电火花成型加工技术基础探析

图14-18　电火花加工的原理图

1—自动进给调节装置；2—脉冲电源；3—工具电极；4—工作液；5—工件；6—工作台；7—过滤器；8—工作液泵

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）之间脉冲性放电时的电腐蚀现象来去除多余的金属材料，以达到对零件尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电腐蚀现象很早就已经被人们发现，如插头或电器开关在开、闭时有时会产生火花而把接触面烧熔。20 世纪40 年代，苏联科学家拉扎连柯夫妇开始研究并研制出第一台电火花加工装置。

电火花加工的原理如图14-18 所示。工件5 与工具电极3 分别与脉冲电源2 的两个不同极性输出端相连接，自动进给调节装置1 使工件和电极间保持一定的放电间隙。两极间加上脉冲电压后，在间隙最小处或绝缘强度最低处将工作液介质击穿，形成放电火花。放电通道中等离子瞬时高温（温度可达5 000 ℃～10 000 ℃）使工件和工具电极都被蚀除一小部分材料，而各自形成一个微小的放电小坑，如图14-19（a）所示。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，工作液恢复绝缘，下一个脉冲电压又加在两极上，同样进行另一个循环，形成另一个小凹坑。当这种过程以相当高的频率重复进行时，工具电极不断调整与工件的相对位置，加工出所需要的零件。所以，从微观上看，加工表面是由很多个脉冲放电小坑组成的，如图14-19（b）所示。

图14-19　电火花加工表面局部放大图

（a）单脉冲放电凹坑；（b）多脉冲放电凹坑

基于上述原理，进行电火花加工应具备下列条件。

1）在脉冲放电点必须有足够能量的高频脉冲电源使金属局部熔化和气化。一般要求电流密度为105～106 A/cm2 时，放电产生的热量才能确保工件材料表面局部瞬时熔化、气化。

2）电极和工件表面之间必须保持一定的放电间隙，通常为几微米至几百微米。间隙过大极间电压不能击穿极间介质，不能产生火花放电；间隙过小，容易形成短路，也不能正常放电。

3）放电必须是短时间的脉冲性放电，一般放电时间为1 μs～1 ms，这样才能使放电时产生的热量来不及在被加工材料内部扩散，从而把能量作用局限在很小的范围内，保持火花放电的冷极特性。

4）电火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、机油、皂化液或去离子水等，保持间隙间的绝缘状态，以利于产生脉冲性的火花放电。

2.电火花加工的特点及应用

（1）电火花加工的特点

电火花加工与金属切削加工不同，在加工过程中，工具和工件不接触，而是直接利用电能和热能来去除金属，已成为常规切削、磨削加工的重要补充。相对机械切削加工而言，电火花加工具有以下一些特点。

1）脉冲放电的能量密度高，便于加工特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度的影响，不受热处理状况的影响。

2）脉冲放电时间极短，放电时产生的热量传导范围小，材料受热影响范围小。

3）加工时，工具电极和工件不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需要比工件材料硬度高。

4）直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化。(www.xing528.com)

电火花加工也具有一定的局限性，具体包括以下几个方面。

1）一般只能加工金属等导电材料。但最近研究表明，在一定条件下也可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。

2）加工速度较慢。

3）存在电极损耗。由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，故电极也会受损耗，影响加工精度。

4）最小角部位半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部位半径等于加工间隙。

（2）电火花加工的应用

由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，其应用领域日益扩大。目前已广泛应用于机械、航空、电子、仪器、汽车、轻工等行业，用以解决各种难加工材料、复杂形状零件和有特殊要求的零件制造，成为常规切削、磨削加工的重要补充和发展，特别是在模具制造中应用最广。实际生产中电火花加工主要用于以下一些零件的加工。

1）高硬度零件加工。如某些硬质合金钢、淬火钢、高硬度模具或硬度特别高的滑块等可用电火花加工。

2）型腔尖角部位加工。一些模具的型腔常存在尖角部位，常规加工刀具无法加工到位。

3）模具上的肋加工。零件上的加强肋或散热片在模具上是深而窄的槽，这种深槽用机加工方法很难获得，用电火花则可顺利加工成型。

4）深腔部位加工。型腔过深，刀具过长没有足够的刚性，此时可以用电火花进行加工。

5）小孔加工。各种圆形小孔、异形孔可用电火花加工。

6）表面处理。如刻制文字、花纹，以及对金属表面的渗碳和涂敷特殊材料的电火花强化等可用电火花加工。

3.电火花加工工艺方法分类

按工具电极和工件相对运动方式和用途的不同，电火花加工大致可分为电火花穿孔成型、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化和刻字六大类。前五类属于电火花成型加工，用于改变零件形状或尺寸的加工方法；第六类属于表面加工，用于改善零件表面质量。表14-3 所示为电火花加工的分类情况及各种加工方法的主要特点和用途。本章将主要介绍电火花穿孔成型加工。

表14-3　电火花加工的分类及各加工方法的主要特点和用途