精编【工艺技术】放电加工工艺

【工艺技术】放电加工工艺

xxxx年xx月xx日

xxxxxxxx集团企业有限公司

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一.緒論

二.電火花加工效應

三.電火花加工工藝指標

四.電火花加工基本矛盾及解決

五.機床操作及電極製作

六.注意事項

一.緒論

1. 什麽是電火花加工

平時我們在開電燈或關電閘時,不時會看到開闢處碰出火花.久而久之,開闢觸片便被電腐蝕,影響開闢壽命.所以一直被人們視為有害放電現象,經過長期觀察發現,這種火花放電在特定場合具有其特殊作用,可通過脈衝電源使這種電腐蝕持續進行,在較短時間內產生較大金屬腐蝕量.從而加工出特異形狀之工件.這便是電火花加工之雛形.

電火花是脈衝電源產生的一種自激放電，是一種利用電、熱能量進行加工的方法。在加工過程中，使工具電極和工件之間不斷産生脈衝性的火花放電，靠放電時局部，暫態産生的高溫把金屬蝕除下來。亦稱放電加工或電蝕加工。火花放電不同於弧光放電、輝光放電等其他形式的自激放電，其特點如下：

火花放電的兩個電極間在放電前具的較高的電壓，當兩電極接近時，其間介質被擊穿後，隨即發生火花放電。伴隨擊穿過程，兩電極間的電阻急劇變小，兩極之間的電壓也隨之急劇變低。火花通道必須在維持暫短的時間（通常爲10-7-10-8μs）後及時熄滅，才可保持火花放電的“冷極”特性（即通道能量轉換的熱能來不及傳至電極縱深），使通道能量作用於極小範圍。通道能量的作用，可使電極局部被腐蝕。

利用火花放電時産生的腐蝕現象對導電材料進行尺寸加工的方法，叫電火花加工。

電火花加工是在較低的電壓範圍內，在液體介質中的火花放電。

2.電火花加工的特點

電火花加工是與機械加工完全不同的一種新工藝。

隨著工業生産的發展和科學技術的進步，具有高熔點、高硬度、高強度、高脆性，高粘性和高純度等性能的新材料不斷出現。具有各種複雜結構與特殊工藝要求的工件越來越多，這就使得傳統的機械加工方法不能加工或難於加工。因此，人們除了進一步發展和完善機械加工法之外，還努力尋求新的加工方法。電火花加工法能夠適應生産發展的需要，並在應用中顯示出很多優異性能，因此，得到了迅速發展和日益廣泛的應用。

電火花加工的特點如下：

1.脈衝放電的能量密度高，便於加工用普通的機械加工方法難於加工或無法加工的特殊材料和複雜形狀的工件。不受材料硬度影響，不受熱處理狀況影響。

2.脈衝放電持續時間極短，放電時産生的熱量傳導擴散範圍小，材料受熱影響範圍小。

3.加工時，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極小。工具電極材料不需比工件

材料硬，因此，工具電極製造容易。

4.直接利用電能加工，便於實現加工過程的自動化。

5.可以改革工件結構，簡化加工工藝，提高工件使用壽命，降低工人勞動強度。

基於上述特點，電火花加工的主要用途有以下幾項：

1) 製造沖模、塑膠模、鍛模和壓鑄模。

2) 加工小孔、畸形孔以及在硬質合金上加工螺紋螺孔。

3) 在金屬板材上切割出零件。

4) 加工窄縫。

5) 磨削平面和圓面。

6) 其他（如強化金屬表面，取出折斷的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面複雜的零件等）。

3. 實現電火花加工的條件

實現電火花加工，應具備如下條件：

電火花加工的原理是基於工具電極和工件（正,負電極）之間脈衝性火花放電時的電腐蝕現象來蝕除多餘的金屬，以使零件的尺寸，形狀和表面質量達到預定的要求。要實現電火花加工，必須滿足下列條件。

1.工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離，即相應於脈衝電壓和相應於介質的絕緣強度

的距離。在該距離範圍內，既可以滿足脈衝電壓不斷擊穿介質，産生火花放電，又可以適應在火花通道熄滅後介質消電離以及排出蝕除産物的要求。若兩電極距離過大，則脈衝電壓不能擊穿介質、不能産生火花放電，若兩電極短路，則在兩電極間沒有脈衝能量有消耗，也不可能實現電腐蝕加工。由此可見，兩電極間的合理距離必須較小，但又不可短路。

在電火花加工中，工具電極與工件電極之間的距離叫作“間隙”。

“加工間隙”或“放電間隙”就是指兩電極之間的合理距離。

間隙是否合理，受到脈衝電壓、火花通道的能量以及介質的介電係數等很多因素制約。因而，間隙的大小隨這些因素的變化而變化。一般情況下，電火花加工的放電間隙在數微米到數百微米範圍內。

若將間隙調整到合理間隙和短路之間（即小於合理間隙），雖然不妨礙沖電壓擊穿介質，但是由於間隙過小會導致積炭，甚至發生電弧，給加工造成危害。

2.兩電極之間必須充入介質。在進行電火花尺寸加工時，兩極間爲液體介質，在進行材料電火花尺寸加工時，兩極間爲液體介質；在進行材料電火花表面強化時，兩極間爲氣體介質。

兩極間沒有介質（即真空）的自激放電屬於輝光放電，不能實現電火花加工。

3.輸送到兩電極間的脈衝能量密度應足夠大。

在火花通道形成後，脈衝電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表徵通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑），實現電火花加工。因而，通道一般必須有105-106A/cm2電流密度。

放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈衝期間得到維持。一般情況下，維持通道的峰值電流不小於2A。

4.放電必須是短時間的脈衝放電。放電持續時間一般爲10-6-10-3s。由於放電時間短，使放電時産生的熱能來不及在被加工材料內部擴散，從而把能量作用局限在很小範圍內，保持火花放電的冷極特性。

如果放電時間等於或大於10-2s，則必然使放電沿火花一過渡電弧一弧光放電這一規律發展，從而使加工不能正常進行。

5.脈衝放電需重復多次進行，並且多次脈衝放電有時間上和空間上是分散的。

這裏包含兩個方面的意義：其一時間上相鄰的兩個脈衝不在同一點上形成通道；其二，若在一定時間範圍內脈衝放電集中發生在某一區域，則在另一段時間內，脈衝放電應轉移到另一區域。只有如此，才能避免積炭現象，進而避免發生電弧和局部燒傷。

6.脈衝放電後的電蝕産物能及時排放至放電間隙之外，使重復性放電順利進行。

在電火花加工的生産實際中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除産物排離的固有特性；蝕除物以外的其餘放電産物（如介質的汽化物）亦可以促進上述過程；另一方面，還必須利用一些人爲的輔助工藝措施，例如工作液的迴圈過濾，加工中採用的沖、抽油措施等等。

二.電火花加工效應

電火花加工中一般有如下效應產生：極性效應、噴鍍、覆蓋效應、沈積效應、傳熱效應。

1.極性效應

電火花加工時，相同材料兩電極的被腐蝕量是不同的。其中一個電極比另一個電極的蝕除量大，這種現象叫做極性效應。如果兩電極材料不同，則極性效應更加複雜。我們一般把陰極蝕除量與陽極蝕除量之比叫做極性係數。極性係數小於1，稱之爲負極性，此時，工件接電源的正極，工具電極接負極，反之極性係數大於1，稱之爲正極性，此時，工件接電源的負極，工具電極接正極。極性係數的改變意味著兩極能量分佈的改變。

影響極性效應的因素：

1.脈衝寬度

在電場作用下，通道中的電子奔向陽極，正離子奔向陰極。由於電子質量輕，慣性小，在短時間內容易獲得較高的運動速度；而正離子質量大，不易加速，故在窄脈衝時，電子動能大，電子傳遞給陽極的能量大於正離子傳遞給負極的能量，使陽極蝕除量大於陰極蝕除量，即爲負極性。而在寬脈衝時，正離子有足夠的時間加速可獲得較高的速度，而且質量又大的多，轟擊陰極的動能較大，同時除液體介質蒸氣的正離子外，陰極和陽極蒸氣中的正離子也參予了對陰極的轟擊。因此，正離子傳遞給陰極的能量超過了電子傳遞給陽極的能量，陰極的蝕除量便大於陽極蝕除量即爲正極性。見圖一。

(%)

100

50

30

正極性

10

5

3

1 負極性

0.5

0.3

1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 脈寬ti (uS)

圖一不同極性時的電極損耗

電極對Cu/st Ip=48A

2.脈衝能量

隨著放電能量的增加，尤其是極間放電電壓的增加，每個正離子傳遞給陰極的平均動能增加，電子的動能雖然也隨之增加，但當放電通道和很大時，由於電位分佈變化引起陽極區電壓降低，阻

止了電子奔向陽極，減少了電子傳遞給予陽極的能量，使陰極能量大於陽極能量，即脈衝能量大時陰極的蝕除量大於陽極蝕除量。

2. 覆蓋效應

在材料放電腐蝕過程中，一個電極的電蝕産物轉移到另一電極表面上，形成一定厚度的覆蓋層，這種現象叫覆蓋效應。在油類介質中加工時，覆蓋層主要是石墨化的碳素層，其次是粘附在電極表面的金屬微粒結層。

1. 碳素層的生成條件

（1）要有足夠高的溫度。電極上待覆蓋的表面溫度不低於碳素層的生成溫度，但低於熔點，以使碳粒子燒結成石墨化的耐蝕層。

（2）要有足夠多的電蝕産物，尤其是介質的熱解産物——碳粒子。

（3）要有足夠的時間，以便在表面上形成一定厚度的碳素層。

（4）採用正極性加工，因爲碳素層易在陽極表面生成。

（5）必須在油類介質中加工。

2. 影響覆蓋效應的主要因素

（1）脈衝能量與波形，增大放電加工能量有助於覆蓋層的生長，但寬脈衝大電流對中精加工有相當大的局限性，減小脈衝間隔則有利於在各種規准下生成覆蓋層。但間隔過小則有轉變爲電弧放電的危險，採用某些組合脈衝如矩形波派生出來的梳形波及各種疊加脈衝波形也有助於覆蓋層的

生成。

（2）電極對，銅打鋼時覆蓋效應比較明顯。因爲銅對碳素層的生成起著類似催化劑的作用。但銅打硬質合金卻不大容易生成覆蓋層。

（3）工作介質，石油産品的油類介質在放電産生的高溫下，生成大量的碳粒子，有助於碳素層的生成。而在具有一定離子導電的水介質中採用負極性加工時，會産生另一種覆蓋現象——鍍覆現象。即在陰極表面上形成一層緻密的電鍍層。

（4）工藝條件，工作介質髒；介質處於液相與氣相混合狀態，間隙過熱，放電在間隙空間分佈較集中，電極截面大，電極間隙較小，加工較穩定等，均有助於生成覆蓋層。間隙中工作液的流動影響也很大，沖油壓力過大會破壞覆蓋層的生成。

合理利用覆蓋效應，有利於降低電極損耗，甚至可做到“無損耗”加工。但如處理不當，出現過覆蓋現象，將會使電極尺寸在加工中超過了加工前的尺寸，反而破壞了加工精度。

所謂無損耗加工即指在加工過程中，在某種特定條件下由於覆蓋效應的作用，彌補了電極損耗，當彌補作用與電極損耗大致平衡時，可以認爲電極無損耗。但加工條件比較苛刻，不易達到。通常電極損耗達到1%以下，即可認爲是無損耗加工。

三. 電火花加工工藝指標

一、加工速度

對於電火花成形機來說加工速度是指在單位元時間內，工件被蝕除的體積或重量。一般用體積

表示。若在時間T 內，工件被蝕除的體積爲V ，則加工速度Vw 爲：

Vw=V/t （mm 3/min ）

對於線切割機來說，加工速度是指在單位元時間內，工件被切面積。即用mm 2/min 來表示。 在規定表面粗糙度（如Ra=2.5μm ），相對電極損耗（如1%）時的最大加工速度，是衡量電加工機床工藝性能的重要指標。一般情況下，生産廠給出的是最大加工電流，在最佳加工狀態下所能

進給方向

測量線

加工前電極形狀

圖二 相對長度損耗QL ；H ——加工深度

LF-計數深度，△LE-電極損耗

×100%

達到的最高加工速度。因此，在實際加工時，由於被加工件尺寸與形狀的千變萬化，加工條件，排屑條件等與理想狀態相差甚遠，即使在粗加工時，加工速度也往往大大低於機床的最大加工速度指標。

電

極紫銅

損 2

耗

（%）

1 石墨

0.05 0.1 沖油壓力

(kg/cm2)

圖三沖油壓力對電極損耗的影響

二、工具電極損耗

在電火花成形加工中，工具電極損耗直接影響仿形精度，特別對於型腔加工，電極損耗這一工藝指標較加工速度更爲重要。

電極損耗分爲絕對損耗和相對損耗。

絕對損耗最常用的是體積損耗Ve和長度損耗Veh二種方式，它們分別表示在單位時間內，工具電極被蝕除的體積和長度。即

Ve=V/t（mm3/min）

Veh=H/t（mm/min）

相對損耗——工具電極絕對損耗與工件加工速度的百分比。通常採用長度相對損耗比較直觀，測量也比較方便。在線切割加工中，電極絲的損耗對工件質量的影響不大，故一般不加以討論。但快走絲機床使用鉬作爲電極絲，是重復放電，所以絲的損耗影響到電極絲的使用壽命，在實際加工中應予適當考慮。見圖二。

在電火花成形加工中，工具電極的不同部位，其損耗速度也不相同。

在精加工時，一般電規准選取較小，放電間隙太小，通道太窄，蝕除物在爆炸與工作液作用下，對電極表面不斷撞擊，加速了電極損耗，因此，如能適當增大電間隙，改善通道狀況，即可降低電極損耗。見圖三。

三、表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面上的微觀幾何形狀誤差。對電加工表面來講，即是加工表面放電痕——坑穴的聚集，由於坑穴表面會形成一個加工硬化層，而且能存潤滑油，其耐磨性比同樣粗糙度的機加表面要好，所以加工表面允許比要求的粗糙度大些。而且在相同粗糙度的情況下，電加工表面比機加工表面亮度低。

國家標準規定：加工表面粗糙度用Ra（輪廓的平均算術偏差）和Rz（不平度平均高度）之一來評定。

工件的電火花加工表面粗糙度直接影響其使用性能，如耐磨性，配合性質，接觸剛度，疲勞強

度和抗腐蝕性等。尤其對於高速高潔，高壓條件下工作的模具和零件，其表面粗糙度往往是決定其使用性能和使用壽命的關鍵。

四、放電間隙

放電間隙，亦稱過切量，加工中是指脈衝放電兩極間距，實際效果反映在加工後工件尺寸的單邊擴大量。

對電火花成形加工放電間隙的定量認識是確定加工方案的基礎。其中包括工具電極形狀，尺寸設計，加工工藝步驟設計，加工規准的切換以及相應工藝措施的設計。

新國際的粗糙度數值與老國標光潔度等級對照表（表1）

主要電參數對工藝指標的影響（表1）

○表示影響不大

三. 電火花加工基本矛盾及解決

根據國內外多年的研究和應用實驗，從電火花加工的理論和工藝技術的發展中，人們認識到電火花加工存在下述三個基本矛盾。

1.工件與工具電極的電蝕量之間的矛盾。從工藝的觀點出發，即成型精度與工具電極損耗之間的矛盾。

2.加工速度與表面質量之間的矛盾。

3.放電産物的産生與排除之間的矛盾。

1、兩電極蝕除量之間的矛盾

本篇中，已經明確闡述了脈衝放電時間越長，越有利於降低工具電極相對損耗。在電火花加工的實用過程中，粗加工採用長脈衝時間和高放電電流，既體現了速度高，又體現了損耗小，反映了加工速度和工具電極損耗這一矛盾的緩解。

但是，在精加工時，矛盾激化了。爲了實現小能量加工，必須大大壓縮脈衝放電時間。爲達到脈衝放電電流與脈衝放電時間參數組合合理，亦必須大大壓縮脈衝放電電流。這樣，不僅加大了工具電極相對損耗，又大幅度降低了加工速度。

加工中一般用相對電極損耗來衡量電極損耗。降低電極損耗方法一般有：極性效應、噴鍍、覆蓋效應、沈積效應、傳熱效應和選擇電極材料。

⑴1. 正確選擇極性

一般加工中，短脈衝精加工時採用正極性加工（工件接正極），而長脈衝粗加工時用負極性加工。有利於降低電極損耗。

⑵2. 利用鍍覆效應

加工中介質油發生熱分解産生的碳在電荷作用下吸附在正極表面，形成黑膜，對電極起到保護和補償作用。

⑶3. 選擇電極材料

選用熔點、沸點較高的電極材料，可使損耗減少

2、加工速度與加工表面粗糙度今精度之間的矛盾

爲瞭解決電火花加工工藝的這一基本矛盾，人們試圖將一個脈衝能量分散爲若干個通道同時在

多點放電。用這種方法既改善了加工表面粗糙度，又維持了原有的加工速度。

⑴影響表面粗糙度的因素主要是單個放電脈衝能量，單個脈衝能量大，每次脈衝放電的

蝕除量亦大，放電凹坑大且深，使表面粗糙度變差。

⑵減小單個脈衝能量，即減小脈衝寬度和加工電流都可提高表面粗糙度。

⑶同時，工具電極表面粗糙度和加工穩定性亦對加工後表面粗糙度有影響。

到目前爲止，實現人爲控制的多點同時放電的有效方法只有一種，即分離工具電極多回路加工。爲了實現整體電極的多通道加工，人們設想了各種方法，並進行了多年的實驗摸索。但是迄今爲止，尚沒有徹底解決。

在實用過程中，型腔模具的加採用粗、中、精逐檔過渡是加工方法。加工速度的矛盾是通過大功率、低損耗的粗加工規准解決的；而中、精加工雖然工具電極相對損耗大，但在一般情況下，中、精加工餘量僅占全部加工量的極小部分，故工具電極的絕對損耗極小，可以通過加工尺寸控制進行補償，或在不影響精度要求時予以忽略。

⑴(1.)影響加工精度的主要因素有放電間隙的大小及其一致性，工具電極的損耗及其

穩定。

⑵(2.)爲了減小加工誤差，應採用較小的加工規准，縮小放電間隙。並且儘量使放電

加工穩定。

⑶(3.)工具電極的損耗對尺寸精度和形狀精度都有影響。另外還有“二次放電”亦對加工形狀、精度有很大影響，“二次放電”是指在已加工表面由於電蝕物的介入再次進行非正常放電，一般在型腔加工的側面産生，由於排屑不暢或工作液較髒易形成。使加

工側面産生斜度。

3、放電産物與排除之間的矛盾

電火花加工只有在放電産物的産生和排除速度達到平衡的條件下才能順利進行。一旦這種平衡遭到破壞，電火花加工就不可能進行。因此，放電産物的産生和排除之

間形成了一對矛盾。

放電産物的産生和排除這一對矛盾的關鍵在於排除。也就是說，在電火花加工中，解決這一矛盾不應以犧牲加工速度去適應排除，而應積極開創排除的條件以適應加工速度。以此爲目的，首先必須對破壞産生與排除達到平衡的原因有充分認識。

排除速度不適應産生速度的原因與工藝條件有關。例如，在成型加工中，型孔太深，放電面積過小或過大；又如線切割加工中，工件太厚，電極絲徑太小等等。此外，還和加工脈衝參數有關。例如，採用較小脈衝能量進行中、精加工時，放電間隙較小，排屑困難；另一個影響産物排除的原因就是加工面形狀複雜，使排屑路徑不暢通。

上述原因造成的矛盾，不僅使加工穩定性變差，脈衝利用率變低，加工速度變慢，甚至可能達到根本不能維持繼續加工的地步。

目前，尚沒有十分積極的解決辦法，只有一些對症下藥的辦法來相對消極地進行處理。通常的辦法有：

1.人工排屑排氣。可以在工具電極上預鑽若干小孔，以開闢排屑路徑。還可以採用工具電極周

期提升，來彌補産生與排除之間的不平衡。

2.採用強迫沖或抽油的方式促進産物的排除。

3.加速工作液的迴圈過濾。

4.提高脈衝空載電壓，加大放電間隙，用以改善排屑條件。

5.兩電極之間存在相對運動（例如成型加工中的旋轉頭、平動頭，線切割加工中的走絲），都具有改善間隙屑性能的作用。

6.利用超聲振動（或其他措施）與電火花加工的複合作用，對改善排屑條件有明顯作用。

五. 機床操作及電極製作

電火花加工機床的組成及其作用

從上面所談的情況可以看到，要實現電火花加工過程，機床必須具備三個要素，即：脈衝電源，機械部分和自動控制系統，工作液過濾與循環系統。（見圖四）。下面對這三要素的作用逐一加以簡單討論。