎn)的產(chǎn)品都離不開模具，而電火花加工是制造模具的最主要技術(shù)之一。電火花加工仿形逼真以柔克剛，只要是導(dǎo)電的材料均可加工，而不受硬度、脆性、粘性等材料特性的限制，這是其他加工方法無法比擬的。電火花加工的另一個特點是可進行精密微細加工，微小孔、異型腔等的微細加工是其他設(shè)備無法替代的。這些特點決定了其在制造業(yè)中的地位，其未來的發(fā)展前景會更好。從技術(shù)發(fā)展過程來看，電火花加工技術(shù)經(jīng)歷了手動電火花加工、液壓伺服、直流電機、步進電機、交流伺服電機等一系列過程?？刂葡到y(tǒng)也越來越復(fù)雜，從單軸數(shù)控到3軸數(shù)控、再到多軸聯(lián)動。20世紀90年代初期，3軸電火花機在國內(nèi)還是空白，主要是從日本和瑞士引進。直到90年代中期，北京市電加工研究所才和日本沙迪克公司合作開始制造3軸電火花加工機，也可以說開始步入國內(nèi)電火花加工機的真正快速發(fā)展軌道，后來在此基礎(chǔ)上又生產(chǎn)研發(fā)了4軸4聯(lián)動電火花加工機。以該合作為例，可以看出北京市電加工研究所的消化吸收再創(chuàng)新的道路大概經(jīng)歷了以下幾個階段：首先制造主機，也就是機械部分，相對較為簡單；此后是數(shù)控系統(tǒng)部分，可以理解為引進；之后是整個電源，是消化階段。經(jīng)歷這三個階段之后是吸收，最后是再創(chuàng)新。對電火花加工而言，最核心的部分就是數(shù)控系統(tǒng)部分，當(dāng)然花費的精力也最多。我認為電火花成形機下一步的發(fā)展空間在精密微細和特殊材料兩個方面。特殊材料（如航空航天領(lǐng)域用的材料）專機，窄槽窄縫、異型腔的加工，精密模具等領(lǐng)域都是發(fā)展重點。在精加工方面，曾經(jīng)有過高速銑要代替電火花的傳言，現(xiàn)在證明這是不現(xiàn)實的?，F(xiàn)在粗加工、大電流的火花機又有回頭的趨勢，在家電、汽車很多行業(yè)中應(yīng)用。人類新開發(fā)出來的導(dǎo)電的特殊材料都可進行放電加工，而高速銑通常很難實現(xiàn)。精密微細加工比如噴絲板等微小型零件都離不開電火花加工；航空航天領(lǐng)域中很多零部件需要多軸聯(lián)動電火花加工。我們國家在專用機型上有創(chuàng)新的能力，有很大的空間。二、電火花加工原理電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱EDM。實現(xiàn)電火花加工條件：（1）.工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可以適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質(zhì)、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現(xiàn)電腐蝕加工。（2）.兩電極之間必須充入介質(zhì)在進行材料電火花尺寸加工時，兩極間為液體介質(zhì)(專用工作液或工業(yè)煤油);在進行材料電火花表面強化時，兩極間為氣體介（3）.輸送到兩電極間的脈沖能量密度應(yīng)足夠大在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或氣化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕(凹坑)，實現(xiàn)電火花加工。因而，通道一般必須有105-106A1em電流密度。放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。一般情況下，維持通道的峰值電流不小于2A.（4）.放電必須是短時間的脈沖放電脈沖。放電持續(xù)時間一般為10-1-10-3s。由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)，保持火花放電的冷極特性。（5）.脈沖放電需重復(fù)多次進行，并且多次脈沖放電在時間上和空間上是分散的這里包含兩個方面的意義:其一時間上相鄰的兩個脈沖不在同一點上形成通道;其二，若在一定時間范圍內(nèi)脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時間內(nèi)，脈沖放電應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免積碳現(xiàn)象，進而避免發(fā)生電弧和局部燒傷。（6）.脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時排放至放電間隙之外，使重復(fù)性放電順利進行在電火花加工的生產(chǎn)實際中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性;蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物如介質(zhì)的氣化物)亦可以促進上述過程;另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等。以下是電火花加工原理圖：進行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或?qū)⒐ぷ饕撼淙敕烹婇g隙。通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極向工件進給，當(dāng)兩電極間的間隙達到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。 在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達一萬攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復(fù)絕緣狀態(tài)。 緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復(fù)上述過程。這樣，雖然每個脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進給，最后便加工出與工具電極形狀相對應(yīng)的形狀來。因此，只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對運動方式，就能加工出各種復(fù)雜的型面。 工具電極常用導(dǎo)電性良好、熔點較高、易加工的耐電蝕材料，如銅、石墨、銅鎢合金和鉬等。在加工過程中，工具電極也有損耗，但小于工件金屬的蝕除量，甚至接近于無損耗。工作液作為放電介質(zhì)，在加工過程中還起著冷卻、排屑等作用。常用的工作液是粘度較低、閃點較高、性能穩(wěn)定的介質(zhì)，如煤油、去離子水和乳化液等。 按照工具電極的形式及其與工件之間相對運動的特征，可將電火花加工方式分為五類：利用成型工具電極，相對工件作簡單進給運動的電火花成形加工；利用軸向移動的金屬絲作工具電極，工件按所需形狀和尺寸作軌跡運動，以切割導(dǎo)電材料的電火花線切割加工；利用金屬絲或成形導(dǎo)電磨輪作工具電極，進行小孔磨削或成形磨削的電火花磨削；用于加工螺紋環(huán)規(guī)、螺紋塞規(guī)、齒輪等的電火花共軛回轉(zhuǎn)加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面強化等其他種類的加工。 電火花加工能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復(fù)雜形狀工件；加工時無切削力；不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷；工具電極材料無須比工件材料硬；直接使用電能加工，便于實現(xiàn)自動化；加工后表面產(chǎn)生變質(zhì)層，在某些應(yīng)用中須進一步去除；工作液的凈化和加工中產(chǎn)生的煙霧污染處理比較麻煩。 電火花加工的主要用于加工具有復(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件；加工各種硬、脆材料，如硬質(zhì)合金和淬火鋼等；加工深細孔、異形孔、深槽、窄縫和切割薄片等；加工各種成形刀具、樣板和螺紋環(huán)規(guī)等工具和量具。三、電火花加工的特點電火花加工是與機械加工完全不同的一種新工藝。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，具有高熔點、高硬度、高強度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現(xiàn)。具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)與特殊工藝要求的工件越來越多，這就使得傳統(tǒng)的機械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進一步發(fā)展和完善機械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，并在應(yīng)用中顯示出很多優(yōu)異性能，因此，得到了迅速發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。電火花加工的特點如下- 1.脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機械加工方法難于加工或無法加工的特殊材料和復(fù)雜形狀的工件。不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響。 2.脈沖放電持續(xù)時間極短，放電時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴散范圍小，材料受熱影響范圍校 3.加工時，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極校工具電極材料不需比工件材料硬，因此，工具電極制造容易。 4.可以改革工件結(jié)構(gòu)，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度。基于上述特點，電火花加工的主要用途有以下幾項- 1)制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模。 2)加工小孔、畸形孔以及在硬質(zhì)合金上加工螺紋螺孔。 3)在金屬板材上切割出零件。 4)加工窄縫。 5)磨削平面和圓面。 6)其它（如強化金屬表面，取出折斷的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面復(fù)雜的零件等）。四、電火花加工的基本規(guī)律1)影響材料放電腐蝕的主要因素：1、極性效應(yīng)2、電參數(shù)對電蝕量的影響3、金屬材料熱學(xué)常數(shù)對電蝕量的影響4、工作液對電蝕量的影響5、其它因素2)電火花加工的加工速度和工具的損耗速度：1、加工速度2、工具相對損耗 極性選擇吸附效應(yīng)傳熱效應(yīng) 材料選擇3)影響加工精度的主要因素4)電火花加工的表面質(zhì)量:1、表面粗糙度；2、表面變質(zhì)層；3、表面力學(xué)性能（硬度、耐磨性、殘余應(yīng)力、耐疲勞性能）.五、電火花加工最新技術(shù)進展1、放電堆積造型毛利尚武教授、齋藤長男教授和三菱電極名古屋制作所合作，在進行液中電火花放電表面改性處理時，在S45C鋼上成功地堆積除WC厚膜（層），并進行了將電火花堆積和電火花去除加工相組合對工件進行修復(fù)的試驗。毛利尚武教授還用鎢電極（0.1mm）成功地進行了電火花堆積。日本名古屋工業(yè)大學(xué)早川伸哉波士等，通過計算鋼打鋼時正極和負極的溫度分布，選擇合適的電參數(shù)，使得工具電極的放電溫度超過器材料的沸點，工件電極的溫度在材料熔點和沸點之間，在空氣中進行了電火花堆積造型試驗。用此法在氣體中電火花附著堆積出直徑約140m，高2.2mm的微細圓柱，工件和電極都是S45C鋼，電極直徑0.1mm，放電電流2.5A，脈沖寬度5m，工件接脈沖電源負極，加工時間6.3h。2、氣體中放電電火花加工日本東京農(nóng)工大學(xué)國枝正典教授開展了氣體中放電電火花加工和氣體中線切割加工的研究。該方法使用管狀電極中噴出，在工件與電極間隙形成絕緣介質(zhì)，從而取代絕緣工作液進行電火花加工。此方法加工沒有火災(zāi)隱患，不污染環(huán)境，電極損耗率非常低，放電加工時的反作用小，有利于微細加工，選擇合適的氣體，可使加工表面在凝固層（白層）非常薄。富山地方大學(xué)巖井等人還利用壓縮空氣作介質(zhì)代替液體介質(zhì)，通過放電修形、修銳金屬基金剛石砂輪。結(jié)果表明，經(jīng)過這樣處理后的砂輪磨削性能同傳統(tǒng)的修形方法幾乎相同。這種方法可以修出曲線輪廓。3、鈦合金表面電火花放電著色日本大阪府立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的增井清德和難久開展了鈦合金線切割放電著色和鈦合金電火花放電著色的研究。線切割著色使用單向脈沖電源，工件接脈沖電源正極，工具電極絲接脈沖電源的負極，工作液為去離子水，電阻率為（120）104.cm。其著色原理是利用線切割的放電作用，在鈦合金形成透明的氧化鈦膜，由于光的干涉，不同厚度的氧化鈦膜將得到不同顏色的干涉光，通過控制氧化鈦膜的厚度就可進行不同的顏色著色。4、反復(fù)拷貝法微細電極電火花加工日本松下電氣與東京大學(xué)增澤隆久教授合作開發(fā)生產(chǎn)GMG-ED82W型超微細電火花加工機床后，為解決高密度、大深徑比、復(fù)雜形狀微細孔、微細軸、銷、沖頭等的的加工問題，松下電氣生產(chǎn)技術(shù)研究所的正本健、和田紀彥開發(fā)了先用WEDG加工法加工微細電極，然后用該微細電極加工出具有多孔的中間電極，在用中加電極加工除具有多個微細軸形狀的工作電極。用這樣的電極可以一次加工出多個小孔。姑且將其稱為發(fā)反拷貝法微細電極電火花加工方法，即EDMN 加工法，其中代表微細，EDM代表電火花加工，n帶便反復(fù)次數(shù)，即反復(fù)多次微細電火花加工。例如n=1,用WEDG加工法加工簡單的圓柱微細電極；n=2，用生產(chǎn)的微細圓柱電極在薄板上加工多個微細孔；n=3，用薄板中間電極在大的圓柱棒或塊狀工件上加工出一體化的具有多個微細軸的工作電極，也可作為銷或沖頭等工具；n=4，用上述工作電極進行多孔同時加工。在n2后，為了實現(xiàn)穩(wěn)定電火