精密加工原理

1、基本原理

1.脉冲发射器

2.自动进给调节系统

3.工具电极

4.工件

5.工作液

6.工作液泵

脉冲发电器1是利用电容器C的充电放电，把直流转变为脉冲电流，电流经过限流电阻R逐渐充集储存在电容器C上。电容器上的电压逐渐升高，当它升高到足以使工具电极3和工件4之间的电极间隙火花放电击穿时，电容器上储存的绝大部分能量在电极间隙内瞬时放出，达到很高的电流密度，产生极高的温度（10000摄氏度左右），足以使局部表面熔化或气化，形成凸坑。电容器上的电能顺势放完之后，工具电极和工具电极和工件间的绝缘介质立刻恢复绝缘状态，从而把放点电路切断，这时又经过电阻重新充电，如此循环不已。

在绝缘工作液中，工具与工件（正负极）间产生脉冲性火花放电，产生局部、瞬时高温，使工件溶化（气化）而抛离工件表面，达到金属表面被加工的目的。

条件：（1）一定间隙（工具与工件间，几微米～数百位米）

（2）介质为绝缘工作液

（3）工具与工件间产生脉冲性火花放电

2、电火花加工机理

电火花加工基于电火花腐蚀原理,是在工具电极与工件电极相互靠近时,极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温,使局部金属融化,甚至汽化,从而将金属蚀除下来。这一过程大致分为以下几个阶段：

(1)极间介质的电离、击穿,形成放电通道当阴极表面某处的场强增大到105V/cm2时，就会产生电子发射，阴极逸出电子，高速奔向阳极。电子在运动过程中撞击介质中的中性分子和原子，产生碰撞电离，形成更多的负电子和正离子，在连锁反应的作用下，导致电粒子雪崩时增加。当电子达到阳极时，介质被瞬间击穿，产生火花放点，形成放电通道。在放电通道形成的同时，正离子也奔向阴极。介质击穿形成放电通道后，间隙电流骤升，间隙电压迅速降至放电维持电压（一般20~25V）。

放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中型粒子组成,带电粒子高速运动,相互碰撞,产生大量热能,使通道温度升高,通道中心温度可达到10000摄氏度以上。由于放电开始阶段通道截面很小,而通道内由于高温热膨胀形成的压力高达几万帕,高温高压的放电通道急

速扩展,产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应,这就形成了肉眼所能看到的电火花。

(2)电极材料的熔化、气化，热膨胀

液体介质被电离、击穿,形成放电通道后,通道间带负电的粒子奔向正极,带正电的粒子奔向负极,粒子间相互撞击,产生大量的热能,使通道瞬间达到很高的温度。通道高温首先使工作液汽化, 然后高温向四周扩散,使两电极表面的金属材料开始融化直至沸腾气化。汽化后的工作液和金属蒸汽瞬间体积猛增,形成了爆炸的特性。所以在观察电火花加工时,可以看到工件与工具电极间有冒烟现象并听到轻微的爆炸声。

(3)电极材料的抛出

正负极间的瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高,工作液和金属汽化后不断向外膨胀,形成内外瞬间压力差,高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤,抛出放电通道,大部分被抛入到工作液中，小部分飞溅、镀覆到对面的电极表面。加工中看到的桔红色火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。

(4)极间介质的消电离

在进行电火花放电加工时，一次脉冲放电结束后一般应有一间隔时间，使间隙介质消电离（放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复间隙介质的绝缘强度），以免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电。

在电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散,那么产生的热量将不能及时传出,使该处介质局部过热,带电粒子的动能不易降低，会破坏消电离过程，使脉冲放电转变为破坏电弧放电。同时局部过热会使工作液高温分解,结碳,使加工无法进行,并烧坏电极。因此为了保证电火花加工过程的正常进行,在两次放电之间必须有足够的时间间隔（最小脉冲间隔时间）让电蚀产物充分排除,恢复放电通道的绝缘性,使工作液介质消电离。

3、影响材料放电腐蚀的因素

（1）极性效应对电蚀量的影响

在电火花加工时，相同材料(如用钢电极加工钢)两电极的被腐蚀量是不同的。其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。如果两电极材料不同，则极性效应更加明显。在生产中，将工件接脉冲电源正极(工具电极接脉冲电源负极)的加工称为正极性加工(如图3-3所示)，反之称为负极性加工(如图3-4所示)。

极性效应产生的原因：极性效应受到电极及电极材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等多种因素的影响，主要原因是脉冲宽度（脉冲的长短）。

在电场的作用下，放电通道中的电子奔向正极，正离子奔向负极。电子质量和惯性很小，容易获得很高的加速度和速度，容易到达正极；正离子质量和惯性很大，起动和加速较慢，如果脉冲时间较短，则来不及到达负极表面。故脉冲较短时，电子向正极传递的能量较多，电蚀量较大；脉冲较长时，正离子向负极传递的能量较多，负极电蚀量较大。

在实际加工中，要充分利用极性效应，正确选择极性，最大限度地提高工件的蚀除量，降低工具电极的损耗。

在窄脉冲、精加工时，采用正极性加工；在宽脉冲、粗加工时，采用负极性加工。

（2）覆盖效应对电蚀量的影响

在材料放电腐蚀过程中，一个电极的电蚀产物转移到另一个电极表面上，形成一定厚度的覆盖层，这种现象叫做覆盖效应。

在油类介质中加工时，覆盖层主要是石墨化的碳素层，其次是粘附在电极表面的金属微粒粘结层。

碳素层的生成条件：

要有足够高的温度。

要有足够多的电蚀产物，尤其是碳粒子。

要有足够的时间，以便在形成一定厚度的碳素层。

一般采用负极性加工，因为碳素层易在阳极表面生成。

必须在油类介质中加工。

影响覆盖效应的主要因素：

1) 脉冲参数的影响。增大脉冲放电能量有助于覆盖层的生长。

2) 电极对材料的影响。铜加工钢时覆盖效应较明显。

3) 工作液的影响。油类工作液有助于碳素层的生成。

4) 工艺条件的影响。

在电火花加工中，覆盖层不断形成，又不断被破坏。为了实现电极低损耗，达到提高加工精度的目的，最好使覆盖层形成与破坏的程度达到动态平衡。

（3）电参数对电蚀量的影响

►电火花加工过程中，正负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。

►单个脉冲能量与平均放电电压、平均放电电流和脉冲宽度成正比。在实际加工中，对单个脉冲能量的大小主要取决于平均放电电流和脉冲宽度的大小。(火花维持电压是一个与电极材料及工作液有关的数值，与其他参数关系不大)

要提高电蚀量，应增加平均放电电流、脉冲宽度及提高脉冲频率。

但在实际生产中，这些因素往往是相互制约的，并影响到其它工艺指标，应根据具体情况综合考虑。例如，脉冲时间过短，会产生电弧放电；增加平均放电电流，加工表面粗糙度值也随之增大。

（4）金属材料对电蚀量的影响

正负电极表面电蚀量分配不均除了与电极极性有关外，还与电极的材料有很大关系。当脉冲放电能量相同时，工件的熔点、沸点、比热容、熔化热、气化热等愈高，电蚀量将愈少，愈难加工。

导热系数愈大的金属，因能把较多的热量传导、散失到其它部位，故降低了本身的蚀除量。

单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值愈小，脉冲宽度愈长，散失的热量也愈多，电蚀量减少；脉冲宽度愈短，脉冲电流值愈大，会使热量集中来不及传导扩散，但会使得抛出金属中气化部分比例增加，多耗气化热，电蚀量也降低。故当单个脉冲能量一定时，对于不同的工件将有一个使工件电蚀量最大的最佳脉冲。

（5）工作液对电蚀量的影响

电火花加工一般在液体介质中进行。液体介质通常叫做工作液，工作液作用：