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　　电火花加工 知识目标 了解特种加工技术的产生和发展； 掌握特种加工技术的特点与分类； 理解电火花加工方法的原理、特点； 了解电火花加工方法的分类； 掌握电火花加工方法的基本工艺规律。 技能目标 熟悉电火花加工机床的组成及各部分功用； 掌握电火花加工的应用。 任务一 精密微细小孔零件的电火花加工 任务描述  图1-1-1 所示为日本一公司用一根成形电极连续加工5 个直径 0.042 mm 微孔的加工实 例，工件材料为厚 0.1 mm 的不锈钢板（SUS304 ）。那么，要完成这5 个微孔的加工，在加 工过程中应该如何选用电极材料？电极采用什么方法制作？加工规准又应该如何选择？ 图 1-1-1  0.042 mm 微孔的加工实例 任务分析 利用电火花进行精密、微细孔的加工是一种有效的加工手段，微细孔的应用范围很广， 如可用于化纤喷嘴模具、燃料喷嘴、光学仪器零件的微孔、喷墨打印机的模具或医疗器械的 微孔加工等。 在加工精密微孔时，主要需解决两大难点，即加工装置和电极的制作。加工装置应满足 一定的功能要求，电极的制作方法目前主要有机械加工法、细丝电极法和电火花成形法。根 据加工要求选择合适的电极制作方法是操作者需要掌握的内容。 知识准备 一、特种加工技术概述 1.特种加工技术的产生和发展 20 世纪以来，随着机械加工技术的迅速发展，为了满足在高温、高压、高速、重载和 强腐蚀等苛刻条件下的工作要求，一些装置和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂 形状的精密零件，这些零件用传统的机械加工方法难以达到要求，新型特种加工方法应运而 生。 特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能、化学能及其组合，或者与机械 能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法。为了与现有的金属切削 加工相区别，特种加工也称为非传统加工 （non-traditional machining ，NTM ）或非常规机械 加工 （non-conventional machining ，NCM ）。特种加工方法产生于20 世纪 40 年代，当时前 苏联学者 B.P.拉扎连科夫妇受开关触点遭受火花放电腐蚀破坏现象的启发，发明了电火花加 工，开创了特种加工的历史。 虽然特种加工方法的产生源于偶然，但特种加工的迅速发展和广泛应用却是历史必然。 近年来，随着精密细小、形状复杂和结构特殊的零件的应用逐渐增加,以及计算机技术、微 电子技术和控制技术的迅速发展，对特种加工技术的需求越来越广泛。目前，特种加工技术 已成为零件制造的重要工艺技术手段，是现代制造技术的前沿。可以预见，随着科学技术和 现代工业的发展，特种加工技术必将不断地完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和 现代工业的发展，在生产中发挥越来越重要的作用。 2.特种加工技术的特点 特种加工技术应用范围非常广，与传统机械加工方法相比，有其独到之处。 （1）特种加工技术主要依靠除机械能以外的其他能量 （如电能、热能、光能、声能以 及化学能等）进行加工，因而不受工件力学性能的限制，能加工各种高硬度、高脆性、耐热 或高熔点的金属及非金属材料，而且特种加工的切削热很少或无切削热，故可加工热敏材料。 （2 ）特种加工不一定需要工具，有的虽然使用工具，但与工件不接触，因此，工具硬 度可低于工件硬度。因为工件不承受大的作用力，所以特种加工可加工刚度极低的零件和弹 性元件。 （3 ）工艺流程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，易获得良好的表面质 量，加工后的零件的残余应力、热应力、热影响区和冷作硬化程度等均较小。 （4 ）特种加工属微细加工，它突破了传统加工的零件尺寸和质量限制，可加工尺寸微 小的孔或狭缝，使零件获得极高的加工精度和表面质量。 （5 ）各种特种加工方法易于复合形成新的工艺方法，便于推广和应用。 目前特种加工技术还存在着不少亟待解决的问题，如有些特种加工的机理还不是很清 楚，工艺参数的选择还需深入研究，加工过程的稳定性有待进一步提高，环境污染问题需妥 善解决，设备投资大、使用维修费高等。如何不断地完善已有的特种加工方法并开发出更新 的、更先进的特种加工方法是机械制造业面临的新问题。 3.特种加工技术的分类 特种加工一般按加工时所采用的能量类型分为电火花加工、电化学加工、激光加工、超 声波加工、射流加工、电子束加工、离子束加工或化学加工等基本加工方法，以及由这些基 本加工方法组成的复合加工方法，特种加工的分类见表 1-1-1。 表 1-1-1 特种加工的分类 特种加工方法 能量类型 作用原理 英文缩写 电火花成形加工 电能、热能 熔化、汽化 EDM 电火花加工 电火花线切割加工 电能、热能 熔化、汽化 WEDM 电解加工 电化学能 金属离子阳极溶解 ECM 电化学加工 电铸 电化学能 金属离子阴极沉积 EFM 涂镀 电化学能 金属离子阴极沉积 EPM 激光加工 光能、热能 熔化、汽化 LBM 高能束加工 电子束加工 电能、热能 熔化、汽化 EBM 离子束加工 电能、机械能 原子撞击 IBM 超声波加工 机械能 磨料高频撞击 USM 物料刻蚀加工 射流加工 机械能 气蚀 化学加工 化学铣削 化学能 腐蚀 CHM 光刻 光能、化学能 光化学、腐蚀 PCM 化学抛光 化学能 腐蚀 CHP 光敏树脂液相固化成 SL 形 光能、化学能 快速成形 粉末烧结成形 增材法加工 SLS 薄片叠加成形 光能、机械能 LOM 熔丝堆积成形 光能、热能、机械能 FDM 电解磨削 电化学能、机械能 阳极溶解、磨削 ECG 电解研磨 电化学能、机械能 阳极溶解、研磨 ECH 超声电解复合加工 机械能、电化学能 气蚀、阳极溶解 — 复合加工 电解电火花复合加工 电化学能、电能、热能 阳极溶解、熔化、汽化 — 电火花超声复合加工 电能、热能、机械能 熔化、汽化、气蚀 — 超声振动切削 机械能 切削 — 在特种加工范围内还有一些属于提高表面质量或改善表面性能的工艺，提高表面质量的 加工如电解抛光、化学抛光、离子束抛光等，改善表面性能的加工如电火花表面强化镀覆、 刻字、激光表面处理、改性、电子束曝光、离子镀等。 在特种加工发展过程中也形成了某些介于常规机械加工和特种加工之间的过渡性工艺， 例如在切削过程中引入超声振动或低频振动的振动切削，或者在切削过程中通以低电压、大 电流的导电切削以及加热切削和低温切削等。这些加工方法是在切削加工的基础上发展起来 的，目的是改善切削的条件，基本上还属于切削加工。 各种特种加工方法的材料去除率、尺寸精度、表面粗糙度、适用材料及应用范围见表 1-1-2。 表 1-1-2 几种常用特种加工方法的综合比较 材料去除率/ 尺寸精度 表面粗糙度 特种加工 可加工 3 Ra （mm /min ） /μm / μm 适用范围 方法 材料 平均/最高 平均/最高 平均/最高 从微米级的孔、槽到超大型模 具、工件等，如圆孔、方孔、异形 电火花成 孔、深孔、微孔、弯孔或螺纹孔以 30/3000 30/3 10/0.04 金属 形加工 及冲模、锻模、压铸模、塑料模或 拉丝模。还可进行刻字、表面强化 或涂覆加工 切割各种冲模、塑料模、粉末冶 金模等二维及三维直纹面组成的模 电火花线 具及零件。可直接切割各种钢板、 切割加工 磁钢、硅钢片冲片。也常用于钼、 钨、半导体材料或贵金属的切割 从细小零件到 1t 的超大型工件 及模具，如仪表微型小轴、齿轮上 电解加工 100/10000 100/10 1.25/0.16 的飞边，涡轮叶片、炮管膛线，螺 旋花键孔、各种异形孔，锻造模、 铸造模，以及抛光、去飞边等 硬质合金等难加工材料的磨削， 如硬质合金刀具、量具、轧辊、小 电解磨削 1/100 20/1 1.25/0.04 孔、深孔、细长杆磨削，以及超精 光整研磨、珩磨等 精密加工小孔、窄缝及成形切 割、刻蚀等，如金刚石拉丝模、钟 表宝石轴承、化纤喷丝孔、不锈钢 激光加工 瞬 时去 除率 10/1 10/1.25 板上打小孔，切割钢板、石棉、纺 很高，受功率 织品、纸张，还可进行焊接、热处 限制，平均去 任何材 理等操作 除率不高 料 在各种难加工材料上打微孔、切 电子束加 10/1 10/1.25 口、蚀刻、曝光以及焊接等。常用 工 于制造中、大规模集成微电子器件 离子束加 对零件表面进行超精密、超微量 很低 /0.01 /0.01 工 加工、抛光、蚀刻、掺杂或镀覆等 加工、切割硬脆材料，如玻璃、 超声波加 硬脆材 石英、宝石、金刚石、半导体单晶 1/50 30/5 0.63/0.16 工 料 锗或硅等。可加工型孔、型腔、小 孔或深孔等 水射流加 钢铁、石 ＞300 200/100 20/5 下料、成形切割、剪裁 工 材 4.特种加工技术对机械制造领域的影响 特种加工技术集机械技术、电子技术、信息技术、材料技术和计算机技术于一体，发展 十分迅速。加工尺度的微细化、加工方法的复合化和加工过程的自动化已成为特种加工技术 研究发展的热点。由于特种加工的特点以及逐渐广泛的应用，引起了机械制造工艺技术领域 内的许多变革。 1）提高了材料的可加工性 一般认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的。采用电火花、 电解、激光等多种方法进行加工，使利用金刚石、聚晶（人造）金刚石制造的刀具、工具、 拉丝模具等得到了广泛应用。材料的可加工性不再与硬度、强度、韧性、脆性等有直接关系， 例如对电火花线切割加工而言，淬火钢比未淬火钢更易加工。特种加工方法使材料的可加工 范围从普通材料发展到硬质合金、超硬材料和特殊材料。 2）改变了零件的典型工艺路线 在传统加工中（除磨削加工外），切削加工、成形加工等都必须安排在淬火工序之前进 行，这是一切工艺人员必须遵守的工艺准则，但特种加工的出现，改变了这种一成不变的程 序格式。由于特种加工基本上不受工件硬度的影响，而且为了避免加工后再进行淬火引起的 变形，一般都是先淬火、后加工，最为典型的加工方法是电火花线切割加工、电火花成形加 工和电解加工。 特种加工的出现还对以往工序的 “分散”和 “集中”产生了影响。由于特种加工过程中 没有显著的机械作用力，机床、夹具、工具的强度和刚度不是主要问题，因此，即使是较大 的、复杂的加工表面，往往也可使用一个复杂工具经过一次装夹、一道工序加工出来，工序 比较集中。 3）缩短了新产品试制周期 试制新产品时，采用特种加工技术可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮，微型电动 机定子、转子硅钢片，各种变压器铁芯，各种复杂的、特殊的二次曲面体等零件，可以省去 设计和制造相应的刀具、夹具、量具、模具以及二次工具的环节，大大缩短了试制周期。快 速成形技术更是试制新产品的必要手段，改变了过去传统的产品试制模式。 4）对产品零件的结构设计产生了很大的影响 各种复杂冲模以往难以制造，一般做成镶拼式结构，在采用电火花线切割加工技术后， 即使是硬质合金的模具或刀具，也可以做成整体式结构。由于电解加工的出现，喷气发动机 涡轮也可以采用带冠整体结构，大大提高了发动机性能。 5）改变了对传统的结构工艺性的衡量标准 方孔、小孔、深孔、弯孔、窄缝等被认为是工艺性很差的典型，对工艺设计人员来说是 非常忌讳的，有的甚至是机械结构的禁区，但是对于电火花穿孔加工、电火花线切割加工来 说，加工方孔、圆孔的难易程度是一样的。喷油嘴小孔，喷丝头小异形孔，涡轮叶片上大量 的小冷却深孔、窄缝，静压轴承和静压导轨的内油囊型腔等，在采用电火花加工技术以后， 其工艺性都得到了改善。采用传统机械加工方法时，若在淬火工艺处理前漏掉钻定位销、铣 槽等工艺，淬火处理后这种工件只能报废，现在则可以用电火花打孔、切槽等方法进行补救。 而且，现在有时为了避免淬火处理产生开裂、变形等缺陷，还特意把钻孔、开槽等工艺安排 在淬火工艺处理之后，使工艺路线的安排更为灵活。 特种加工技术已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术和尖端技术，国防工业、微电 子工业等现代工业的发展，都需要采用特种加工技术来制造相关的仪器、设备和产品。 我国的特种加工技术既有广大的社会需求，又有巨大的发展潜力。目前，我国特种加工 的整体技术水平与发达国家还存在着较大的差距，需要我们不断地拼搏和努力，加速开展相 关工作，促进我国特种加工技术的研究开发和推广应用。 二、电火花加工的基本原理及机理 20 世纪 40 年代后期，前苏联科学家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，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。 电火花加工又称为放电加工 （electrical discharge machining ，EDM ），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能、热能加工方法。它是指加工过程中，使工具 和工件之间不断地产生脉冲性的火花放电，靠放电瞬时产生的局部高温把金属蚀除下来。由 于在放电过程中常伴有火花，故称为电火花加工，日本、美国、英国等国家通常称之为放电 加工。 1. 电火花加工的基本原理 电火花加工的原理是利用工具和工件 （正、负电极）之间产生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、形状及表面质量的加工要求。研究结果表 明，电火花腐蚀的主要原因是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、汽化而被蚀除掉，形成放电凹坑。要利用电腐蚀现象对金属材料 进行加工应具备以下条件。 （1）工具电极和工件被加工表面之间应保持一定的放电间隙。放电间隙过大，极间电 压不能击穿极间介质，不会产生火花放电；放电间隙过小，容易形成短路，同样不能产生火 花放电。因此，在电火花加工过程中必须具有电极自动进给调节装置，使工件与电极之间保 持一定的放电间隙。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关，一般为 0.02 ~0.1 mm 。 （2 ）火花放电必须在有一定绝缘性能的工作介质中进行。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，两极间为气体介质。 液体介质又称为工作液，如煤油、皂化液或去离子水等。它们必须具有较高的绝缘强度， 以利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还能把电火花加工过程中产生的金属屑、炭黑 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。 （3 ）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电。火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，而不是 -7 -3 持续电弧放电。放电持续一段时间（一般为 10 ～10 s ）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，把每一次的放电点分别局限在很小的范围 内；否则，会像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。因此，电火花加工必 t t 须采用脉冲电源。图 1-1-2 所示为脉冲电源的空载电压波形，图中 为脉冲宽度， 为脉冲 i o  间隔，t 为脉冲周期，u 为脉冲峰值电压或空载电压。 p i 图 1.1-2 脉冲电源电压波形 以上这些问题的综合解决，是通过图 1-1-3 所示的电火花加工系统来实现的。工件 1 与 工具电极4 分别与脉冲电源 2 的两输出端相连接。自动进给调节装置3 （此处为电动机及丝 杠螺母机构）使工具电极4 和工件 1 之间始终保持一个很小的放电间隙，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，产生的瞬时高温使工具电极和工件表面都蚀除一小部分金属，各自形成一个小凹坑， 图 1-1-4 （a ）表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图 1-1-4 （b ）表示多次脉冲放电后的电极表面。 脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t ），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲 o 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，电蚀出一个 小凹坑。这样工具电极和工件间以相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向 工件进给，就可将工具电极的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由 无数个小凹坑组成。 图 1.1-3 电火花加工系统原理示意图 1-工件；2-脉冲电源；3- 自动进给调节系统； 4-工具；5-工作液；6-过滤器；7-工作液泵 图 1.1-4 电火花加工表面局部放大图 1-凹坑；2- 凸边 2. 电火花加工的机理 电火花腐蚀的微观过程是电力、热力、磁力、流体动力等综合作用的过程，该过程大致 可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿和放电通道的形成；介质热分解、电极 材料熔化、汽化和热膨胀；蚀除产物的抛出；极间介质的消电离。 1）极间介质的电离、击穿和放电通道的形成 电火花加工中工作介质的击穿状态直接影响电火花加工的规律性，因此，必须掌握工作 介质击穿的规律和特性，尤其是击穿通道特性参数随击穿状态 （如电参数、介质特性、电击 特性及极间距离等）而变化的规律性。 图 1-1-5 所示为矩形波脉冲放电时的电压和电流波形。当约 80 V 的脉冲电压施加于工 具电极与工件之间时 （见图 1-1-5 中 0~1 段和 1~2 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，即随着极间电压的升高或极间距离的减小，极间电场强 度也将随之增大。由于工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，极间距离又很小，因而极 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。 图 1.1-5 极间放电电压和电流波形 电火花加工的工艺特性决定了极间工作介质中不可避免地含有各种各样的杂质（如金属 微粒、碳粒子、胶体粒子等），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， 5 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 10 V/mm （即100 V/μ ｍ）左右时，就会由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下，电子高速地向阳极运动并撞 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），导致带电粒子以几何级数的方式增大，使介质击穿而形成放电通道。 这种由于电场强度高而引起的电子发射形成的间隙介质击穿，称为场致发射击穿；由于负极 表面温度升高，局部过热而引起大量电子发射形成的间隙介质击穿，称为热击穿。 从极间介质电离开始，到建立放电通道的过程非常迅速，一般小于 0.1 μs，间隙电阻从 绝缘状况迅速降低到几分之一欧，间隙电流迅速上升到最大值 （几安到几百安）。由于通道 3 4 2 直径很小，所以通道中的电流密度可高达 10 ~10 A/mm 。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 25 V ），电流则由0 上升到某一峰值电流，见图 1-1-5 （b ）中2~3 段。 放电通道是由数量基本相等的带正电粒子 （正离子）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 度升高，通道中心温度可高达 10 000 ℃以上。由于电子流动形成电流而产生磁场，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 5 7 2 受到很大阻力，故放电开始阶段通道截面积很小，电流密度高达 10 ~10 A/cm ，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。高温、高压的放电通道以及随后瞬时汽化 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。 2 ）介质热分解、电极材料熔化、汽化和热膨胀 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，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。放电通道在高温的作用下，首先把工作液介质汽 化，进而热分解汽化（如煤油等碳氢化合物工作液），高温后裂解为 H （约占 40 % ）、C H 2 2 2 （约占 30 % ）、CH （约占 15 %）、C H （约占 10 %）和游离碳等，水基工作液则热分解为 4 2 4 H 、O 的分子，甚至原子。正、负极表面的高温除使工作液汽化、热分解汽化外，也使金 2 2 属材料熔化、直至沸腾汽化，这些汽化后的工作液和金属蒸气，瞬间体积剧增，迅速热膨胀， 具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以发现放电间隙间冒出很多小气泡，工作液逐渐 变黑，还可以听到轻微而清脆的爆炸声。 电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出而形成蚀除产 物，相当于图 1-1-5 中3~4 段，此时 80 V 的空载电压降为 25 V 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。 3 ）蚀除产物的抛出 通道和正、负极表面放电时产生的瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨 胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽化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。 实际上，金属材料的蚀除、抛出过程远比上述过程要复杂。熔融材料被抛出后，在电极 表面形成放电痕，其放大图如图 1-1-6 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，再往下是无变化 的材料基体。 图 1.1-6 单个脉冲放电痕剖面放大示意图 1-无变化区；2-热影响区；3-翻边凸起；4-放电通道 5-气化区；6-熔化区；7-熔化凝固层 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 出过程机理的认识还在不断深化中。 4 ）极间介质的消电离 随着脉冲电压的下降，脉冲电流也迅速下降为零（见图 1-1-5 中 4~5 段），标志着一次 脉冲放电结束。此后仍应有一段时间间隔使间隙介质消电离，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需的放电点转移原则。 如果在加工过程中产生的电蚀产物 （如金属微粒、碳粒子、气泡等）来不及排除、扩散 出去，就会改变间隙介质的成分，降低间隙介质的绝缘强度。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，将大大减少复合的概率，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他部位，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形成积炭，在该处聚集成焦炭粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去， 并烧伤电极。 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t 。最小脉冲间隔的确定，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间（与脉冲能 o 量有关），还要考虑电蚀产物排出放电区域 （与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加 工面积有关）的时间。 综上所述，电火花的整个加工过程如图 1-1-7 所示。 初始状态 （1）介质电离、击穿，形成放电通道 （2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀 （3）抛出蚀除物 （4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态） 图 1.1-7 电火花加工的四个连续过程 三、电火花加工的特点及分类 1.电火花加工的特点 通过前面对电火花加工原理的分析可知，在电火花加工过程中，工件的加工性能与工件 材料的力学性能（硬度、强度等）几乎无关，而是主要取决于材料的导电性及热学特性（如 熔点、沸点、比热容及电阻率等）。另外电火花加工时的宏观作用力远小于传统切削加工时 的切削力，所以在加工相同规格的工件时，电火花机床的刚度和主轴驱动功率要求比机械切 削机床低得多。 归纳起来，电火花加工有如下特点。 （1）适用于任何难切削材料的加工，如航天、航空领域的发动机零件、蜂窝密封结构 件、深窄槽及狭缝等的加工，特别适宜于加工低刚度、薄壁工件，异形孔以及形状复杂的型 腔模具、弯曲孔等。 （2 ）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 必比工件材料硬，因此工具电极制造容易。 （3 ）可以加工特殊及复杂形状的零件或表面。由于加工中工具电极和工件不直接接触， 没有机械加工的切削力，因此适宜于加工低刚度工件及微细加工（通常可用于 0.01~1 mm 范围内的型孔加工）。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复 杂形状表面工件的加工，如复杂型腔模具加工等。 （4 ）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无人操作，可以减 少机械加工工序、缩短加工周期、降低劳动强度并且使用维护方便。 但是，电火花加工也有它的局限性。 （1）主要用于加工金属等导电材料。 （2 ）一般加工速度较慢。由于电火花加工时工件材料是靠一个个火花放电进行蚀除的， 加工速度相对于切削加工而言是很低的。因此，安排工艺时多采用切削加工来去除大部分余 量，然后再进行电火花加工以提高生产效率。 （3 ）电火花加工存在电极损耗。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。 （4 ）工件表面由众多放电凹坑组成，硬度较高，不易去除，影响后续工序加工。 2. 电火花加工工艺的分类 按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工大致可 分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花展成加工（同步 共轭回转加工）、高速小孔加工、电火花表面强化与刻字。前五类属于电火花成形和尺寸加 工，是用以改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属于表面加工方法，用于改善或改变工 件表面性质。其中，以电火花穿孔成形加工和电火花线切割加工应用最为广泛。电火花加工 工艺方法分类见表 1-1-3。 表 1-1-3 电火花加工工艺方法分类 类别 工艺方法 特点 用途 备注 约 占 电火 花 机 床 总 数 的 电火花穿孔 工 具 为 成 形 电 型腔、冲模、挤压 1 30%，典型机床有 D7125 、D7140 成形加工 极，一个进给运动 模、异形孔等的加工 等电火花穿孔成形机床 约 占 电火 花 机 床 总 数 的 电火花线切 工 具 为 线 状 电 冲模、直纹面、窄 60% ，典型机床有 DK7725 、 2 割加工 极，两个进给运动 缝、下料等的加工 DK7740 数控 电火花线切割机 床 约占电火花机床总数的3%， 内孔、外圆、 相对旋转运动、 精密小孔、外圆小 3 典型机床有 D6310 电火花小孔 成形磨削 径向轴向进给运动 模数滚刀等的加工 内圆磨床等 4 同步共轭回 均作旋转运动且 精密螺纹、异形齿 约占电火花机床总数的1%， 转加工 纵向进给 轮、回转表面等的加工 典型机床有 JN-2 、JN-8 内外螺 纹加工机床 约占电火花机床总数的2%， 高速小孔加 细管电极旋转、 深小孔、喷嘴、穿 5 典型机床有 D703G 电火花高速 工 穿孔速度极高 丝孔的加工 小孔加工机床 工具在工件上振 约 占 电火 花 机 床 总 数 的 表面强化、 工具刃口强化、刻 6 动、工具相对于工件 2%~3%，典型设备有 D9105 电 刻字 字等的加工 移动 火花强化机等 任务实施 在加工精密微孔时，主要解决两大难点，即加工装置和电极的制作。 1.加工装置 加工装置的主要功能必须满足如下要求。 （1）应具有旋转功能。 （2 ）应具有电极成形装置及功能。 （3 ）X 、Y、Z 各轴的分辨率应在 1 μm 以下。 （4 ）优异的伺服响应性。 （5 ）能设定微细电气条件。 （6 ）主轴旋转的动态精度要高。 （7 ）应使极间静电容量控制在极小限度内。 2. 电极的制作 电极的制作方法目前主要有机械加工法、细丝电极法和电火花成形法。 1）机械加工法 机械加工法主要包括切削法和磨削法，两者都属于接触加工法，加工小直径的电极较困 难。 2 ）细丝电极法 细丝电极法直接用钨丝、钼丝、黄铜丝、纯铜丝作电极。由于其存在变形或弯曲，需用   导向器进行导向，很少用于精密加工。例如，在用 0.05 mm 的钨丝加工时，仅能加工 0.07 mm 的微孔。 3 ）电火花成形法 电火花成形法是制作精密微孔加工电极的一种有效方法。利用旋转方式能使任意直径及 长度的电极在较短时间内成形。在电极成形方法中，有反拷贝式电火花磨削法 （见图1-1-8） 和线）。反拷贝式电火花磨削法是一种无需特殊装置、简单易行、成 本较低的电极成形法；线电极磨削法虽然需要特殊的电极丝运行装置，但却具有成形直线度 好、能成形更长电极等优点。 图 1-1-8 反拷贝式电火花磨削法 图 1-1-9 线-成形电极（一次电极）； 2-被成形电极（二次电极） 1-黄铜丝电极； 2-被成形电极； 3-导轮 图 1-1-1 所示的微孔加工实例中就是选择电火花成形法制作电极，电极材料为钨，直径  为 0.032 mm，长度为 1.42 mm。加工规准的选择与转换及每档规准的加工深度见表 1-1-4。 表 1-1-4 加工规准的选择与转换及每档规准的加工深度 加工 加工 脉冲宽 脉冲间隔 峰值电 伺服基准 加工极 电源 辅助电 伺服 PP 深度 条件 度 ON OFF 流 I 电压SV 性 PL 电压 源 HP 速度 p /mm C010 000 000 0000 03 — 01 082 10 003 1.3 注：表中未注单位的加工参数给出的数值为代码。 加工结果：每孔加工时间为 46 s，每孔电极损耗量 0.067 mm，加工表面粗糙度 Ra 为 1.5 μm，5 个微孔的直径最大误差为 0.5 μm 。 3.任务测评 根据零件图要求对加工零件进行检测，并进行质量分析，任务评测见表 1-1-5。 表 1-1-5 成形电极连续加工微孔的任务测评 序号 项目 考核内容 配分 检测结果 得分 1 制作方法 10 分 2 电极材料 15 分 工具电极 3 尺寸 15 分 4 电极损耗 15 分 5 加工时间 15 分 6 工件 表面粗糙度 Ra 15 分 7 直径最大误差 15 分 注：如发生重大安全事故，造成设备或人身损害直接为不合格。 拓展提高 1.HCD300K 型机床简介 HCD300K 型精密机床是一种中等规格的高精密特种加工机床，如图 1-1-10 所示。 HCD300K 型机床兼备国内外同类机床的特点，是以用户的实际需要为目的设计开发的一种 结构新颖、性能可靠的精密电火花成形机床，具有造型美观、操作方便、附件齐全等特点。 它采用纯铜、石墨、钢、铜钨合金等电极材料，能对碳素钢、工具钢、合金钢、硬质合金及 其他高硬度金属材料进行放电加工，可加工冲压模（落料模、复合模等）、型腔模（精锻模、 φ 压铸模、注塑模等）以及各种零件的坐标孔及复杂的异形曲面，还可以加工 0.1 mm 以上 的小孔和宽 0.2 mm 的窄缝，广泛应用于仪器仪表、汽车、航空航天、轻工、军工、模具制 造等行业。 图 1-1-10 HCD300K 型机床 2.HCD300K 型机床的主要规格及技术参数 HCD300K 型机床的主要规格及技术参数见表1-1-6。 表1-1-6 HCD300K 型机床的主要规格及技术参数 型号 技术参数 长×宽 630 mm ×350 mm 最大行程 纵向（X ） 300 mm 工作台 最大行程 横向（Y） 200 mm 承载最大质量 300 kg 内部尺寸（长×宽×高） 1070 mm×550 mm ×340 mm 工作液槽 容量 200 L 主轴垂直行程（Z ） 250 mm 主轴端面距工作台台面最大距离 ≥510 mm 主轴 允许最大电极质量 50 kg 电极连接板尺寸 124 mm×180 mm 坐标定位精度 X ：0.014 mm Y：0.011 mm 容量 330 L 油箱 液泵流量 60 L/mm 外形尺寸（长×宽×高） 1120 mm×800 mm ×520 mm 最大加工电流 50 A 3 最大加工生产率 400 mm /min 效率 最佳加工表面粗糙度 Ra ≤ 0.3 μm 最佳电极损耗 ≤0.3 % 电气容量 脉冲电源柜输入功率 7 kW 主机外形尺寸（长×宽×高） 1335 mm×1110 mm×2213 mm 机床质量 1600 kg 整机噪声 ≤70 dB 任务二 浅型腔花纹模的电火花加工 任务描述 用电火花加工的方法制作如图 1-2-1 所示景泰蓝用的仕女头像纪念品冲压模。工件材料 2 选用 45 钢。工件形状为椭圆或圆凹鼓形，面积约 20 cm ，此工件是工艺美术品模具，尺寸 精度无严格要求，但要求型面清洁均匀，工艺花纹清晰。 图 1.2-1 仕女头像 要完成仕女头像的电火花加工，工具电极应具备怎样的功能？加工过程中所采用的工艺 方法、设备、装夹方式及加工规准该怎么样选择？ 任务分析 型腔模包括锻模、压铸模、胶木模、塑料模、挤压模等。型腔模的加工比较困难，主要 因为均是不通孔加工，工作液循环和电蚀产物排除条件差，工具电极损耗后无法靠主轴进给 补偿精度，金属蚀除量大；其次是加工面积大，加工过程中电规准的变化范围也较大，并且 由于型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大。因此，对型腔模的电火花加工，既 要求蚀除量大、加工速度高，又要求电极损耗低，并保证所要求的精度和表面粗糙度。 知识准备 一、电火花加工中的工艺规律 1.电火花加工的常用术语 1）工具电极 电火花加工用的工具是电火花放电时的电极之一，故称为工具电极，有时简称为电极。 由于电极的材料通常是铜，因此又称为铜极。 2 ）放电间隙 放电间隙是放电时工具电极和工件间的距离，一般在 0.01～0.5 mm 之间，粗加工时放 电间隙较大，精加工时放电间隙较小。 3 ）脉冲宽度 t 脉冲宽度 简称为脉宽，是加到电极和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间，如 i 图 1-2-2 所示。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。一般来说， 粗加工时可用较大的脉宽，精加工时只能用较小的脉宽。 4 ）脉冲间隔 脉冲间隔t 简称为脉间或间隔，它是两个电压脉冲之间的间隔时间，如图 1-2-2 所示。 o 脉冲间隔过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤电极和工件； 脉冲间隔过长，将降低加工生产率。加工面积、加工深度较大时，脉冲间隔应稍大些。 电压 /V ui ^ t t t t 时 间 /s i o d e t t t p i o 电流 /A 空载 火 花 电弧 过 渡 电弧 短 路 i s ^i e 时 间 /s 图 1.2-2 脉冲参数与脉冲电压、电流波形 5 ）放电时间（电流脉宽） 放电时间t 是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，又称为电流脉宽。 e t t t 电流脉宽比电压脉宽稍小，二者相差一个击穿延时 。 和 对电火花加工的生产率、表 d i e 面粗糙度和电极损耗有很大影响，但实际起作用的是电流脉宽t 。 e 6 ）击穿延时 从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过一小段延续时间t 工作液介质才能被击穿 d 放电，这一小段时间t 称为击穿延时（见图 1-2-2）。击穿延时t 与平均放电间隙的大小有 d d 关，工具欠进给时，平均放电间隙变大，平均击穿延时t 就大；反之，工具过进给时，放 d t 电间隙变小， 也就小。 d 7 ）脉冲周期 脉冲周期 t 是指从一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之间的时间。显然 p t t t （见图1-2-2）。 p i o 8 ）脉冲频率 脉冲频率 f 是指单位时间内电源发出的脉冲个数。显然，它与脉冲周期t 互为倒数， p p 1 即f  。 p t p 9 ）有效脉冲频率 有效脉冲频率 f 是单位时间内在放电间隙上发生有效放电的次数，又称为工作脉冲频 e 率。 10）脉冲利用率 λ f f λf ，即单 脉冲利用率 是有效脉冲频率 与脉冲频率 之比，又称频率比，即 e e p f p 位时间内有效火花脉冲个数与该单位时间内的总脉冲个数之比。 11）脉宽系数 t t τ i i τ t t   脉宽系数 是脉冲宽度 与脉冲周期 之比，其计算公式为 。 i p t t t p i o 12）占空比 t  t t   占空比 是脉冲宽度 与脉冲间隔 之比， i 。粗加工时占空比一般较大，精 i o t o 加工时占空比应较小，否则放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易引起电弧放电。 13）断路 电压或峰值 电压 断路 电压是间隙断路和间隙击穿之前 t 时间内电极间的最高 电压 （见图1-2-2）。一般晶 d 体管方波脉冲电源的峰值电压为 60～80 V ，高低压复合脉冲电源的高压峰值电压为 175～ 300 V 。峰值电压高时，放电间隙大，生产率高，但成形复制精度较差。 14）火花维持电压 火花维持电压是每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在 25 V 左右，但它实际是一个高频振荡的电压。 15）加工电压 加工电压U 是指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，又称为间隙平均电 压。加工电压是多个断路电压、火花维持电压等电压的平均值。 16）加工电流 I 加工电流 是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时加工电流小， 粗加工时加工电流大；间隙偏断路时加工电流小，间隙合理或偏短路时加工电流则大。 17）短路电流 短路电流I 是放电间隙短路时电流表上指示的平均电流，它比正常加工时的平均电流 s 要大 20 %～40 % 。 18）峰值电流 峰值电流是间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时），在日本、英国、美国等国家常 用I 表示。虽然峰值电流不易测量，但它是影响加工速度、表面质量等的重要参数。在设 p 计制造脉冲电源时，每一功率放大管的峰值电流是预先计算好的，选择峰值电流实际上是选 择几个功率管来加工。 19）短路峰值电流 短路峰值电流是间隙短路时脉冲电流的最大值，它比峰值电流要大 20 %~40 %，与短路  电流I 相差一个脉宽系数的倍数，即I  i s s s 2.影响材料放电腐蚀的主要因素 电火花工艺流程中，材料被放电腐蚀的规律是十分复杂的综合性问题。电火花加工时的 蚀除量主要受极性效应、电参数、金属材料热学常数、工作液等因素的影响。 1）极性效应 电火花工艺流程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀，这种由于工具和 工件的正负极性不同而使得蚀除量不一样的现象，称为极性效应。通常将工件接脉冲电源的 阳极，工具电极接阴极，称为正极性加工；工件接脉冲电源的阴极，工具电极接阳极，称为 负极性加工或反极性加工。一般不加说明时，都指正极性加工。 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，因而熔化和汽化的蚀除量也不一样。这是因为电子的质量和惯性较小，容易获得很高的 加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递到正极表面， 使电极材料迅速熔化和汽化；而正离子则由于质量和惯性较大，启动和加速较慢，在击穿放 电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面，致使负极材料熔化和汽化的速度较慢。 所以在用窄脉冲（即放电持续时间较短）加工时，电子的撞击作用大于正离子的撞击作用， 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正离子 数量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 t 钢时， ＜10 μs ）精加工时，应选用正极性加工；当采用长脉冲（例如纯铜电极加工钢时， i t ＞10 μs）粗加工时，应采用负极性加工，以便得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。 i 近年来的生产实践和研究结果表明，电极表面的吸附、覆盖和镀覆作用也是产生极性效 应的原因。例如，纯铜电极加工钢工件，粗加工纯铜电极接正极时，纯铜表面明显地存在着 吸附的炭黑膜，保护了正极，使负极蚀除速度大于正极。保护膜的形成要满足一定条件：合 适的电极表面温度；足够多的形成保护膜的热解产物；足够长的成膜时间。 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、工作液以及电极的材料等都会影响到极性效应。 从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好，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 材料的物理性能和加工要求制定最佳的电规准，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，单个脉冲的极性效应便相互 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。 2 ）电参数 电参数主要指电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、峰值电流、峰值电 压和极性等。 在电火花工艺流程中，无论正极性加工或负极性加工，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。某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有 效脉冲蚀除量的总和，所以正、负极的蚀除速度，与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。用公 式表示为 q KW f t （1-2-1）  q v  KW f  （1-2-2） t  q t 3 v 3 式中， 为在时间 内的总蚀除量（g 或 mm ）； 为蚀除速度（g/min 或 mm /min ），即工件 W f t 生产率或工具损耗速度； 为单个脉冲放电能量（J）； 为脉冲频率（Hz）； 为加工时  间（s）；K 为电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺系数；为有效脉冲利用率。 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 t e W  u(t)i(t)dt （1-2-3）  0 t u(t) i(t) 式中， 为单个脉冲实际放电时间（s）； 为放电间隙中随时间而变化的电压（V）； e 为放电间隙中随时间而变化的电流（A）；W 为单个脉冲放电能量（J）。 M 由于火花放电间隙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（如在煤油中用纯铜电极加工钢时约为 25 V ，用石墨电极加 工钢时约为 30 V ）。火花维持电压与脉冲电压幅值、极间距离以及放电电流大小等的关系不 大，因而正负极的蚀除量与平均放电电流的大小和电流脉宽成正比；对于矩形波脉冲电流， 实际上与放电电流的幅值成正比。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放电能量为 W (20 ~ 25)i t （1-2-4）  e e i t 式中， 为脉冲电流幅值（A ）； 为电流脉宽 （μs ）。 e e 因此，提高蚀除量和生产率的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲的能量或者增加 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。当然，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他工艺指标的影响，例 如脉冲间隔过短，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。 3 ）金属材料热学常数 所谓热学常数，是指熔点、沸点（汽化点）、热导率、比热容、熔化热、汽化热等，常 见材料的热学常数可查相应手册。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他部分和 工作液中外，其余部分将依次消耗在以下方面。 （1）使局部金属材料温度上升直至达到熔点，而每克金属材料升高 1 ℃（或 1 K）所 需的热量即为该金属材料的比热容。 （2 ）每熔化 1 g 材料所需的热量即为该金属的熔化热。 （3 ）使熔化的金属液体继续升温至沸点，每克材料升高 1 ℃所需的热量即为该熔融金 属的比热容。 （4 ）使熔融金属汽化，每汽化 1 g 材料所需的热量称为该金属的汽化热。 （5 ）使金属蒸气继续加热成过热蒸气，每克金属蒸气升高 1 ℃所需的热量为该金属蒸 气的比热容。 显然，当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，蚀 除量将越少，越难加工；另一方面，热导率较大的金属，会将瞬时产生的热量传导到其他部 位，因而降低了本身的蚀除量。而且当单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值越小，脉冲宽度 越长，散失的热量也越多，

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