第七章 电火花加工技术.docx

1、第七章 电火花加工技术第七章 电火花加工技术电火花加工又称放电加工(E1ectvical Discharge Machining，简称EDM)，也有称为电脉冲加工的，它是一种直接利用热能和电能进行加工的新工艺。电火花加工与金属切削加工的原理完全不同，在加工过程中，工具和工件不接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲性火花放电，产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉。由于放电过程可见到火花，所以称为电火花加工。 7.1电火花加工技术概述 7.1.1 电火花加工原理及必备条件 1、电火花的加工原理 电火花加工的原理如图7.1所示。工件1与工具4分别与脉冲电源2的两个不同极性输出端相连接，自动进给调节

2、装置3使工件和电极间保持相当的放电间隙。两电极间加上脉冲电压后，在间隙最小处或绝缘强度最低处将工作液介质击穿，形成放电火花。放电通道中等离子瞬时高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小部分材料，使各自形成一个微小的放电坑。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，使工作液恢复绝缘，下一个脉冲电压又加在两极上，同样进行另一个循环，形成另一个小凹坑。当这种过程以相当高的频率重复进行时，工具电极不 断地调整与工件的相对位置，加工出所需要的零件。所以，从微观上看，加工表面是由 图7.1电火花加工原理图很多个脉冲放电小坑组成。 1工件 2脉冲电源 3自动进给调 2、电火花加工的必备条件 节装置 4工具 5工作液 基于

3、上述原理，电火花加工应具备下列条件： 6过滤器 7工作液泵 (1) 在脉冲放电点必须有足够大的能量密度，能使金属局部熔化和气化，并在放电爆炸力的作用下，把熔化的金属抛出来。为了使能量集中，放电过程通常在液体介质中进行。 (2) 工具电极和工件被加工表面之间要经常保持一定的放电间隙。这一间隙随加工条件而定，通常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。因此，在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。 (3) 放电形式应该是脉冲的，放电时间要很短，一般为10-710-3s。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，将每次放电点分布在很小的范围内，否则像持续

4、电弧放电，产生大量热量，只是金属表面熔化、烧伤，只能用于焊接或切割。 (4) 必须把加工过程中所产生的电蚀产物(包括加工焦、焦油、气体之类的介质分解产物)和余热及时地从加工间隙中排除出去，保证加工能正常地持续进行。 (5) 在相邻两次脉冲放电的间隔时间内，电极间的介质必须能及时消除电离，避免在同一点上持续放电而形成集中的稳定电弧。 (6) 电火花放电加工必须在具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。液体介质又称工作液，必须具有较高的绝缘强度(10-310-7cm)，以利于产生脉冲性的放电火花。同时，工作液应能及时清除电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物，并且对

5、工具电极和工件表面有较好的冷却作用。 7.1.2 电火花的加工特点和应用范围 1、电火花加工的特点 电火花加工不用机械能量，不靠切削力去除金属，而是直接利用电能和热能来去除金属，已成为常规切削、磨削加工的重要补充，相对于机械切削加工而言，电火花加工具有以下一些特点： (1) 适合于用传统机械加工方法难以加工的材料加工。因为材料的去除是靠放电热蚀作用实现的，材料的加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、比热容、导热系数(热导率)等，几乎与其硬度、韧性等力学性能无关。工具电极材料不必比工件硬，所以电极制造相对比较容易。 (2) 可加工特殊及复杂形状的零件。由于电极和工件之间没有相对切削运动，不存在

6、机械加工时的切削力，因此适宜于低刚度工件和细微加工。由于脉冲放电时间短，材料加工表面受热影响范围比较小，所以适宜于热敏性材料的加工。此外，由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于薄壁、低刚性、弹性、微细及复杂形状表面的加工，如复杂的型腔模具的加工。 (3) 可实现加工过程自动化。加工过程中的电参数较机械量易于实现数字控制、自适应控制、智能化控制，能方便地进行粗、半精、精加工各工序，简化工艺过程。在设置好加工参数后，加工过程中无需进行人工干涉。 (4) 可以改进结构设计，改善结构的工艺性。采用电火花加工后可以将拼镶、焊接结构改为整体结构，既大大提高了工件的可靠性，又大大减少了工

7、件的体积和质量，还可以缩短模具加工周期。 (5) 可以改变零件的工艺路线。由于电火花加工不受材料硬度影响，所以可以在淬火后进行加工，这样可以避免淬火过程中产生的热处理变形。如在压铸模或者锻压模制造中，可以将模具淬火到大于56HRC的硬度。 电火花加工有其独特的优势，但同时电火花加工也有一定的局限性，具体表现在以下几个方面： (1) 主要用于金属材料的加工。不能加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。但近年来研究表明，在一定条件下也可加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。 (2) 加工效率比较低。一般情况下，单位加工电流的加工速度不超过20mm3(Amin)。相比于机加工来说，电火花加工的材料去除率

8、是比较低的。因此通常采用机加工切削去除大部分余量，然后再进行电火花加工。此外，加工速度和表面质量存在着突出的矛盾，即精加工时加工速度很低，粗加工时常受到表面质量的限制。 (3) 加工精度受限制。电火花加工中存在电极损耗，由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。虽然最近的机床产品在粗加工时已能将电极的相对损耗比降至1以下，精加工时能降至0.1，甚至更小，但精加工时的电极低损耗问题仍需深入研究。 (4) 加工表面有变质层甚至微裂纹。由于电火花加工时在加工表面产生瞬时的高热量，因此会产生热应力变形，从而造成加工零件表面产生变质层。 (5) 最

9、小角部半径的限制。通常情况下，电火花加工功能得到的最小角部半径略大于加工放电间隙，一般为0.020.03mm，若电极有损耗或采用平动头加工，角部半径还要增大，而不可能做到真正的完全直角。 (6) 外部加工条件的限制。电火花加工时放电部位必须在工作液中，否则将引起异常放电，这给观察加工状态带来麻烦，加工件的大小也受到影响。 (7) 加工表面的“光泽”问题。一般精加工后的表面，仍无机械加工后的那种“光泽”，需经抛光后才能发“光”。 2、电火花加工的应用范围 由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，其应用领域日益扩大，已经覆盖到机械、宇航、航空、电子、核能、仪器、轻工等部

10、门，用以解决各种难加工材料、复杂形状零件和有特殊要求的零件的制造，成为常规切削、磨削加工的重要补充和发展。模具制造是电火花成形加工应用最多的领域，而且非常典型。电火花加工在模具制造中的主要应用： (1) 高硬度零件加工。对于某些要求硬度较高的模具，或者是硬度要求特别高的滑块、顶块等零件，在热处理后其表面硬度高达50HRC以上，采用机加工方式将很难加工这么高硬度的零件，采用电火花加工则可以不受材料硬度的影响。 (2)型腔尖角部位加工。如锻模、塑料模、压铸模、挤压模、橡胶模等各种模具的型腔常存在着一些尖角部位，在常规切削加工中由于存在刀具半径而无法加工到位，使用电火花加工可以完全成型。 (3) 模

11、具上的筋加工。在压铸件或者塑料件上，常有各种窄长的加强筋或者散热片，这种筋在模具上表现为下凹的深而窄的槽，用机加工的方法很难将其加工成形，而使用电火花可以很便利地进行加工。 (4)深腔部位的加工。由于机加工时，没有足够长度的刀具，或者这种刀具没有足够的刚性，不能加工具有足够精度的零件，此时可以用电火花进行加工。 (5)小孔加工。对各种圆形小孔、异形孔的加工，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等，对于长深比非常大的深孔，很难采用钻孔方法加工，而采用电火花或者专用的高速小孔加工机可以完成各种深度的小孔加工。 (6)表面处理。如刻制文字、花纹，对金属表面的渗碳和涂覆特殊材料的电火花强化等。另外通过选择合理

12、加工参数，也可以直接用电火花加工出一定形状的表面蚀纹。 7.1.3 电火花加工的现状和发展趋势 1、电火花成形加工的现状 目前，电火花加工在制造业尤其在模具制造中的应用越来越广泛，加工范围日益扩大，大到汽车行业的覆盖件冲模，小到微细孔的加工。至于中小型复杂型腔的加工，则更是电火花加工的特长，形状越复杂，其优越性越能体现出来。此外采用电火花加工后，原本采用拼块结构的模具就能采用整体结构，既简化了模具结构，又增加了模具寿命。 电火花设备近年来发展也很迅速，设备的刚度、精度、加工粗糙度和自动化程度越来越高，功能越来越完善。机床采用了标准电极柄之后，装夹定位实现了自动化，精度也进入了“微米”级，有些机

13、床甚至具有电极自动更换装置，大大扩大了加工范围。 新型的成形机床大都具有三轴以上的伺服系统，再加上主轴头上的附属机构，能实现各式三维的立体仿形加工，甚至可以加工出空中球体、大斜度孔等零件。电火花加工机床甚至发展到自动装夹定位、自动更换电极、最优化参量选择、自动修正电极以及长时间无人操作的阶段。 由于电火花加工设备和工艺水平的不断提高，目前加工精度可达到0.01mm以上，个别情况下精度还可以提高，基本上能满足各种型腔模的加工要求。加工的经济表面粗糙度在Ra1.60.8之间，近年来研制的超光脉冲电源已使电火花成形加工达到Ra0.20.1左右的表面粗糙度，这使得电火花加工作为模具最后加工成为可能。

14、此外，电极的材料和制造方面也有新的突破。高纯高密度石墨用于精加工时，电极相对损耗只有3左右；在电极制造方面，快速电铸、液电成形已作为加工纯铜电极的重要方法。 2、电火花加工技术的发展趋势 在高速铣(HSM)迅速发展的今天，数控电火花成形机(NCSEDM)和普通电火花成形机(EDM)的发展确实受到一定的制约，实际表明，HSM不可以也不可能替代NCSEDM，而是相辅相成、相互发展的。但在新形势下，NCSEDM的发展重点应有所变化，要避开大面积大余量高效加工， NCSEDM的优势是向精密、复杂、微细加工、深型腔加工、深槽窄缝加工、内清角或棱边清晰的型腔加工、超硬材料及特殊零件的加工等方向发展。 7.

15、2 电火花加工工艺 7.2.1 电火花加工工艺规律 1、电火花加工的异常放电 （1）异常放电形式 正常的火花放电过程一般认为是击穿-介质游离放电放电结束绝缘恢复。过去认为在电火花稳定加工的状态下不会产生异常放电现象，但试验表明即使在非常稳定的加工状态下也会产生异常放电，只不过此时的异常放电现象微弱而短暂。另外在加工过程中，并不是所有的脉冲都放电加工，进给速度越快，脉冲利用率就越高，但产生异常放电的几率也就越大。异常放电主要有烧弧、桥接、短路等几种形式。 （2）异常放电产生的原因 产生异常放电的原因很多，主要有以下几点： 1）电蚀产物的影响。电蚀产物中金属微粒、炭黑以及气体都是异常放电的“媒介”

16、。传统理论将间隙中炭黑微粒的浓度看作间隙污染的程度，污染严重时不利于加工，因此必须及时清除。但近来研究表明，由于间隙被污染而使放电的击穿距离增大，使之与维持放电的距离接近，有利于加工的稳定性。另外，炭黑微粒在放电过程中参与了物理化学作用，在某些加工状态下使电极损耗减少，起到了积极的作用。 2）进给速度的影响。一般来说，进给速度太快是造成异常放电的直接原因。在正常加工时，电极应该有一个适当的进给速度。为保持加工状态而不产生异常放电，进给速度应该略低于蚀除速度。 3）电规准的影响。放电规准的强弱和电规准的选择不当容易造成异常放电。一般来说，电规准较强、放电间隙大不易产生异常放电；而规准较弱的精加工

17、，放电间隙小且电蚀产物不易排除，容易产生异常放电。此外，放电脉冲间隔小，峰值电流过大，加工面积小而使加工电流密度超过规定值，以及极性选择不当都可能引起异常放电。2、表面变质层（1）表面变质层的产生 放电时产生的瞬时高温高压，以及工作液快速冷却作用，使工件与电极表面在放电结束后产生与原材料工件性能不同的变质层，如图7.2所示。图7.2 工件表面的变质层 工件表面的变质层从外向内又可大致分成三层：放电时被高温熔化后未被抛出的材料颗粒，受工作液快速冷却而凝固粘结于工件表面，形成熔化凝固层；靠近熔化层的材料受放电高温作用及工作液的急冷作用形成淬火层；距表面更深一些的材料则受温度变化影响形成回火层。（2

18、）表面变质层对加工结果的影响表面变质层的结构和性质会因材料的不同而有差异。一般情况下，表面变质层对加工结果的影响是不利的，表现在以下几方面： 表面粗糙度：变质层的产生增加了材料表面的表面粗糙度。变质层越厚，工件表面粗糙度越高，其间关系可由表7-1表示。表7-1 表面粗糙度和变质层厚度的关系Rz/m变质层厚度/mRz /m变质层厚度/m200168847954 13844 12131 9224 723819.512.614 358 172 10表面硬度：变质层硬度一般比较高，并且由外而内递减至基体材料的硬度，增加了抛光的难度。不过这一规律因材料不同而会有差异，如淬火钢的回火层硬度要比基体低，而硬

19、质合金在电加工后反而会在表面产生“软层”。耐磨性：一般来说，变质层的最外层硬度比较高，耐磨性好，但由于熔化凝固层与基体的粘结并不牢固，因此容易剥落，反而加速磨损。耐疲劳性能：在瞬间热胀冷缩的作用下，变质层表面形成较高的残余应力(主要为拉应力)，并可能因此产生细小的表面裂纹(显微裂纹)，使工件的耐疲劳性能大大降低。 可见，变质层对工件加工质量和工件使用寿命会产生不利的影响。 （3）改进方法 改善电火花加工参数。脉冲能量越大，熔化凝固层越厚，表面裂纹也越明显；而当单个脉冲能量一定时，脉宽越窄，熔化凋固层越薄。因此，对表面质量要求较高的工件，应尽量采用较小的电加工规准，或者在粗加工后尽可能进行精加工

20、。 进行适当的后处理。由于熔化凝固层对工件寿命有较大影响，因此可以在电加工完成后将它研磨掉，为此需要在电加工中留下适当的余量供研磨及抛光。另外，还可以采用回火、喷丸等工艺处理，降低表面残余应力，从而提高工件的耐疲劳性能。 3、电蚀产物 （1）电蚀产物的种类 电火花加工时的电蚀产物分为固相、气相和辐射波三种。 固相电蚀产物按其形状的大小可分为大型、中型、小型和微型颗粒，气相电蚀产物主要包括一氧化碳和二氧化碳；辐射波主要有声波和射频辐射两部分 （2）电蚀产物的危害 固相电蚀产物的大、中型颗粒通常在强规准粗加工的场合中产生，这种颗粒对电火花加工有一定的影响，容易产生短路和烧弧现象，从而破坏工件的加工

21、精度和表面粗糙度；小型颗粒通常在型腔和穿孔的粗加工中产生，除易产生短路和烧弧现象外，还有可能引起二次放电；微型颗粒的产生是不可避免的，任何电火花加工都将产生，容易产生烧弧，降低加工稳定性。 气相产物中由于包含有毒气体，所以必须及时排除，否则对人体 有一定的危害。通常采用强迫抽风或风扇排风以降低影响。 （3）电蚀产物的排除 在电火花加工过程中，工具电极和工件的蚀除将产生大量的电蚀产物。及时将电蚀产物从工作区域中清除成为电火花加工顺利进行的必要条件。在绝大多数情况下，电蚀产物的排除必须采用强迫排屑的方法，主要形式有以下几种：抬刀，抬刀方式有定时抬刀和适应抬刀。当电极的横截面为圆形，可采用电极转动的

22、方法。工件或电极的振动。开排气孔。冲油法。抽油法。喷射法等。在实际中，应根据工艺条件采用不同的排屑法。 4、电极耗损 电极损耗是加工中衡量加工质量的一个重要指标，它不仅取决于工具的损耗速度VE，还要看同时能达到的加工速度Vw，因此通常采用相对损耗来衡量工具电极耐损耗的指标，其计算公式为：=VE/VwX100% 在实际加工过程中，降低电极的相对损耗具有很现实的意义。 7.2.2电极材料和电火花工作液 1、电极材料 在电火花加工过程中，电极用于传输电脉冲，蚀除工件材料，而电极本身一般不损耗。为了实现这一目的，电极材料必须具备以下特点：导电性能良好、损耗小、造型容易、加工稳定、效率高、材料来源丰富、

23、价格便宜。电火花型腔加工常用的电极材料主要有纯铜和石墨，特殊情况下也可采用铜钨合金与银钨合金电极。 石墨电极适用于加工蚀除量较大的型腔、加工无精细线条的型腔，适用于一个电极完成型腔加工。由于其粗加工可达到很大的生产率，因此特别适用于有较大余量的工件粗加工。 纯铜电极更适合于形状精细、要求较高的中、小型型腔。超大型型腔有时也采用薄板或电铸成形的纯铜电极，如大型型腔既有大面积曲面成形，又有精密微细成形要求时，经常采用分解电极多次成形加工而成。 选择电极材料应根据加工对象而定。对于直壁的深孔加工，所选电极的损耗应尽可能小(如选用银钨或铜钨合金)；加工具有文字或花纹图案的型腔时，则可采用电铸的纯铜电极

24、。此外，同一种电极材料加工不同成份、不同材料的工件时，加工情况都有一定的差异。2、电火花工作液 （1）电火花工作液的主要作用在脉冲间隔火花放电结束后，尽快恢复放电间隙的绝缘状态（消电离），以便下一个脉冲电压再次形成火花放电。使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去。冷却工具电极和降低工件表面瞬时放电产生的局部高温。压缩火花放电通道，增加通道中被压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力。 （2）电火花工作液的种类及特性我国过去普遍采用煤油作为电火花加工的工作液，新煤油的电阻率为106cm，而使用中在105106cm之间，且比较稳定，其粘度、密度、表面张力等性能也全面符合电火花加工的要求。 近年来，在引进

25、机床的同时，也引进了国外不同类型的电火花加工液(放电加工油、电火花机油)，同时国内的数家企业也成功开发出了电火花加工液，逐步替代了煤油。表7-2显示了煤油与电火花加工液的特性比较。表7-2 煤油与电火花加工液的特性比较项目煤油电火花加工液气味及颜色气味重，会麻痹神经，普遍使用后发黄无色，无味，无毒，清澈如水闪火点及安全性40oC易燃、危险，易发生火灾114120oC，安全抗氧化性抗氧化性，易炭化，积炭，结焦高抗氧化性，不易炭化，减少废油残渣的产生耗用量及使用寿命易被工件带走而且用量多，利用率低，寿命短（3090天）被工件带走量少，损耗是煤油的1/4，利用率高，环境优则寿命长达两年以上挥发性及厂

26、房环境高挥发性，因高烟雾、高油雾、加工环境恶化，地板会有油打滑低挥发性，减少液体的流失和操作者对雾化气体的接触：低油雾，厂房无油污切干净热传导性普通，油温升高快优，不致使工件回火起泡性及清洗效果起泡性高：清洗效果不稳定起泡性几乎无：清洗效果稳定环保性及附加价值易造成率芯、滤纸频繁更换本身生物可分解性高，反复使用污染少 7.2.3 电火花加工工艺指标 电火花加工中的工艺指标包括加工精度、表面粗糙度、加工速度以及电极损耗比等，影响因素有电参数和非电参数。电参数主要有脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电压、峰值电流、加工极性等；非电参数主要有压力、流量、抬刀高度、抬刀频率、平动方式、平动量等。这些参数相互影响

27、，关系复杂。 1、表面粗糙度 电火花加工表面和机械加工的表面不同，它是由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，特别有利于保存润滑油。机械加工表面则由切削或磨削刀痕所组成，且具有方向性。因此，电火花加工表面的润滑性能和耐磨损性能优于机械加工表面。 2、加工精度 电火花加工与机械加工一样，机床本身的各种误差以及工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到加工精度，另外电火花加工的一些工艺特性也将影响加工精度，主要有以下几点：放电间隙的大小及其一至性；工具电极的损耗；电极的制造精度；二次放电；工作液温度升高引起机床的热变形；装夹定位的影响；电极夹持部分刚性、平动刚性、平动精度、电极冲油压力、电极运动精度等直

28、接关系电火花加工精度。 7.2.4 选择加工规准 1、电规准及其对加工的影响 （1）电规准的重要参数是： 脉冲宽度Ton，又称持续放电时间。 脉冲间隔了Toff，又称放电停歇时间。 脉冲峰值电流Tp，正常放电时的脉冲电流幅值。 除此之外，以下几个参数对加工也有一定影响： 击穿电压，每个脉冲放电的起始电压。 脉冲放电波形，分为空载波形和放电波形。 放电脉冲的前后沿，即电流的上升梯度和下降梯度di/dt。 平均加工电流Im，放电时的间隙平均电流。 单个脉冲能量，每个脉冲的能量，通常以IpTon计。 脉宽峰值比，即Ton/Ip。 大多数脉冲电源输出的放电脉冲是固定的(Ton、Toff、Ip)，改变参

29、数要人工调节。适应控制的脉冲电源则可以根据加工状态的不同，自动调节Ton、Toff、Ip中的一个或全部。 （2）电规准对加工的影响一般情况下，其他参数不变，增大脉宽Ton，将减少电极损耗，表面粗糙度变差，加工间隙增大，表面变质层增厚，斜度变大，生产率提高，稳定性会好一些。脉冲间隔对加工稳定性影响最大，Toff越大，稳定性越好。一般情况下，它对其他工艺指标影响不明显，但当Toff减小到某一数值时，它对电极损耗会有一定影响。增大峰值电流Ip，将提高生产效率，改善加工稳定性，但粗糙度变差，间隙增大，电极损耗增加，表面变质层增厚。 脉宽峰值比Ton/Ip是衡量电极损耗的重要依据。电极损耗小于1的低损耗

30、加工必须使Ton/Ip大于一定的值。Ton一般在0.12000m范围内。能作低损耗加工的脉冲电源必须输出较大的Ton脉冲。 2、加工参数的调整 影响工艺指标的主要因素可以分为离线参数(加工前设定后加工中基本不再调节的参数，如极性、峰值电压等)和在线参数(加工中常需调节的参数，如脉冲间隔、进给速度等)。表7-3和表7-4列出了一些控制参数对工艺指标的影响程度。表7-3 离线参数对工艺指标的影响程度离线参数放电电流i。电压脉宽ti或电流脉宽te开路电压极性电极材料表面粗糙度Ra大大小大大侧面间隙SL大大大大中加工速度w大大小大大电极损耗比中大小大大表7-4 在线参数对工艺指标的影响程度在线参数脉冲

31、间隔Toff伺服进给参考电压Sv伺服增益K冲油压力/冲油流量抬刀运动表面粗糙度Ra小大小大大侧面间隙SL小大大大中加工速度w小大小大大电极损耗比中大小大大3、正确选择加工规准 为了能正确选择电火花加工参数规准，人们根据工具电极、工件材料、加工极性、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流等主要参数对主要工艺指标的影响，预先制定工艺曲线图表，以此来选择电火花加工的规准。 图7-3至图7-6为工具电极为铜、加工材料为钢且负极性加工(工件接负极)时，工件表面粗糙度、单边侧面放电间隙、工件蚀除速度、电极损耗率与脉冲宽度和峰值电流的关系曲线图。为节省图形面积，纵、横坐标均采用对数坐标。图7-3 铜打钢工件表面粗糙度与脉冲宽度和峰值电流的关系曲线图 由于脉冲间隔只要保证能消除电离、能稳定加工、不