电火花成型加工的基础知识与技巧

◇任务简介◇

认识电火花成型加工机的基本原理，了解其分类。熟练掌握电火花加工方式的特点及加工适用范围。

◇学习目标◇

认识电火花成型加工，掌握电火花成型加工机的工作原理、机床结构、常用术语、加工特点等。

◇知识要点◇

一、电火花成型加工机床的组成

电火花成型加工机床是利用电火花加工原理加工导电材料的特种加工机床，又称电蚀加工机床。其主要用于加工各种高硬度的材料（如硬质合金和淬火钢等）和复杂形状的壳体模具、零件，以及切割、开槽和去除折断在工件孔内的工具等。

数控电火花成型加工机床由于功能的差异，导致在布局和外观上有很大的不同，但其基本组成是一样的，都由机床本体、脉冲电源、数控装置、工作液循环系统、伺服进给系统、基础部件等组成（图3-1-1）。①机床本体包括床身、立柱、主轴头和工作台等部分；其作用主要是支承、固定工件和工具电极，并通过传动机构，实现工具电极相对于工件的进给运动。主轴头是机床的关键部分，应有一定的轴向和侧向刚度；灵敏度高，无爬行现象；运动的直线性和防扭转性好；有一定的承载能力。主轴头有多种结构形式，如电-液式主轴头（包括喷嘴挡板式液压头、伺服阀液压头）和电-机式主轴头（包括伺服电机、步进电机和宽调速电机驱动的主轴头）等。②脉冲电源的作用是提供电火花加工的能量，有弛张式、闸流管式、电子管式和晶体管式脉冲电源，其中，晶体管式脉冲电源使用范围最广。脉冲电源的性能直接影响电火花加工的加工速度、表面粗糙度、加工精度和电极损耗等工艺指标。③自动控制系统由自动调节器和自适应控制装置组成。自动调节器及其执行机构用于电火花加工过程中维持一定的火花放电间隙，保证加工过程正常、稳定地进行。自适应控制装置主要对间隙状态变化的各种参数进行单参数或多参数的自适应调节，以实现最佳的加工状态。④工作液循环过滤系统是实现电火花加工必不可少的组成部分，它主要起集中放电能量、冷却放电通道、恢复绝缘状态和排除加工产物等作用，使电火花加工持续进行。一般采用煤油、火花油等作为工作液。工作液循环过滤系统由储液箱、过滤器、泵和控制阀等部件组成。过滤方法有介质过滤、离心过滤和静电过滤等。⑤夹具附件包括电极的专用夹具、油杯、轨迹加工装置（平动头）、电极旋转头和电极分度头等。

图3-1-1 数控电火花成型加工机床

1．机床本体

电火花成型加工机床的本体一般包含床身、立柱。主轴头上装有电极夹，用来装夹及调整电极装置。在装夹电极时，旋转调整螺钉，用百分表校正电极，使电极与工作台面垂直，与X或Y轴平行。

2．工作液循环过滤装置

如图3-1-2所示，电火花成型加工用的工作液循环过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，使工作液强迫循环，其中a、b为冲油式，c、d为抽油式。冲油是把经过过滤的清洁工作液经液压泵加压，强迫其被冲入电极与工件之间的放电间隙里，将放电蚀除的电蚀产物随同工作液一起从放电间隙中排除，以达到稳定加工。在加工时，冲油的压力可根据不同工件和几何形状及加工的深度随时改变，一般压力选为0～200 kPa。对不通孔加工，如图3-1-3所示，从图中可看出，采用冲油的方法循环效果比抽油更简单，特别在型腔加工中大都采用这种方式，可以改善加工的稳定性。

图3-1-2 冲、抽油方式

（a）下冲油式；（b）上冲油式；（c）下抽油式；（d）上抽油式；

图3-1-3为工作液循环系统油路图，它既能冲油又能抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过滤器1、单向阀2吸入液压泵3，这时高压油经过不同形式的精过滤器7输向机床工作液槽，溢流安全阀5控制系统的压力不超过400 KPa，快速进油控制阀10供快速进油用，待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀13，由阀9来控制工作液循环方式及压力，当阀13在冲油位置时，补油、冲油都不通，这时油杯中油的压力由阀9控制；当阀13在抽油位置时，补油、抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管12，利用流体速度产生负压，达到实现抽油的目的。工作液循环过滤装置的过滤对象主要是金属粉屑和高温分解出来的碳黑。

图3-1-3 工作液循环系统油路图

1—粗过滤；2—单向阀；3—涡旋泵；4—电动机；5—安全阀；6—压力表；7—精过滤器；8—冲油压力表；9—压力调节阀；10—快速进油控制阀；11—抽油压力表；12—射流抽吸管；13—抽油选择阀；

数控电源柜由彩色CRT显示器、键盘、手控盒以及数控电器装置等部件组成。数控电源柜是控制电火花成型机床动作的装置。

（1）输入装置。

在机床操作过程中，操作者可以通过键盘、磁盘等装置将操作指令或程序、图形等输入，并控制机械动作。如果输入内容较多，则可以直接连接外部计算机通过连接线输入。

（2）输出装置。

输出装置通过CRT、磁盘等装置，将电火花加工方面的程序、图形等资料输送出来。

（3）加工电源。

电火花加工原理是在极短的时间内击穿工作介质，在工具电极和工件之间进行脉冲火花放电，通过热能熔化、气化工具材料去除工件上多余的金属。电火花成型机床的加工电源性能的好坏直接影响电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。所以电源往往是电火花加床制造厂商的核心机密之一。

（4）伺服系统。

在实际操作中，当电极与工件距离较远时，由于脉冲电压不能击穿电极与工件的绝缘工作液，故不会产生火花放电；当电极与工件直接直接接触时，则所供给的电流只是流过却无法进行工件加工。

3．加工电源的分类

加工电源按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，详见3-1-1表。

表3-1-1 加工电源分类表

二、电火花成型机的工作原理

电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极（紫铜或其他导电材料如石墨），另一极接工件电极（被加工的导体），两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油、矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持很小的放电间隙（0.01～0.05 mm）。当脉冲电压加到两极之间时，会将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10～107 W/mm），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始、高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。图3-1-4为电火花成型机工作原理图。

图3-1-4 电火花成型机工作原理图

由此我们看出，进行电火花加工必须具备三个条件：必须采用脉冲电源；必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙；火花放电必须在具有一定绝缘强度（10～107 Ω·m）的液体介质中进行。

三、电火花加工的基本术语及表述符号

1．放电间隙

放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙，在加工过程中，称为加工间隙S。它的大小一般为0.01～0.5 mm，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙SF和侧面间隙SL。

2．脉冲宽度ti（μs）

脉冲宽度简称脉宽，它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间。为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲电压波。粗加工可用较大的脉宽ti>100μs，精加工时只能用较少的脉宽μs。

3．脉冲间隔to（μs）(www.xing528.com)

脉冲间隔简称脉间或间隔，也称脉冲停歇时间。它是两个电压脉冲之间的间隔时间。脉冲间隔过短，放电间隙来不及消除电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤工具和工件；脉冲间隔过长，会降低加工效率。加工面积、加工深度较大时，脉冲间隔也应稍大。

4．开路电压或峰值电压

开路电压是间隙开路时电极间的最高电压，等于电源的直流电压。峰值电压高时，放电间隙大、生产率高，但成型复制精度稍差。

5．火花维持电压

火花维持电压是每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25 V左右，但它实际是一个高频振荡的电压。电弧的维持电压比火花的维持电压低5 V左右，高频振荡频率很低，一般示波器上观察不到高频成分，观察到的是一条水平亮线。过渡电弧的维持电压则介于火花维持电压和维持电压电弧之间。

6．加工电压或间隙平均电压U（V）

加工电压或间隙平均电压是指加工时，电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间隔等零电压的平均值。在正常加工时，加工电压为30～50 V，它与占空比、预置进给量等有关。占空比大、欠进给、欠跟踪、间隙偏开路时，加工电压偏大；占空比小、过跟踪或预置进给量小（间隙偏短路）时，加工电压即偏小。

7．加工电流I（A）

加工电流是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时小，粗加工时大；间隙偏开路时小，间隙合理或偏短路时则大。

8．短路电流IS（A）

短路电流是放电间隙短路时（或人为短路时）电流表上指示的平均电流（因为短路时还有停歇时间内无电流）。它比正常加工时的平均电流要大20%～40%。

9．峰值电流Ie（A）

峰值电流是间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时），日本、英国、美国常用Ie表示。虽然峰值电流不易直接测量，但它是实际影响生产率、表面粗糙度等指标的重要参数。在设计制造脉冲电源时，每一只功率放大管串联限流电阻后的峰值电流是预先选择计算好的。为了安全，每个50 W的大功率晶体管选定的峰值电流约为2～3 A，电源说明书中也有说明，可以按此选定粗、中、精加工时的峰值电流（实际上是选定用几个功率管进行加工）。

10．放电状态

放电状态指电火花加工时，放电间隙内每一个脉冲放电时的基本状态。一般分为五种放电状态和脉冲类型

（1）开路（空载脉冲）。

放电间隙没有击穿，间隙上有大于50 V的电压，但间隙内没有电流流过，为空载状态（td=ti）。

（2）火花放电（工作脉冲或称有效脉冲）。

间隙内绝缘性能良好、工作液介质击穿后能有效地抛出、蚀除金属。波形特点是电压上有td、te，Ie波形上有高频振荡的小锯齿波形。

（3）短路（短路脉冲）。

放电间隙直接短路相接，这是由于伺服进给系统瞬时进给过多或放电间隙中有电蚀产物搭接所致。间隙短路时电流较大，但间隙两端的电压很小，没有蚀除加工作用。

（4）电弧放电（稳定电弧放电）。

由于排屑不良，放电点集中在某一局部而不分散，局部热量积累，温度升高，恶性循环，此时火花放电就成为电弧放电。由于放电点固定在某一点或某一局部，因此称为稳定电弧。这种情况常使电极表面结炭、烧伤。波形特点是ta和高频振荡的小锯齿波基本消失。

（5）过渡电弧放电（不稳定电弧放电或称不稳定火花放电）。

过渡电弧放电是正常火花放电与稳定电弧放电的过渡状态，是稳定电弧放电的前兆。波形特点是击穿延时td很小或接近于零，仅成为一尖刺，电压、电流波上的高频分量变低，变为稀疏和锯齿形。早期检测出过渡电弧放电，对防止电弧烧伤有很大意义。

以上各种放电状态在实际加工中是交替、概率性的出现的（与加工标准和进给量、冲油、间隙污染等有关），甚至在一次单脉冲放电过程中，也可能交替出现两种以上的放电状态。

11．加工速度vw或vw（mm3/min）或vm或Vm（g/min）

加工速度是单位时间（min）内从工件上蚀除加工下来的金属体积（mm3），以质量（g）计算时用vm或Vm表示，也称加工生产率。大功率电源粗加工时vw>500 mm3/min，但电火花精加工时，通常。

12．相对损耗或损耗比（损耗率）θ（%）

相对损耗或损耗比是工具电极损耗速度和工件加工速度的比值，并以此来综合衡量工具电极的耐损耗程度和加工性能。

13．面积效应

面积效应指电火花加工时，随着加工面积的变化而使加工速度、电极损耗比和加工稳定性等指标随之变化的现象。一般加工面积过大或过小时，工艺指标通常降低，这是由电流密度过小或过大引起的。

14．深度效应

随着加工深度的增加而使加工速度和稳定性降低的现象称为深度效应。深度效应主要是由电蚀产物积聚、排屑不良所引起的。

四、电火花加工的特点

1．电火花加工速度与表面质量

电火花机对模具加工时，一般会采用粗、中、精分档的加工方式。粗加工属于大功率、低损耗的方式，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿或在不影响精度要求时予以忽略。

2．电火花碳渣与排渣

电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。实际生产中往往会以牺牲加工速度来排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压、大休止脉波等。另一个影响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。

3．电火花工件与电极相互损耗

电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。电火花机粗加工一般采用长放电脉波和大电流放电，加工速度快、电极损耗小。在精加工时，小电流放电必须减小放电脉波时间，这样不仅加大了电极损耗，也大幅降低了加工速度。

五、电火花加工的应用

（1）电火花加工可以加工任何难加工的金属材料和导电材料。可以实现用软的工具加工硬、韧的工件，甚至可以加工聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。

（2）电火花加工可以加工形状复杂的表面，特别适用于表面复杂形状工件的加工，如复杂型腔模具加工。电加工采用数控技术以后，使得用简单的电极加工复杂形状零件成为现实。

（3）电火花加工可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。由于加工中工具电极和工件的非接触，没有机械加工的切削力，更适宜加工低刚度工件及微细工件。