POCO技术手册_第3章

第三章火花控制

第一节电火花加工周期

每个加工周期由脉宽和间歇组成（图3-1），它们均以微秒为单位。由于电蚀在放电时才进行，所以脉宽及其频率至关重要。

1. 脉宽（脉冲持续时间）

金属蚀除量同脉冲能量成正比。后者由峰值电流和脉宽决定。脉宽越长，蚀除的金属材料越多，产生的蚀坑越深越宽，由此得到的工件表面比较粗糙。同时延长脉宽意味着更多的热能作用于工件并向下延展，这样势必造成更厚的硬质层，而氧化层也更深了。

脉宽过长会影响加工效率。如果超出对应于每个电极和工件组合的最佳脉宽时，加工速度（MRR）实际上是下降的。

电极——较宽的脉冲可以使电极处于无损耗状态。但超过一定数值，再延长脉宽就会造成电极增长（负损耗），就像电镀一样。

工件——有研究表明最佳脉宽可使工件金属的熔化层达到最深，而且热量能够散发，不再熔化更多的金属，这时型腔底部的温度降至熔点以下。

图3-1。每个电火花加工周期都由脉宽和间歇组成。

2. 间歇（脉冲中断时间）

从一个循环到下一个循环开始，必须有足够长的间歇，这样才算完成一个周期。间歇会影响加工速度和稳定性。理论上而言，间歇越短，加工速度越快。但如果间歇过短，介质油就无法将杂质冲洗干净，本身也无法消除电离。由此造成下一次放电不稳定，循环变形，伺服系统自动回撤，与较长且稳定的间歇相比，反而会降低加工速度。

3. 能量

电火花的能量由电流强度、电压和脉宽

三者共同决定。

电流——在脉冲持续时间内，电流从零一直上升到设定值，即电流峰值（图3-2）。

电压——电流产生之前，放电间隙内的电压不断增加直到介质油中形成电离通道（图3-2）。一旦电流产生，电压便很快下降，并稳定在预设的工作间隙电压。该值决定了电极端面同工件之间放电间隙的宽度。电压值越高，放电间隙越宽，冲油条件就越好，加工也比较稳定。但是，使用石墨作为电极时，高电压会增加电极的损耗。

4. 极性

极性是指电极的极性，它决定了电流的方向。电极极性正负皆可。根据不同的加工情况，有时改变极性可以改善加工效果。通常，将石墨作为电极时，使用正极性损耗较少，使用负极性则加工速度较快。本手册第八章的电极极性图表指南列出了一些工件材料的例外情况（第8-2页）。

第二节基本操作参数

基本加工参数设置包括：极性、脉宽、间歇和峰值电流（Ip）。这些参数还可以用占空比、频率和平均电流表示。

图3-2。一旦电压产生了电离通道，电流就开始增强，电压便降至预设工作值。电流在加工周期的有效脉宽时升至最高点。

1. 占空比

占空比是脉宽占整个周期的百分比。通常，比率越高，加工效率越高。将脉宽除以整个周期时间（脉宽+间歇）再乘以100就是占空比或效率的百分比。

脉宽（μs）

占空比（%）= x 100

整个周期时间（μs）

2. 频率

频率指一秒钟内电火花加工周期在放电间隙内循环的次数。频率越高，得到的表面光洁度越好，因为频率变快，脉宽就变短（图3-3），这样蚀除的金属少，形成的蚀坑小，而且热能对工件产生的破坏小，因此加工后的表面更光滑。

粗加工通常使用低频率。较长的脉宽能蚀除较多的金属，形成较深较宽的蚀坑。但会有更多的热能作用于工件，使硬质层加厚，氧化层更深。

频率以千赫（KHz）为单位，用1000除以一个周期的时间，其中周期的时间以微秒为单位。

1000

频率（KHz）= ------------------------------------

一个周期的时间（μs）

3. 平均电流

峰值电流是电源产生的脉冲所能达到的最大电流值。平均电流是整个周期火花间隙内电流的平均值，该值在加工过程中显示在电火花加工机床的电流表上。理论上说，平均电流可以通过占空比和峰值电流的乘积得出。它是衡量加工效率的指标之一。

平均电流(A)= 占空比（%）x 峰值电流（IP）

图3-3。使用不同的频率得到的工件表面光洁度不同。

第三节利用电火花能量进行加工

金属的蚀除在放电时间内进行。如果峰值电流和脉宽固定，即使平均电流由于间歇的改变而改变，电火花能量也保持恒定。因此间歇的改变不会影响金属的蚀除量和表面光洁度。

改变间歇会影响频率，从而改变加工速度。而表面光洁度只取决于脉宽和峰值电流两个参数。

下例（图3-4）中使用的是恒定的50微秒脉宽和15安培峰值电流，占空比为50%，间隙为50微秒。占空比降为33%时，因为间歇延长了，金属蚀除量显著下降。此时，将间歇减半，占空比达到67%，加工速度明显提高。

上述三种占空比所蚀除的金属量没有多大改变，所以三者加工后的表面光洁度差异很小。我们还必须注意，当占空比较高时，电极的损耗，特别是端面损耗（EW）降到了很小的程度。

图3-4。占空比的改变与金属蚀除率和表面光洁度的关系。增大占空比能够提高加工速度。

注：表面光洁度并未在图中坐标轴上标出。在此仅给出数值。过切削（间隙）

电火花加工的型腔总是比电极宽。两者的差异称之为过切削（间隙）（图3-5）。过切削（间隙）随着电流强度和脉宽的增加而变宽。这两个参数直接影响过切削（间隙）的宽度和表面光洁度。为了正确加工电极，必须明确过切削的数值（间隙值）。多数机床制造商会提供精确的数据。

图3-5。工件与电极不直接接触。电极总是比型腔小，这样才能留出火花间隙。

第四节电火花加工实例

电火花机床使用者的职责是控制加工参数，达到预期效果。改变脉宽和（或）间歇会改变占空比和频率，再加上改变峰值电流，则加工速度、电极损耗和表面光洁度均会发生变化。

以下例子显示了改变不同参数所得到的结果。所有加工都采用正极性、工件材料为工具钢、电极材料用POCO的EDM-3、加工时间为5分钟。每次加工都测出加工速度、电极端面损耗和表面光洁度。

例1——基本加工

本例为基本切削（图3-6）。一个周期的时间为100微秒，其中脉宽为40微秒，间歇为60微秒。峰值电流为50安培。从以上数据可得出占空比和频率。

计算占空比的公式如下：

脉宽（μs）

占空比(%)= x 100

整个周期时间（μs）

40μs

= x 100 = 40%

（40+60）μs

计算频率公式如下：

1000

频率（千赫）= 一个周期的时间（μs）

1000

= （40+60 μs）= 10千赫

现状——使用40%的占空比和10千赫的频率将得到一定的表面光洁度和加工速度。

实际结果

加工速度(MRR) = 0.8in3/hr

电极损耗率(EW) = 2.5%

表面光洁度(SF) = 400 μinR a

图3-6。例一的加工参数及一个周期内对工件产生的作用。