电火花成型加工中的工具电极和工作液优化方案

在电火花加工中，电极是作为工具来使用的，用以蚀除工件材料。不同于机加工的刀具或线切割的电极丝是通用的，电极是专用工具，需要根据工件的材料、形状及加工要求进行选材、设计和加工。

1.电极材料

电火花加工电极损耗越小越好，所以电极材料应具备导电性能好、损耗小、造型容易、加工稳定、效率高、材料来源丰富、价格便宜等特点。常用电极材料有以下几种。

（1）石墨

石墨电极密度小、易加工，一般采用机加工成型，也可采用加压振动或烧结成型。石墨电极的加工稳定性较好，在粗加工或窄脉宽的精加工时损耗很小。石墨电极在较大的电流下作低损耗加工，且能保证电极表面质量不被损坏。缺点是容易发生电弧烧伤，在精加工时损耗比紫铜大，故适用于较大型腔或大脉冲、大电流、粗加工中。

常用的石墨牌号有GS-450、GS800、KS-25、DS-52W、SD 高纯石墨等。

（2）纯铜

纯铜需是无杂质的电解铜，最好经过锻打，否则损耗大。铜电极可机加工制作，但磨削比较困难，也可采用液压放电成型、电铸、锻造等方法。

纯铜电极加工性能好，尤其是加工稳定性。纯铜电极在粗加工时如果要求作低损耗加工，其脉宽峰值比（Ton/Ip）应大于10，且电流不宜过大，否则电极损耗增大。纯铜电极在作低损耗的精加工时，表面粗糙度Ra 可达0.8 μm；有损耗加工时表面粗糙度Ra 可达0.4 μm 以下，如采用特殊方法，表面粗糙度值更小，基本上可达到镜面效果。

纯铜电极是连续脉冲加工的最佳材料，不易烧弧或桥接，在生产中应用最广。

（3）铜钨合金与银钨合金

从理论上讲，钨是金属中最好的电极材料，它的强度和硬度高，密度大，熔点近3 400 ℃，损耗小。铜钨合金和银钨合金这两种合金由于含钨高，所以在加工中电极损耗小，机加工成型也较容易，特别适用于工具钢、硬质合金等模具加工以及特殊异形孔、沟槽的加工。缺点是价格较贵，尤其是银钨合金，故只在高硬度材料和精度要求较高的工件加工时使用。

（4）钢

在冲模加工时可以采用“钢打钢”的方法，用冲头当电极，直接加工凹模，常用的材料有T8A、T10A、Cr12、GCr15、硬质合金等。但冲头和凹模不能选用同一型号钢材，否则加工不稳定。加工结束后，切掉电极损耗部分，利用加工时的放电间隙当作凸、凹模的配合间隙。

钢电极加工稳定性较差，损耗一般。

2.电极的设计、制造

电火花加工时电极设计很重要，应针对模具形状的复杂程度、工件与电极材质、损耗的大小、加工时的电参数以及放电间隙等确定电极的结构和各部分尺寸。

（1）电极的结构形式

电极的结构形式根据型腔尺寸大小、复杂程度来确定。常见的有以下几种。

1）整体电极。整体电极由一块整体材料加工制成，由装夹部分和工作部分组成。

2）组合电极。组合电极是将若干单个电极组装在电极固定板上。组装电极可一次性同时完成多个成型表面加工，位置精度高，生产效率也高。但加工组装时一定要保证每个电极的位置精度，并且使电极的轴线垂直于安装平面。

3）镶拼式电极。镶拼式电极是将形状复杂而制造困难的电极分成几块加工，然后再用焊接、螺钉紧固等方式镶拼成整体。这样既简化了电极的加工，又节约材料，降低了电极加工成本。

（2）电极尺寸的确定

电极尺寸要根据放电间隙、电极损耗、平动量等工艺因素进行缩放，同时还应考虑电极各部分加工时间不同和损耗不同等因素进行适当补偿。电极尺寸包括垂直尺寸和水平尺寸，其公差是型腔相应部分公差的1/2～2/3。

（3）电极的加工

电极的加工方法主要根据电极的材料、数量及精度要求来选择，常用的方法有以下几种。

1）机械切削加工，适用于石墨、铜等。

2）电火花线切割，适用于截面形状复杂的电极，但很难加工石墨电极。

3）压力振动加工，适于石墨电极加工。

4）电铸法，适于纯铜电极加工。

5）液压放电成型，适于纯铜电极加工。

电极设计和制造时应考虑电极的装夹与找正基准面。电极与电极柄的连接必须牢固，接合面平整光洁。石墨电极还要注意其方向性。(www.xing528.com)

3.电极损耗

电极损耗是电火花成型加工中的重要工艺指标。电极损耗的计量方法主要有两种：一是以电极长度损耗与工件加工深度的百分比表示；二是以电极重量或体积损耗和工件的蚀除重量或体积的百分比表示。

前一种方法衡量电极损耗比较直观，测量也较方便，生产中采用较多。但由于电极部位不同，损耗不同，因此长度损耗还要分为底面损耗、侧面损耗和角损耗。在加工中角损耗比底面损耗和侧面损耗大。

以上两种表示方法的意义是一样的。电火花加工中电极损耗小于1%，称为低损耗加工。影响电极损耗的因素有以下几个。

（1）脉冲宽度Ton和峰值电流Ip

脉冲宽度Ton和峰值电流Ip 是影响损耗最大的参数。通常情况下，峰值电流Ip 一定时，脉冲宽度Ton越大，电极损耗越小。当Ton达到某一值时，相对损耗下降到1%；脉冲宽度Ton一定时，峰值电流Ip 越大，损耗越大。不同的脉冲宽度Ton，要有不同的峰值电流Ip，才能达到低损耗。峰值电流Ip 越大，低损耗脉冲宽度Ton越大。

（2）极性效应

图14-21　加工极性与电极损耗的关系

加工中即使正负极材料相同，两者的电蚀量也不相同，这种现象称为极性效应。我国规定，工件接正极称“正极性加工”，工件接负极则称“负极性加工”。极性效应是一个较为复杂的问题，它除了受脉宽、脉间隔的影响之外，还受到正极炭黑保护膜、峰值电流、放电电压、工作液等诸多因素的影响。图14-21 所示为加工极性与电极损耗的关系。由图可知，正负极性加工电极损耗随脉宽的增大、减小的幅度不同而不同，负极性加工时更明显一些。因此，当脉宽小于正负极曲线交点时应采用正极性加工，反之应采用负极性加工。

（3）吸附效应

在电火花加工中，若采用负极性加工，工作液为煤油等碳氢化合物时，在电极表面会形成一定强度和厚度的化学吸附层，称“炭黑层”。由于炭的熔点和气化点都很高，故可对电极起一定的保护作用，从而降低电极损耗。

（4）电极材料

电极材料不同，电极损耗也不一样，电极损耗从大到小排列顺序为：黄铜、纯铜、铸铁、钢、石墨、铜钨合金、银钨合金。

4.电火花工作液

电火花加工必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，该液体介质通常称为电火花工作液。

（1）电火花工作液的作用

1）在脉冲间隔火花放电结束后，尽快恢复放电间隔的绝缘状态，以便下一个脉冲电压再次形成火花放电。所以要求工作液具有一定的绝缘性能，电阻率较高，放电间隙消电离、恢复绝缘的时间短。

2）排出电蚀物。使电蚀物从放电间隙中排泄出去，避免放电间隙严重污染，导致放电点不分散而形成有害的电弧放电。

3）冷却工具电极和降低工件表面瞬时放电产生的局部高温，否则表面会因为局部过热而产生积炭、烧伤并形成电弧放电。

4）工作液还可以压缩火花放电通道，增加通道中被压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力，以抛出更多熔化和气化了的金属，增加蚀除量。黏度、密度越大，此项作用越强。

（2）电火花工作液的种类

在电火花加工早期，主要使用水和一般矿物油（如煤油、变压器油）当作工作液。到20 世纪70—80 年代，开始生产电火花加工专用油，即在适当的矿物油中加入适量的添加剂，油中含有较多芳烃。从20 世纪80—90 年代开始，随着环保要求提高，机床升级换代，开始出现合成型、高速型和混合电火花工作液。国外电火花工作液已进入第三代，即开始使用高速合成型。

1）煤油。

早期普遍使用煤油作为工作液，新煤油的电阻率为106 且性能较稳定，黏度、密度、表面张力等也符合电火花工作液的要求；缺点是闪火点低（46 ℃左右），易导致火灾，易挥发，且加工中会分解有害气体。

2）水基及一般矿物油型。

第一代产品水基工作液仅局限于电火花高速穿孔加工等少数类型使用，而以煤油为代表的矿物油也逐渐被专用的矿物型火花油所代替。

3）合成型的电火花工作液。

20 世纪80 年代开始有了合成型工作液，主要是指正构烷烃和异构烷烃。由于不加酚类抗氧剂，故色白透亮、无异味，缺点是不含芳烃、加工速度较慢。

4）高速合成型电火花工作液。

在合成型的基础上加入聚丁烯等类似添加剂，可提高加工效率。日本、瑞士、德国等一些公司研制了加入聚丁烯、乙烯、乙烯烃的聚合物和环苯类芳烃化合物的工作液。加入聚合物后，高沸点的聚合物可以迅速破坏高温蒸发而产生的蒸气膜，从而提高了冷却效率，也提高了加工速度。