电火花加工的机理与优化探讨

电火花加工是应用工具电极与工件(正负电极)之间发生脉冲性火花放电时产生的瞬间高温,通过电腐蚀现象来蚀除多余的金属,从而达到所需尺寸加工成形质量的预定要求的加工过程。

如图6-2所示,通过脉冲电源2把适当的脉冲电压(正极和负极)加到两个电极(工件1和工具4)上,使其保持一个很小的放电间隙,在理想的条件下即相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿工作液介质5,在其加工表面产生火花放电。瞬时高温使工件和工具表面都蚀除一些金属,并形成一个个小坑,如图6-3所示。

图6-2　电火花加工原理

1—工件；2—脉冲电源；3—主轴头；4—工具电极；　　5—工作液；6—过滤器；7—工作液泵

一个物体,在微观上其表面总是凹凸不平的,即由无数个高峰与凹谷组成,当介质击穿时,形成放电通道,释放出大量能量,工件表面被电蚀出一个坑来,工件表面的最高峰变成凹谷,另一处场强又变成最大。在脉冲能量的作用下,该处又被电蚀出坑来。这样以很高频率连续不断地重复放电,工具电极不断地向工件进给,就可将工具的形状复制在工件上,加工出需要的零件来。

图6-3　脉冲性火花放电的电腐蚀现象

(a)单个脉冲放电后的电蚀凹坑；(b)连续脉冲放电后的电极表面

在液体介质小间隙中进行单个脉冲放电时,每次电火花蚀除的微观过程都是电场力、磁力、热力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。材料电腐蚀过程大致可分成电离-击穿形成放电通道,如图6-4所示；放电-热蚀阶段,如图6-5所示；介质抛出-消电离阶段,如图6-6所示。

图6-4　电离-击穿阶段

(a)初始电场建立；(b)电子发射通道形成(www.xing528.com)

图6-5　放电-热蚀阶段

(a)介质热分解气泡形成；(b)汽化热膨胀

图6-6　介质抛出-消电离阶段

(a)材料抛出；(b)气泡收缩消电离

其过程简述如下：

①处在绝缘的工作液介质中的两电极,两极加上无负荷直流电压Uo,伺服轴电极向下运动,极间距离逐渐缩小。

②当极间距离——放电间隙小到一定程度时(粗加工时为数十微米,精加工时为数微米),阴极逸出的电子,在电场作用下,高速向阳极运动,并在运动中撞击介质中的中性分子和原子,产生碰撞电离,形成带负电的粒子(主要是电子)和带正电的粒子(主要是正离子)。当电子到达阳极时,介质被击穿,放电通道形成。

③两极间的介质一旦被击穿,电源便通过放电通道释放能量。大部分能量转换成热能,这时通道中的电流密度高达104～109 A/cm2,放电点附近的温度高达3 000℃以上,使两极间放电点局部熔化或气化。

④在热爆炸力、电动力、流体动力等综合因素的作用下,被熔化或气化的材料被抛出,产生一个小坑。

⑤脉冲放电结束,介质恢复绝缘。