电火花加工的基本规律

电火花加工中的工艺过程和所涉及的工艺参数与传统切削加工相比要复杂得多，主要从加工速度、工具损耗、加工精度和表面质量4个方面体现。

1.影响加工速度和工具损耗速度的主要因素

电火花加工时，工具和工件（正、负极）同时遭到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，即生产效率；单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度，它们是一个问题的两个方面。

1）加工速度

加工速度一般采用体积加工速度来表示，即

vW=Q/t

式中：vW——加工速度；

Q——电蚀除的总体积，mm3；

t——加工时间，min。

有时也用质量加工速度vG来表示，以方便测量：

vG=M/t

式中：M——电蚀除的质量，g。

提高加工速度的途径在于提高脉冲频率f、增加单个脉冲能量wM、提高工艺参数kP及正确选择工件的极性，还要考虑各因素间的相互制约关系及对其他工艺指标的影响。

（1）提高脉冲频率f。提高脉冲频率一方面靠缩小脉冲停歇时间，另一方面靠压窄脉冲宽度，这是提高加工速度的有效途径，但注意停歇时间不能太短，避免使工作区域的工作液来不及恢复其绝缘性能，从而导致破坏性电弧放电，进而中断加工过程。

（2）增加单个脉冲能量wM。增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度，单个脉冲能量的增加可提高加工速度，但同时会影响表面质量和加工精度，通常只用于粗加工、半精加工之中。

（3）提高工艺参数kP。提高工艺参数的途径很多，如合理选用电极材料、工作液及放电参数，改善工作液循环过滤方式等，来有效地提高脉冲利用率，以达到提高工艺参数的目的。

（4）正确选择工件的极性。正、负极在加工中都要不同程度地受到电热蚀除，即使在工具电极和工件材料一样时，正负极蚀除量也不相同。一般生产中采用窄脉冲加工时可选用正极性加工（工件接脉冲电源的正极），而采用宽脉冲加工时选用负极性加工（工件接电源的负极），此时工件才能获得较高的加工速度。

2）工具的相对损耗

加工中衡量工具电极是否耐损耗，不仅要看工具损耗速度vN，还要看同时能达到的加工速度vW，所以采用相对损耗（损耗比）作为衡量工具电极耐损耗之指标

θ=vN/vW×100%

式中，加工速度和损耗速度若以mm3/min为单位计算，则θ为体积相对损耗；两者若以g/min为单位计算，则θ为质量相对损耗。

多年生产实践中，人们为了降低工具电极的相对损耗，很好地利用了电火花加工过程中的各种效应，采取了一些可行的措施，如利用极性效应、喷镀覆盖效应，沉积效应、传热效应等，这些效应是相互影响、综合作用的。

（1）极性效应。单纯由极性不同而引起的电蚀量不同的现象，常称为极性效应。人们在生产中对不同脉冲宽度的加工极性的关系作了很多实验，得出了如图3-4所示的实验曲线。实验用的工具电极为φ 6 mm的紫铜，加工工件为钢，工作液为煤油，矩形波脉冲电源，加工电流幅值为10 A。如图3-4所示，正极性加工时，紫铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽度大于120 μs后，电极相对损耗将小于1%，可以实现低损耗加工。如果采用负极性加工，无论采用哪一档脉冲宽度，电极的相对损耗都难以低于1%；但在脉冲宽度小于15 μs的范围内，负极性加工的工具电极相对损耗比正极性加工小。

图3-4　工具电极相对损耗、极性与脉宽的关系

（2）覆盖效应。在用煤油类碳氢化合物作工作液时，工作液将在放电中发生热分解，产生大量的碳，并附着在电极表面，形成继续放电的保护层，称之为黑膜，这种现象称为吸附效应或覆盖效应，对电极起到保护和补偿作用，而达到低损耗的目的。但黑膜只能在正极表面形成，因此须采用负极性加工才能产生覆盖效应。

（3）传热效应。研究表明，电极表面放电点的瞬时温度与瞬时放电的总热量和放电通道的截面积有关，也与电极材料的导热性能有关。因此初期放电限制脉冲电流的增长率，对降低电极损耗是有利的，可使电极表面温度不致过高而遭受较大的损耗，电流增长率太高时，对易脆裂的工具电极的损耗尤为显著。

（4）沉积效应。当选用水或水溶液为工作液时（如乳化液、蒸馏水、自来水等），因水本身为弱电解质，放电加工过程中将产生电化学阳极溶解反应和阴极沉积反应，从而保护阴极减少损耗，所以采用水基工作液时，应采用正极性加工。(www.xing528.com)

（5）选择合适的工具电极材料。工具电极材料的选择对其放电加工的损耗影响较大，常用材料有铜、石墨、钨、钼、铜钨合金和银钨合金等。铜的熔点较低，但导热性好，所以损耗较少，又可制成各种精密复杂电极，可用于中小型腔加工用的工具电极。钨、钼的熔点和沸点较高、损耗少，但其机械加工性能不好，价格较贵，所以一般仅用于线切割。目前广泛应用于型腔加工的电极一般选石墨电极，石墨电极不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳，来补偿电极的损耗，所以损耗相对很低。铜碳合金、铜钨合金和银钨合金等合金材料，不仅导热性好，且熔点高，因此电极损耗少，也因价格较贵、制造成形困难，通常只用于精密电火花加工。钼丝因抗拉强度高、抗疲劳性能好，且熔点、沸点都较高，广泛用作高速电火花线切割的电极。

上述诸因素对电极损耗的影响是综合作用的，实际选用时还要合理选择。

2.影响加工精度的主要因素

与传统机械加工一样，机床的各种误差以及工件、工具电极的定位、装夹误差都会影响电火花加工的精度，如排除上述误差因素，影响加工精度的主要因素有放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗以及加工过程中的“二次放电”现象。

（1）放电间隙的大小和一致性。由于电火花加工过程的复杂性，放电间隙的大小是变化的，因此对加工精度产生影响，尤其在加工具有复杂型面的内腔时，棱角部位的电场强度分布不均，且间隙愈大，影响也愈大。通常采用较小的放电参数，来提高仿形精度，减少误差。

（2）工具电极的损耗及“二次放电”。电极的损耗既影响尺寸精度，也影响形状精度，通常采用粗/精加工分开的原则，保证要求较高的尺寸精度和表面质量。有时还在精加工中采用互换电极或平动的方法，加之较小的放电参数来提高精度。

此外影响形状精度的因素还有“二次放电”现象。“二次放电”是指加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次产生的非正常放电，集中反映在加工深度上产生斜坡和加工棱角棱边变钝。尤其当工作液污浊、电解产物排除不畅时，“二次放电”更为严重，最终导致加工斜度的增加，如图3-5所示。

图3-5　加工斜度的产生

（a）工具损耗产生加工斜度；（b）轮廓对比
1—工具电极无损耗时的轮廓线：2—工具电极有损耗但不考虑“二次放电”时的工件轮廓线；3—工件：4—工具电极

电火花加工时，工具的尖角棱边很难精确地复制在工件上，使工件尖角变圆，如图3-6所示。这是尖端放电，凸起部分电场强度较高，蚀除损耗较快等原因所致。生产中常用前沿很低的高频窄脉冲精加工，可使圆角半径明显减少且提高仿形精度，甚至可使精密冲模获得＜0.01 mm的圆角半径。

图3-6　尖角变圆现象

（a）加工外表面；（b）加工内表面
1—工件电极；2—工具电极

3.影响表面质量的主要因素

电火花加工的表面质量主要包括3个方面。

（1）表面粗糙度。影响表面粗糙度的主要因素是单个脉冲能量。单个脉冲能量愈大，脉冲放电的蚀除量愈大，愈容易产生深而大的放电凹坑，使表面粗糙度值增大。另外，同样条件下，加工硬质合金比加工钢获得的表面粗糙度小，这主要是因为硬质合金熔点高，单个脉冲腐蚀的凹坑较浅，相应的表面粗糙度比较低。

由于放电加工时的仿形作用，工具电极的表面粗糙度也直接影响被加工表面的粗糙度，所以精加工用的工具电极表面应光滑平整。

放电加工表面粗糙度与加工速度成反比，即加工速度愈高，被加工表面愈粗糙；加工速度愈低，被加工表面愈平整。电火花加工后要达到表面粗糙度Ra值0.32 μm较困难，通常采用电火花加工表面精糙度Ra值达2.5～0.63 μm，而后用人工研磨或电解珩磨的方法，来减小表面粗糙度以降低制造成本。

（2）表面变质层。加工中，在电火花放电的瞬时高温和工作液的冷却作用下，材料的表面层会产生较大变化，一般可分为熔化凝固层、热影响层及显微裂纹，如图3-7所示。

图3-7　放电痕剖面显示的表面变质层

熔化凝固层位于工件表面最上层，其组织为树枝状淬火铸造组织。在相同加工条件下，不同金属材料的熔化凝固层组织不一样。热影响层分布在熔化层与基体之间，脉冲能量、材料及热处理方法不一样，将使其金相组织产生不同的结构。热影响层主要为淬火区，其厚度通常为最大微观平面度的2～3倍。

由于受瞬时高温和骤冷的作用，加工表面易出现显微裂纹。显微裂纹一般常在熔化层内出现，只有在脉冲能量很大的粗加工时，才有可能扩展到热影响层。脉冲能量愈大，显微裂纹的宽度和深度也随之增大。脉冲能量很小时，通常不会出现裂纹（如加工表面粗糙度Ra值小于1.25 μm时）。由于各种材料对裂纹的敏感性不同，产生裂纹的程度也不同，通常加工脆性材料、较硬材料时，由于材料原始内应力较大，因此在放电加工中易出现裂纹。

（3）表面力学性能。电火花加工表面最外层的硬度通常较高，对于滑动摩擦表面的耐磨性好；但交变载荷的滚动摩擦（尤其干摩擦）易造成最外层剥落磨损。

由于热作用，电火花加工后的工件表面易形成残余应力，且大多为拉应力。残余应力大小的分布，主要和材料在加工前的热处理状态和脉冲能量有关。因此对于表面质量要求高的零件，要选较小的脉冲能量和适当热处理来减少残余应力。

由于电火花加工表面存在着较大的拉应力甚至显微裂纹，加之表面组织变化，所以其耐疲劳性能比机械加工表面低非常多，对此可采用回火热处理来降低残余应力，或采用喷丸处理使残余应力转为压应力；此外当选用脉冲能量很小时，可降低表面粗糙度值，使其耐疲劳性能接近机械加工表面，或用机械抛光及电解抛光方法来提高其耐疲劳性能。