第二章 电火花加工• 电火花加工---放电加工---EDM---电蚀加工（我国） （日、美、欧） （俄、东欧） • EDM: electrical discharge machining • 电火花加工 : 工具、工件之间不断产生脉 冲性的火花放电，依靠放电时局部、瞬时 产生的高温把金属蚀除下来2.1 电火花加工的基本原理2.1.1 电火花加工原理（电腐蚀一直作为一种该如何避免的有害现象来研究，但一段时间后，有人想到能否利用这种现象来去除金属材料？）△ 原理：在液体介质中，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，通过两极间的相对进给， 蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、 形状及表面质量的预定要求关键词：脉冲放电、相对进给、液态介质△ 实现电火花加工的条件 1、电极、工件经常保持一定的放电间隙（几μm到 几百μm）；(电场强度) 工具电极的自动进给调节装置 2、火花放电必须是瞬时性的脉冲放电（短于1ms) ；避免形成连续性的电弧放电，高频脉冲电源 3、火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中 进行；进一步确保放电的脉冲性，并更好地排屑基于以上分析，考虑到机械架构，设计出电火 花加工机床。
2.1.2 电火花加工机床的设备组成1、电源控制柜（起到大脑、心脏作用）* 电源，提供电能（电流、脉冲宽度等）* 自动进给控制系统，检测、控制间隙多轴联动控制系统,（X-Y-Z-C-A五轴联动）* 电参数调整，放电能量改变（脉冲宽度、抬刀等）* 座标设定、移动、电极定位操作，等电参数数据库及专家系统，常见电极-工件电参数自动、手工编程系统（利用专家系统自动编程）文件管理系统（编辑、修改、删除，等）系统维护（加工速度显示、加工时间等）安全（液面控制、灭火控制，等）显示器、键盘、手控盒2、床身、工作台、油槽 床身， X-Y-Z直线移动A主轴装旋转头，电极旋转（恒速旋转、定位分度 ）C旋转工作台，工件旋转（恒速旋转、定位分度） 工作台，安装工件、 安装C旋转工作台 油槽， 盛装工作液，有门式和升降式上、放油机构冲油机构 灭火器、灯 关键：轴的移动和旋转精度 3、主轴，提供A主轴旋转运动，Z轴直线移动，夹持电极 4、工作液系统，工作液循环、过滤、降温（空调）2.1.3 电火花加工基本过程1、电极趋近工件 2、间距足够小时，E急剧增大，击穿绝缘介质，放 电， 3、局部、瞬时高温，熔化、汽化金属材料，在液体 介质中微爆炸，抛除材料，蚀除工件 4、第一个脉冲结束，第一次放电结束，放电区恢复 绝缘 5、第二个脉冲开始，在E足够大时，第二次放电开 始，如此循环 6、达到预定深度，加工结束 。
No.2）△ 电火花加工简略讨论 1、实际加工时，由于1）、大量微细蚀除产物存在于放电区2）、自动进给系统的响应（过进给、缓进给）3）、工作液的洁净情况等出现短路、开路、拉弧、正常脉冲多种情况； 2、电极与工件间的距离有波动； 3、由于E必须达到一定临界值才会放电，且放电过程 复杂，电火花加工过程，实际上是一个不很准确的 形状（型腔、型孔或圆孔）复制过程； 4、加工状态的稳定，与电参数、进给速度、加工深 度等多种因数有关； 5、工具电极有一定损耗2.2 电火花加工的特点及应用2.2.1 电火花加工的优点 a、适合于难切削导电材料的加工淬火钢、高温合金、钛合金、硬质合金等电火花加工时，材料的蚀除特性，主要取决于：1）、材料的导电性 2）、熔点、沸点3）、比热容 4）、导热系数 等几乎与强度、硬度、韧性、脆性等机械力学性能无关因此，电极材料一般选（锻制）紫铜（导电、导热性好） 、石墨（导电性好、熔点高）、铜钨合金（价格贵）前 两者易制作、损耗小、成本不太高b、可以加工特殊、复杂形状，或低刚度的零件微型电机轴的小半圆键槽（0.4mm厚）；某传感器用0.05±0.005mm厚的细颈；型腔贯通槽、孔（1 2 3 4）；简单电极（棒状、片状）加工复杂形状零件，即，电火花展成加工；（低刚度，内螺旋齿） （ NO.03）2.2.2 电火花加工的局限性a、主要适合于导电材料的加工在一定条件下，可以加工半导体材料甚至非导电材料， 处于研究阶段，效果应该一般；b、加工速度较慢（与蚀除特点有关，特别是小面积）1、当余量过大时，可采用切削加工方法（或其它特种 加工方法）去除大部分余量（大型腔）；2、可用较大能量来粗加工，用小能量来精加工（辅以 电极摇动），一个电极完成粗、精加工。
3、多电极更换 c、加工成型精度不是特别高由于存在电极损耗，即使低于0.1%（体积损耗）， 尖角处的损耗也较为明显；不过，尖角处的损耗 变圆，对应于型腔根部，相应形成一个小圆角， 常常（但不永远允许）有利于提高工件的疲劳寿命 d、最小脚部半径有限制除了尖角损耗，还有放电间隙存在，有时圆角难 以避免；相应地，工件型腔中绝对的清角或很小 的圆角，对切削加工也有难度2.3 电火花加工工艺方法分类1、穿孔及成型加工（穿孔的过程就是成型加工） 2、电火花线切割加工 3、电火花磨削（工具电极与工件具有类似磨床运动形式的电火花 加工，电极、工件一般都旋转，能量较小；可用于磨削微细﹑ ﹑薄壁等易变形的零件和深槽﹑ ﹑狭缝等） 4、电火花展成加工（含电火花铣削） 5、电火花小孔加工（含深孔加工） 6、表面强化、表面改性（利用放电产生的高温使电极瞬间熔 化,并与基体发生冶金化学反应形成涂层涂层成分不同,具有耐磨、耐蚀等不同功能涂层的厚度可控,成分和硬度分布具有梯度性 7、刻字2.4 电火花加工机理所谓机理，就是金属材料被去除的微观物理过程电火花放电加工区具有狭小、复杂、动态的特 征，材料每次被蚀除的微观过程是电动力、磁力、 热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的 过程。
到目前，尚有未研究清楚并难以完全研究清楚的部分但大致可分为以下几个连续的阶段：一、极间介质的电离、击穿，形成放电通道（电极、工件）脉冲电压→ → 不均匀E，尖端局部E达到约100伏/μm→ → 阴极表面出现场致电子发射，碳粒、胶体、 金属颗粒等导电介质及电子定向移动→ → 碰撞电离，使带电粒子雪崩式增多→ → 间隙电流↑，间隙电阻↓，间隙电压↓ → → 形成电流密度很高的放电通道二、介质热分解，电极材料熔化、气化，热膨胀通道中的粒子，在电场作用下，动能迅速增加，通过碰撞， 又转变成热能；在极短时间内，通道达到10000℃左右的高温， 该处的两极金属材料熔化、气化， 附近工作介质热分解，产生气体，并进而热膨胀由于时间极短，数量极多，因而常有密集的轻微爆炸三、电极材料的抛出电极材料的抛出， 在电极表面形成 放电痕大部分 进入工作液镀覆、吸附在 另一极表面极少又返粘在 电极表面四、极间介质的消电离脉冲电压结束，带电粒子复合为中性粒子； 放电通道迅速恢复绝缘 完成一次放电2.5 电火花加工中的基本规律2.5.1 影响材料放电腐蚀的主要因素 材料放电腐蚀：工件材料腐蚀（关系加工速度）电极材料腐蚀（关系电极损耗） 一、极性效应 现象：不管正负极材料是否相同，两极的蚀除量都 不同，并常常相差很大。
概念：由于两极的正负极性不同，而彼此电蚀量不 一样的现象，叫极性效应产生原因： 1）、正、负电极分别受负电子（质量极小）和正离 子（质量很大）轰击，在两极表面分配的能量不 一样，熔化、气化量也不一样；短（长）脉宽加工时，电子（离子）对正（负）极的撞击作用较大； 2）、正电极表面，能吸附游离碳胶粒，形成碳黑膜 ，使正极损耗减小，即所谓“覆盖效应”短脉冲分组脉冲，Cu-钢时，就采用工件接负的 “负极性加工”方式，类似于长脉宽加工显然，短脉宽加工时，因电子对正极的撞击作用较明显，为 尽快蚀除工件，宜将工件接正极，即“正极性加工”方式；长脉宽加工时，宜将工件接负极，即“负极性加工”方式二、电参数 单个脉冲的蚀除量q1与单个脉冲能量WM在一定范围内 成正比； 总的脉冲蚀除量 q = ∑ q1下面推导的公式，得出：蚀除量 q 、蚀除速度 vw,与K、WM 、f、φ等多种因素有关，特别是K和φ K：与te平均占比ti有关提高Vw的方法：提高 f，增大WM ，增大K， 提高φ 讨论：t0 相对 ti 过分小， φ 、K会减小； ti 增大，f 减小；ip过大，K会减小，电极损耗会加大；因此：ti、t0、ip等，需根据具体情况合理搭配，使K值较大 。
te 的含义三、金属材料热学常数对电蚀量的影响热学常数：是指熔点、沸点、导热系数、比热容、熔化潜热 、气化潜热等；火花通道的热能消耗在：工作液及两极具体在两极上有：金属升温、金属熔化、熔融金属升温、 金属气化、金属蒸气升温等；具体在工作液上有：液体升温、气化、气体升温等只有金属被熔化、气化，才能抛出，因而，热学常数与电蚀 量有很大关系 金属的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、气化潜热等越高， 电蚀量越小，导热系数越大，电蚀量越小比热容和熔化潜热、气化潜热1、比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的内能 ；Q=cm△t ，Q表示热量， c表示比热容 2、熔化潜热，指物质从固态（熔点温度）变为液态或由液态变为固态时吸收或放出的热量 纯铜（Cu）的熔化潜热为 ：13.02 kJ/mol；纯锡（Sn）的熔化潜热为：7.08 kJ/mol3、气化潜热，指物质从液态（沸点温度）变为气态或由气态 变为液态时吸收或放出的热量有时也称为蒸发潜热，单 位是kJ／Kg，或 kJ/mol 对于各种不同材料，当脉冲能量一定时，都会各有一个使材 料电蚀量最大的 “最佳脉宽” 。
这和热学常数有关相应就有某“材料对”的最佳加工脉宽 ti’某一试验条件下 ）四、工作液对电蚀量的影响工作液的作用：形成放电通道，恢复绝缘；压缩放电通道；抛出、排除产物；冷却 粗加工时，由于放电间隙较大，排屑条件好，可以 选用介电性能好、粘度稍大的机油； 中、精加工时，由于放电间隙较小，排屑条件较差 ，须选择粘度小、渗透性好的煤油类工作液五、影响电蚀量其它因素 1、加工过程的稳定性加工深度，加工面积，型腔复杂程度，工作液，工件材 料等，都会影响加工过程的稳定性有效脉冲利用率φ， 定量表达了它可采取的措施：强迫冲油、定时（适频）抬刀、减小电流、增大脉间 t 0、减小脉宽 t i 、减低进给速度等2、脉冲电源波形分组脉冲波形高低压复合脉冲波形 3、水基工作液流动性好，电化学阳极溶解作用 2.5.2 电火花加工速度Vw单位时间内，工件的电蚀量，称为加工速度分为：体积加工速度Vw= V / t （V为体积）（优先）重量加工速度VG= G / t （G为重量）影响因素：f（ti、t0）、极性、 WM（te、ip、火 花维持电压）、φ、K（电极对材料、电参数匹配 情况、工作液、冲油、抬刀、进给速度、电压波 形等）。
2.5.3电火花加工电极损耗 单位时间内，电极的体积电蚀量，称为损耗速度VE 用得更多的是电极相对损耗θ较为直观θ= VE / VW 粗加工时，Vw较大，θ较小，可达0.1%以下， 甚至无“损耗”，但粗糙度Ra 较大（较差）Vw 、θ、 Ra是电火花加工的三个工艺指标电极相对损耗θ，影响成型精度、电极寿命、加工 成本（时间、制作）等 Ra，影响表面质量影响电极相对损耗的因素： 一、极性一般地，短脉冲宽度，用工件接正的正极性加工；长脉冲宽度，用工件接负的负极性加工；加工钛合金，都采用正极性加工，短脉宽的正极 性加工，VW高下图是某一加工条件下的θ- t i 图 加工条件：φ6mm紫铜电极 ，工件为普通钢，煤油工作液，矩形电压波形，普通机床， ip（峰值电流）为10A可见，负极性加工，由于极性效应和覆盖效应等， 可以实现＜0.1%的低损耗或“无损耗”二、覆盖效。