电火花加工的基本工艺规律

2.1.3.1 影响加工速度的主要因素

1.加工速度的定义

电火花成形加工的加工速度，是指在一定规准下，单位时间t内从工件上蚀除加工下来的金属体积V或质量m，也称为加工生产率。一般采用体积加工速度v_w，即

式中，v_w是体积加工速度（mm³/min）；V是蚀除金属的体积（mm³）；t是加工时间（min）。

为了测量方便，有时也采用质量加工速度v_m，即

式中，v_m是质量加工速度（g/min）；m是蚀除金属的质量（g）；t是加工时间（min）。

体积加工速度与质量加工速度可以互相换算，换算式为

式中，ρ为工件材料的密度（g/cm³），如钢的密度为7.8g/cm³。

2.影响加工速度的主要因素

各电参数和非电参数对加工速度的影响见表2.1-10和表2.1-11。

2.1.3.2 影响电极损耗的主要因素

1.绝对损耗和相对损耗

绝对损耗v_E是单位时间内电极的损耗量，又分为体积损耗v_Ew（mm³/min）、质量损耗v_Em（g/min）及长度损耗v_EL（mm/min）三种表示方法。即

表2.1 - 10 电参数对加工速度的影响

（续）

表2.1 - 11 非电参数对加工速度的影响

（续）

式中，V是电极在时间t内损耗的体积（mm³）；m是电极在时间t内损耗的质量（g）；L是电极在时间t内损耗的长度（mm）。

相对损耗θ是电极的绝对损耗和工件加工速度的百分比，并以此来综合衡量电极的耐损耗程度和加工性能，相应地也分为体积相对损耗θ_w、质量相对损耗θ_m和在等截面电火花穿孔时的长度相对损耗θ_L。

式中，h是工件加工深度（mm）；ΔL_E是电极的端面损耗长度（mm）。

长度相对损耗还分为端面相对损耗θ_L和角部相对损耗θ_j，端面相对损耗θ_L表示方法见式（2.1-17），角部相对损耗θ_j的表示方法见式（2.1-18）。电极损耗长度说明如图2.1-5所示。

2.电参数和非电参数对电极损耗的影响

对电极损耗有影响的电参数包括脉冲宽度、峰值电流和脉冲间隔；非电参数则包括加工面积，冲、抽油方式，加工极性，电极材料，以及电极形状和尺寸等。

各电参数对电极损耗的影响见表2.1-12，各非电参数对电极损耗的影响见表2.1-13。

图2.1-5 电极损耗长度说明图

h_j—角部损耗长度 ΔL_E—端面损耗长度

表2.1 - 12 电参数对电极损耗的影响

表2.1 - 13 非电参数对电极损耗的影响

（续）

2.1.3.3 影响表面粗糙度的主要因素

1.表面粗糙度对照表

表2.1-14所示为旧国标表面光洁度等级与新国标轮廓的算术平均偏差Ra和轮廓的最大高度Rz的对照。

表2.1-14 表面光洁度等级与Ra和Rz的对照

2.影响表面粗糙度的主要因素

各参数对表面粗糙度的影响见表2.1-15。

2.1.3.4 影响加工精度的主要因素

1.加工精度

加工精度是指加工后的工件尺寸和图样尺寸要求相符合的程度。两者不相符合的程度通常是用误差大小来衡量。

加工精度主要体现为加工间隙Δ、加工斜度tanα或斜度角α、楞角倒圆半径R等。

表2.1 - 15 各参数对表面粗糙度的影响

（续）

如图2.1-6所示，加工间隙Δ可表示为

Δ=δ+a+d （2.1-19）(www.xing528.com)

式中，δ是单边起始放电间隙；a是单边放电蚀除量；d是电极单边损耗量。

加工斜度tanα是工件上口的最大加工尺寸Δ_max和工件下口的最小加工尺寸Δ_min之差除以测量面之间的距离h所得的商，如图2.1-7所示。可用式（2.1-20）表示：

或用斜度角α表示：

楞角倒圆半径R是表示电火花加工出现的尖角程度。这对有尖角、楞边要求的工件是很重要的一项指标。

图2.1-6 加工间隙说明图

图2.1-7 加工斜度说明图

2.影响加工精度的主要因素

（1）加工间隙（侧面）的影响因素 影响加工间隙（侧面间隙）的主要因素见表2.1-16。

（2）加工斜度的影响因素 在加工中，不论型孔还是型腔，侧壁都有斜度。形成斜度的原因，除电极侧壁本身在技术要求或制造中原来就有斜度外，一般都是由电极的损耗不均匀，以及二次放电等因素造成的。影响加工斜度的因素见表2.1-17。

（3）楞角倒圆 电极尖角和楞边的损耗比端面和侧面的损耗严重，所以随着电极楞角的损耗导致楞角倒圆，加工出的工件不可能得到清楞。随着加工深度的增加，电极楞角倒圆的半径增大，但超过一定加工深度，其增大的趋势逐渐缓慢，最后停留在某一最大值上，如图2.1-8所示。

楞角倒圆的原因除电极的损耗外，还有放电间隙的等距离性。凸尖楞电极由于尖角放电的等距离性，必然使工件产生圆角如图2.1-9a所示。凹尖楞电极的尖点根本不起放电作用，但由于积屑也会使工件凸楞倒圆如图2.1-9b所示，因此即使电极完全没有损耗，由于间隙放电的等距离性仍然不可能得到完全的清楞。楞角倒圆半径还随着尖角角度β的减小而减小。

表2.1 - 16 各参数对侧面间隙的影响

表2.1 - 17 各参数对加工斜度的影响

2.1.3.5 电火花加工后的表面层状态

1.表面变化层

金属在电火花加工后，表面层的化学成分和组织结构发生了很大变化，变化了的这一部分称为表面变化层，如图2.1-10所示。表面层又分为熔化层和热影响层。对于碳钢来说，熔化层在金相照片上呈现白色，即白层。热影响层又分为间层和过渡层。在表面变化层中存在着金相组织、晶粒的变化，有时还有渗碳（工作液和石墨电极中的碳元素）、渗金属（电极中的金属元素）、显微裂纹、气孔和夹杂疏松等现象。

2.表面变化层的金相组织

熔化层和热影响层的位置、特征及金相组织特点的对比见表2.1-18。

图2.1-9 楞角倒圆的起因

a）凸尖楞 b）凹尖楞

图2.1-8 倒圆半径随深度的变化情况

R—倒圆半径 h—加工深度

图2.1-10 电火花加工表面变化层

3.表面变化层的厚度

表面变化层的厚度与工件材料的种类和加工时的电参数有关。单个脉冲能量越大，即脉冲宽度越宽、峰值电流越大，表面变化层的厚度就越大。单个脉冲能量一定时，脉冲宽度越窄，熔化凝固层越薄，这是因为大部分金属不是熔化而是在汽化状态下被抛出蚀除，不再残留在工件表面。

表2.1 - 18 熔化层和热影响层的对比

在电火花成形加工中，一般粗、中规准加工表面变化层厚度大约为0.05～0.1mm，但一般不超过0.1mm；精规准的表面变化层厚度约为0.002～0.05mm。热影响层中靠近熔化凝固层部分，由于受到高温作用并迅速冷却，形成淬火区，其厚度与条件有关，一般为15～25倍的Ra值。对淬火钢，与淬火层相邻的部分受到温度的影响而形成高温、低温回火区，回火区的厚度约为25～30倍的Ra值。脉冲宽度越宽，向内传递的热量就越多，热影响层也越厚。

4.表面变化层中的显微裂纹

显微裂纹的产生是局部应力超过该部位材料的强度极限所致。导致显微裂纹和其他缺陷的主要因素见表2.1-19。

表2.1-19 导致显微裂纹和其他缺陷的主要因素

此外，工作液的种类等因素对产生显微裂纹也有一定的影响。

5.表面变化层的力学性能

（1）硬度 工件在加工前由于热处理状态及加工中电参数的不同，加工后表面变化层的硬度变化也不相同。

1）未经淬火的钢（如T8A）加工后，由于表面变化层出现淬火的铸造组织，故硬度和耐磨性都有较大的提高，如图2.1-11a所示。原工件材料越软，在加工后表面变化层的硬度提高得越多。

2）经过淬火的钢材在加工后，表面产生重新淬火层和热影响层，使硬度有所变化。

3）加工电参数、冷却条件及工件材料热处理状况不同，硬度变化也不一样。如T8A淬火钢采用宽脉冲粗加工时，发现表面变化层的熔化层（白层）硬度下降，如图2.1-11b所示。但在使用RC电源精加工时，就没有发现表面变化层硬度下降的现象。

图2.1-11 T8A钢在宽脉冲加工后表面变化层的硬度

a）T8A退火钢 b）T8A淬火钢

（2）残余应力 表面变化层的残余应力大小和分布，主要和材料在加工前热处理的状态及加工时的脉冲能量有关。一般淬火钢表面变化层的残余应力要比未淬火钢的残余应力大，如图2.1-12所示。一般认为，拉应力值和分布深度都是随脉冲能量的增加而增加的。

图2.1-12 粗规准加工后T8A钢残余应力的分布

（3）高温持久强度和室温疲劳强度 电火花加工表面存在着较大的拉应力，还可能存在显微裂纹，因此其抗疲劳性能比机械加工的表面低许多。表2.1-20所示为耐热合金GH33的高温持久强度（至断裂时间）。从电火花加工和机械磨削后的比较可知，电火花加工后，因表面变化层的存在，使其高温持久强度减少了50%多。其他金属材料一般也都有所变化。

表2.1-20 耐热合金GH33的高温持久强度（至断裂时间） （单位：h）

注：工件截面直径为ϕ5±0.02mm；应力为431MPa；温度为700℃。

为了避免工件在电火花加工后，高温持久强度和室温疲劳强度的降低，在某些情况下，最好把表面变化层去掉（如机械抛光、电解抛光等）或采用喷砂等表面处理的方法，来改善加工后工件表面的质量。试验表明，当表面粗糙度Ra值在0.32～0.08μm时，电火花加工表面的耐疲劳性能将与机械加工表面相近。