电火花技术存在的问题分析及解决对策

电火花技术存在的问题分析及解决对策
作者：姜志兵
来源：《硅谷》2010年第22期
摘要：电火花加工是利用工具电极与工件之间脉冲性的火花放电，产生瞬时高温经金属蚀除，广泛运用于各种模具的穿孔及型腔的加工。

关键词：电火花；加工；模具
中图分类号：TG5文献标识码：A文章编号：1671－7597（2010）1120144－01
电火花加工是利用工具电极与工件之间脉冲性的火花放电，产生瞬时高温经金属蚀除，对于难以切割的材料，如：钛合金、复合材料、粉末冶金等，以及特殊及复杂形状零件，如：模具复杂型腔、发动机叶片、燃烧室、喷油嘴、薄壁原件等的加工有巨大的优势，广泛运用于各种模具的穿孔及型腔的加工。

据统计，模具行业中的30%～50%的加工量由电加工机床完成。

1 电火花加工原理及加工阶段
1.1 加工原理。

以正极性接法为例。

工具电极和工件电极都浸泡在工作液中，工作时，工具电极缓缓下降与工件电极保持一定的放电间隙，由于电火花加工是脉冲放电，极间的液体介质被击穿而发生脉冲放电，其加工表面由无数个脉冲放电小凹坑组成，工具的轮廓和截面形状就在工件上形成，如型孔或型腔等形状。

将工件接阳极为正极性加工，将工件接阴极为负极性加工。

在脉冲放电初期，由于电子质量轻、惯性小，较快获得高速度而轰击阳极，因此阳极的蚀除量大于阴极。

随着放电时间的增加，离子或的较高的速度，又由于离子质量大，而轰击阴极的动能较大，因此阴极的蚀除量大于阳极。

所以控制脉冲宽度就可以选择两极蚀除量的大小。

当采用短脉冲时（300μs），以离子轰击为主，阴极蚀除量较大，选负极性加工，适合粗、半精加工。

1.2 加工阶段：电火花加工是电力、磁力、热力和流体动力等综合作用的结果，一般可以分为四个连续的加工过程。

1）液体介质电离、击穿、形成放电通道；2）火花放电产生溶化、气化、热膨胀；3）蚀除物由液体介质排放电间隙之外；4）放电间隔，极间恢复绝缘（消电离），而完成一次脉冲放电腐蚀。

2 电火花加工的分类及适用范围
电火花加工分电火花成型加工、电火花线切割加工、电火花磨削和电火花展成加工等。

其中电火花加工中两个重要组成是电火花成型加工和电火花线切割加工，二者在形式上有差别，但是它们的原理是相似的，都是利用电极对工件进行脉冲放电腐蚀来实现的。

但电火花线切割加工不需要制作成型电极，而是采用细金属丝作为工具电极。

电火花成型加工主要有穿孔加工、型腔加工和切断加工等。

电火花线切割加工从上世纪六十年代末开始数控以来，一直处于快速发展阶段，虽然比成型加工的形成要晚，但是比成型加工技术成熟，产值也高出近一倍。

除应用于模具制造外，在零件加工方面，特别是多品种、小批量的异形、难以加工材料的零件及微细精密零件有较大的潜力。

电火花线切割加工又分为快走丝和慢走丝加工两种，视具体需要而选择使用。

此外，电火花还可以用来强化金属表面，强化后进行适当的磨削加工，磨削后不仅不会影响强化层的硬度和耐磨度，还会在表面残留微孔，改善配合零件的润滑条件，改善耐磨性能，延长模具使用寿命。

3 电火花加工中存在的问题分析及解决对策
3.1 脉冲电源。

电火花机床脉冲电源是把交流电转换成高频单向电脉冲，使工具电极和工件电极之间产生火花放电，提供击穿加工介质所需要的电压，并在间隙击穿后提供能量以蚀除金属，其性能的好坏直接影响放电加工的速度、精度、稳定性能、工件表面粗糙度及电极耐加工性，因此，成为产品更新换代的标志。

传统形式的电火花加工脉冲电源有弛张式RC脉冲电源、可控硅脉冲电源等，但不能满足现代加工的要求，我国电火花机床拥有量较大，但是大都采用传统电源。

随着电子技术、计算计技术、现代控制理论的发展，出现了许多新型的脉冲电源，如：节能式脉冲电源、超精加工和微细加工脉冲电源、智能化脉冲电源、无电解脉冲电源等。

3.2 电火花加工后工件表面变质层。

电加工的加工机理是电物理过程，即局部瞬间高温作用使工件表层金属熔化和气化而被抛离金属工件。

不可避免的会产生微观的组织变化、再结晶作用、热损伤区、应力变化和残余应力等。

对于模具的型腔和型芯表面质量的好坏直接影响产品的质量和模具寿命，所以要消除电加工的热影响层，降低表面粗糙度。

表面层可以用机械抛光及电化学机械光整加工，但模具加工后表面粗糙度值较高，一般为Ra=3.2μs左右，所以用上面的方法加工效率低下，光整加工工序工时占模具总制造时间的20%～25%，费用占模具总成本的15%～30%，使模具成本升高。

因此提出用脉冲电化学机械光整加工，以提高模具型腔光整加工的效率和质量。

3.3 误差复映。

在电火花线切割加工中，由于存在电极丝的挠性，因此会出现误差复映。

一般来说，不管是快走丝还是慢走丝，第一遍常规粗加工的尺寸精度不会小于0.015mm。

这是
由于在放电与工作液射流共同作用下，电极丝会出现挠曲变形、电极丝与理论轨迹间的偏离、工件材料的变形、放电表面缺陷存在等原因。

线切割中的误差复映，可以通过多次切割逐渐修正粗加工带来的误差，减少到尽可能小的程度，把工件磨成符合规定的尺寸和粗糙度。

3.4 电极损耗。

电火花加工电极的损耗对加工精度影响极大，因此电极损耗控制是电火花加工过程的重要组成部分。

电极损耗在线测量较难，所以常采用通过特征量的在线监测，控制实际的电极损耗。

但构成的特征量没有考虑峰值电流和加工面积，而这两个参数对电极损耗影响非常大。

不同电流的特征量不具有可比性，所以不能用这些特征量来补偿不同标准下电极损耗引起的尺寸误差。

构造的特征量只适用于等频式电源，而等能式电源放电量和电极损耗不随放电频率而改变，电极损耗控制由复杂的在线控制转化为加工参数的离线优化。

另外，加工面积对电极损耗的影响也很大，当平均电流密度大于某一临界值时，电极损耗骤增，称面积效应。

所以加工时先用小电流加工，并适时变换规准，直到电极和工件贴合后，才用大规准。

实践证明，用加工面积的在线识别引入电极损耗控制，可以降低加工全过程的电极损耗。

3.5 变形。

电火花切割凸凹模具时，常会出现模块变形甚至开裂现象，当线切割去除大量多余材料时，应力平衡系统被破坏，于是产生了变形。

所以在切割之前，应该预先去除大部分的加工余量，使大部分残留变形量留在粗加工阶段，然后再进行线切割加工。

此外，还可采取侧面切入、封闭切割、坯模穿孔、封闭切割等方法进行切割，解决变形问题。

总之，电火花加工时切削加工技术的主要发展方向之一，对电火花加工的研究及应用将提高我国制造业工业产品的水平。

随着CNC技术、微电子技术、计算机技术、数控技术、遥感技术、数码技术的发展，电火花加工技术将会拥有更加美好的未来。

参考文献：
[1]狄士春，电火花加工脉冲电源研究现状与发展趋势[J]，机械工程师，2002（10）.
[2]郭洁民，电火花加工技术问答[M]，北京，化学工业出版社，2008-2-1.。