特种加工-第二章电火花加工

降低工具电极损耗的方法（3－4）
利用传热效应 工具材料的导热性 ＞ 工件 控制脉冲电流增长率（di/dt） 优选电极材料（热学性能好） 采用熔点、沸点高的难加工材料 常用电极材料

铜钨、银钼：熔点高、工艺性差（精加工） 铜：熔点低、但导热性好，工艺性好（常用） 石墨：热学性能好、吸附游离碳（常用）

2.4 电火花加工用脉冲电源
脉冲电源的分类： RC线路脉冲电源

晶体管式脉冲电源
各种派生脉冲电源
2.5 电火花加工的自动进给调节系统

自动进给调节系统的任务：在于维持一 定的“平均”放电间隙S，保证电火花加 工正常而稳定地进行，以获得较好的加 工效果。
2.5 电火花加工的自动进给调节系统


加工效率低，0.01～10g/min
电极有损耗，影响加工精度
只能加工导电材料
2.7.2 电火花穿孔成形加工
电火花穿孔成形加工的分类：
加工方法
穿孔加工 型孔 型腔加工 型腔模 型腔零件
加工对象
模具
应用例
冲模、粉末冶金模、 挤压模 各种型孔、小孔、 深孔 锻模、塑料模 各种复杂曲面
3.应用
2.7.3 冲模的电火花加工
2.3.4 电火花加工的表面质量（1）

表面粗糙度



无方向性的小坑和硬凸边组成 一般可达到 Ra1.25~0.32 μm 采用平动工艺时，可达到 Ra0.63~0.04μm 电火花磨削时，可达到 Ra0.04~0.02 μm
影响表面粗糙度的因素 电蚀量大（WM），Ra下降 难加工材料（熔点高），相同WM下Ra小 工具表面Ra小，加工表面的Ra小
（2）多电极更换法
采用多个电极依次更换加工同一个型腔，每个电极加工 时必须把上一规准的放电痕迹去掉。一般用两个电极进行 粗、精加工就可满足要求；当型腔模的精度和表面质量要 求很高时，才采用三个或更多电极进行加工，但要求多个 电极的一致性好、制造精度高；另外，更换电极时要求定 位装夹精度高，因此一般只用于精密型腔的加工，例如盒 式磁带、收录机、电视机等机壳的磨具，都是用多个电极 加工出来的。
影响电蚀量的其他因素

电参数（单个脉冲能量WM）

工件材料热学常数

比热容、熔点、熔化热等

工作液

工作液作用：放电通道、压缩、排除产物、冷却 影响：介电性好、粘度大→压缩性好、排屑差

粗加工：机油（压缩在作用好） 半、精加工：煤油（排屑作用）

线切割：去离子水（冷却）
2.3.2 电火花加工的速度和工具损耗速度

自动进给调节系统的基本组成
自动进给调节系统分类： 1.电-液自动进给调节系统 2.电-机械式自动调节系统
2. 6 电火花加工机床
机床主体 三坐标 五坐标 脉冲电源 自动进给调节系统 工作液净化循环系统
4. 工作液循环过滤系统
工作液循环过滤系统包括工作 液箱、电动机、泵、过滤装置、工 作液槽、油杯、管道、阀门、引射 器以及测量仪表等。
2.7.3.2
工具电极
（1）电极材料的选择 凸模一般选优质高碳钢T8A、 T10A或铬钢Cr12、GCr15， 硬质合金等。应注意凸、凹模不要选用同一种钢材型号， 否则电火花加工时更不易稳定。 （2）电极的设计 要求工具电极的尺寸精度和表面粗糙度比凹模高一级， 一般精度不低于IT7，表面粗糙度小于Ra1.25μm，且直线 度、平面度和平行度在100mm长度上不大于0.01mm。工具电 极应具有足够的长度，若加工硬质合金时，由于电极损耗 较大，电极还应适当加长。工具电极的截面轮廓尺寸除考 虑配合间隙外，还要比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一 个加工时地火花放电间隙。
2.7.3.4 电规准的选择及转换
冲模加工中，常选择粗、中、精三种规准。对粗规准的要 求是：生产率高；工具电极的损耗小。转换中规准之前的表 面粗糙度应小于Ra10μm，否则将增加中精加工中的加工余 量与加工时间；加工过程要稳定。所以，粗规准主要采用较 大的电流，较长的脉宽（ 50～500μs ），采用铜电极时电极 相对损耗应低于1％。中规准用于过渡性加工，以减少精加 工时的加工余量，提高加工速度，中规准采用的脉宽一般为 10～100μs。精规准用来最终保证模具所要求的配合间隙、 表面粗糙度、刃口斜度等质量指标。应采用小的电流，高的 频率、短的脉宽（一般为2～6μs）。
放电间隙中的电蚀产物除了靠 自然扩散、定期抬刀以及使工具电 极附加振动等排除外，常采用强迫 循环的方法加以排除，以免间隙中 电蚀产物过多，引起已加工过的侧 表面间“二次放电”，影响加工精 度，此外也可带走一部分热量。
2. 7 电火花加工的应用
2.7.1 电火花加工的特点

适于难加工材料的加工（应为导电材料） 可加工特殊、复杂形状的零件 无明显的机械力，可加工低刚度件、微细件 调节电参数，可进行粗、精加工
－
+
2. 2 电火花加工的机理

一次电火花腐蚀的微观过程（3）

电极材料抛出
存在下面三种作用
－
热爆炸力 瞬时膨胀 电动力 正负离子对电极的 冲击压力
+
流体动力 蒸发、分解气体
2. 2 电火花加工的机理

一次电火花腐蚀的微观过程（3）

电极材料抛出
气化区 熔化区 热影响区 无变化区
加工Fra Baidu bibliotek度 vw
单位时间内工件的电蚀量
损耗速度 vE
单位时间内工具的电蚀量
工具的相对损耗
vE 100% vW
降低工具电极损耗的方法（1）

利用极性效应

正极性加工：工件接正极，窄脉冲、精加工 负极性加工：工件接负极，长脉冲、粗加工
θ
工具：纯铜 工件：钢 工作液：煤油
采用一个电极完成型腔的粗、中、精加工的。首先采用低 损耗、高生产率的粗规准进行加工，然后用平动头作平面小 圆运动，按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准。与此同时 依次加大电极的平动量，以补偿前后两个加工规准之间型腔 侧面放电间隙差和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿型修 光，完成整个型腔模的加工。
图平动头的运动轨迹

电火花加工表面粗糙度

粗加工表面

半精加工表面

精加工表面
2.3.5 电火花加工的表面质量（2）

表面变质层



熔化凝固层：熔化但未抛出后冷却 热影响区：没熔化，但金相组织有变化，与基层无明显界限 显微裂纹：由聚冷聚热产生的拉应力引起微裂纹

显微硬度、耐磨性

表层硬度较高，类似淬火 耐磨性好，但对于滚动干摩擦，表层（熔化凝固层）易脱落
2.3.3 影响加工精度的主要因素
主要讨论与电火花加工工艺有关的因素 主要因素：放电间隙的大小及其一致性、 工具电极的损耗及其稳定性。 精加工的放电间隙一般只有0.01mm(单 面)，而在粗加工时则可达0.5mm以上。

2.3.3 影响加工精度的主要因素

二次放电：指已 加工表面上由于 电蚀产物等的介 入而再次进行的 非正常放电，集 中反映在加工深 度方向产生斜度 和加工棱角棱边 变钝方面。
L1
其中火花间隙值Sl主要决定于脉冲参数与机 床的精度，只要加工规准选择恰当，保证加工 的稳定性，火花间隙值Sl的误差很小，因此， 只要工具电极的尺寸精确，用它加工出的凹模 也是比较精确的。
L2
SL
2.7.3.1 电火花穿孔加工的工艺方法
1. 直接配合法 直接配合法是用加长的钢凸模作电极加工凹模的 型孔， 加工后将凸模上损耗的部分去除。 凸、 凹模的 冲裁间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。 2. 修配凸模法 凸模和工具电极分别制造， 在凸模上留有一定的 修配余量， 钳工按电火花加工好的凹模型孔修配凸模， 达到所要求的凸、 凹模冲裁间隙。 3. 配作电极法 工具电极和凸模分别制造， 但电极的断面尺寸根 据凸、 凹模冲裁间隙的要求， 以及所选电规准的放电 间隙进行配作， 使电火花加工后的凹模与凸模配合后 能获得所要求的冲裁间隙。 这种加工方法的缺点与修 配凸模法类似。
电火花穿孔加工演示
2.7.4 型腔模的电火花加工 型腔模加工难度大
属于盲孔加工
电蚀物不易排除 电极损耗不易补偿
加工面积大
各点的电极损耗不均匀
电极损耗不均匀
电火花成型加工演示
2.7.4.1型腔模电火花加工的工艺方法
型腔模电火花加工主要有单极平动法、多电极更换法和分 解电极加工法等。 （1）单电极平动法
2. 2 电火花加工的机理

一次电火花腐蚀的微观过程（4）

极间介质消电离
－
带电离子
→ 中性离子
介质恢复绝缘 电蚀物排除
热能排除
＋
2. 2 电火花加工的机理

电火花加工表面局部 放大图
(a) 单脉冲放电凹坑
(b) 多脉冲放电凹坑
2. 3 电火花加工中的基本规律
2.3.1 影响材料电蚀量的主要因素 极性效应 电参数 金属材料热学常数 工作液 其他因素
（3）电极的制造
冲模电极的制造，一般先经普通机械加工，然后成型磨 削。目前，直接采用电火花线切割加工电极获得广泛应用。
2.7.3.3工件的准备
电火花加工前，工件（凹模）型孔部分要加工预孔，并 留适当的电火花加工余量。余量的大小应能补偿电火花加 工的定位、找正误差及机械加工误差。一般情况下，单边 余量为0.3～1.5mm，并力求均匀。对形状复杂的型孔，余 量要适当加大。
•负极性加工 •正极性加工
— －
＋
脉宽ti（μs）
降低工具电极损耗的方法（2）

利用吸附效应（碳黑膜）
电场作用
碳氢化合物
碳 电极金属
金属碳化物 微粒
碳胶粒 （带负电荷）
高温热分 解
化学吸附碳层 （炭黑膜）
只适用于负极性加工 对形成炭黑膜有利的因素
加工前的电极 加工后的电极
脉宽大、脉间小 工作液流动速度和压力小
极性效应对电蚀量的影响

极性效应

电火花加工过程中，由于正、负极性不同而电蚀量 不同的现象。
产生极性效应的原因 应用


正极性加工：工件接在脉冲电源的正极 负极性加工：工件接在脉冲电源的负极 － － ＋ －
电子的质量<正离子的质量 电子的惯性小 窄脉冲：正极性加工 长脉冲：负极性 加工
＋
＋
脉冲电压波形
加工原理图
电火花加工设备(Sodick A35R)
设备组成
自动进给调节系统 脉冲电源 工作液循环过滤系统
2. 2 电火花加工的机理

一次电火花腐蚀的微观过程（1）

极间介质的电离、击穿、形成放电通道
－
－
＋
2. 2 电火花加工的机理

一次电火花腐蚀的微观过程（2）

介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀
利用电火花加工的优点
便于加工硬脆的冲模 可在淬火后加工 可采用整体式硬质合金冲模，不用镶嵌结构
配合间隙均匀、刃口耐磨
凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，因 此，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一 定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应 的尺寸为L1，单面火花间隙值为Sl，则 L2=L1+2Sl
电火花加工的基本原理
电腐蚀现象 电腐蚀现象的原因 火花放电 → 产生热量 → 高温 →金属局部熔化、气化 → 被去除 电火花加工原理演示
电腐蚀现象用于尺寸加工的条件
极间保持一定放电间隙 → 自动进给调节系统 间隙过大：不能击穿 间隙过小：短路接触 瞬时的脉冲放电（10-7 ~ 10-3 s）→ 脉冲电源 连续放电：电弧放电，无法控制尺寸 两电极之间必须充入介质 → 工作液循环过滤系统 工作液：煤油、皂化液、去离子水 工作液的作用 有利于火花放电 排除电蚀产物 冷却电极和工件
聚冷聚热作用下产生， 取较小的WM 显微裂纹、内应力影响耐疲劳性 回火、喷丸处理，降低残余应力

残余应力

耐疲劳性

电火花加工表面缺陷

加工表面微裂纹

加工变质层示意图
2.4 电火花加工用脉冲电源
脉冲电源的作用：把工频交流电流转换 成一定频率的单向脉冲电流。以供给电 极放电间隙所需要的能量来蚀除金属。 对脉冲电源总的要求是： (1)有较高的加工速度 (2)工具电极损耗低 (3)加工过程稳定性好 (4)工艺范围广
特种加工
Non-traditional Machining
第二章 电火花加工
(Electrical Discharge Machining)
电火花加工的基本原理与设备 电火花加工的机理 电火花加工中的基本规律 电火花加工机床 电火花加工的应用 电火花加工新技术

2.1 电火花加工的基本原理与设备
（3）分解电极法 是单极平动法和多电极更换加工法的综合应用。根据 型腔的几何形状，把电极分解成主型腔和副型腔电极分别 制造。先加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、窄缝 等部位的副型腔。可根据主、副型腔不同的加工条件，选 择不同的加工规准，有利于提高加工速度和改善加工表面 质量、同时可以简化电极制造，便于修整电极。