精品表面加工技术

表面成型加工技术

电火花成型加工

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工.

1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。

50年代,改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。

60年代,出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。

70年代,出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。

电火花加工工作原理

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。

电火花加工工具电极

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。

电火花加工工作液

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低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

电火花加工分类

按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。

电火花加工的加工特性

1：电火花加工速度与表面质量

模具在电火花机加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。粗加工采用大功率、低损耗的实现，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。实际中往往以牺牲加工速度去排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压，大休止脉波等

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。唯有积极开创良好排除的条件，对症的采取一些方法来积极处理。

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，也大幅度降低了加工速度。

电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。

电火花加工的主要特点

1、能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；

2、加工时无切削力；

3、不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；

4、工具电极材料无须比工件材料硬并不受热处理状况影响；

5、直接使用电能加工，便于实现自动化；

6、脉冲放电持续时间极短，放电产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小；

7、加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；

8、工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦;

9、不能加工不导电的材料；

10、加工过程中，有因为使用控制不良，引起火灾的安全隐患；

11、加工效率较低（相对机械加工来讲）;

12、加工过程造成被加工件的内应力增加而变形，加工尺寸精度不高；

13、可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动

强度。

电火花加工的主要用途

①加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；②加工各种硬、脆材料如硬质合金和淬火钢等；③加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；④加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。

电火花加工的应用领域

电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。电火花加工零件的数量在3000件以下时，比模具冲压零件在经济上更加合理。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工可大体分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。

（1）电火花成形加工该方法是通过工具电极相对于工件作进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需要的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年来，为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，取得良好的社会经济效益.

（2）电火花线切割加工该方法是利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。按金属丝电极移动的速度大小分为高速走丝和低速走丝线切割。我国普通采用高速走丝线切割，近年来正在发展低速走丝线切割，高速走丝时，金属丝电极是直径为φ0.02～φ0.3mm的高强度钼丝，往复运动速度为8～10m/s。低速走丝时，多采用铜丝，线电极以小于0.2m/s的速度作单方向低速运动。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达0.0lmm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1.6 或更小。电火花加工具有如下特点：可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料；加工时无明显机械力，适用于低刚度工件和微细结构的加工：脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工

和精加工；电火花加工后的表面呈现的凹坑，有利于贮油和降低噪声；生产效率低于切削加工；放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。国内外数控电火花线切割机床都采用了不同水平的微机数控系统，实现了电火花线切割数控化。目前电火花线切割广泛用于加工各种冲裁模（冲孔和落料用）、样板以及各种形状复杂型孔、型面和窄缝等。

电火花成形加工技术的发展现状

目前在电火花加工基础理论研究领域，由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研究手段缺乏创新性，迄今尚未取得突破性进展。但在加工工艺和控制理论研究领域，由于研究成果可直接应用于生产实践，因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的领域，其研究热点主要集中在高效加工技术、高精密加工技术(如镜面加工技术)、低损耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术(如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等)以及操作安全、环境保护等方面。在工艺设备开发方面，目前的新型电火花成形加工机床在加工功能、加工精度、自动化程度、可靠性等方面已全面改善，许多机床已具备了在线检测、智能控制、模块化等功能，已不再是传统意义上的特种加工机床，而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心。

电火花成形加工技术的发展趋势

先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形加工技术提出了更高要求，同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺开发、设备更新提供了新的动力。今后电火花成形加工的加工对象应主要面向传统切削加工不易实现的难加工材料、复杂型面等加工，其中精细加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等将成为发展重点。同时，还应注意与其它特种加工技术或传统切削加工技术的复合应用，充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势，取得联合增值效应。相对于切削加工技术而言，电火花成形加工技术仍是一门较年轻的技术，因此在今后的发展中，应借鉴切削加工技术发展过程中取得的经验与成果，根据电火花成形加工自身的技术特点，选用适当的加工理论、控制原理和工艺方法，并在己有成果的基础上不断完善、创新。电火花成形加工机床向数控化方向发展的趋势已不可逆转，但应注意不可盲目追求“大而全”，应以市场为

导向，建立具有开放性的数控体系。总体而言，电火花成形加工技术今后的发展趋势应是高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、安全、环保等。

电火花成形加工理论的发展趋势

近年来，电火花成形加工的基础理论研究尚未取得实质性进展，虽然一些学者对加工过程的放电痕迹、材料蚀除原理等提出了一些新看法，但在电火花加工机理研究方面并未取得重大突破。较为活跃的研究领域主要集中在加工工艺理论和控制理论方面。在加工工艺理论研究方面，研究热点主要是如何提高电火花成形加工的表面质量和加工速度，降低损耗，拓展电火花加工的范围，以及探索复杂、微细结构的加工方法等。通过将研究成果应用于生产实践，全面提高了电火花成形加工的加工性能。在控制理论研究方面，智能控制一直是研究重点。国内外生产的新型电火花成形加工机床大多采用了智能控制技术，此项技术的应用使机床操作更容易，对操作人员要求更低。同时，智能控制系统具有自学习能力，可在线自动监测、调整加工过程，以实现加工过程的最优化控制。虽然电火花成形加工的理论研究在基础理论、加工工艺理论、控制理论等方面都有一定发展和提高，但加工工艺理论、控制理论要得到更进一步全面发展，就必须在整个放电过程机理的研究上有所突破。因此，电火花成形加工理论研究的发展趋势将是在进一步探讨加工工艺理论和控制理论，提高电火花成形加工的加工性能及加工范围，取得更好控制效果的同时，重点研究放电过程的机理。电火花成形加工机理研究未取得突破性进展的主要原因除放电过程本身的复杂性、随机性外，还由于研究方法及手段缺乏创新性。因此，有必要借鉴其它研究领域的成功经验，引人先进的研究方法和试验技术，克服传统研究方法的局限性、深人剖析和揭示整个放电过程的内在本质，建立可客观反映放电过程规律的理论模型，以指导电火花成形加工工艺理论和控制理论的研究，而计算机仿真技术可能是实现这一过程的有效工具。

电火花成形加工设备结构的改进

借鉴现代切削加工机床的发展经验，电火花成形加工设备向数控化方向发展是一个不可逆转的趋势。一方面应以高精度、高速度、自动化为追求目标，以技术优势占领市场；另一方面应充分考虑设备的性能价格比，通过对机床功能的合

理定位，进行结构改进和模块化设计，采用开放性的数控系统，提高机床设计的合理性，以最低的价格和足够的功能向用户提供可满足不同加工需要的各类电火花成形加工机床。受现代切削加工技术发展的冲击，以前适合采用电火花加工的一部分加工领域已逐步为切削加工方式所替代。但是，现代科技的发展对零件的制造精度提出了更高要求，各种高性能材料的应用日益广泛，同时，一些零件结构趋于复杂化、微型化、薄型化，这都使切削加工技术在某些加工领域的应用受到限制，而这些恰好是电火花成形加工的技术优势，也是其具有生存空间和发展潜力的现实依据。为全面推动电火花成形加工设备的技术进步，在采用先进控制系统的同时，机床结构的设计也需要进一步完善，其主要发展方向表现在以下两方面：

(1)直线伺服系统的应用。电火花成形加工设备采用直线电机伺服系统可使加工性能获得明显改善，具体表现为:①可实现轴的直接直线运动，省去丝杠一螺母传动环节，从而保证轴的高速运动；②采用直线电机与滑板一体化结构，可消除滑板与电机之间因存在中间环节而引起的机械响应滞后现象，提高系统的灵敏度，缩短动态响应时间，保证加工过程的稳定性；③直线电机伺服系统的运动方式决定了其位置检测环节必须采用直线位置反馈元件，实现无中间环节的直接位置检测，从而构成一个全闭环系统，保证加工过程的高精度及精度保持性。目前，直线伺服系统的应用在深窄、微小型腔加工及模压零件一模多腔加工方面具有明显的技术优势。但是，这些技术优势要真正实现，除需结合电火花成形加工放电过程特性，解决直线伺服系统本身的技术难题外，还必须解决一系列与直线伺服系统配套的相关技术，如直线运动系统的动力平衡、工作台的结构改进等。

(2)机床运动方式的改进。突破现有电火花成形加工机床运动方式的局限性，是发挥其技术优势、推动其产业发展的另一重要途径。借鉴现代切削加工技术的发展经验，可在机床主要的加工成形运动基础上引人圆周运动，特别是采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，以适应不同种类工件的加工要求，扩大电火花成形加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。目前，国内外许多电火花成形加工机床在运动方式上作了一些改进，如瑞士阿奇公司生产的AGIF MONDO STAR20(50)机床拥有EQUIMODE功能，

能实现空间任何方向的半球平动，这种平动功能在实际加工中具有很高实用价值。但目前电火花成形加工机床增设的运动方式还较为单一，应用范围有限。电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破，一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。最近，日本东京大学余组元博士、增泽隆久教授等提出了电极等损耗概念，即通过对加工路径的合理规划，可使电极损耗处于等损耗状态，从而使电极损耗的补偿变得极为简单。这一概念的提出为电火花成形加工运动方式的改进提供了必要的理论依据。当然，由此产生的机床结构改变及其相关技术理论的研究还需进一步深人与完善，甚至有可能发展出一种全新的加工理论。

电火花成形加工技术现在还在广泛的应用，随着信息技术、网络技术、航天和航空技术、材料科学技术等高新技术的发展，电火花成形加工技术也朝深层次、更高水平的方向发展。虽然一些传统加工技术通过自身的不断更新发展以及其他相关技术的融合，在一些难加工材料加工领域表现出了加工效率高等优势，但随着这些技术的应用没有也不可能完全取代电火花成形加工技术在难加工材料、复杂型面、模具等加工领域中的地位。相反，电火花成形加工技术通过借鉴其他加工技术的发展经验，正不断向微细化、高效化、精密化、自动化、智能化等方向发展。相信将来电火花成型加工技术能给人们带来更大的利益。