第二章 电火花加工

1.极性效应
在电火花放电加工过程中，无论是正极 还是负极，都会受到不同程度的电蚀。这种 单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一 样的现象叫做极性效应。 原则性解释：正负电极表面受到负电 子和正离子的轰击和瞬时热源导致两 极表面分配到的能量不一致
为了充分地利用极性效应，最大限 度地降低工具电极的损耗，应合理选用 工具电极的材料，根据电极对材料的物 理性能、加工要求选用最佳的电参数， 正确地选用极性，使工件的蚀除速度最 高，工具损耗尽可能小 窄脉冲精加工时，应选用正极性加工 长脉冲粗加工时，应选用负极性加工
（4）主轴头和工作台的主要附件 1）可调节工具电极角度的夹头 加工型腔型孔时，在水平面内调节、转 动一个角度，使工具电极的截面形状与 加工出工件型孔与型腔的位置一致 2）平动头 解决修光侧壁和提高精度 使装在其上的电极能产生向外机械补偿 动作的工艺附件
电极
(a) 电 极 在 最 左
(b) 电 极 在 最 上
2）自动进给调节系统的基本组成
比较环节 设定值 放大驱动 执行机构 调节对象
测量环节
（1）测量环节：是得到放电间隙大小及变化的信号。
（2）比较环节：是根据“给定值”来调节进给速度。
（3）放大环节：是把测量比较输出的信号放大使之具有足够 的驱动功率。晶体管放大器和电液压放大器。
（4）执行环节：根据放大环节输出的控制信号的大小及时地 调整工具电极的进给，以保持合适的放电间隙，从而保证电 火花加工正常进行。
高低压复合的晶体管脉冲电源，中、高档电火花
加工机床都采用微机数字化控制的脉冲电源，而
且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过
微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准参数。
例如汉川机床厂、日本沙迪克公司的电火花加工
机床，这些加工规准用C代码(例如C320)表示和调
用，三菱公司则用 E代码表示。
3.伺服系统、控制系统 （1）伺服进给系统
3）油杯 作用：实现工作液冲油或抽油强迫循环 要求： 要有适合的高度
刚度和精度要好，密封性能要好
可以安装于底部或者上部的侧面
2.脉冲电源
在电火花加工过程中，脉冲电源的作用 是把工频正弦交流电流转变成频率较高的 单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加 工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。 脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的 加工速度、表面质量、加工精度、工具电 极损耗等工艺指标。 脉冲电源输入为380 V、50 Hz的交流电， 其输出应满足如下要求：
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。
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。
自动进给调节系统的作用是维持某一稳定的 放电间隙S，保证电火花加工正常而稳定地进 行，获得较好的加工效果。对自动进给调节系 统的基本要求是：
1）有较广的速度调节跟踪范围。2）有足够 的灵敏度和快速性。3）有必要的稳定性。4） 有足够大的空载进给速度和短路回退速度。
自动进给调节系统按执行元件可 分为电液压式、步进电动机、宽 调速力矩电动机、直流伺服电动 机、交流伺服电动机、直线电动 机等几种形式。
RC线路脉冲电源
由于这种电源是靠电极和工件 间隙中的工作液的击穿作用来恢 复绝缘和切断脉冲电流的，因此 间隙大小、电蚀产物的排出情况 等都影响脉冲参数，使脉冲参数 不稳定，所以这种电源又称为非 独立式电源。
弛张式脉冲电源结构简单，使用维修方 便，加工精度较高，粗糙度值较小，但生 产率低，电能利用率低，加工稳定性差， 故目前这种电源的应用已逐渐减少。
(2) 电火花加工的数控系统 1）单轴数控系统 开环控制 半闭环控制 全闭环控制 2）多轴数控系统 a ISO代码
b 数控摇动
普通电火花加工机床为了修光侧壁和提
高其尺寸精度而添加平动头，使工具电极 轨迹向外可以逐步扩张，即可以平动。对 数控电火花机床，由于工作台是数控的， 可以实现工件加工轨迹逐步向外扩张，即 摇动，故数控电火花机床不需要平动头。 具体来说，摇动加工的作用是：
(1) 可以精确控制加工尺寸精度。 (2) 可以加工出复杂的形状，如螺纹。 (3) 可以提高工件侧面和底面的表面粗糙度。 (4) 可以加工出清棱、清角的侧壁和底边。 (5) 变全面加工为局部加工，有利于排屑和加 工稳定。 (6) 对电极尺寸精度要求不高。
摇动的轨迹除了可以像平动头的小圆形轨迹外， 数控摇动的轨迹还有方形、菱形、叉形和十字形， 且摇动的半径可为9.9 mm以内任一数值。
电火花加工过程：
1.极间介质的击穿与放电：电离—击穿 2.能量的转换、分布、传递：电能—热能-熔化、气化 3.电极材料的抛出：热爆炸力 4.极间介质消电离：脉冲间隔—介质消电 离所需时间、电蚀产物排出的难易程度
工件电极和工具电极均浸泡在工作介质中，工具电极在自动 进给调节装置的驱动下，与工件电极间保持一定的放电间隙。 电极的表面（微观）是凹凸不平的，当脉冲电压加到两极上时， 某一相对间隙最小处或绝缘强度最低处的工作液将最先被电离 为负电子和正离子而被击穿，形成放电通道，电流随即剧增， 在该局部产生火花放电，瞬时高温使工件和工具表面都蚀除掉 一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过 一段间隔时间（即脉冲间隔t0），使工作液恢复绝缘后，第二个 脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘 强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样以很高频率 连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就将工具 的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。
（1）床身和立柱
确保电极与工作台、工件之间的相互 位置；应结构合理，有较高的刚度， 变形小。
（2）工作台
用于支承和装夹工件，通过转动纵横向 丝杠来改变电极与工件的相对位置； 有工作液槽，起冷却和排屑作用。
（3）主轴头 由伺服进给机构、导向和防扭机构、 辅助机构组成，控制放电间隙； 有一定的刚度和精度，足够的进给 和回升速度；直线性和防钮转性 能好，灵敏度高无爬行现象，合 理的承载电极质量的能力。
2.1.4 电火花加工的 适用范围
1.可以加工任何难以加工的 金属材料和导电材料 2.可以加工形状复杂的表面
3.可以加工特殊要求的零件
2.2电火花加工典型机床及其组成部分
2.2.1电火花加工机床型号规格 D7132 D：电加工机床 数控则为DK 71：电火花穿孔、成形加工机床 32：机床工作台面宽度（320mm）的1/10
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2.电参数 电火花加工脉冲电源的可控参数有： 脉宽、脉间、峰值电流、开路电压、脉 冲的前沿上升率和后沿下降率。 蚀除率正比于放电时间、放电峰 值电流，反比于脉冲间隔
3.金属材料热学常数
热学常数是指熔点、沸点、热导率、比热容、 熔化潜热、气化潜热等。当脉冲放电能量相同时， 金属的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、气化潜 热愈高，电蚀量将愈小，愈难加工；
电火花加工技术
EDM
又称放电加工、电蚀加工
(a) 电火花加工产品 (b) 线切割加工产品 加工产品实例
2.1电火花加工的原理、特点及分类
2.1.1电火花加工的原理 电火花加工（Electrical Discharge Machining）是基于正负电极间脉冲放电 时的电腐蚀现象对材料进行加工的，又称 为放电加工、电蚀加工、电脉冲加工等， 是一种电、热能量进行加工的方法，是在 20世纪40年代开始研究和逐步应用到生产 中的。
2) 晶体管脉冲电源
晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶 体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉 冲电源，其输出功率大，电规准调节范围广， 电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等 各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越 来越广泛地应用在电火花加工机床上。
目前普及型(经济型)的电火花加工机床都采用
2.3.2 电火花加工的加工速 度和工具的损耗速度 1.加工速度
单位时间内工件的蚀除量称之为加工速 度，一般采用体积加工速度来表示，即被加 工掉的体积除以加工时间 加工精度越高，表面粗糙度减小， 加工速度明显下降
2.工具电极损耗速度和相对损耗比
采用相对损耗或损耗比θ作为衡量工具电 极耐损耗的指标。即θ=VE/VW 上式中加工速度和损耗速度均以mm3/min为 单位计算，则θ为体积相对损耗。如以g/min 为单位计算，则θ为重量相对损耗；如以 mm/min为单位计算，则θ为直线相对损耗。
4. 工作液及其循环过滤系统
工作液的作用：
1）压缩放电通道，提高放电的能量密度，提高蚀除效果。
2）加速极间介质的冷却和消电离过程，防止电弧放电。
3）加剧放电时的流体动力过程，以利于蚀除金属的抛出。
4）通过工作液的流动，加速蚀除金属的排出，以保持放 电工作稳定。
5）改变工件表面层的理化性质。 6）减少工具电极损耗，加强电极覆盖效应。
导热系数愈大的金属，由于较多地把瞬时产生的 热量传导散失到其他部位，降低了本身的蚀除量。
总之，电极的蚀除量与电极材料的导热 系数以及其他热学常数、单个脉冲能量、 脉冲能量变化率有密切关系 其他影响因素： 工作液：电火花成型—油类，高速走丝线切 割—乳化液，低速走丝线切割—去离子水 其他因素：加工过程稳定性、电极材料、抛出 速度、黑膜
2.2.2 组成部分 电火花加工机床主要由主机、 电源箱、工作液循环过滤系统、液 压系统。 主机主要由床身、立柱、主轴头、工作 台及润滑系统等组成
自动进给调节系统
控制装置 间 隙 参考值 增益 设定
进给系统
比较器
放大器
间 隙
传感器
脉冲电源
床 身
工作液循环
过滤系统
(a ) 原理图
(b ) 实物
1.机床主体
常用的工作液
工作液主要采用煤油
电蚀产物颗粒小，存在间隙中影 响加工的稳定性，需要介质过滤
介质过滤器一般用纸过滤器，精度 较高，阻力小，更换方便，本身的 耗油量比木屑等少得多，可以清洗 后反复使用，特别适合中、大型电 火花加工机床
2.3 电火花加工中的基本工艺规律
2.3.1影响放电蚀除量的主要因素
三点注意： 1.必须有一定的间隙 2.必须是瞬时脉冲性放电 3.必须有一定绝缘性能的液体介质
2.1.2电火花加工的特点 1.是不接触加工 2.没有宏观切削力 3.可以以柔克刚
2.1.3电火花加工分类
按工具电极的形状、工具电极和工 件相对运动的方式和用途的不同，大致 分为电火花穿孔成形加工、电火花线切 割加工、电火花磨削和镗磨、电火花展 成加工、电火花表面强化与刻字。前四 类属电火花成形、尺寸加工，是用于改 变零件形状或尺寸的加工方法；最后一 类属表面加工方法，用于改善或改变零 件表面性质。电火花穿孔加工和电火花 线切割应用最为广泛。
(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除电离并 冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧 伤工件。
(c) 电 极 在 最 右
(d) 电 极 在 最 下
(e) 电 极 平 动 后 的 轨 迹
平动头扩大间隙原理图
(a) 机械式平动头 (b) 数控平动头 平动头外形
平动头加工特点：
1.尺寸加工不受放电间隙的限制
2.可以通过改变轨迹半径实现换规 准休整 3.有利于电蚀产物的排出，提高加 工稳定性 4.改善粗糙度 5.无法加工有清角的型腔
电源的好坏直接关系到电火花加工机床 的性能，所以电源往往是电火花机床制造 厂商的核心机密之一。从理论上讲，电源 一般有如下几种: 1) 弛张式脉冲电源 弛张式脉冲电源是最早使用的电源，它 是利用电容器充电储存电能，然后瞬时放 出，形成火花放电来蚀除金属的。因为电 容器时而充电，时而放电，一弛一张，故 又称“弛张式”脉冲电源