1、1电火花加工技术Electrical Discharge Machining Technology【 摘要 】电火花加工（Electrical Discharge Machining,简称 EDM）是基于正负电极间脉冲放电时的电腐蚀现象对材料进行加工的，又称放点加工、电蚀加工、电脉冲加工等，是一种利用电、能量进行加工的方法。电火花加工适用材料广、适用加工特殊及复杂形状的零件、脉冲参数可以调节、易于自动化，使得电火花加工技术成为特种加工领域的一门重要技术。本文从电火花的发展历程、基本原理、特点及分类、基本工艺规律、加工设备和工作液、新技术发展及应用等方面加以论述。【Abstract】EDM (E
2、lectrical Discharge Machining, hereinafter referred to as EDM) is based on the positive and negative electrode pulse discharge of electric corrosion phenomena of materials for processing, also known as drop point processing, electric erosion machining, electrical pulse processing and so on, is the u
3、se of electric energy for processing. Wide EDM application materials, processing, application of special and complex shapes of components, pulse parameters adjustable, easy to automate, EDM become special processing areas of an important technology. This article from the spark development course, ba
4、sic principles, characteristics, classification, basic technology law, processing equipment and working fluid, new technology development and application in turn.【 关键词 】电火花加工发展历程、基本原理、特点、规律、新技术发展【 Keywords 】 EDM course of development, basic principles Characteristics, The law, new technology develop
5、ment【引言】电火花加工技术作为特种加工的一门重要技术，人们对其研究及应用投入了大量的精力，同时也取得了丰硕的成果。一、电火花的发展历程早在 19 世纪初，人们就发现，插头或电器开关触点在闭合或断开时，会出现明亮的蓝白色的火花，因而烧损接触部位。人们在研究如何延长电器触头使用寿命过程中，认识了产生电腐蚀的原因，掌握了电腐蚀的规律。前苏联学者拉扎连柯夫妇在研究电腐蚀现象的基础上，首次将电腐蚀原理运用到了生产制造领域。电器触点电腐蚀后的相貌是随机的，没有确定的尺寸和公差，要使电腐蚀原理用于尺寸加工，需使脉冲电源和放电间隙自动进给控制系统，在具有一定绝缘强度和一定粘度的电介质中进行放电加工。此在液
6、体介质中进行重复性脉冲放电，能够对导电材料进行尺寸加工，就称为“电火花加工法”，是在 20世纪初 40 年代开始研究和逐步应用到生产中的。2电火花加工技术作为特种加工领域的重要技术之最早应用于二战时期折断丝锥取出时的加工。随着人类进入信息化时代，电加工技术取得了突飞猛进的发展，可控性更高，数字化程度更好。1国外电火花加工的发展目前计算机技术广泛应用于工业领域,电火花加工实现了数控化和无人化。美国、日本的一些电火花加工设备生产公司依靠其精密机械制造的雄厚实力,通过两轴、三轴和多轴数控系统、自动工具交换系统及采用多方向伺服的平动、摇动方案,解决了电火花加工技术中一系列实质性的问题。随着具有高精度、
7、高刚度、高自动化、高加工表面粗糙度的机床不断出现,使加工的功能及范围不断扩大。如今, 在国际上,电火花加工可以加工大至数十吨重的模具和零件,小至只有几微米的微孔。在电火花线切割方面,目前已过渡到全面计算机控制的阶段。变截面三维图形的线切割工艺、自动穿丝系统及镜面线切割技术都已达到了实用化阶段。2我国电火花加工的发展20 世纪 50 年代初期, 我国开始研究和试制电火花镀敷设备, 即把硬质合金用电火花工艺镀敷在高速钢金属切削刀具和冷冲模刃口上,提高金属切削刀具和模具的使用寿命。同时我国还成功研制了电火花穿孔机,并广泛应用于柴油机喷嘴小孔的加工。60 年代初, 上海科学院电工研究所成功研制了我国第
8、一台靠模仿形电火花线切割机床。随后又出现了具有我国特色的冷冲模工艺,即直接采用凸模打凹模的方法,使凸凹模配合的均匀性得到了保证,大大简化了工艺过程。60 年代末, 上海电表厂张维良工程师在阳极切割的基础上发明了我国独有的高速走丝线切割机床。上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。70 年代随着电火花工艺装备的不断进步,电火花型腔模具成型加工工艺已经成熟。线切割工艺也从加工小型冷冲模发展到可以加工中型和较大型模具。切割厚度不断增加,加工精度也不断提高。80 年代以来计算机技术飞速发展,电火花加工也引进了数控技术和电脑编程技术,数控系统的普及, 使人们从繁重、琐碎的编程工作中解放出来,极大的提高了
9、效率。二、电火花加工的基本原理电火花加工与传统的机械加工方法不同，它是利用放电腐蚀金属的原理来加工工件的。下图所示为电火花加工原理示意图。正极性接法是将工件接阳极，工具接阴极；负极性接法是将工件接阴极，工具接阳极。工件电极和工具电极均浸泡在工作介质当中，工具电极在自动进给调节装置的驱动下，与工件电极间保持一定的放电间隙。电极的表面（微观）是凹凸不平的当脉冲电压加到两极上时，某一相对间隙最小处或绝缘强度最低处的工作液将最先被电离为负电子和正离子而被击穿，形成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电，瞬间高温使工件和工具表面都蚀除掉一小部分金属。单个脉冲经过上述过程，完成了一次脉冲放电，而在工
10、件表面留下一个带有凸边的小凹坑。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给 ，这就将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。3每次电火花腐蚀的微观过程是由电力、磁力、流体动力等综合作用的过程。大致可分为四个阶段：极间介质的击穿形成放电通道；介质热分解、电极材料融化、气化热膨胀；蚀除产物的抛出；间隙介质消电离。1极间介质的击穿和放电通道的形成电火花加工的基本原理决定了工作介质的击穿状态将直接影响电火花加工的规律性。电火花加工的通常是在液体介质中进行的，属液体介质击穿的应用范围。电火花加工的工艺特性决定极间介质必定存在各种各样的杂质如气泡、蚀除颗粒等，且污染程度是随机的。用分光
11、光度计观察电火花加工过程中放电现象，显示放电时产生氢气，氢气泡的电离导致了间隙介质的击穿。初始电子（气泡初始电离产生）的存在和足够高的电场强度，是在液体介质中形成放电通道的必要条件。极间电压和极间距离直接影响极间电场强度，电压升高，击穿所需时间减少，通道电流密度的上升率增大，进而能量密度的上升率增大。极间距离既影响极间电场强度，又影响电子碰撞电离的效果。间距大，电子在极间运动的时间长，碰撞次数多，逐级电离效果增强，使击穿所需电场强度降低。但间距的增大却减小了极间外加电场强度。综合作用的结果，对击穿通道的形成和电流波行没有明显的影响。极性对击穿所需时间有明显的影响，雪崩电离过程是由电子的运动决定
12、的。2介质热分解、电极材料融化、气化热膨胀放电通道时由数量大体相等的带正电粒子（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。带电粒子高速运动时相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可高达 10000以上。通道高温首先把工作液介质气化，进而热烈分解气化。电极表面局部得到高能，就发生了融熔化、气化的相变过程，电极表面出现了微观相变区。3蚀除产物的抛出电火花加工过程中电极材料的抛出是在脉冲持续时间结束后的爆炸抛出，而不是在脉冲持续时间内连续抛出。等离子通道光谱分析表明通道中不存在电极材料，而是氢气。因通道中的高温高
13、压使电极表面的相变区也处于高温高压状态，通道崩溃后，相变区外部的高温高压消失，相变区内部的高温高压能量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就要爆炸性释放，将相变区的材料喷爆抛入介质中。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。实际上，金属材料的蚀除、抛出过程远比上述的药复杂，总之，材料的抛出时热爆炸力、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。4极间介质的消电离两次脉冲放电之间，必须有一定间隔时间，使间隙介质消电离。即放电通道中的带电粒子符合为中性粒子
14、，间隙中电蚀产物排除，介质温度降低，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度。否则，将总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，不能保证每次放电总是发生在两极相对。脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间（与脉冲能量有关） ，还要考虑电蚀产物扩散、排出放电区域的难易程度（与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加工面积有关）以及放电通道中的热量传散。三电火花加工的特点及分类1电火花加工的特点1）适用的材料范围广。可以加工任何硬、软、韧、脆、高熔点的材料。由于电火花加工是靠脉冲放电的热能去除材料，材料的可加工性主要取决于材料的热学性能，如熔点、沸点、比热容、导热系数等，而几乎与其力学性能（
15、硬度、强度等）无关，这样就能以柔克刚，可以实现用软的工具加工硬韧的工件。2）适于加工特殊及复杂形状的零件。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，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单的将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂几何形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。最小内凹圆角半径可达到电火花加工能得到的最小间隙（通常为 0.02-0.3mm） 。3）脉冲参数可以在一个较大的范围调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半径及精加工。精加工时精度一般为 0.01mm,表面粗糙度为 Ra0.63-1.25m；微细加工时精度可达 0.002-0.004mm，表面粗糙度
16、为 Ra0.04-0.16m。4）直接利用电能进行加工，便于实现自动化。2电火花加工工艺方法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，大致可分为电火花穿孔成行加工。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） 、电火花表面强化与刻字。前四类属电火花成形、尺寸加工，是利用改变零件形状或尺寸的加工方法；最后一类属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。四电火花加工的基本工艺规律1影响放电蚀除量的主要因素1）极性效应单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。为了充分地利用极性效应，最大限度地降低工具电极的损耗，应合理选用工具电极5的
17、材料，根据电极对材料的物理性能、加工要求选用最佳的电参数，正确地选用极性，使工件的蚀除速度最高，工具损耗尽可能小。2）电参数电火花加工脉冲电源的可控参数有：脉宽、脉间、峰值电流、开路电压、脉冲的前沿上升率和后沿下降率。对蚀除量影响的综合作用规律可以用脉冲能量的大小和变化率来描述。3）金属材料热学常数热学常数是指熔点、沸点（气化点） 、热导率（导热系数） 、比热容、熔化潜热、气化潜热等。2电火花加工的加工速度和工具的损耗速度电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀。单位时间内工件的蚀除量称之为加工速度，亦即生产率；单位时间内工具的蚀除量称之为损耗速度。1）加工速度提高单脉冲放电的相变量并及
18、时将相变材料转移离开电极表面和加工区就是提高加工速度。2）工具电极损耗速度要降低工具电极的相对损耗，首先要根据电极对材料特性确定最佳脉宽，其次有效利用电火花加工过程中的各种效应，如极性效应、吸附效应、传热效应等。3影响加工精度的主要因素主要影响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和“二次放电” 。4电火花加工表面完整性评定电火花加工表面完整性的主要参数是：表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能（硬度、耐磨性、残余应力、耐疲劳性能）。五电火花加工设备和工作液1电火花加工机床电火花加工工艺及机床设备的类型较多，按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同可分为六大类：D7125
19、、D7140 电火花成形机床，D7125、D7140 等电火花成形机床，D7003A 电火花高速小孔加工机床，DK7725、DK7732 数控电火花切割机床，D6310 电火花小孔内圆磨床，JN-2 、JN-8 内外螺纹电火花加工机床，D9105 电火花强化机。2脉冲电源脉冲电源又称脉冲发生器，其作用是把 220V 或 380V 的 50HZ 工频交流电转换成一定形式的单向脉冲电流，供给电极放电间隙产生火花所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面完整性、加工精度和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。3自动进给调节系统自动进给调节系统的作用是维持某一稳定的放电间隙，保证电火
20、花加工正常稳定地进行，获得较好的加工效果。4工作液及其循环过滤系统61）工作液的作用电火花加工中，工作液的作用有：压缩放电通道，提高放电的能量密度，提高蚀除效果；加速极间介质的冷却和消离过程，防止电弧放电；加剧放电时的流体动力过程，以利于蚀除金属的抛出；通过工作液的流动，加速了蚀除金属的排出，以保持放电工作稳定；改变工件表面层的理化性质；减少工具电极损耗，加强电极覆盖效应。2）工作液循环过滤系统工作液循环过滤系统包括工作液（煤油）箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门、引射器以及测量仪表等。为了不使工作液越用越脏，影响加工性能，必须加以净化、过滤。其具体方法有：自然沉淀法；介质过
21、滤法；高压静电过滤、离心过滤法等。目前生产上应用的循环系统形式很多。常用的工作液循环过滤系统应可以冲油，也可以抽油。目前国内已有多家专业工厂生产工作液过滤循环装置。六 电火花新技术发展及应用1. 放电堆积造型2气体中放电电火花加工3钛合金表面电火花放电着色4反复拷贝法微细电极电火花加工5电火花加工放电位置可控形的研究七结束语总之，电火花是一种直接利用电能与热能进行加工的新工艺，其独特的优点决定了它将在特种加工工艺道路上占有一席之地。虽然它也存在缺点，但随着科学技术的日益发达，相信新的、更加全面的电火花加工工艺将会在人们的共同努力下研制成功并应用到实际当中，满足人类的需要。八参考文献1.张建华主编. 精密与特种加工技术. 北京：机械工业出版社. 2003
