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1、EDM加工基础原理技术部 李跃文第一章一个电火花的过程了解EDM加工中电极和工件间发生的加工情况对EDM用户帮助非常大，了解EDM加工的理论的基本知识有助于解决技术问题，有助于正确选择电极，有助于理解适合一项工作的材料为什么有时候在另一项工作中却差强人意的原因。了解EDM操作原理，有助于操作者提高工作效率，降低人为出错率。如果加工技术与操作技巧相结合，那么将会使你成为一个出色的EDM技师。第一节 间隙内放电加工的原理1.电极向工件表面靠近，相互间的距离由电压（间隙（GAP）电压）来决定。 在图示位置将产生高电压（高压空载电压）， 电解液开始被电离。在放电加工时，电极带正极性电向工件表面靠近后保
2、持一定的距离，这时候的距离由电压决定，这时的电压叫间隙（GAP）电压（产生电火花时，机床电压表所显示的电压值）。间隙电压可以通过机床预先设定，设定的间隙电压越低，电极与工件的距离越小。在电极与工件未到达设定的距离时，电极带着高压电压，这时的电压叫高压空载电压（放电未产生电火花时，机床电压表所显示的电压值）。高压空载电压同样可以通过机床预先设定，不同机床有不同的电压设定值。众所周知，火花油（介质油）是良好的绝缘物，但是电压足够大时可以使它分解成带电离子，因此，在产生电火花前的高压空载电压设定越高，就越容易分解电离子。2.当电解液变成等离子体后， 低压电能从电极传送至工件表面。悬浮在火花油中的石墨
3、微粒和金属微粒有助于电流的传导，这些微粒能够参与火花油的电离，直接携带电流，还可以促进火花油被电离击穿，随着带电离子的增多，火花油绝缘能力开始下降。如图最高点所示，当电极和工件表面的距离最小时，电场最强，因此电流可以从电极间接（电极与工件放电加工中永远会保持一定距离的）传输到工件，电压开始下降，电流上开始上升。3.由于电子在电极两端流动，产生了极高的热能。 随着电流的上升增加，热量快速积聚，使部分火花油、工件和电极气化，形成放电通道，而产生电火花。4.随着电流流过电极 ，在电化学反应的作用下，产生一个氢气泡。随着不断的电流流过电极，热量不断上升，一个气泡试图向外膨胀，但由于离子受到强烈的电磁场
4、作用，不断冲向放电通道，这股冲力抑制了气泡的膨胀。此时，电流不断增加，电压继续下降。5.在放电时间内，直接位于能量柱下面的材料将处于熔融状态。当脉冲将近结束时，电流和电压都呈稳定状态，气泡中的热量和压力达到最大值，一些金属被熔蚀（包括电极，所以熔点低的电极材料会熔融损耗较大）。此刻，直接位于柱形放电通道下的金属层处于熔融状态，受到气泡的压力而原地不动。6.在休止时间里，氢气泡发生内爆，把熔化的材料从放电间隙内排射出去。当一进入间歇（休止），电压和电流就降至零。温度骤然下降和失去电磁场作用，导致气泡爆炸，熔融的金属被抛离工件表面。由于爆炸力的作用，被抛离的金属物向周围排射而撞击到电极，若电极为脆
5、性或结构疏松的材料时，又或者电极此时得不到及时冷却时，电极因此亦会出现撞击损耗。7.在周期结束时，由于材料被移除，工件上产生了一个凹腔。未被抛离的熔融金属凝固成重铸层。此时新的火花（介质）油涌入型腔，冲走杂质，冷却工件和电极表面。在这时候，若没有足够的火花油及油压把抛离出来的熔融金属冲走，重铸层变厚，蚀除量降低。但是大压力的冲油，又会把电极表面来不及冷却的熔融层冲走，使电极损耗增大。熔点低的电极材料熔融层更厚，被冲走的会更多，所以当铜和石墨做电极时，铜电极冲油过大会增加损耗就是这个原理，石墨的结构颗粒度比铜大及熔点比铜高，冲油压力要比铜更大，排除杂物更好而不会增加损耗。8被抛离的金属凝固成圆形
6、小颗粒和电极上掉下来的铜（碳）屑一起分散在介质油中。没有破碎的气泡浮到表面。紧接着下一个放电周期又开始。如果间歇（休止）不够长，冲油状况不当，排除杂质困难，那么杂质可能会集结起来，影响放电的稳定性。在这种情况下还可能会产生直流拉弧（二次放电），损坏电极和工件。以上八张图示说明了单个电火花加工周期中发生的过程状态。一个电火花周期由脉冲和间歇构成。脉冲和间歇以时间微秒（s ，一百万分之一秒）为单位（机床的设定亦会以级数设置）。如下图示（以夏米尔EDM为例），它们的时间可以各在1.2至3200微秒（1至8级）内控制，每分钟最多可以循环25万次电火花周期，但在某一个指定的时刻内只有一个循环。一旦了解了
7、这个循环周期，我们就能通过控制脉冲和间歇，让电火花加工为我们工作服务。 在一个电火花周期里，我们感觉是没办法判断出脉冲和间歇状态的，因为它们产生时间实在是太短的原故。要分别出它们的状态和时间的长短，就要借助视波器来监测了。通常我们在加工过程中所看见机头下降后所产生的电火花已经是包含着许多个电火花周期。如果我们不让机头回退的话，那么我们看到的是电极在不断的放电，其实是在不断地重复一个一个的电火花周期。第二节 进入型腔内部的状态在工件上进行熔蚀时会形成一个型腔。型腔越深，去除杂质越困难，电极和工件的冷却也越困难。要使加工稳定进行，必须确保介质油冲过间隙，因此，冲油成了电火花加工过程中必要的组成部分
8、。成功的冲油可以清除放电间隙中熔蚀的工件微粒和损耗的电极微粒，让介质油顺利进入间隙。要维持稳定的加工，防止产生电弧，就必须做到以上两点。清除微粒的效果由间隙内介质油的流量决定，而流量的大小由油槽内的涡流反映。理想的油压通常是3至5psi，事实上，冲油时压力太大会阻碍微粒从间隙中排出，而且间隙中的介质油也得不到更新。油压过高时还会增加电极损耗。维持介质油容量和压力的平衡至关重要。进行粗加工时，放电间隙较大，因此为了达到较好的加工效果需要较大的流量和较小的压力。而进行精加工时，放电间隙减小，则需要较高的压力，并加速介质油的流动。冲油的三种基本方式分别为：压力冲油、抽油和侧面冲油（图1-1）。冲油方
9、式的选择应根据具体加工情况而定。电极的形状和尺寸也会限制冲油方式的选择。 压力冲油抽油侧面冲油图 1-1 三种冲油方式压力冲油作为最常用的冲油方法，压力冲油使介质油在压力作用下强行通过电极中的冲油孔进入放电间隙，与微粒一道从型腔边缘流出。由于液体从电极中通过，所以这种方法有助于电极的冷却。另一种类似的方法是从工件上的小孔压入介质油。二次放电和移动微粒的摩擦作用会磨损型腔侧壁，破坏表面光洁度。抽油法则可以避免这种缺陷。二次放电高温介质油沿著型腔侧壁流出放电间隙时能够造成大量热能的积聚。这些热能可以使型腔壁轻微膨胀。这时，沿著型腔壁移动的导电微粒会产生二次放电。由于放电总在电阻最小的地方产生，所以
10、它可能在电极的侧面而非端面的间隙处放电。抽油这种方式恰好和压力冲油相反。介质油和微粒是从电极或工件上的孔吸出放电间隙的杂质。这种方法可以减少二次放电，减轻侧壁磨损。侧面冲油在这里可以使用喷嘴或软管将介质油注入放电间隙，使液体和微粒从另一面喷出。这是最不理想的冲油方式。如果冲油条件比较差，会使微粒聚集，造成直流拉弧和麻点。利用电极的抬刀升起，保证足够的时间清除放电间隙可以改善这一状况。但这样做却降低了加工速度。不可平动的电极由于电极上设有冲油孔，这就意味著工件的对应部位不能被蚀除，因此加工时型腔中会留下锥凸体。根据不同的切削深度，有时需要停止电火花加工，去除锥凸的方法是人工去除或用后备电极（无冲
11、油孔）蚀除。平动电极平动电极能够简化冲油操作。由于较小的电极平动时，会使放电间隙的一边相对变宽，有利于介质油和微粒从型腔中排出。电极的平动同时还有助于介质油的更新。如果平动功能灵活的EDM机床应用平动加工，不单简化了冲油操作，而且加工效率和质量也得到提高。当电极平动量大于冲油孔的半径时，工件型腔内便不会留下锥凸痕迹。气泡电火花产生的气泡集聚在盲孔中，可能像汽油机的气缸里发生的爆炸一样，会损伤电极和工件。如果气泡累积过多，还会产生火灾隐患（图1-2）。虽然现在自动监视装置和介质油温控设置已大大降低了火灾的可能性，我们仍然必须牢记介质油是易然品。如果设计过程中预见到了气泡产生的可能性，就应采取措施
12、将气泡排到表面。例如在电极上加排气孔或工件型腔上保持通孔，而且还可以减除压力对放电稳定性的影响，提高加工速度。图 1-2 上图所示原为一块电极。未放出的气体一经电火花点燃，会破坏有用的电极，造成火灾，甚至人员受伤。第三节 电火花加工光洁度电火花加工表面由无数次放电造成的微小蚀坑形成。每个电火花加工周期结束后，蚀坑的边缘又形成新的高点，使之成为下一个周期熔蚀的优先位置，于是不同的蚀坑最终融合在一起，构成电火花加工表面的随意性。由此得到的表面光洁度（SF）是电火花加工在众多行业中倍受青睐的魅力所在之一。加工表面连成一片的蚀坑峰谷可用光洁度测量仪测定，通常用峰谷间算术平均值表示，单位是（m Ra）。
13、第四节 工件材料电火花加工时改变的不仅是工件表面，还有它的次表面。加工后的工件表面结构分为三层（图1-3）。电火花加工表面冲击层是由被抛出的熔融金属和少量电极微粒冲击而成。这一层很容易去除。下一层是硬质层（氧化层）。电火花加工实质上改变了硬质层的冶金结构和特性。在介质油的作用下，熔融金属迅速冷却，未被抛出去的熔融金属就凝固在型腔中形成了硬质层。这层硬而脆的氧化层会出现显微裂纹。如果这一层太厚，或者通过抛光无法变薄或去除，那么这块工件可能在有些使用条件下过早损坏。最后一层是受热层或退火层。它只是受热，并没有熔化。硬质层和受热层的厚度由工件材料的散热能力和加工能量决定。不管如何，改变的金属层都会影
14、响工件表面原来的属性。数控电火花机床上的自动精加工电路能够有效减少硬质层的形成，但仍然无法消除退火层。图 1-3 电火花加工形成的三层层面。第二章火花控制第一节 电火花加工周期每个加工周期由脉宽和间歇组成（图2-1），它们均以微秒为位。由于电蚀在放电时才进行，所以脉宽及其频率至关重要。脉宽（脉冲持续时间）金属蚀除量同脉冲能量成正比。后者由峰值电流和脉宽决定。脉宽越长，蚀除的金属材料越多，产生的蚀坑越深越宽，由此得到的工件表面比较粗糙。同时延长脉宽意味著更多的热能作用于工件并向下延展，这样势必造成更厚的硬质层，而氧化层也更深了。脉宽过长会影响加工效率。如果超出对应于每个电极和工件组合的最佳脉宽时
15、，加工速度（MRR）实际上是下降的。电极的脉冲可以使电极处于无损耗状态。但超过一定数值，再延长脉宽就会造成电极增长（负损耗），就像电镀一样。间歇（脉冲中断时间）从一个循环到下一个循环开始，必须有足够长的间歇，这样才算完成一个周期。间歇会影响加工速度和稳定性。理论上而言，间歇越短，加工速度越快。但如果间歇过短，介质油就无法将杂质冲洗干净，本身也无法消除电离。收此造成下一次放电不稳定，循环变形，伺服系统自动回撤，与较长且稳定的间歇相比，反而会降低加工速度。电火花的能量由电流强度、电压和脉宽三者共同决定。工件有研究表明最佳脉宽可使工件金属的熔化层达到最深，而且热量能够散发，不再熔化更多的金属，这时型腔底部的温度降至熔点以下。图2-1 每个电火花加工周期都由脉宽和间歇组成能量电流在脉冲持续时间内，电流从零一直上升到设定值，即电流峰值（图2-2）。电压电流产生之前，放电间隙内的电压不断增加直到介质油中形成电离通道（图2-2）。一旦电流产生，电压便很快下降，并稳定在预设的工作间隙电压。该值决定了电极端面同工件之间放电间隙的宽度。电压值越高，放电间隙越宽，冲油条件
