电火花成形加工的原理、工艺特点及应用探究

7.2.1.1　任务描述

电火花成形加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining，EDM），它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因为放电过程可见到火花，故称为电火花加工。

电火花成形加工在工业生产中得到了广泛应用，谈谈适用于电火花成形加工的场合以及进行电火花成形加工应该具备的条件。

7.2.1.2　学习目标

1.知识目标

（1）掌握电火花成形加工的原理和工艺特点；

（2）掌握理解影响电火花加工的主要因素。

2.能力目标

（1）能理解电火花成形加工的原理和特点；

（2）能理解电火花成形加工在一些特殊加工中的应用。

3.素养素质目标

（1）培养勤于思考及分析问题的意识；

（2）培养新技术运用意识；

（3）培养不同技术相结合解决问题的意识。

7.2.1.3　重难点

1.重点

电火花成形加工的原理和工艺特点。

2.难点

电火花加工的主要影响因素。

7.2.1.4　相关知识链接

1.电火花成形加工的原理、机理和特点

1）电火花成形加工的原理

电火花成形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，以达到对零件尺寸、形状及表面质量的加工要求。图7-2所示为电火花加工系统图。

图7-2　电火花加工原理与设备组成

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

工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相连接。自动进给调节装置3（此处为液压缸及活塞）使工具和工件间经常保持一个很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间时，便在当时条件下某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，形成一个小凹坑，如图7-3所示。

图7-3　电火花加工表面局部

（a）单个脉冲放电；（b）多个脉冲放电

图7-3（a）所示为单个脉冲放电后的电蚀坑，图7-3（b）所示为多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t0），工作液恢复绝缘，第二个脉冲电压又加到两极上，会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，即可将工具的形状复制于工件上，加工出所需要的零件。整个加工表面是由无数个小凹坑所组成的。

要达到上述加工目的，设备装置必须具备以下四个条件：

（1）工具电极和工件被加工表面之间保持一定的距离以形成放电间隙。

（2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7～10-3 s。图7-4所示为脉冲电源的电压波形。

图7-4　脉冲电源的电压波形

ti—脉冲宽度；t0—脉冲间隔；T—脉冲周期；Ie—电流峰值

（3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。

（4）有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或气化。

2）电火花成形加工的机理

火花放电时，电极表面的金属材料被蚀除的微观物理过程即为电火花加工的机理，了解这一微观过程，有助于掌握电火花成形加工的基本规律。

一次脉冲放电过程大致可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解，电极材料熔化、气化、热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。

（1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道。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，极间电场强度也将随着增大，最终在最小间隙处使介质击穿而形成放电通道，电子高速奔向阳极、正离子奔向阴极，并产生火花放电，形成放电通道。放电状况如图7-5所示。

图7-5　放电状况微观图

1—阳极；2—阳极气化、熔化区；3—熔化的金属微粒；4—工作介质；5—凝固的金属微粒；6—阴极气化、熔化区；7—阴极；8—气泡；9—放电通道

（2）电极材料熔化、气化、热膨胀。由于放电通道中电子和离子高速运动时相互碰撞，产生大量的热能，两极之间沿通道形成了一个温度高达10 000 ℃～120 000 C的瞬时高温热源，电极和工件表面层金属会很快熔化，甚至气化。气化后的工作液和金属蒸气体积瞬时间猛增，迅速热膨胀，具有爆炸的特性。

（3）电极材料的抛出。通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化、热膨胀，产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使气化的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”，“气泡”上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气被排挤、抛出而进入工作液中冷却，凝固成细小的圆球状颗粒，其直径视脉冲能量而异（一般为0.1～500 μm），电极表面则形成一个周围凸起的微小圆形凹坑，如图7-6所示。

图7-6　放电凹坑剖面示意图

（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，标志着一次脉冲放电结束。但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以实现下一次脉冲击穿放电。如果电蚀产物和气泡来不及很快排除，就会改变间隙内介质的成分和绝缘强度，破坏消电离过程，易使脉冲放电转变为连续电弧放电，影响加工。

可见，为保证电火花加工过程正常进行，在两次脉冲放电之间应有足够的脉冲间隔时间t0，使一次脉冲放电之后两极间的电压急剧下降到接近于零，间隙中的电介质立即恢复到绝缘状态。此后，两极间的电压再次升高，又在另一处绝缘强度最小的地方重复上述放电过程。多次脉冲放电的结果：使整个被加工表面由无数小的放电凹坑构成，工具电极的轮廓形状便被复制在工件上，以达到加工的目的。

3）电火花成形加工的特点

（1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。

（2）电极和工件在加工过程中不接触，两者间的宏观作用力很小，所以便于加工小孔、深孔、窄缝零件，而不受电极和工件刚度的限制；对于各种型孔、立体曲面、复杂形状的工件，均可采用成形电极一次加工。

（3）电极材料不必比工件材料硬。

（4）直接利用电、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制。

由于电火花加工有其独特的优点，加上电火花加工工艺技术水平的不断提高及电火花机床的普及，其应用领域日益扩大，已用于模具制造、机械、宇航、航空、电子等部门来解决各种难加工材料和复杂形状零件的加工问题。

2.影响电火花成形加工工艺的主要因素

1）影响材料腐蚀的主要因素

（1）极性效应对电蚀量的影响；

（2）电参数对电蚀量的影响；

（3）金属材料热学常数对电蚀量的影响。

2）影响加工精度的因素

（1）电极损耗对加工精度的影响；

（2）放电间隙对加工精度的影响；

（3）加工斜度对加工精度的影响。

3）影响表面质量的因素

（1）表面粗糙度。

①表面粗糙度随脉冲宽度增大而增大；

②表面粗糙度随峰值电流的增大而增大；

③为了减小表面粗糙度，必须减小脉冲宽度和峰值电流；

④在粗加工时，提高生产率以增加脉宽和减小间隔为主；精加工时，通过减小脉冲宽度来降低表面粗糙度。

（2）表面变化层。

3.电火花穿孔加工

用电火花成形加工方法加工通孔称为电火花穿孔加工。它在模具制造中主要用于切削加工方法难以加工的凹模型孔。用电火花加工的冲模，容易获得均匀的配合间隙和所需的落料斜度，刃口平直耐磨，可以相应地提高冲件质量和模具的使用寿命。但加工中电极的损耗会影响加工精度，难以达到小的表面粗糙度，要获得小的棱边和尖角也比较困难。

1）保证凸、凹模配合间隙的方法

（1）直接法；

（2）混合法；

（3）修配凸模法；

（4）二次电极法。

2）电极设计

凹模型孔的加工精度与电极的精度和穿孔时的工艺条件密切相关。为了保证型孔的加工精度，在设计电极时必须合理选择电极材料和确定电极尺寸。此外，还要使电极在结构上便于制造和安装。

（1）电极材料。

（2）电极结构。

①整体式电极；

②组合式电极；

③镶拼式电极；

④分解式电极。

（3）电极尺寸。

①电极横截面尺寸是指垂直于电极进给方向的电极截面尺寸：当按凹模型孔尺寸及公差确定电极的横截面尺寸时，电极的轮廓应比型孔均匀地缩小一个放电间隙值；当按凸模尺寸和公差确定电极的横截面尺寸时，随凸模、凹模配合间隙（双面）的不同而不同。

②电极长度尺寸的确定：电极的长度取决于凹模结构形式、型孔的复杂程度、加工深度、电极材料、电极使用次数、装夹形式及电极制造工艺等一系列因素。

3）凹模模坯准备

凹模模坯准备是指电火花加工前的全部加工工序。为了提高电火花加工的生产率和便于工作液强迫循环，凹模模坯应去除型孔废料，留0.25～1 mm的单边余量作为电火花穿孔余量。为了避免淬火变形的影响，电火花穿孔加工应在淬火后进行。

4）电规准的选择与转换(www.xing528.com)

电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准。电规准应根据工件的加工要求、电极和工件材料、加工的工艺指标等因素来选择。选择的电规准是否恰当，不仅会影响模具的加工精度，还会直接影响加工的生产率，在生产中主要通过工艺试验确定。通常要用几个规准才能完成凹模型孔加工的全过程。电规准分为粗、中、精三种，从一个规准调整到另一个规准称为电规准的转换。

（1）粗规准主要用于粗加工。对它的要求是生产率高，工具电极损耗小，被加工表面的粗糙度 Ra＞12.5 μm。所以粗规准一般采用较大的电流峰值、较长的脉冲宽度（ti=20～60 μs）。

（2）中规准是粗、精加工间过渡性加工所采用的电规准，用以减小精加工余量，促进加工稳定性和提高加工速度。中规准采用的脉冲宽度一般为6～20 μs，被加工表面粗糙度Ra=6.3～3.2 μm。

（3）精规准主要用来进行精加工，要求在保证冲模各项技术要求（如配合间隙、表面粗糙度和刃口斜度）的前提下尽可能提高生产率，故多采用小的电流峰值、高频率和短的脉冲宽度（ti=2～6 μs）。被加工表面粗糙度可达Ra=1.6～0.8 μm。

粗、精规准的正确配合，可以较好地解决电火花加工质量和生产率之间的矛盾。粗规准加工时，排屑容易，冲油压力应小些；转入精规准后加工深度增加，放电间隙小，排屑困难，冲油压力应逐渐增大；当穿透工件时，冲油压力适当降低。对加工斜度、表面粗糙度要求较小和精度要求较高的冲模加工，要将上部冲油改为下端抽油，以减小二次放电的影响。

4.电火花型腔加工

用电火花成形加工方法进行型腔加工比加工凹模型孔困难得多。型腔加工属于盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差，电极损耗不能用增加电极长度和进给的方法来补偿；加工面积大，加工过程中要求电规准的调节范围也较大；型腔复杂，电极损耗不均匀，影响加工精度。因此，型腔加工要从设备、电源、工艺等方面采取措施来减小或补偿电极损耗，以提高加工精度和生产率。

与机械加工相比，电火花加工的型腔加工质量好、粗糙度小，减少了切削加工和工人劳动，使生产周期缩短。近年来它已成为解决型腔加工的一种重要手段。

1）型腔加工的工艺方法

（1）单电极加工方法。

①用于加工形状简单、精度要求不高的型腔；

②用于加工经过预加工的型腔；

③用单电极平动法加工型腔。

（2）多电极加工法。多电极加工法是用多个电极，依次更换加工同一个型腔。每个电极都要对型腔的整个被加工表面进行加工，但电规准各不相同，所以设计电极时必须根据各电极所用电规准的放电间隙来确定电极尺寸。每更换一个电极进行加工，都必须把被加工表面上由前一个电极加工所产生的电蚀痕迹完全去除。

（3）分解电极法。分解电极法是根据型腔的几何形状，把电极分解成主型腔电极和副型腔电极分别制造。先用主型腔电极加工型腔主要部分，再用副型腔电极加工出尖角、窄缝型腔等部位。此法能根据主、副型腔的不同加工条件，选择不同的电规准，有利于提高加工速度和加工质量，使电极容易制造和整修。但主、副型腔电极的安装精度高。

2）电极设计

（1）电极的材料。

（2）电极结构。

（3）电极尺寸的确定。

①电极横截面尺寸的确定；

②电极垂直方向尺寸即电极在平行于主轴轴线方向上的尺寸。

3）电规准的选择与转换

（1）电规准的选择。在选择电规准时应综合考虑这些因素的影响。

①要求粗规准以高的蚀除速度加工出型腔的基本轮廓，电极损耗要小。为此，一般选用宽脉冲（ti＞500/μs）、大的峰值电流，用负极性进行粗加工。

②中规准的作用是减小被加工表面的表面粗糙度（一般中规准加工时Ra=11.3～3.2 μm），为精加工做准备。要求在保持一定加工速度的条件下，电极损耗尽可能小。通常用脉冲宽度ti=20～400 μs及较粗加工小的电流密度进行加工。

③精规准。用来使型腔达到加工的最终要求，所去除的余量一般不超过0.1～0.2 mm。因此，常采用窄的脉冲宽度（ti＜20 μs）和小的峰值电流进行加工。

（2）电规准的转换。电规准转换的挡数应根据加工对象确定。

5.电极制造及工件、电极的装夹与校正

1）电极制造

（1）电极的连接。采用混合法工艺时，电极与凸模连接后加工。连接方法可用环氧树脂胶合，以及锡焊、机械连接等方法。

（2）电极的制造方法。根据电极类型、尺寸大小、电极材料和电极结构的复杂程度等进行考虑。孔加工用电极的垂直尺寸一般无严格要求，而水平尺寸要求较高。

①若适合于切削加工，则可用切削加工方法进行粗加工和精加工。对于紫铜、黄铜一类材料制作的电极，其最后加工可用刨削或由钳工精修来完成，也可采用电火花线切割加工来制作电极。

②直接用钢凸模作电极时，若凸、凹模配合间隙小于放电间隙，则凸模作为电极部分的断面轮廓必须均匀缩小，可采用氢氟酸（HF）6%（体积比，后同）、硝酸（HNO3）14%、蒸馏水（H2O）80%所组成的溶液浸蚀，此外还可采用其他种类的腐蚀液进行浸蚀。当凸、凹模配合间隙大于放电间隙，需要扩大用作电极部分的凸模断面轮廓时，可采用电镀法，单边扩大量在0.06 mm以下时表面镀铜，单边扩大量超过0.06 mm时表面镀锌。

③型腔加工用电极。这类电极水平和垂直方向尺寸要求都较严格，比加工穿孔电极困难。对紫铜电极除采用切削加工法加工外，还可采用电铸法、精锻法等进行加工，最后由钳工精修达到要求。由于使用石墨坯料制作电极时，机械加工、抛光都很容易，所以以机械加工方法为主。当石墨坯料尺寸不够时，可采用螺栓连接或用环氧树脂、聚氯乙烯醋酸液等黏结，制成拼块电极。拼块要用同一牌号的石墨材料，要注意石墨在烧结制作时形成的纤维组织方向，避免不合理拼合引起电极的不均匀损耗，降低加工质量。

2）工件的装夹和校正

电火花成形加工模具工件的校正、压装与工具电极的定位目的，就是使工件与工具电极之间可以实现x、y、z、c等各坐标的相对移动，特别是数控电火花加工机床，其数控本身都是以x、y基准与x、y坐标平行为依据的。

在电火花加工中，工件和工具电极所受的力较小，因此对工件压装的夹紧力要求比切削加工低。为使压装工件时不改变定位所得到的正确位置，在保证工件位置不变的情况下，夹紧力应尽可能小。

3）工具电极的装夹和校正

在电火花加工中，机床主轴进给方向都应该垂直于工作台，因此工具电极的工艺基准必须平行于机床主轴头的垂直坐标，即工具电极的装夹与校正必须保证工具电极进给加工方向垂直于工作台平面。

（1）工具电极的装夹。由于在实际加工中碰到的电极形状各不相同，加工要求也不一样，因此安装电极时电极的装夹方法和电极夹具也不相同。

（2）工具电极的校正。工具电极的校正方式有自然校正和人工校正两种。所谓自然校正就是利用电极在电极柄和机床主轴上的正确定位来保证电极与机床的正确关系；而人工校正一般以工作台面x、y水平方向为基准，用百分表、千分表、块规或角尺来校正。

在电极外形不规则、无直壁等情况下就需要辅助基准。一般常用的校正方法如下：

①极固定板基准校正。在制造电极时，电极轴线必须与电极固定板基准面垂直，校正时用百分表保证固定板基准面与工作台平行，且保证电极与工件对正。

②极放电痕迹校正电极端面为平面时，除上述方法外，还可用弱规准在工件平面上放电打印记校正电极，并调节到四周均匀地出现放电痕迹（又称放电打印法），以达到校正的目的。

③极端面进行校正。主要指工具电极侧面不规则，而电极的端面又在同一平面时，可用“块规”或“等高块”，通过“撞刀保护”挡，使测量端四个等高点尺寸一致，即可认定电极端与工作台平行。

4）工件与工具电极的对正

工件与工具电极的工艺基准校正以后，必须将工件和工具电极的相对位置对正，才能在工件上加工出位置准确的型腔。常用的定位方法主要有以下几种：

（1）移动坐标法。先将工具电极移出工件，移动工具电极的x坐标与工件的垂直基准接近，同时密切监测电压表上的指示，在电压表上的指示值急剧变低的瞬间（此时工具电极的垂直基准正好与工件的垂直基准接触），停止移动x坐标，然后移动坐标（x′0，x0），工件和工具电极x方向对正。在y轴上重复以上操作，工件和工具电极y方向对正。

在数控电火花机床上，可用其“端面定位”功能代替电压表，当工具电极的垂直基准正好与工件的垂直基准接触时，机床自动记录下坐标值并反转停止。然后同样按上述方法使工件和电极对正。如果模具工件是规则的方形或圆形，还可用数控电火花机床上的“自动定位”功能进行自动定位。

（2）划线打印法。在工件表面划出型孔轮廓线，将已安装正确的电极垂直下降，与工作表面接触，用眼睛观察并移动工件，使电极对准工件后将工件紧固；或用粗规准初步电蚀打印后观察定位情况，调整位置。当底部或侧面为非平面时，可用角尺作基准。这种方法主要适用于型孔位置精度要求不太高的单型孔工件。

（3）复位法。这种情况多为工具电极的重修复位（例如多电极加工同一型腔）。校正时，工具电极应尽可能与原型腔相符合。校正原理是利用电火花机床自动保持工具电极与工件之间的放电间隙功能，通过火花放电时的进给深度来判断工具电极与原型腔的符合程度。只要工具电极与原型腔未完全符合，总是可以通过移动某一坐标的某一方向来进行调整。继续加大进给深度，如只要向左移动电极，即会加大进给深度。反复调整，直至两者工艺基准完全对准为止。

二维码7-5

7.2.1.5　任务实施

7.2.1.5.1　学生分组

学生分组表7-3

7.2.1.5.2　完成任务工单

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　72152-1　

引导问题：

（1）谈谈你对电火花成形加工的认识。

（2）简述电火花成形加工在国防、航空等产业的作用。

（3）简述电火花成形加工的影响因素。

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　72152-2　

引导问题：

（1）电火花成形加工相比传统机械加工的优势有哪些？

（2）电火花成形加工在什么情况下会被优先使用？

7.2.1.5.3　合作探究

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　72153-1　

引导问题：

（1）小组讨论，教师参与，确定任务工作单72152-1和72152-2的最优答案，并检讨自己存在的不足。

（2）每组推荐一个小组长，进行汇报。根据汇报情况，再次检讨自己的不足。

7.2.1.6　评价反馈

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　7216-1　

自我检测表

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　7216-2　

小组内互评验收表

任务工作单

被评组号：______________　检索号：　7216-3　

小组间互评表

二维码7-6

任务工作单

组号：_______　姓名：_______　学号：_______　检索号：　7216-4　

任务完成情况评价表

二维码7-7