電火花基本知識(shí)

1、電火花加工基本知識(shí)一、電火花加工的機(jī)理二、電火花加工的特點(diǎn)三、電火花加工機(jī)床的組成及作用四、實(shí)現(xiàn)電火花加工的條件五、極性效應(yīng)六、覆蓋效應(yīng)七、加工速度八、工具電極損耗九、表面粗糙度十、放電間隙十一、兩電極蝕除量之間的矛盾十二、加工速度與加工表面粗糙度之間的矛盾十三、電火花加工常用名詞、術(shù)語及符號(hào)十四、電火花加工粗糙度對(duì)照表一、電火花加工的機(jī)理電火花是一種自激放電，電火花加工（EDM是基于正負(fù)兩個(gè)電極間脈沖放電的電腐蝕現(xiàn)象對(duì)材料進(jìn)行加工。2個(gè)電極，及其之間的介質(zhì)相對(duì)于一個(gè)電容，由C 4：kd（C電容，；），為了強(qiáng)化對(duì)材料電腐蝕過程的控制和加工效果，要注意幾個(gè)方面的問題：1）電極之間保持距離確定的距

2、離。二、電火花加工的特點(diǎn)電火花加工是與機(jī)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(jìn)步，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)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(jī)械加工方法不能加工或難于加工。因此，人們除了進(jìn)一步發(fā)展和完善機(jī) 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(diǎn)如下：1. 脈沖放電的能量密度高，便于加工用普通的機(jī)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

3、熱處理狀況影響。2. 脈沖放電持續(xù)時(shí)間極短，放電時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴(kuò)散范圍小，材料受熱影響范 圍小。3. 加工時(shí)，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小。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(dòng)強(qiáng)度?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，電火花加工的主要用途有以下幾項(xiàng)：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(qiáng)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）。三、電火花加工機(jī)床

4、的組成及作用 從上面所談的情況可以看到，要實(shí)現(xiàn)電火花加工過程，機(jī)床必須具備三個(gè)要素， 即：脈沖電源， 機(jī)械部分和自動(dòng)控制系統(tǒng)， 工作液過濾與循環(huán)系統(tǒng)。 （見圖一） 。 下面對(duì)這三要素的作用逐一加以簡單討論。1. 脈沖電源加在放電間隙上的電壓必須是脈沖的， 否則， 放電將成為連續(xù)的電弧。 所謂脈沖 電源，實(shí)際就是一種電氣線路或裝置，它們能發(fā)出具有足夠能量的脈沖電壓來。2. 機(jī)械部分和自動(dòng)控制系統(tǒng) 其作用是維持工具電極和工件之間有一適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，并在線調(diào)整。3. 工作液凈化與循環(huán)系統(tǒng)工作液的作用是使能量集中， 強(qiáng)化加工過程， 帶走放電時(shí)所產(chǎn)生的熱量和電蝕產(chǎn) 物。工作液系統(tǒng)包括工作液的儲(chǔ)存冷卻、

5、循環(huán)及其調(diào)節(jié)與保護(hù)、 過濾以及利用工 作液強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)。上述三要素， 有時(shí)也稱為電火花加工機(jī)床的三大件， 它們組成了電火花加工機(jī)床 這一統(tǒng)一體，以滿足加工工藝的要求。四、實(shí)現(xiàn)電火花加工的條件實(shí)現(xiàn)電火花加工，應(yīng)具備如下條件：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(shí)現(xiàn)電腐蝕加工。2. 兩電極之間必須充入介質(zhì)。 在進(jìn)行材料電火花尺寸加工時(shí)， 兩

6、極間為液體介質(zhì) （專用工作液或工業(yè)煤油）；在進(jìn)行材料電火花表面強(qiáng)化時(shí)， 兩極間為氣體介質(zhì)。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汽化， 從而在被加工材料表面形成 一個(gè)腐蝕痕（凹坑），實(shí)現(xiàn)電火花加工。因而，通道一般必須有 105-106A/cm2 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(shí)間的脈沖放電。放電持續(xù)時(shí)間一般為 10-7-10-3s 。由于放電 時(shí)間

7、短，使放電時(shí)產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴(kuò)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(jìn)行，并且多次脈沖放電在時(shí)間上和空間上是分散的。 這里包含兩個(gè)方面的意義：其一時(shí)間上相鄰的兩個(gè)脈沖不在同一點(diǎn)上形成通道； 其二，若在一定時(shí)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(shí)間內(nèi)，脈沖放電應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免積炭現(xiàn)象， 進(jìn)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(shí)排放至放電間隙之外，使重復(fù)性放電順利進(jìn)行。 在電火花加工的生產(chǎn)實(shí)際中， 上述過程通過兩個(gè)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

8、固有特性；蝕除物以 外的其余放電產(chǎn)物（如介質(zhì)的汽化物）亦可以促進(jìn)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。五、極性效應(yīng) 電火花加工時(shí)， 相同材料兩電極的被腐蝕量是不同的。 其中一個(gè)電極比另一個(gè)電 極的蝕除量大，這種現(xiàn)象叫做極性效應(yīng)。如果兩電極材料不同 ，則極性效應(yīng)更加明顯。六、覆蓋效應(yīng) 在油類介質(zhì)中放電加工會(huì)分解出負(fù)極性的游離碳微粒， 在合適的脈寬、 脈間條件 下將在放電的正極上覆蓋碳微粒，叫覆蓋效應(yīng)。利用覆蓋效應(yīng) 可以降低電極損耗。注意負(fù)極性加工才有利做覆蓋效應(yīng)。七、加工速度 對(duì)于電火花成形機(jī)來說加工速度是指在單位時(shí)間內(nèi)，工

9、件被蝕除的體積或重量。一般用體積表示。若在時(shí)間T內(nèi)，工件被蝕除的體積為 V,則加 工速度Vw為：Vw=V/t （mm3/min 對(duì)于線切割機(jī)來說，加工速度是指在單位時(shí) 間內(nèi)，工件被切面積。即用mm2/min來表示。在規(guī)定表面粗糙度（如Ra=2.5卩m）, 相對(duì)電極損耗（如 1%）時(shí)的最大加工速度，是衡量電加工機(jī)床工藝性能的重要 指標(biāo)。一般情況下，生產(chǎn)廠給出的是最大加工電流， 在最佳加工狀態(tài)下所能達(dá)到的最高加工速度。 因此，在 實(shí)際加工時(shí)，由于被加工件尺寸與形狀的千變?nèi)f化，加工條件，排屑條件等與理想狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)， 即使在粗加工時(shí)， 加工速度也往往大大低于 機(jī)床的最大加工速度指標(biāo)。八、工具電極損耗

10、 在電火花成形加工中， 工具電極損耗直接影響仿形精度， 特別對(duì)于型腔加工， 電 極損耗這一工藝指標(biāo)較加工速度更為重要。電極損耗分為絕對(duì)損耗和相對(duì)損耗。絕對(duì)損耗最常用的是體積損耗 Ve和長度損耗Veh二種方式，它們分別表示在單 位時(shí)間內(nèi)，工具電極被蝕除的體積和長度。即Ve=V/t （mm3/minVeh=H/t （mm/mir）相對(duì)損耗一一工具電極絕對(duì)損耗與工件加工速度的百分比。通常采用長度相對(duì)損耗比較直觀，測(cè)量也比較方便。在線切割加工中，電極絲的損耗對(duì)工件質(zhì)量的影 響不大，故一般不加以討論。但快走絲機(jī)床使用鉬作為電極絲，是重復(fù)放電，所 以絲的損耗影響到電極絲的使用壽命，在實(shí)際加工中應(yīng)予適當(dāng)考慮

11、。見圖二。在電火花成形加工中，工具電極的不同部位，其損耗速度也不相同。在精加工時(shí)，一般電規(guī)準(zhǔn)選取較小，放電間隙太小，通道太窄，蝕除物在爆炸與 工作液作用下，對(duì)電極表面不斷撞擊，加速了電極損耗，因此，如能適當(dāng)增大電 間隙，改善通道狀況，即可降低電極損耗。九、表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上的微觀幾何形狀誤差。 對(duì)電加工表面來講，即是加工 表面放電痕一一坑穴的聚集，由于坑穴表面會(huì)形成一個(gè)加工硬化層， 而且能存潤 滑油，其耐磨性比同樣粗糙度的機(jī)加表面要好， 所以加工表面允許比要求的粗糙 度大些。而且在相同粗糙度的情況下，電加工表面比機(jī)加工表面亮度低。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：加工表面粗糙度用 Ra （輪廓的平

12、均算術(shù)偏差）和 Rz （不平度平 均高度）之一來評(píng)定。工件的電火花加工表面粗糙度直接影響其使用性能，如耐磨性，配合性質(zhì)，接觸剛度，疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性等。尤其對(duì)于高速高潔，高壓條件下工作的模具和零 件，其表面粗糙度往往是決定其使用性能和使用壽命的關(guān)鍵。十、放電間隙放電間隙，亦稱過切量，加工中是指脈沖放電兩極間距， 實(shí)際效果反映在加工后 工件尺寸的單邊擴(kuò)大量。對(duì)電火花成形加工放電間隙的定量認(rèn)識(shí)是確定加工方案的基礎(chǔ)。其中包括工具電極形狀，尺寸設(shè)計(jì)，加工工藝步驟設(shè)計(jì)，加工規(guī)準(zhǔn)的切換以及相應(yīng)工藝措施的設(shè) 計(jì)。新國際的粗糙度數(shù)值與老國標(biāo)光潔度等級(jí)對(duì)照表（表）原光潔度等 級(jí)Ra （卩 m）Rz （卩 m）基

13、本長度（mn） 140-80160-320 220-4080-1608 310-2040-80 45-1020-402.5 52.5-510-20 61.25-2.56.3-10 70.63-1.253.2-6.30.8 80.32-0.631.6-3.2主要電參數(shù)對(duì)工藝指標(biāo)的影響（表1）工藝指標(biāo)電參數(shù)加工速度電極損耗表面粗糙 度值備注峰值電流Im加工間隙型腔加工 錐度T脈沖寬度tk加工間隙加工穩(wěn)定 性T脈沖間歇toO加工穩(wěn)定 性T空載電壓VOT加工間隙加工穩(wěn)定 性T介質(zhì)清潔度中粗加工精加工?OO穩(wěn)定性TO表示影響不大十一、兩電極蝕除量之間的矛盾本篇中，已經(jīng)明確闡述了脈沖放電時(shí)間越長，越有利于

14、降低工具電極相對(duì)損耗。 在電火花加工的實(shí)用過程中，粗加工采用長脈沖時(shí)間和高放電電流， 既體現(xiàn)了速 度高，又體現(xiàn)了損耗小，反映了加工速度和工具電極損耗這一矛盾的緩解。但是，在精加工時(shí)，矛盾激化了。為了實(shí)現(xiàn)小能量加工，必須大大壓縮脈沖放電 時(shí)間。為達(dá)到脈沖放電電流與脈沖放電時(shí)間參數(shù)組合合理， 亦必須大大壓縮脈沖 放電電流。這樣，不僅加大了工具電極相對(duì)損耗，又大幅度降低了加工速度。十二、加工速度與加工表面粗糙度之間的矛盾為了解決電火花加工工藝的這一基本矛盾，人們?cè)噲D將一個(gè)脈沖能量分散為若干 個(gè)通道同時(shí)在多點(diǎn)放電。用這種方法既改善了加工表面粗糙度， 又維持了原有的 加工速度。到目前為止， 實(shí)現(xiàn)人為控制

15、的多點(diǎn)同時(shí)放電的有效方法只有一種， 即分離工具電 極多回路加工。為了實(shí)現(xiàn)整體電極的多通道加工， 人們?cè)O(shè)想了各種方法， 并進(jìn)行了多年的實(shí)驗(yàn)摸 索。但是迄今為止，尚沒有徹底解決。在實(shí)用過程中，型腔模具的加工采用粗、中、精逐檔過渡式加工方法。加工速度 的矛盾是通過大功率、 低損耗的粗加工規(guī)準(zhǔn)解決的； 而中、 精加工雖然工具電極 相對(duì)損耗大，但在一般情況下，中、精加工余量僅占全部加工量的極小部分，故 工具電極的絕對(duì)損耗極小， 可以通過加工尺寸控制進(jìn)行補(bǔ)償， 或在不影響精度要 求時(shí)予以忽略。十三、電火花加工常用名詞、術(shù)語及符號(hào)1、放電間隙：放電間隙指加工時(shí)工具和工件之間產(chǎn)生火花放電的一層距離間隙。 在加

16、工過程中，則稱為加工間隙 S,它的大小一般在0.01-0.5mm之間，粗加工 時(shí)間隙較大，精加工時(shí)則較小。加工間隙又可分為端面間隙 SF 和側(cè)面間隙 SL （見圖三）2、脈沖寬度ti （卩s）:脈沖寬度簡稱脈寬，它是加到工具和工件上放電間隙 兩端的電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間 （見圖） 為了防止電弧燒傷， 電火花加工只能用斷斷 續(xù)續(xù)的脈沖電壓波。粗加工可用較大的脈寬 ti>100卩s,精加工時(shí)只能用較少的 脈寬ti<50卩s。3、脈沖間隔to（卩s）:脈沖間隔簡稱脈間或間隔，也稱脈沖停歇時(shí)間。它是兩 個(gè)電壓脈沖之間的間隔時(shí)間 （見圖四）。間隔時(shí)間過短， 放電間隙來不及消電離和 恢復(fù)絕緣，容易

17、產(chǎn)生電弧放電，燒傷工具和工件；脈間選得過長，將降低加工生 產(chǎn)率。加工面積、加工深度較大時(shí)，脈間也應(yīng)稍大。 ?4、開路電壓或峰值電壓: 開路電壓是間隙開路時(shí)電極間的最高電壓， 等于電源的直流電壓。 峰值電壓高時(shí)， 放電間隙大，生產(chǎn)率高，但成型復(fù)制精度稍差。5、火花維持電壓:火花維持電壓是每次火花擊穿后，在放電間隙上火花放電時(shí) 的維持電壓，一般在25V左右，但它實(shí)際是一個(gè)高頻振蕩的電壓（見圖四）。電弧 的維持電壓比火花的維持電壓低 5V左右，高頻振蕩頻率很低，一般示波器上觀 察不到高頻成分， 觀察到的是一水平亮線。 過渡電弧的維持電壓則介于火花和電 弧之間。見圖四。6、加工電壓或間隙平均電壓 U（

18、V） 加工電壓或間隙平均電壓是指加工時(shí)電壓表上指示的放電間隙兩端的平均電壓， 它是多個(gè)開路電壓、 火花放電維持電壓、 短路和脈沖間隔等零電壓的平均值。 在 正常加工時(shí)，加工電壓在30-50V，它與占空比、預(yù)置進(jìn)給量等有關(guān)。占空比大、 欠進(jìn)給、欠跟蹤、間隙偏開路，則加工電壓偏大；占空比小、過跟蹤或預(yù)置進(jìn)給 量?。ㄩg隙偏短路），加工電壓即偏小。7、加工電流 I （ A） 加工電流是加工時(shí)電流表上指示的流過放電間隙的平均電流。 精加工時(shí)小， 粗加 工時(shí)大；間隙偏開路時(shí)小，間隙合理或偏短路時(shí)則大。8、短路電流 IS（A）短路電流是放電間隙短路時(shí) （或人為短路時(shí)） 電流表上指示的平均電流 （因?yàn)槎?路時(shí)

19、還有停歇時(shí)間內(nèi)無電流）。它比正常加工時(shí)的平均電流要大20-40%。9、峰值電流 IS（A）峰值電流是間隙火花放電時(shí)脈沖電流的最大值（瞬時(shí)），日本、英國、美國常用 IS 表示（見圖四），雖然峰值電流不易直接測(cè)量，但它是實(shí)際影響生產(chǎn)率、表 面粗糙度等指標(biāo)的重要參數(shù)。 在設(shè)計(jì)制造脈沖電源時(shí)， 每一功率放大管串聯(lián)限流 電阻后的峰值電流是預(yù)先選擇計(jì)算好的。 為了安全，每個(gè)50W的大功率晶體管選 定的峰值電流約為2-3A，電源說明書中也有說明，可以按此選定粗、中、精加 工時(shí)的峰值電流（實(shí)際上是選定用幾個(gè)功率管進(jìn)行加工）。10、放電狀態(tài) 放電狀態(tài)指電火花加工時(shí)放電間隙內(nèi)每一脈沖放電時(shí)的基本狀態(tài)。 一般分為五

20、種 放電狀態(tài)和脈沖類型（見圖四）第一、開路（空載脈沖）放電間隙沒有擊穿，間隙上有大于50V的電壓，但間隙內(nèi)沒有電流流過，為空載 狀態(tài)（ td=ti ）。第二、火花放電（工作脈沖，或稱有效脈沖） 間隙內(nèi)絕緣性能良好， 工作液介質(zhì)擊穿后能有效地拋出、 蝕除金屬。波形特點(diǎn)是： 電壓上有 td ， te 和 Ie 波形上有高頻振蕩的小鋸齒波形。第三、短路（短路脈沖） 放電間隙直接短路相接， 這是由于伺服進(jìn)給系統(tǒng)瞬時(shí)進(jìn)給過多或放電間隙中有電 蝕產(chǎn)物搭接所致。 間隙短路時(shí)電流較大， 但間隙兩端的電壓很小， 沒有蝕除加工 作用。第四、電弧放電（穩(wěn)定電弧放電） 由于排屑不良，放電點(diǎn)集中在某一局部而不分散，局部熱量積累，溫度升高，惡 性循環(huán)， 此時(shí)火花放電就成為電弧放電， 由于放電點(diǎn)固定在某一點(diǎn)或某局部， 因 此稱為穩(wěn)定電弧，常使電極表面結(jié)炭、燒傷。波形特點(diǎn)是 td 和高頻振蕩的小鋸 齒波基本消失。第五、過渡電弧放電（不穩(wěn)定電弧放電，或稱不穩(wěn)定火花放電） 過渡電弧放電是正?；鸹ǚ烹娕c穩(wěn)定電弧放電的過渡狀態(tài)， 是穩(wěn)定電弧放電的前 兆。波形特點(diǎn)是擊穿延時(shí) td 很小或接近于零，僅成為一尖刺，電壓電流波上的 高頻分量變低成為稀疏和鋸齒形。 早期檢測(cè)出過渡電弧放電， 對(duì)防止