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电火花加工原理

单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。

让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。

这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。

电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。

虽然一次脉冲放电的时间很短，但它是电磁学、热力学和液体力学等综合利用的过程，是相当复杂的。

综合起来，一次脉冲放电的过程可分为以下阶段：

（1）“师”之概念，大体是从先秦时期的“师长、师傅、先生”而来。

其中“师傅”更早则意指春秋时国君的老师。

《说文解字》中有注曰：

“师教人以道者之称也”。

“师”之含义，现在泛指从事教育工作或是传授知识技术也或是某方面有特长值得学习者。

“老师”的原意并非由“老”而形容“师”。

“老”在旧语义中也是一种尊称，隐喻年长且学识渊博者。

“老”“师”连用最初见于《史记》，有“荀卿最为老师”之说法。

慢慢“老师”之说也不再有年龄的限制，老少皆可适用。

只是司马迁笔下的“老师”当然不是今日意义上的“教师”，其只是“老”和“师”的复合构词，所表达的含义多指对知识渊博者的一种尊称，虽能从其身上学以“道”，但其不一定是知识的传播者。

今天看来，“教师”的必要条件不光是拥有知识，更重于传播知识。

极间介质的电离，击穿及放电通道的形成

宋以后，京师所设小学馆和武学堂中的教师称谓皆称之为“教谕”。

至元明清之县学一律循之不变。

明朝入选翰林院的进士之师称“教习”。

到清末，学堂兴起，各科教师仍沿用“教习”一称。

其实“教谕”在明清时还有学官一意，即主管县一级的教育生员。

而相应府和州掌管教育生员者则谓“教授”和“学正”。

“教授”“学正”和“教谕”的副手一律称“训导”。

于民间，特别是汉代以后，对于在“校”或“学”中传授经学者也称为“经师”。

在一些特定的讲学场合，比如书院、皇室，也称教师为“院长、西席、讲席”等。

当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。

电场强度与电压成正比，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，因面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。

当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。

由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。

间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为20-30V），电流则由0上升到某一峰值电流。

（2）介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀

极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使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间热源，达到很高的温度。

通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。

这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。

观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。

电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。

（3）电极材料的抛出

通道和正负极表面放电点瞬时高温使工件液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。

通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，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。

熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒处，还有一小部分飞溅、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消耗。

实际上，金属材料的蚀除、抛出过程是比较复杂的，目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。

（4）极间介质的消电离

随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，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离子，恢复本次放电通道介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。

由此可见，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要有足够的脉冲间隔时间。

此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。

为了在2个电极之间产生电火花，这2个电极之间的电压必须高于间隙（电极-工件之间）击穿电压取决于：

1）电极和工件之间的距离；

2）电介液的绝缘能力（水质比电阻）；

3）间隙的污染状况（腐蚀废物）。

放电首先在电场最强的点发生，这是个复杂的过程；自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道；在这个阶段，两板间形成电流。

导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于某种原因电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高；然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把深化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走；对于电极及工件腐蚀对不对称的问题，主要取决于电极热传导性，材料的熔点，持续时间以及放电密度，发生在电极上称作损耗，发生在工件上称作去除材料。

电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处，由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中使放电区的温度瞬间高达10000-12000度，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。

局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。

一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。

如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。

电火花成型加工原理图

1-工件2-脉冲3-自动4-工具电极5-工作液6-过滤器7-泵

影响电加工质量的因素

影响加工质量的原因是多方面的，大致与电极材料的选择、电极制造、电极装夹找正、加工规准的选择、操作工艺是否恰当等有关。

要防止产生废品，应注意下列各点。

1、正确选择电极材料

在型腔加工中，石墨是常用的电极材料，但由于石墨的品种很多，不是所有的石墨材料都可作为电加工的电极材料，应该使用电加工专用的高强度、高密度、高纯度的特种石墨。

紫铜电极常用于精密的中、小型型腔加工。

在使用铸造或锻造制造的紫铜坯料做电极时，材质的疏松、夹层或砂眼，会使电极表面本身有缺陷、粗糙和损耗不均匀，使加工表面不理想。

2、制造电极时正确控制电极的缩放尺寸

制造电极是电火花加工的第一步，根据图纸要求，缩放电极尺寸是顺利完成加工的关键。

缩放的尺寸要根据所决定的放电间隙再加上一定的比例常数而定。

一般宁肯取理论间隙的正差，即电极的标称尺寸要偏“小”一些，也就是“宁小勿大”。

若放电间隙留小了，电极做“大”了，使实际的加工尺寸超差，则造成不可修废品。

如电极略微偏“小”，在尺寸上留有调整的余地，经过平动调节或稍加配研，可最终保证图纸的尺寸要求。

在型孔加工中无论是制造阶梯电极，还是用直接加工电极，由于最终要控制凸凹模具的配合间隙，因此对电极缩放尺寸的要求是十分严格的，一般应控制在±0.01mm。

3、把好电极装夹和工件找正的第一关

在校正完水平与垂直，最后紧固时，往往会使电极发生错位、移动，加工时造成废品。

因此，紧固后还要不厌其烦地再找正检查一下，甚至在加工开始进行了少量进给后，还需要停机再查看一下是否正确无误。

因为电火花加工开始阶段是很重要的一个环节，也是需要操作者最精心的时候。

由于电极装夹不紧，在加工中松动，或找正误差过大，是造成废品的一个原因。

电极或辅助夹具的微小松动，会给加工深度带来误差。

有时在多次重复加工中，加工条件相同，但深度误差分散性很大，往往也是电极松动造成的。

加工过程中夹具发热，也会使电极松动。

对于一些小型单电极，只用一个螺栓与电极连接固定，则更容易发生松动，特别是石墨电极采用这种夹固方法是非常不可靠的。

在进行型孔加工中，一般为了减少加工量，都进行预铣或预钻。

加工留量越小，越有利于提高加工速度，但也会给找正带来困难，造成废品的潜在危险也越大，多型孔同时加工的场合更是如此，由于预铣、预钻孔的尺寸不够均匀一致，往往多数孔已经找正，而有一二个孔略偏。

如果观察粗略，就有可能加工后个别型孔留有“黑皮”而造成废品。

因此在加工初始阶段，一定要停机查核，确实无误后再继续加工。

4、要正确选用加工规准，了解脉冲电源的工艺规律

了解和掌握脉宽、脉间、电流、电压、极性等一组电规准对应产生的电极损耗、加工速度、放电间隙、表面粗糙度以及锥度等工艺效果，是避免产生废品、达到加工要求的关键。

不控制电极损耗就不能加工出好的型腔，控制不好粗糙度和放电间隙，就不能确定最佳平动量，修光型腔侧壁。

控制不准放电间隙和粗糙度就加工不出好的型孔。

常常有人埋怨电源的电极损耗异乎寻常的大，这往往是由于极性接反了，或者是用高频、窄脉宽进行型腔的粗加工。

5、防止由于脉冲电源中电气元件的影响而造成废品

脉冲电源在维修中由于更换了元器件，使脉冲参数发生改变，也会使加工达不到人们预期的效果。

或由于电源中元器件损坏、击穿，引起拉弧放电，也是造成工件严重破坏的原因。

6、注意实际进给深度由于电极损耗引起的误差

在进行尺寸加工时，由于电极长度相对损耗会使加工深度产生误差。

而由于规准变化的不同，误差也会很不一致，往往使实际加工深度小于图纸要求。

因此一定要在加工程序中，计算、补偿上电极损耗量，或者在半精加工阶段停机进行尺寸复核，并及时补偿由于电极损耗造成的误差，然后再转换成最后的精加工。

7、正确控制平动量

型腔或型孔的侧壁修光要靠平动，既要达到一定粗糙度的要求，又要达到尺寸要求，需要认真确定逐级转换规准时的平动量。

否则有可能还没达到修光要求，而尺寸已经到限，或者已经修光但还没有达到尺寸要求。

因此，应在完成总平动量75%的半精加工段复核尺寸，之后再继续进行精加工。

8、防止型腔在精加工时产生波纹和黑斑

在型腔加工的底部及弯角处，易出现细线或鱼鳞状凸起，称为波纹。

产生的原因有以下几方面：

电极损耗的影响：

电极材料质量差，方向性不对，电参数选择不当，造成粗加工后表面不规则点状剥落（石墨电极）和网状剥落（紫铜电极）。

在平动侧面修光后反映在型腔表面上就是“波纹”。

冲油和排屑的影响：

冲油孔开得不合理，“波纹”就严重；另外排屑不良，蚀除物堆积在底部转角处，也助长了“波纹”的产生。

减少和消除的方法：

采用较好的石墨电极，粗加工开始时用小电流密度，以改善电极表面质量。

采用中精加工低损耗的脉冲电源及电参数。

合理开设冲油孔，采用适当抬刀措施。

采用单电极一修正电极工艺，即粗加工后修正电极，再用平动精加工修正，或采用多电极工艺。

精加工留在型腔表面的黑斑常常给最后的加工带来麻烦。

仔细观察这部分的表面不平度较周围其他部分要差。

这种黑斑常常是由于在精加工时脉冲能量小，使积留在间隙中的蚀除物不能及时排出所致。

因此，在最后精加工时要注意控制主轴进行灵敏的“抬刀”，不使炭黑滞留而产生黑斑。

9、注意装夹在一起的大小电极在放电间隙上的差异（此处主要指侧面间隙）

原则上放电间隙应不受电极大小的影响，但在实际加工中，大电极的加工间隙小，而小电极加工间隙反而偏大，一般认为：

大小电极组装精度可能不一样，小电极垂直精度不易装得象大电极那样高，使其投影面积增大，造成穿孔加工放电间隙扩大。

小电极在穿孔加工过程中容易产生侧向振动，造成放电间隙扩大。

由于穿孔进给速度受大电极的限制，使小电极二次放电机会增多，致使其放电间隙扩大。

10、防止在型孔加工中产生“放炮”

在加工过程中产生的气体，集聚在电极下端或油杯内部，当气体受到电火花引燃时，就会象“放炮”一样冲破阻力而排出，这时很容易使电极与凹模错位，影响加工质量，甚至报废。

这种情况在抽油加工时更易发生。

因此，在使用油杯进行型孔加工时，要特别注意排气，适当抬刀或者在油杯顶部周围开出气槽、排气孔，以利排出积聚的气体。

11、注意热变形引起的电极与工件位移

在使用薄型的紫铜电极时，加工中要注意由于电极受热变形而使加工的型腔产生异常。

另外值得注意的是停机后，由于人为的因素，使电极与工件发生位移。

在开机时，又没注意电极与工件的相对位置，常常会使接近加工好的工件报废。

12、注意主轴刚性和工作液对放电间隙的影响

电火花加工的蚀除物从间隙排出的过程中，常常在电极与工件间引起电极与加工面的二次放电。

二次放电的结果使已加工过的表面再次电蚀，在凹模的上口电极进口处，二次放电机会就更多一些，这样就形成了锥度。

电火花加工的锥度一般在4′～6′之间。

二次放电越多，锥度越大。

为了减小锥度，首先要保持主轴头的稳定性，避免电极不必要的反复提升。

调节好冲、抽油压力，选择好适当的电参数，使主轴伺服处于最佳状态，既不过于灵敏，也不迟钝，都可减少锥度。

在加工深孔中为了减少二次放电造成锥度超差，常采用抽油加工或短电极的办法。

13、要密切注视和防止电弧烧伤

加工过程中局部电蚀物密度过高，排屑不良，放电通道、放电点不能正常转移，将使工具工件局部放电点温度升高，产生积炭结焦，引起恶性循环，使放电点更加固定集中，转化为稳定电弧，使工具工件表面积炭烧伤。

防止办法是增大脉间及加大冲油，增加抬刀频率和幅度，改善排屑条件。

发现加工状态不稳定时就采取措施，防止转变成稳定电弧。

常用电极材料及相关知识

电极材料必须是导电性良好，损耗小，造型容易，并具有加工稳定、效率高、材料来源丰富、价格便宜等特点。

常用电极材料有紫铜、石墨、黄铜、铜钨合金和钢、铸铁等。

紫铜电极：

它质地细密，加工稳定性好，相对电极损耗较低小，适应性广，尤其适用于制造精密花纹模的电极，其缺点为精车、精磨等机械加工困难。

石墨电极：

特别适用于大脉宽大电流型腔加工中，电极损耗可做到小于0.5%，抗高温，变形小，制造容易，重量轻。

缺点：

容易脱落、掉渣，加工表面粗糙度较差，精加工时易拉弧。

黄铜电极：

黄铜电极最适宜中小规准情况下加工，稳定性好，制造也较容易，但缺点是电极的损耗率较一般电极都大，不容易使被加工件一次成形，所以一般只用在简单的模具加工、通孔加工、取断丝锥等。

铸铁电极：

目前较少应用的一种材料，主要特点：

制造容易、价格低廉、材料来源丰富，放电加工稳定性也较好，特别适用于复合式脉冲电源加工，电极损耗一般达20%以下，对加工冷冲模最适合。

钢电极：

钢电极在我国应用比较多，它和铸铁电极相比，加工稳定性差，效率也较低，但它可把电极和冲头合为一体，只要一次成形，可缩短电极与冲头的制造工时。

电极损耗与铸铁相似，适合“钢打钢”冷冲模加工。

铜钨合金与银钨合金电极：

由于含钨量较高，所以在加工中电极损耗小，机械加工成形也较容易，特别适用于工具钢、硬质合金等模具加工及特殊异形孔、槽的加工。

加工稳定，在放电加工中是一种性能较好的材料。

缺点：

价格较贵，尤其是银钨合金电极。

电极制造工艺

石墨在加工前应在油里浸透好，以便在机械加工时，石墨屑不易飞扬，清角线和棱角线不易剥落。

石墨和紫铜电极采用一般的机械加工（车、铣、刨、磨等），最后钳工修正成形。

考虑到经济效益，在能够采用机械加工的地方尽量用机械加工，线切割和电火花加工配套应用中精加工低损耗电源输出功率较小，生产率略低，加工模具的双面间隙在0.1～0.25mm左右。

目前人们还是采用平动方法，扩大间隙来达到修光型腔的目的，但是平动方法也有它的不足之处，仿形精度受到一定影响，四周会产生圆角，底部产生平台，因此平动量不宜太大，一般为0.1～0.3mm。

因而确定了电极的缩放量为0.1～0.3mm。

根据型腔模具设计原则，电极尺寸的缩放按几何方法计算，因此在电极设计时只要在技术要求上写明电极的缩放量即可。

目前国内的线切割机床都有间隙补偿装置。

线切割机床可利用间隙补偿装置自行切割电极。