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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在放电加工时，电极带正极性电向工件表面靠近后保持一定的距离，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
2、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。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。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
3、。悬浮在火花油中的石墨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。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作用，不断冲向放电通道，这股冲力抑制了气泡
4、的膨胀。此时，电流不断增加，电压继续下降。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。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。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。5.在放电时间
5、内，直接位于能量柱下面的材料将处于熔融状态。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。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
6、会增加损耗。8被抛离的金属凝固成圆形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
7、 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
8、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。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
9、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。侧面冲油抽油压力冲油图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
10、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
11、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
12、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
13、度测量仪测定，通常用峰谷间算术平均值表示，单位是（mRa） 。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
14、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。第二章第二章火花控制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
15、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，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。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。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
16、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。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，冲油条件就越好，加工也比较稳定。但是，使用石墨作为电极时，高电压会增加电极的损耗。图2-2一旦电压产生了电离通道，电流就开始增强，电压便降至预设工作值。电流在加工周期的有效脉宽时升至最高点。极性极性是
17、指电极的极性，它决定了电流的方向。电极极性正负皆可。根据不同的加工情况，有时改变极性可以改善加工效果。通常，将石墨作为电极时，使用正极性损耗较少，使用负极性则加工速度较快。电极极性选择指南工件金属工具钢不锈钢铝钛碳化物铜粗加工*精加工*表示如果要求最快的加工速度， 电极可用负极性。上图表和左图表显示了2种电极材料的损耗率和金属蚀除率。 上图中， 两者均使用正极， 所以加工速度一样， 损耗不大。 对于精加工而言， 这是非常理想的。左图中，两者均使用负极，加工速度翻倍，损耗随之增加。 这对电极损耗相对而言不重要的粗加工非常适合。第二节基本操作参数基本加工参数设置包括：极性、脉宽、间歇和峰值电流（
18、IP） 。这些参数还可以用占空比、频率和平均电流表示。占空比占空比是脉宽占整个周期的百分比。通常，比率越高，加工效率越高。将脉宽除以整个周期时间（脉宽+间歇）再乘以 100 就是占空比或效率的百分比。频率频率指一秒钟内电火花加工周期在放电间隙内循环的次数。频率越高，得到的表面光洁度越好，因为频率变快，脉宽就变短（图2-3） ，这样蚀除的金属少，形成的蚀坑小，而且热能对工件产生的破坏小，因此加工后的表面更光滑。图2-3、使用不同的频率得到的工件表面光洁度不同。粗加工通常使用低频率。较长的脉宽能蚀除较多的金属，形成较深较宽的蚀坑。但会有更多的热能作用于工件，使硬质层加厚，氧化层更深。频率以千赫（K
19、Hz）为单位，用 1000 除以一个周期的时间，其中周期的时间以微秒为单位。平均电流峰值电流是电源产生的脉冲所能达到的最大电流值。平均电流是整个周期火花间隙内电流的平均值，该值在加工过程中显示在电火花加工机床的电流表上。理论上说，平均电流可以通过占空比和峰值电流的乘积得出。它是衡量加工效率的指标之一。平均电流（A）=占空比（%）峰值电流（IP）第三节利用电火花能量进行加工金属的蚀除在放电时间内进行。如果峰值电流和脉宽固定，即使平均电流由于间歇的改变而改变，电火花能量也保持恒定。因此间歇的改变不会影响金属的蚀除量和表面光洁度。改变间歇会影响频率，从而改变加工速度。而表面光洁度只取决于脉宽和峰值电
20、流两个参数。图2-4、金属被蚀除后产生的蚀坑宽度和深度取决于电流和脉度。下例（图 2-5）中使用的是恒定的 50 微秒脉宽和 15 安培峰值电流，占空比为50%，间隙为 50 微秒。占空比降为 33%时，因为间歇延长了，金属蚀除量显著下降。此时，将间歇减半，占空比达到67%，加工速度明显提高。图2-5占空比的改变与金属蚀除率和表面光洁度的关系。增大占空比能够提高加工速度。注：表面光洁度并未在图中坐标轴上标出。在此仅给出数值。上述三种占空比所蚀除的金属量没有多大改变，所以三者加工后的表面光洁度差异很小。我们还必须注意，当占空比较高时，电极的损耗，特别是端面损耗（EW）降到了很小的程度。过切削（间
21、隙）电火花加工的型腔总是比电极宽。两者的差异称之为过切削（间隙） （图 2-6） 。过切削（间隙）随著电流强度和脉宽的增加而变宽。这两个参数直接影响过切削（间隙）的宽度和表面光洁度。为了正确加工电极，必须明确过切削的数值（间隙值） 。多数机床制造商会提供精确的数据。图2-6工件与电极不直接接触。电极总是比型腔小，这样才能留出火花间隙。第四节电火花加工实例电火花机床使用者的职责是控制加工参数，达到预期效果。改变脉宽和（或）间歇会改变占空比和频率，再加上改变峰值电流，则加工速度、电极损耗和表面光洁度均会发生变化。以下例子显示了改变不同参数所得到的结果。所有加工都采用正极性、工件材料为工具钢、电极材
22、料用 POCO 的 EDM-3、加工时间为 5 分钟。每次加工都测出加工速度、电极端面损耗和表面光洁度。例 1基本加工本例为基本切削（图 2-7） 。一个周期的时间为 100 微秒，其中脉宽为 40 微秒，间歇为 60 微秒。峰值电流为 50 安培。从以上数据可得出占空比和频率。计算占空比的公式如下：计算频率公式如下：现状使用 40%的占空比和 10 千赫的频率将得到一定的表面光洁度和加工速度。3实际结果加工速度（MRR）=0.8 in /hr电极损耗率（EW）=2.5%表面光洁度（SF）=400 inRa图2-7、例1的加工参数及一个周期内对工件产生的作用。例 2改变频率本例（图 2-8）中
23、的占空比保持不变，脉宽和间歇减半。现在脉宽为 20 微秒，间歇为 30 微秒。峰值电流仍为 50 安培。占空比还是 40%，但是频率从原来的 10 千赫增至 20 千赫。现状峰值电流虽然不变，但脉宽减半使金属蚀除量相应减少。由于相同时间内（100 微秒）完成了两个周期，所以加工速度不变。而金属蚀除量与每次放电量成正比。预期效果表面光洁度改善。虽然现在每次只有一半的金属被蚀除，但是频率加快了一倍，所以加工速度不变，消耗的能量也不变。实际结果加工速度（MRR）=0.7 in3/hr电极损耗率（EW）=6.3%表面光洁度（SF）=300 inRa图2-8上、下图分别为例二的加工参数以及一个周期和两个
24、周期内对工件产生的作用。例 3改变占空比本例（图 2-9）脉宽恢复到 40 微秒，间歇减少 10 微秒。这样，占空比上升至80%，频率保持在 20 千赫。在例 2 中，改变频率改善了光面光洁度；而本例得到的结果却与之大相迳庭。现状每次放电的能量和金属蚀除量保持不变。最大的变化就是缩短了间歇，使放电次数在同样时间内达到原来的两倍。预期效果表面光洁度相对不变，加工速度翻倍。关键在于占空比的改变。占空比和频率相配合能更全面地演绎电加工的特性。在频率固定的情况下，占空比从1%到 98%的改变将使加工结果产生臣大的变化。实际结果加工速度（MRR）=1.2in3/hr电极损耗率（FW）=1.4%表面光洁度
25、（SF）=430 inRa例 4改变峰值电流通过控制脉宽和间歇可以改变表面光洁度和加工速度。以上例子中唯一保持恒定的是峰值电流。其实改变峰值电流同样可以影响加工效果。本例中使用最初的参数：脉宽40 微秒、间歇 60微秒、占空比 40%、频率 10 千赫。峰值电流原为 50 安培，现在改为 25 安培（图 2-10） 。现状峰值电流减半，火花能量相应减半。预期效果加工速度减慢，表面光洁度改善。实际结果加工速度（MRR）=0.28in3/hr电极损耗率（EW）=2.5%表面光洁度（SF）=350 inRa图2-10例四的加工参数及一个周期内对工件产生的作用。图2-9上、下图分别为例三的加工参数以及
26、一个周期和两个周期内对工件产生的作用。图2-11 以上四例加工结果比较小结以上加工实例（图 2-11）的结果和数据表明了由电流强度、脉宽和频率控制的加工速度、表面光洁度以及电极损耗之间关系。例 1这是我们的基准参照实验。参数设置为脉宽40 微秒、间歇 60 微秒、峰值电流 50 安培。占空比为 40%，频率为 10 千赫。例 2本加工实例改变频率了。参数设置分别为脉宽20 微秒、间歇 60 微秒、峰值电流 50 安培。占空比保持在 40%，频率增加到20 千赫。结果改善了表面光洁度，但加工速度几乎不变。电极损耗由于脉宽变短而增加。例 3本加工实例改变了占空比。 参数设置分别为脉宽 40 微秒、
27、间歇 10 微秒、峰值电流 50 安培。占空比提高到 80%，频率保持在 20 千赫。结果加工速度提高了，表面光洁度稍有下降，电极几乎无损耗。例 4本加工实例改变了峰值电流。参数设置分别为脉宽 40 微秒、间歇 60 微秒、峰值电流降为25 安培。占空比为 40%，频率为 10 千赫。结果改善了表面光洁度，加工速度大大下降，电极损耗稍有增加。注：表面光洁度并未在图中坐标轴上标出。在此仅给出数值。图2-12所有加工实例比较。平均电流以下两例（图 2-13 和 2-14）中使用的平均电流相同，但其它参数不同。两者加工速度几乎一样，但是图 2-14 中的加工表面光洁度更好。操作参数通常，我们可以使用多种方法获得理想的加工效果。不同的加工情况、电极材料、尺寸和冲油条件要求不同的操作参数。在此，加工性能图表能给予您极大的帮助。图3-13、左图表明如何测定平均电流图3-14、本例虽然使用相同的平均电流，但由于频率增加，所以得到的表面光洁度更好。
