第3章 特种加工技术

1. 工具电极
电火花加工用的工具是电火花放电时的电极之一，故
称为工具电极，有时简称工具或电极。
2.放电间隙
电火花放电时工具电极和工件间的距离，它的大小一 般在0.01～0.5mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则 较小。
3.脉冲宽度ti（μ s）
加到电极和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时 间（如图3-3所示）。
1. 电火花加工的基本原理
如图3－1所示。
3.2.1 电火花加工的特点及应用
图3-1 电火花加工原理
3.2.1 电火花加工的特点及应用
实现电火花加工的条件： （1）电极之间始终保持确定的距离（0.02～0.1mm）； （2）放电点的局部区域达到足够高的电流密度（一般 为105～106 A/cm3），以确保被加工材料能在局部熔化、 气化； （3）必须是脉冲性的放电（脉宽0.1～1000μs，脉间不 小于l0μs），以确保放电所产生的热量来不及传导扩散到 被加工材料的其他部分而集中在局部，使局部的材料产 生熔化、气化而被蚀除； （4）及时排除电极间的电蚀产物，以确保电极间介电 性能的稳定。
3.2.2 电火花加工的常用术语和符号
3.2.2 电火花加工的常用术语和符号
4. 脉冲间隔to（μ s）
是两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间过短， 放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电； 脉间过长，将降低加工生产率。
5. 放电时间（电流脉宽）te（μ s）
是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间， 即电流脉宽，它比电压脉宽稍小，二者相差一个击穿延 时td。ti和te对电火花加工的生产率、表面粗糙度和电极 损耗有很大影响，但实际起作用的是电流脉宽te。
3.2.4 电火花加工的基本规律
5）其他因素 主要是加工过程的稳定性。这些不稳定因素包括加工 深度、加工面积，加工型面复杂程度等。
2. 加工速度和工具损耗速度
1）加工速度
一般采用体积加工速度vW（mm3/min）来表示。粗加工 （加工表面粗糙度Ra为10～20μm）时可达200～1000
mm3/min ，半精加工（Ra为2.5～10μm）时降低到20～100
3.1.1 特种加工的产生和发展
2. 特种加工技术的产生
20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇发明了电火 花加工技术。由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有 别于传统机械加工的新方法，从广义上定义为特种加工 （Non-Traditional Machining，NTM）。
3. 特种加工技术的发展
3.2.1 电火花加工的特点及应用
3. 电火花加工的应用
广泛应用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、 电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、 轻工等行业，用以解决难加工材料及复杂形状零件的加 工问题。加工范围小至几微米的小轴、孔、缝，大到几 米的超大型模具和零件。
3.2.2 电火花加工的常用术语和符号
6. 脉冲周期tp（μ s）
加到电极和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时 间。
3.2.2 电火花加工的常用术语和符号
7. 脉冲频率fp（HZ）
脉冲频率是指单位时间内电源发出的脉冲个数。显然， 它与脉冲周期tp互为倒数.
8. 击穿延时td(μ s)
从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过一小段延续 时间td，工作液介质才能被击穿放电，这一小段时间td称为 击穿延时。
析，区别对待，合理选择特种加工方法。表1-2对几
种常见的特种加工方法进行了综合比较。
3.1.1 特种加工的分类
表3-2 几种常见特种加工方法的综合比较
3.1.1 特种加工的分类
表3-2 几种常见特种加工方法的综合比较（续）
3.1.3 特种加工的工艺特点与应用
1. 特种加工的特点
（1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他的能量 （如电能、热能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料。 （2）工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有 些情况下，例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加 工过程中，根本不需要使用任何工具。 （3）在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机 械切削力作用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低 刚度零件。 （4）各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新 的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前 的电解电火花加工（ECDM）、电解电弧加工（ECAM） 就是 两种特种加工复合而形成的新加工方法。
3.2.1 电火花加工的特点及应用
整个加工表面将由无数个小凹坑组成（图3-2）。
3.2.1 电火花加工的特点及应用
2. 电火花加工的特点
1）优点 （1）可以加工硬、软、韧、脆、高熔点的导电材料； （2）适于加工特殊及复杂形状的零件 ； （3）脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在 同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。 2）缺点 （1）主要用于加工金属等导电材料，加工半导体和非 导体材料需要具备一定的条件； （2）一般加工速度较慢。； （3）存在电极损耗 ； （4）最小角部半径有限制。
3.2.4 电火花加工的基本规律
4）电火花加工的表面质量 包括以下三部分内容：
（1）表面粗糙度；
（2）表面变质层：①熔化凝固层；②热影响层；③显 微裂纹。 3）表面力学性能。包括三个方面：①显微硬度及耐磨 性；②残余应力；③耐疲劳性能 。
3.2.5 电火花加工机床
1. 电火花穿孔成型机床
1）机床型号、规格、分类
mm3/min ，精加工（Ra为0.32～2.5μm）时一般都在l0 mm3/min以下。
3.2.4 电火花加工的基本规律
2）工具相对损耗 相对损耗或称损耗比θ ：
降低工具相对损耗的方式： （1）利用极性效应正确选择极性和脉宽； （2）利用吸附效应； （3）利用传热效应； （4）工具电极材料合理选择。 3）影响加工精度的主要因素 放电间隙的大小及其一致性和工具电极的损耗及其稳定 性。
16. 加工电流I（A）
加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电ห้องสมุดไป่ตู้。
17. 短路电流Is（A）
是放电间隙短路时电流表上指示的平均电流。
18. 峰值电流i（A）
间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时） 。
19. 短路峰值电流（A）
间隙短路时脉冲电流的 最大值，它比峰值电流要大 20%～40% 。
3.2.3 电火花加工的类型
3.2.5 电火花加工机床
8轴 数控 叶片 小孔 高速 电火 花加 工专 用设 备外 形
3.2.5 电火花加工机床
2）电火花加工机床结构
主要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作 液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图3-4所示。
3.2.5 电火花加工机床
（1）机床本体 由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是 用来实现工件与工具电极的装夹固定和相对运动的机械系统。 通用机床的结构形式有如下几种：立柱式、龙门式、滑 枕式、悬臂式、台式、便携式等，如图3-5所示。
1）微细化 特种微细加工技术成为主流； 2）特种加工的应用领域正在拓宽； 3）广泛采用自动化技术。
3.1.1 特种加工的分类
3.1.1 特种加工的分类
尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各 种特种加工的能量来源、作用形式、工艺特点却不尽 相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各 自还都具有一定的局限性。为了更好地应用和发挥各 种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、 尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分
3.1.3 特种加工的工艺特点与应用
1）改善了材料的可加工性； 2）改变了零件的典型工艺路线； 3）大大缩短了新产品试制周期； 4）对产品零件的结构设计带来了很大影响； 5）对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响； 6）特种加工是微细加工和纳米加工的主要技术手段。
3.2.1 电火花加工的特点及应用
3.2.4 电火花加工的基本规律
1. 影响材料放电腐蚀的主要因素
1）极性效应 由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做 极性效应。我国通常把工件接脉冲电源的正极（工具电 极接负极）时，称“正极性”加工；反之，则称“负极 性”加工，又称“反极性”加工。 2）电规准电参数 电参数主要是指电压脉冲宽度ti、电流脉冲宽度te、脉 冲间隔to、脉冲频率f、峰值电流i、峰值电压u和极性等。 3）金属材料的热学常数 金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高， 电蚀量将越少，越难加工。
3.2.5 电火花加工机床
常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、 油杯等。
(a) 机械式平动头
(b) 数控平动头
平动头照片
3.2.5 电火花加工机床
2）脉冲电源 脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足以 下要求： ① 要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。 ②火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放 电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属， 提高成型性和加工精度。 ③脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加 工速度和降低工具电极损耗。 ④脉冲波形的主要参数（峰值电流、脉冲宽度、脉冲间 歇等）有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。 ⑤有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消电 离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。
电 子 课 件
2010年9月
3.1 概述
3.2 电火花加工 3.3 电解加工和电解磨削
3.4 激光加工技术
3.5 其他特种加工技术
3.1.1 特种加工的产生和发展
1. 特种加工技术的产生背景
（1）解决各种难切削材料的加工问题 ； （2）解决各种特殊复杂型面的加工问题； （3）解决各种超精密、光整零件的加工问题 ； （4）特殊零件的加工问题 。
9. 有效脉冲频率fe（HZ）
是单位时间内在放电间隙上发生有效放电的次数，又称 工作脉冲频率。
10. 脉冲利用率λ
脉冲利用率λ是有效脉冲频率fe与脉冲频率fp之比，又称 频率比 。
3.2.2 电火花加工的常用术语和符号
11. 脉宽系数τ
脉宽系数是脉冲宽度ti与脉冲周期tp之比。
12. 占空比ψ
是脉冲宽度ti与脉冲间隔to之比，ψ=ti/to。粗加工时 占空比一般较大，精加工时占空比应较小，否则放电间 隙来不及消电离恢复绝缘，容易引起电弧放电。
13. 开路电压或峰值电压u（V）
是间隙开路和间隙击穿之前td时间内电极间的最高电 压。
14. 火花维持电压
每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持 电压，一般在25 V左右，但它实际是一个高频振荡的电 压。
3.2.2 电火花加工的常用术语和符号
15. 加工电压或间隙平均电压U（V）
指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压， 它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间 隔等电压的平均值。正常加工时，在30～50V。
我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作
台面宽度的1/10表示，例如D7132。其中，D表示电加工成型 机床（若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK）； 71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320 mm。 在中国大陆以外，电火花加工机床的型号没有采用统一标
准，由各个生产企业自行确定。
3.1.3 特种加工的工艺特点与应用
2. 特种加工的应用
可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非金属 材料或复合材料，而且特别适合于加工复杂、微细表面和低 刚度的零件。同时，有些方法还可以用于进行超精密加工、 镜面加工、光整加工以及纳米级（原子级）的加工。 特种加工技术的广泛应用，已经引起了机械制造领域的 许多变革。例如对材料的可加工性、工艺路线的安排、新产 品的试制过程、产品零件结构设计、零件结构工艺性好坏的 衡量标准等产生了一系列的影响。这些影响主要表现在以下 几个方面。
3.2.5 电火花加工机床
3.2.4 电火花加工的基本规律
4）工作液 其作用主要是： （1）压缩放电通道，并限制其扩展，使放电能量高度 集中在极小的区域内，既加强了蚀除的效果，又提高了 放电仿型的精确性。 （2）加速电极间隙的冷却和消电离过程，有助于防止 出现破坏性电弧放电。 （3）通过工作液的流动，加速了蚀除金属的排出，以 保持放电工作稳定。 （4）加剧放电的流体动力过程，有助于金属的抛出。 （5）减少工具电极损耗，加强电极覆盖效应。