电火花加工用脉冲电源

电火花加工及其脉冲功率电源的研究

电火花加工又称放电加工( electrical discharge machining, 简称ED)由于其能进

行难切削材料和复杂形状零件的加工，而得到广泛的应用。其中最主要的部分是脉冲电源，脉冲电源的技术性能好坏直接影响电火花成形加工的各项工艺指标，如加工质量精度、加工

速度、电极损耗等。本文将对电火花加工的原理及其脉冲电源进行简要介绍和研究。

一、电火花加工的工作原理

进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工

作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达

到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放电的微细通道

中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工

作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成

固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。

紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上

述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，

就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状

相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较

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

低、哥、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

图1电火花加工基本原理

图2数控电火花成型加工机床基本组成

、电火花加工的特点和应用 ⑴电火花加工的优点

① 适合于难切削材料的加工。 电火花加工是靠放电时的电热作用实现的，

材料的可加工

性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等，而

几乎与其力学性能（硬度、强度等）无关，因此电火花加工突破了传统切削工具的限制，实 现了用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶金刚石，立方氮化硼一类的超硬材料。

② 可以加工特殊及复杂形状的零件。

电火花加工中工具电极和工件不直接接触，

没有机

械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及细微加工。 由于可以简单地将工具电极的形状 复制到

工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。

③ 易于实现加工过程自动化。 电火花加工直接利用电能加工，

而电能、电参数易于数字

控制，因此电火花加工适应智能化控制和无人化操作等。

改善其结构的工艺性。例如采用电火花加工可以将拼 从而减少了模具加工工时和装配工时， 延长了模具

不能用来加工塑料、 陶瓷等绝缘的非导电材料， 在一 定条件下可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。

② 加工速度一般较慢。因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量， 然后再进行 电火花加工，以提高生产率，如果采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工， 其粗加工生

产率可以高于切削加工。

③ 存在电极损耗。因此电火花加工靠电、

热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极

损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。现在，粗加工时电极相对损耗比可以将至 0.1%

以下，在中、精加工时能将损耗比将至

1%甚至更小。

④ 最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径等于工作间隙

（通常为

0.02~0.03mm ），若电极有损耗或采用平动头加工，

则角部半径还要增大。现在，多轴数控电 火花加工

④可以改进加工零件的结构设计， 镶结构的硬质合金冲模改为整体式结构, 的使用寿命。

⑵电火花加工的局限性

①只能用于加工金属等导电材料，

主铀头

手动童

脈冲电原

工作液

操作面板

「工作台渥

工作浚箱

机床采用X Y、Z轴数控摇动加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底面。

⑶电火花加工的主要应用

①加工各种金属及其合金材料，导电超硬材料（如聚晶金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷

等），特殊的热敏材料，半导体和非导体材料。

②加工各种复杂形状难加工的型孔和型腔工件，包括加工圆孔、方孔、异形孔、微孔、深孔等型孔工件，特别适宜于加工弱刚度、薄壁工件的复杂外形，及各种型面的型腔工件，弯曲孔等。

③各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构零件的切断、切割微细窄缝及细

微窄缝组成的零件（如金属栅网、慢波结构、异形孔喷丝板、激光器件等）。

④结构各种成形刀、样板、工具、量具、螺纹等成形器件。

⑤工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、外圆平面等磨削和成形磨削。

⑥刻写、打印名牌和标记。

⑦表面强化和改性，如金属表面高速淬火、渗氮、渗碳、涂敷特殊材料及合金化等。

⑧辅助用途，如去除折断在零件中的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。

由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，电火花加工技术已广泛用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、电子、原子能、计算机

技术、仪器仪表、电机电器、精密机械、汽车拖拉机、轻工等行业、以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题，加工范围从微小的轴、孔、缝、到超大型模具和零件。为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的设计改进与制造提供了新的加工技

术，为现代科学技术的发展和试验设计水平的提高提供了有效的手段。

三、电火花加工脉冲功率电源

电火花成形加工机床的脉冲电源的作用是把普通220V或380V、50Hz交流电转换成在一

定频率范围，具有一定输出功率的单向脉冲电，提供电火花成形加工所需要的放电能量来蚀

除金属，满足工件加工要求的设备装置。

⑴电火花加工脉冲电源的分类

电火花加工脉冲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，按脉冲产生形式分为两大类，即非独立式脉冲电源和独立式脉冲电源；按功能可分为等电压脉

宽（等频率）、等电流脉宽脉冲电源；模拟量、数字量、微机控制、智能化等脉冲电源。

国外在40-50年代、我国在50-60年代初，都曾在电火花加工中广泛地使用弛张式脉冲电源。这种电源的基本电路是RC型和RLC型等电路。工作原理是利用电容器存储电能，而

后瞬时放电，成为脉冲电流，达到蚀除金属的目的。因为电容器时而放电，时而充电，一张一弛，故称为弛张式电源。因为这种线路的脉冲参数（放电波形、脉冲延时、放电频率及放电能量等）直接受加工过程中的电极间隙物理状态的影响（加工间隙的大小及介质的污染程

度等），所以称为非独立式脉冲电源。

①RC型脉冲电源

RC线路是弛张式脉冲电源中最简单、最基本的一种，原理电路如图3。