电火花加工技术1

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第二章 电火花加工
电火化加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining简称EDM），在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产。它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因放电过程中可见到火花，故称之为电火花加工，日本、英、美称之为放电加工，前苏联也称电蚀加工。

& K- b+ R' S" f; E1 O" g9 Q第一节        电火花加工的基本原理及其分类

一、电火花加工的原理和设备组成
电火花加工的原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。要达到这一目的，必须创造条件，解决下列问题：
" E( r. O' H4 i5 Q9 {  {! c2 @. p1）必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。如果间隙过小，很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。为此，在电火花加工赛程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置，使和工件保持某一放电间隙。
2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7－10-3s。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电蚀除点分别局限在很小的范围内；否则，像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。
3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。液化介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度（103－107Ω•cm），以有利于产生脉冲性的火化放电。同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、炭黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电级和工件表面有较好的冷却作用。
　　以上这些问题的综合解决，是通过图2-1所示的电火花加工系统来实现的。  

工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。自动进给调节装置3（此处为电动机及丝杆螺母机构）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花入电，瞬时高温使工具和工件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，结过一段间隔时间（即脉冲间隔），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。这样随着相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电级不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。
二、电火花加工的特点及其应用
1）主要优点
8 ]& D8 B# n! q9 O; Q6 V　　①适合于难切削材料的加工  由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能（硬度、强度等）无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制，可以实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用纯铜（俗称紫铜）或石墨，因此工具电级较容易加工。
6 L4 R4 X: J$ y" N% S* E& {　　②可以加工特殊及复杂形状的零件  由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工宏观的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电级的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。数控技术的采用使得用间单的电极加工复杂形状零件也成为可能。
　　2）电火花加工的局限性
　　①主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。
　　②一般加工速度较慢。因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率，但最近已有新的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率甚至可不亚于切削加工。
9 X5 {7 a9 e  T: K2 C　　③存在电极损耗。由于电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。但近年来粗加工时已能将电极对损耗比降至0.1%以下，甚至更小。
1 M: g2 v9 T( d  m8 }; b　　由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，目前已广泛用于机械（特别是模具制造）、宇航、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，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝、大到几米的超大型模具和零件。
三、电火花加工工艺方法分类
+ P" [) y) l8 w, C6 l按工具电极和工件相对运动的方式和用途不同，大致可以分成电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类。
第二节 电火花加工的机理
- ~' w' a" ~; n/ r/ C$ W4 i' j7 a3 |火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微机的物理过程即所谓电火花加工的机理，也就是电火花加工的物理本质。从大量实验资料来看，每次电火花腐蚀的微机过程中电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程大致可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿,形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。
  e" l, L2 s# K" w一、极间介质的电离、击穿，形成放电通道
图2－2为矩形波脉冲放电时的电压和电流波形。当脉冲电放施加于工具电级与工件之间时（图2－2中0－1段和1－2段），两极之间立即形成一个电场。电场强度与电
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0 v1 Q4 y; G+ O% Y* B压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。
液体介质中不可避免地含有某种杂质（如金属微料、碳粒子、胶体粒子等），也有一些自由电子，使介质呈现一定的电导率。在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀，当阴极表面某处的电场强度增加到105V/mm即100V/μm左右时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下电子高速向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离。形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（正离子），导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而形成放电通道。
& r8 I% L3 s1 Q0 ^% C8 z雪崩电离开始，到建立放电通道的过程非常迅速，一般为10-7－10-8s，间隙电阻从绝缘状况迅速低到几分之一欧姆，间隙电流迅速升到最大值（几安至几百安）。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达105－105A/cm2（103－104A/cm2）。间隙电压则由击穿电压迅速下降至火花维持电压（一般约为20－25V），电流则由0上升到某一峰值电流（图2－2中2－3段）。
; W0 u* |4 h4 F( P1 x放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）和带负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。带电粒式对高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可高达10000℃以上。由于受到放电时电流产生的磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力。故放电开始阶段通道截面很小，而通道内由高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕。高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体（以后发展成气泡）急速扩展，并产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生观象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等。
关于通道的结构，一般认为是单通道，即在一次放电时间内只存在一个放电通道，少数人认为可能有多通道，即在一次放电时间内可能同时存在几个放电通道，理由是单次脉冲放电后电级表面有时会出现几个电蚀坑。最近的实验表明，单个脉冲放电时有可能出现多次穿（即一个脉冲内间隙击穿后，有时产生短路或开路，接着又产生击穿放电），另外，也出现通道受某些随机因素的影响而产生游动，因而在单个脉冲周期内先后会出现多个或形状不规则的电蚀坑，但同一时间内只存在一个放电通道。
二、介质热分解、电极材料熔化、气体热膨胀
) O: ^5 s: X4 z' J* o! g极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内、正极和负极表面分别成为瞬时热源，分别达到很高的温度。通道高温首先把工作液介质气化，进而热裂分解气化（如煤油等碳氢化合物工作液，则高温后裂解为H2（约占40%）、C2H2（乙炔约占30%）、CH4（甲烷约占15%）、C2H4（乙烯约占10%）和游离碳等，如水基工作液则热分解为H2、O2的分子甚至原子等）。正负极表面的高温除使工作液气化、热分解气化外，也使金属材料熔化、直至沸腾气化。这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬时间体积猛增，迅速热膨胀，就像火药、爆竹点燃后那样具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以见到放电间隙间冒出很多小气泡，工作液逐渐变黑，和听到轻微而清脆的爆炸声。
4 K7 w# u' p' V主要靠此热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出蚀除，相当于图2－2中3－4段。
三、电极材料的抛出
8 ], e1 u: `0 A! y4 v/ _% f+ A* z通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩长的“气泡”，气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。
由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒（直径约0.1－300μm，随脉冲能量而异）。实际上熔化和气化了的金属地抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩成小颗粒外，有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。
半裸在空气中电火花加工时，可以见到桔红色至蓝白色的火花四溅，它们就是被抛出的金属高温熔滴、小屑。
观察铜打钢电火花加工后的电极表面，可以看到钢上粘有铜，铜上粘有钢的痕迹。如果进一步分析电加工后的产物，在显微镜下可以看到除了游离碳粒，大小不等的铜和钢的球状颗粒之外，还有一些钢包铜、铜包钢、互相飞溅包容的颗粒，此外还有少数由气态金属冷凝成的中心带有空泡的空心球状颗粒产物。
实际上金属材料的蚀除、抛出过程远比上述的要复杂。放电过程中工作液不断气化，正极受电子撞击、负极受正离子撞击，电极材料不断熔化、气泡不断扩大。当放电结束后，气泡温度不再升高，但由于液体介质惯性作用使气泡继续扩展，致使气泡内压力急剧降低，甚至降至大气压以下，形成局部真空，使在高压下溶解在熔化和过热材料中的气体析出，以及材料本身在低压下再沸腾。由于压力的骤降，使熔融金属材料及其蒸气从小坑中再次爆沸飞溅而被抛出。
9 H) f5 G& v6 c: C* ~. j" a熔融材料抛出后，在电极表面形成放电痕，熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极表面，形成熔化层，在四周形成稍凸起的翻边。熔化层下面是热影响层，再往下才是无变化的材料基体。
- _* V( P# Y" Q7 _, \8 f/ W总之，材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果，对这一复杂的抛出机理的认识还在不断深化中。
四、极间介质的消电离
8 F. o: P  m/ l5 V3 V1 p4 N随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，4～5段，标志着一次脉冲放电结束。但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处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，这样可以保证按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。另外，在加工过程中形成的电蚀产物以及热量等都需要在此阶段排出。由此，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般都应有足够的脉冲间隔时间t0。

huzuoan

楼主最好做个压缩包上传到论坛供大家下载，因为现在的看不到图啊！

卡姆

大部分是教科书上的内容