电火花成型加工的基本原理简介

电火花成型加工的原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属的，从而达到对工件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电火花成型加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度的最低处，如图8-8所示。由于发生的放电区域很小，放电时间极短，所以能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10000～12000℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化，甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下被抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。一次放电后停留足够的脉冲间隔时间等待介质的绝缘强度恢复，准备下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。

电火花成型加工是不断放电蚀除金属的过程。虽然一次脉冲放电的时间很短，但它是电磁学、热力学和流体力学等综合作用的过程，是相当复杂的。综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下几个阶段。

图8-8 电火花成型加工原理图

1—工件 2—脉冲电源 3—自动进给装置 4—工具电极 5—工作液 6—过滤器 7—泵

1.极间介质的电离、击穿及放电通道的形成

当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或极间距离的减小，极间电场强度将随之增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度很不均匀，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20～30V），电流则由0上升到某一峰值。

2.介质热分解，电极（工件）材料熔化、汽化热膨胀

极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别形成瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解。这些汽化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极（工件）材料被抛出蚀除。

3.电极（工件）材料的抛出(www.xing528.com)

通道和正负极表面放电点的瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化、热膨胀，产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸气就被排挤、抛出而进入工作液中。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，金属材料的蚀除问题过程比较复杂，目前，人们对这一复杂机理的认识还在不断深化中。

4.极间介质的消电离

随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生击穿而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。

应当注意的是：

1）工具电极与工件被加工表面之间在加工的过程中应始终保持一定的放电间隙，这一间隙依加工条件而定，通常约为几微米至几百微米。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电；如果间隙过小，很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。为此，在电火花成型加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。

2）电火花放电为瞬时的脉冲性放电，并在放电延续一段时间后，停歇一段时间（放电延续时间一般为10^-7～10^-3s）。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内；否则，像持续电弧放电那样，使放电点表面大量发热、熔化、烧伤，只能用于焊接或切割，而无法用作尺寸加工，故电火花成型加工必须采用脉冲电源。

3）电火花放电在有一定绝缘性能的液体介质中进行，该液体介质又称工作液，例如煤油等。工作液必须具有较高的绝缘强度（10³～10⁷Ω·cm），以利于产生脉冲性的火花放电。同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对工具电极和工件表面有较好的冷却作用。

4）熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。