電火花基本知識

1、一、什么是電火花加工二、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)語及符號十四、電火花加工粗糙度對照表一、什么是電火花加工電火花是一種自激放電，其特點(diǎn)如下：火花放電的兩個電極間在放電前具較高的電壓，當(dāng)兩電極接近時，其間介 質(zhì)被擊穿后，隨即發(fā)生火花放電。伴隨擊穿過程，兩電極間的電阻急劇變小， 兩極之間的電壓也隨1 / 12之急劇變低?；鸹ㄍǖ辣仨氃诰S持暫短的時間（通常為10-7-10-3S）后及時

2、熄滅，才可保持火花放電的 冷極”特性（即通道能量轉(zhuǎn)換的熱能來不及傳至電 極縱深），使通道能量作用于極小范圍。通道能量的作用，可使電極局部被腐蝕。利用火花放電時產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象對材料進(jìn)行尺 寸加工的方法，叫電火花加工。電火花加工是在較低的電壓范圍內(nèi)，在液體介 質(zhì)中的火花放電。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

3、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(kuò)散范圍小，材料受熱影 響范圍小。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，降低工人勞動強(qiáng) 度?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，電火花加工的主要用途

4、有以下幾項：1）制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模。2 / 122）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 要素，即：脈沖電源，機(jī)械部分和自動控制系統(tǒng)，工作液過濾與循環(huán)系統(tǒng)。（見圖一）。下面對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

5、有足夠能量 的脈沖電壓來。2 .機(jī)械部分和自動控制系統(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)包括工作液的儲存冷卻、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)。3 / 12上述三要素，有時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)

6、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，兩極間為液體 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，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腐 蝕痕（凹坑），實(shí)現(xiàn)電火花加工。因而，通道一般必須有105-

7、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 .放電必須是短時間的脈沖放電。放電持續(xù)時間一般為10-7-10-3So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(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間上和空間上是分散的。這里包含兩個方面的意義:4 / 12其一時間上相鄰的兩個脈沖不在同一點(diǎn)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

8、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，相同材料兩電極的被腐蝕量是不同的。其中一個電極比另 一個電極的蝕除量大，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)中放電加工會分解出負(fù)

9、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、加工速度對于電火花成形機(jī)來說加工速度是指在單位時間內(nèi)，工件被蝕除的體積或 重量。一般用體積表示。若在時間 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）對于線切割機(jī)來說，加工速度是指在單位時間內(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=5 / 122.5區(qū)0，相對電極損耗(如1%)時的最大加工速度，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

10、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，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，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。電極損耗分為絕對損耗和相對損耗。絕對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 在單位時間內(nèi)，工具電極被蝕除的體積和長度。即Ve=V/t (mm3/min)Veh=H/t (mm/min)相對損耗一一工具電極絕對損耗與工件加工速度的百分比。通常采用長度

11、相對損耗比較直觀，測量也比較方便。在線切割加工中，電極絲的損耗對工件 質(zhì)量的影響不大，故一般不加以討論。但快走絲機(jī)床使用鋁作為電極絲，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。見圖二。在電火花成形加工中，工具電極的不同部位，具損耗速度也不相同。在精加工時，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，由于坑穴表面會形成一個加工硬

12、化層，而6 / 12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 （輪廓的平均算術(shù)偏差）和 Rz （不平度平均高度）之 一來評定。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。尤其對于高速高潔，高壓條件下工作 的模具和零件，具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。對電火花成形加工放電間隙的定量認(rèn)

13、識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，加工工藝步驟設(shè)計，加工規(guī)準(zhǔn)的切換以及相應(yīng)工藝措施的設(shè)計。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間越長，越有利于降低工具電極相對 損耗。在電火花加工的實(shí)用過程中，粗加工采用長脈沖時間和高放電電流，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，矛盾激化了。為了實(shí)現(xiàn)小能量加工，必須大大壓縮脈 沖放電時間。為達(dá)到脈沖放電電流與脈沖放電時間參數(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損耗，又7 / 12大幅度降低了加工速度十二、加工速度與加工表面粗

14、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，人們試圖將一個脈沖能量分散 為若干個通道同時在多點(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)人為控制的多點(diǎn)同時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，人們設(shè)想了各種方法，并進(jìn)行了多年的 實(shí)驗摸索。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，故工具電極的絕對損耗極小，可

15、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予以忽略。十三、電火花加工常用名詞、術(shù)語及符號1、放電間隙：放電間隙指加工時工具和工件之間產(chǎn)生火花放電的一層距離間隙。在加工過程中，則稱為加工間隙 S,它的大小一般在0.01-0.5mm之間，粗加工時間隙較大，精加工時則較小。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 （區(qū)3 ：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)時間（見圖）為了防止電弧燒傷，電火8 / 12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%S精加工時只能用較少的脈寬ti<50毋S3、脈

16、沖間隔to（W脈沖間隔簡稱脈間或間隔，也稱脈沖停歇時間。它是兩個電壓脈沖之間的間隔時間（見圖四）。間隔時間過短，放電間隙來不 及消電離和恢復(fù)絕緣，容易產(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，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電極間的最高電壓，等于電源的直流電壓。峰值電 壓高時，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的維持電壓， 一般在25V左右，但它實(shí)際是一個高頻振蕩的電壓（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，

17、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 （V）加工電壓或間隙平均電壓是指加工時電壓表上指示的放電間隙兩端的平均 電壓，它是多個開路電壓、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，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。9 / 127、加工電流I （A）加工電流是加工時電流表上指示的流過放電間隙的平均電流。精加工時 小，粗加工時大；間隙偏開路時小，

18、間隙合理或偏短路時則大。8、短路電流IS （A）短路電流是放電間隙短路時（或人為短路時）電流表上指示的平均電流（因為短路時還有停歇時間內(nèi)無電流）。它比正常加工時的平均電流要大20-40%。9、峰值電流IS （A）峰值電流是間隙火花放電時脈沖電流的最大值（瞬時），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)計制造脈沖電源時，每一功率 放大管串聯(lián)限流電阻后的峰值電流是預(yù)先選擇計算好的。為了安全，每個 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、精加工時的峰值電流（實(shí)際上

19、是選定用幾個功率管進(jìn)行加工）。10、放電狀態(tài)放電狀態(tài)指電火花加工時放電間隙內(nèi)每一脈沖放電時的基本狀態(tài)。一般分 為五種放電狀態(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:10 / 12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。