模具零件电火花加工.doc

第4章 模具零件电火花加工 电火花加工又称放电加工(Electrical Discharge Machining简称EDM)，在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产。它是在加工过程中，利用两极（工具电极和工件电极）之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来，以使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定要求的加工方法。因放电过程中可见到火花，故称之为电火花加工，也称电蚀加工。加工中工件和电极都会受到电腐蚀作用，只是两极的蚀除量不同,这种现象成为极性效应。工件接正极的加工方法称为正极性加工；反之，称为负极性加工。电火花加工的质量和加工效率不仅与极性选择有关，还与电规准（即电加工的主要参数)、工作液、工件、电极的材料、放电间隙等因素有关。 电火花放电加工按工具电极和工件的相互运动关系的不同，可以分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削、电火花展成加工、电火花表面强化和电火花刻字等。其中,电火花穿孔成形加工和电火花线切割在模具加工中应用最广泛。4.1电火花加工的基础知识4.1.1电火花加工的基本原理及必要条件电腐蚀现象早在19世纪初就被人们发现并加以研究。例如，电器开关在闭合或断开时，往往产生火花放电而把接触表面烧毛、腐蚀。所以人们一直认为电腐蚀是有害的。因而不断地研究它的成因，并设法减轻和避免。研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因在于火花放电时，火花通道瞬时产生大量的热，以致使电极表面的金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来，形成放电凹坑。要将放电腐蚀原理用于导电材料的尺寸加工，必须具备以下几个基本条件。1）工具电极和工件电极之间在加工时必须保持一定的间隙，一般是几个微米至数百微米。因此，加工中必须用自动进给调节机构来保证加工间隙随加工状态而变化。2）火花放电必须在一定绝缘性能的介质中进行，液体介质有压缩放电通道的作用，同时液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属屑、炭黑等电蚀产物从放电间隙中排出去，并对电极和工件有较好的冷却作用。对导电材料进行尺寸加工时，极间应有液体介质；表面强化时，极间为气体介质。3）放电点局部区域的功率密度足够高，即放电通道要有很高的电流密度（一般为105106A/cm）。这时，放电所产生的热量就足以使电极表面的局部金属瞬时熔化甚至汽化。4）火花放电是瞬时的脉冲性放电。放电的持续时间一般为11000s，这样才能使放电产生的热量来不及传导扩散到材料的其余部份，放电点集中在很小范围，内能量集中，温度高。如果放电时间过长，就会形成持续电弧放电，使加工表面材料大范围熔化烧伤而无法用作尺寸加工。5）在先后两次脉冲放电之间，应有足够的停歇时间，排除电蚀产物，使极间介质充分消电离，恢复介电性能，以保证每次脉冲放电不在同一点进行，避免发生局部烧伤现象，使重复性脉冲放电顺利进行。图4.1.1所示为脉冲电源的空载电压波形。图中ti为脉冲宽度，t0为脉冲间隔，tp为脉冲周期，ui脉冲峰值电压或空载电压。图4.1.1脉冲电源的空载电压波形 以上这些问题的解决，是通过图4.1.2所示的电火花加工系统来实现的。工件5与工具3分别与脉冲电源2的两输出端相连接。自动进给调节装置1使工具和工件间经常保持一很小的间隙（此处为电机与丝杆螺母机构），当脉冲电压加到两极之间时，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，放电点处产生瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一段时间间隔，使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。如此连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成，如图4.1.3所示，其中图4.1.3 (a)表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图4.1.3 (b)表示多次脉冲放电后的电极表面。 图4.1.2电火花加工原理 图4.1.3电火花加工表面局部放大图1-自动进给调节装置；2-脉冲电源；3-工具；4-工作液；5-工件；6-工作台；7-过滤器；8-工作液泵4.1.2电火花加工的特点电火花加工中，加工材料的去除是靠放电时的热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材斜的导电特性及其热学特性，如熔点、沸点(汽化点)、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度)无关，因此适合于加工难以切削加工的材料。放电加工中，加工工具电极和工件不直接接触，没有机械加工中的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状的加工。电火花加工是直接利用电能进行加工，而电能、电参数较机械量易于数字控制、智能控制和无人化操作。由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械（特别是模具制造）、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围可小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。电火花加工的局限性在于：主要用于导电材料的加工；一般加工速度较慢；存在电极损耗。4.1.3电火花加工的微观过程了解放电加工的机理，即金属材料蚀除的微观过程，有助于掌握电火花加工中各种基本规律，并能对脉冲电源、机床设备等提出合理的要求。由于放电时间很短，放电间隙很小，所以放电加工的机理相当复杂。实验结果表明，电火花加工的微观过程是电力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的结果。这一过程大致可分为以下几个连续的阶段：极间介质的击穿与放电；能量的转换、分布与传递；电极材料的抛出；极间介质的消电离。1.极间介质的击穿与放电由于工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极之间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当阴极表面某处的场强增加到105V/mm以上时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下负电子高速向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子(主要是电子)和带正电的粒子(正离子)，导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而放电。从雪崩电离开始到建立放电通道的过程非常迅速，一般小于0.1s，间隙电阻从绝缘状况迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值（几安到几百安）。由于放电通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达105106 A/cm。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压一般为（25V），电流则由0上升到某一峰值电流。图4.1.4所示为矩形波脉冲放电时的电压和电流波形。放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）和带负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。带电粒子高速运动时相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可高达10000以上。由于放电时电流产生磁场，磁场反过来对电子流产生向心的磁压缩效应。由于受到放电时的磁压缩效应和周围介质动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力，放电开始阶段通道截面很小，其初始压力可达数十甚至上百兆帕。高压放电通道以及瞬时形成的气体分子团（以后发展成气泡）急速扩展，并产生强烈的冲击波向四周传播。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等。图4.1.4矩形波脉冲放电时的电压（u）和电流（i）波形2.能量的转换、分布与传递极间介质一旦被击穿，脉冲电源就通过放电通道瞬时释放能量，把电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能及电磁波辐射能等(其中大部分转换成热能)，使两极放电点和通道本身温度剧增，该处即产生局部的熔化或汽化，通道中的介质也汽化或热裂分解。 脉冲电源释放的能量分布在放电通道、阳极上与阴极上。放电通道中的能量主要消耗在热辐射和热传导上。随着极间距离、电位梯度、放电电流和放电时间的增大，放电通道中消耗的能量亦增大。传递给电极上的能量是产生材料腐蚀的原因。在放电过程中，通道中的大量电子在电场的作用下奔向阳极并以很高的速度轰击阳极表面，将动能转变为热能。而通道中的正离子则在电场作用下奔向阴极，也以很高的速度轰击阴极表面，将其动能转变为热能。这些热源产生了很高的温度熔化和汽化了电极材料。3.电极材料的抛出传递给电极的能量转化成热能，并在电极表面形成一个瞬时高温热源。在脉冲放电初期，高温热源将使电极放电点部分材料汽化，在汽化过程中，产生很大的热爆炸力，使被加热至熔化状态的材料挤出或溅出。电极蒸气、介质蒸气以及放电通道的急剧膨胀也会产生相当大的压力，引起气化爆炸，把熔融金属抛出。 同时，放电过程由于气化了得气体体积不断向外膨胀产生的扩张“气泡”。这些气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气就会喷爆而出，抛出进入工作液中。实际上熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处乱射飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩成球状小颗粒外，有一小部分飞溅、附着、覆盖在相对的电极表面上去了。在某些条件下，这种互相飞溅覆盖现象的产物可以用来补偿电极工具在加工中的损耗。总之,电极材料的抛出是热爆炸力、磁流体动力、流体动力等综合作用的结果。人们对这种复杂的抛出机理的认识仍不完善，目前还在不断深化之中。4.极间介质的消电离一次脉冲放电结束，此后还应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。在加工过程中产生的电蚀产物(如金属徽粒、炭粒、气泡等)如果来不及排除、扩散出去，就会改变间隙介质的成分和降低绝缘强度，火花放电时产生的热量如不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的概率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道不能顺利地转移到其他部位，而始终集中在某一部位，使该处介质局部过热而破坏消电离过程，脉冲火花放电将转变为有害的稳定电弧放电，同时工作液局部高温分解后可能结炭，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去。由此可见，在电火花加工过程中，为了保证加工的正常进行，在先后两次脉冲放电之间一般都应有足够的停歇时间，其最小脉冲停歇时间的选择，不仅要考虑介质消电离的时间，而且还要考虑电蚀产物扩散和排出的难易程度。4.1.4电火花加工常用术语和符号我国电加工学会参照国际电加工界的电火花加工术语、定义和符号，制定了我国电火花加工的术语、定义和符号，以利于国内外学术交流、图书出版和学生教育培养等。下面介绍常用的术语和符号。1）工具电极 电火花加工用的工具，是火花放电时电极之一，故称工具电极。 2）放电间隙 是指加工时，工具和工件之间产生火花放电的距离间隙。在加工过程中称之为加工间隙S，它的大小一般在0.010.5mm之间。粗加工时间隙较大；精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙SF和侧面间隙SL；对冲压模具等的穿孔加工来说，可分为入口间隙Sin和出口间隙Sout；在一般情况下SF稍小于SL，Sin稍小于Sout。 3）脉冲电源 是电火花加工设备的主要组成部分之一，它给放电间隙提供一定能量的电脉冲，是电火花加工时的能量来源，常简称为电源。 4）伺服进给系统 是电火花加工设备的主要组成部分，作用是使工具电极伺服进给、自动调节，使工具电极和工件在加工过程中保持一定的平均端面放电间隙。我国早期电火花加工机床中的伺服进给系统是液压式的，靠液压油缸和活塞产生进给运动，实现伺服进给。现在采用步进电动机或大力矩、宽调速直流电动机以及交流伺服电动机作为伺服进给系统。 5）工作液介质 电火花加工时，工具和工件间的放电间隙必须浸泡在有一定绝缘性能的液体介质中，此液体介质即称工作液介质。一般将煤油作为电火花加工时的工作液。 6）电蚀产物 是指电火花加工过程中被电火花蚀除下来的产物。狭义而言，指工具和工件表面被蚀除下来的金属微粒小屑和煤油等工作液在高温下分解出来的炭黑，也称为加工屑。广义而言，电蚀产物还包括煤油在高温下分解出来的气体氢、甲烷等小气泡。 7）电规准电参数 是指电火花加工时选用的电加工用量、电加工参数，主要有脉冲宽度ti、脉冲间隔to、峰值电压ui、峰值电流ie等脉冲参数（图4.1.5），这些脉冲参数在每次加工时必须事先选定。图4.1.5 脉冲参数与电火花加工时的5种放电状态 8）脉冲宽度ti（s） 简称脉宽，日本及英美用ton。或on表示。它是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲持续时间。为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断续的脉冲电压波。粗加工时，用较大的脉宽，ti100s；精加工时，只能用较小的脉宽，ti50s。 9）脉冲间隔to（s） 简称脉间，也称脉冲停歇时间。它是两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间太短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤工具和电极；脉间选择的太长，将降低加工生产率。 10）放电时间（电流脉宽）te（s） 放电时间是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，亦即电流脉宽，它比电压脉宽稍小，差一击穿延时td。ti和te对电火花加工的生产效率、表面粗糙度和电极损耗等有很大的影响，但实际起作用的是电流脉宽te。 11）击穿延时td（s） 从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过1小段的延续时间td，工作液介质才能概率性地被击穿放电，此时间称为击穿延时，它与平均放电间隙大小有关，工具欠进给时，平均放电间隙偏大，平均击穿延时td就大；反之工具过进给时，放电间隙变小，td也就小。12）脉冲周期tp（s） 一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之前的时间称为脉冲周期，显然tp=tito 。 13）开路电压（空载电压）或峰值电压ui（V） 开路电压是间隙开路时电极间的最高电压，等于电源的直流电压。一般晶体管方波脉冲电源的峰值电压ui=80100V，高低压复合脉冲电源的高压峰值电压为175300V。峰值电压高时，放电间隙大，生产率高，但成形复制精度稍差。14) 加工电流I（A） 加工时，电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时小，粗加工时大；间隙偏开路时小，间隙合理或偏短路时则大。15) 峰值电流ie(A) 是间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时），虽然峰值电流不易直接测量，但它是实际影响生产率、表面粗糙度等指标的重要参数。脉冲电源的每一功率放大管的峰值电流是预先选择和计算好的，可按说明书选定粗、中、精峰值电流（实际上是选定几个功率放大管进行工作）。16) 正、负极性加工 加工时以工件为准，工件接脉冲电源正极（高电位端），称为正极性加工；反之，工件接电源负极（低电位端），则称为负极性加工。高生产率、低损耗粗加工时，常用负极性长脉宽加工。 17）放电状态 放电状态是指电火花加工时放电间隙内每一脉冲放电时的基本状态，一般分为五种放电状态。开路：放电间隙没有被击穿，间隙上有大于50V的电压，但间隙内没有电流流过，为空载状态（td=ti）。火花放电：间隙内绝缘性能良好，工作液介质击穿后能有效地抛出、蚀除金属。波形特点是电压上有td，te和ie，波形上有高频振荡的小锯齿波形。短路：放电间隙直接短路连接，这是由于伺服进给系统瞬时进给过多或放电间隙中有电蚀产物搭接所致。间隙短路时电流较大，但间隙两端的电压很小，没有蚀除加工作用。电弧放电：由于排屑不良，放电点集中在某一局部而不分散，局部热量积累，温度升高，恶性循环，此时火花放电就成为电弧放电，由于放电点固定在某一点或某局部，因此称之为稳定电弧，常使电极表面结炭、烧伤。波形特点是td和高频振荡的小锯齿波基本消失。过渡电弧放电：是正常火花放电与稳定电弧放电的过渡状态，是稳定电弧放电的前兆。波形特点是击穿延时很小或接近于零，仅成为一尖剌，电压电流波上的高频分量变低成为稀疏的锯齿形。以上各种放电状态在实际加工中是交替、概率性地出现的（与加工规准和进给量等有关），甚至在一次单脉冲放电过程中，也可能交替出现两种以上的放电状态。 18）加工速度 Vw（mm3/min）或Vm (g/min) 加工速度是单位时间内( min)从工件上蚀除加工下来的金属体积（mm3）以质量（g）计算时用Vm表示，也称为加工生产率。大功率电源粗加工时Vw 500mm3/min，但电火花精加工时，通常Vw20mm3/ min。 19）损耗速度VE（mm3/min或g/min） 是单位时间内(min)工具电极的损耗量。4.2电火花成形加工4.2.1电火花成形加工机床图4.2.1所示的电火花成形加工机床通常包括：床身、立柱、工作台及主轴头等主机部分；液压泵(油泵)、过滤器、各种控制阀、管道等工作液循环过滤系统；脉冲电源、伺服进给（自动进给调节）系统和其他电气系统等电源箱部分。1.床身和立柱床身和立柱是基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相互位置精度。位置精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，加工精度也难以保证。因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应能减小温度变化引起的变形。2.工作台工作台主要用来支承和装夹工件。在实际加工中，高性能伺服电机通过转动纵横向精密滚珠丝杠，移动上下滑板，改变工作台上工件与电极的相对位置。工作台上装有工作液箱，用以容纳工作液，使电极和工件浸泡在工作液里，起到冷却、排屑、消电离等作用。工作台也是操作者装夹找正时经常移动的部件。 （a）结构组成 (b) 外观1-床身；2-过滤器；3-工作台；4-主轴头；5-立柱；6-液压泵；7-电源箱 图4.2.1 电火花成形加工机床 3.主轴头主轴头是电火花成形加工机床的一个关键部件，在结构上由伺服进给机构（步进电动机、直流电动机或交流伺服电动机作进给驱动）、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。用以控制工件与工具电极之间的放电间隙。 主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标，如生产率、几何精度以及表面粗糙度，因此对主轴头有如下要求： 1）有一定的轴向和侧向刚度及精度； 2）有足够的进给和回升速度； 3）主轴运动的直线性和防扭转性能好； 4）灵敏度要高，无爬行现象； 5）具备合理的承载电极质量的能力。电火花加工机床成形加工时，主轴头最重要的附件是平动头，它是实现单电极型腔电火花加工所必备的工艺装备。在加工大间隙冲模和零件上的异形孔时，平动头经常得到应用。平动头包括两部分，一是由电动机驱动的偏心机构，二是平动轨迹保持机构。通过偏心机构和平动轨迹保持机构，平动头将伺服电动机的旋转运动转化成工具电极上每一个质点都在水平面内围绕其原始位置做平面圆周平移运动(如图4.2.2 所示)，各个小圆的外包络线就形成加工表面，小圆的圆周半径（即平动量），通过平动头偏心量来调节可由零逐步扩大，S为放电间隙。采用平动头加工的特点是：用一个工具电极就能由粗至精直接加工出工件（由粗加工转至精加工时，放电规准、放电间隙要减小）,在加工过程中，工具电极的轴线偏移工件的轴线,这样，除了处于放电区域的部分外,在其他地方工具电极与工件之间的间隙都大于放电间隙，这有利于电蚀产物的排出，提高加工稳定性，但由于有平动轨迹半径的存在，因此，无法加工出有清角直角的型腔。平动头的结构形式有多种，常使用的有：停机手动调偏心量平动头、不停机调偏心量平动头、数控平动头，其结构见电火花成形机床手册。 图4.2.2平动加工时电极的运动轨迹 图4.2.3冲、抽油方式4.电火花加工机床的工作液和循环过滤系统 电火花加工时工作液的作用有以下几方面: 1）放电结束后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。为此，要求工作液有一定的绝缘强度。 2）使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去，免得放电间隙严重污染，导致火花放电点不分散而形成有害的电弧放电。 3）冷却工具电极和降低工件表面瞬时放电产生的局部高温，否则表面会因局部过热而产生结炭、烧伤并形成电弧放电。 4）工作液还可压缩火花放电通道，增加通道中压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力，以抛出更多熔化和气化了的金属，增加蚀除量。工作液循环过滤系统中，冲油的循环方式比抽油的循环方式更有利于改善加工的稳定性,所以大都采用冲油方式，如图4.2.3 所示。电火花成形加工中随着深度的增加，排屑困难，应使间隙尺寸、脉冲间隔和冲液流量加大。5.电火花成型机床的脉冲电源脉冲电源的作用是把工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流，供给火花放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源的电参数包括脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、峰值电流、开路电压等。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工速度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。现在普及型（经济型）的电火花加工机床都采用高低压复合的晶体管脉冲电源；中、高档的电火花加工机床都采用微机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工工艺规准数据库，可以通过微机设置和调用各档电加工粗、中、精加工工艺规准参数。6.电火花加工机床的伺服进给电火花加工与切削加工不同，属于“不接触加工”。正常电火花加工时，工具和工件间有一放电间隙S。如果间隙过大，脉冲电压击不穿间隙间的绝缘工作液，则不会产生火花放电，必须使电极工具向下进给，直到间隙等于或小于某一值（S=0.010.5mm，与加工规准有关），才能击穿并产生火花放电。在正常的电火花加工时，工件以Vw的速度不断被蚀除，间隙S将逐渐扩大，必须使电极工具以速度v补偿进给，以维持所需的放电间隙。如进给量v大于工件的蚀除速度Vw，则间隙S将逐渐变小，甚至等于零，形成短路。当间隙过小时，必须减少进给速度v。如果工具与工件间一旦短路（S0），则必须使工具以较大的速度v反向快速回退，消除短路状态，随后再重新向下进给，保证加工中具有的正确放电间隙，使电火花加工能够正常进行。4.2.2电火花成形加工的控制参数和主要影响因素 1.电火花成形加工的控制参数控制参数可分为离线参数和在线参数，表4.2.1是一些主要控制参数对工艺指标的影响程度。离线参数是在加工前设定的，加工中基本不再调节，如放电电流、开路电压、脉冲宽度、电极材料、极性等；在线参数是加工中常需调节的参数，如进给速度（伺服进给参考电压）、脉冲间隔、冲油压力与冲油油量、抬刀运动等。 （1）离线控制参数虽然这类参数通常在加工前预先选定，加工中基本不变，但在下列一些特定的场合，它们还是需要在加工中改变。1）加工起始阶段 这时的实际放电面积由小变大，过程扰动较大，因此，先采用比预定规准较小的放电电流，以使过渡过程比较平稳，等稳定加工几秒钟后再把放电电流调到设定值。2）加工深型腔 通常开始时加工面积较小，所以，放电电流必须选较小值，然后，随着加工深度（加工面积）的增加而逐渐增大电流，直至达到为了满足表面粗糙度，侧面间隙所要求的电流值。 （2）在线控制参数在线控制参数在加工中的调整没有一般的规律可循，主要依靠经验。它们对表面粗糙度和侧面间隙的影响不大，主要影响加工速度和工具电极相对损耗速度。表4.2.1一些主要控制参数对工艺指标的影响程度2.影响工件的加工速度、工具电极的损耗速度的主要因素电火花加工时，工件和工具同时遭到不同程度的电蚀。单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，即生产率；单位时间内工具电极的电蚀量称为损耗速度。它们是一个问题的两个方面。在生产实际中，衡量工具电极是否耐损耗，不只看工具损耗速度，还要看同时能达到的加工速度，因此，常采用工具电极相对损耗速度或称相对损耗比（工具损耗速度与加工速度之比）作为衡量工具电极耐损耗的指标。（1）极性效应的影响产生极性效应的原因是：正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而熔化、气化抛出的电蚀量也就不一样。电子的质量和惯性较小，容易获得很高的速度和加速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给正极表面，使正极材料迅速熔化和气化；而正离子由于质量和惯性较大，启动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段只有小部分正离子来得及到达负极表面并传递能量。所以在用短脉冲加工时，正极材料的蚀除速度大于负极材料的蚀除速度，这时工件应接正极；当采用长脉冲加工时，质量和惯性大的正离子将有足够的时间加速，到达并轰击负极表面，由于正离子的质量大，对负极表面的轰击破坏作用强，故采用长脉冲时负极的蚀除速度要比正极大，工件应接负极。（2）工具电极材料的影响耐蚀性高的电极材料有钨、钼、铜钨合金、银钨合金、纯铜及石墨电极等。钨、钼的熔点和沸点都较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，所以除线切割加工采用钨、钼丝外，其他场合很少采用。铜钨、银钨合金等复合材料，熔点高，并且导热性好，因而电极损耗小，但也由于成本高且机械加工比较困难，一般只在少数的超精密电火花加工中采用。故常用的是纯铜和石墨，这两种材料在宽脉冲粗加工时都能实现低损耗。铜的熔点虽然低，但其导热性好，会使电极表面保持较低温度从而减少损耗。纯铜不易产生电弧，在较困难的条件下也能实现稳定加工；精加工时比石墨电极损耗小，易于加工成精密、微细的花纹，采用精微加工能达到Ra1.25m的表面粗糙度；用过的电极经锻造后还可加工为其他形状的电极，材料利用率高。但纯铜的机械加工性能不如石墨好。石墨电极的优点是：机械加工成形容易(但不易做成精密、微细的花纹)；电火花加工的性能也很好，在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗，因此目前已广泛用做型腔粗加工的电极。缺点是石墨电极容易产生电弧烧伤现象，所以，在加工时应配有短路快速切断装置；精加工时电极损耗较大，加工表面只能达到成Ra2.5m。对石墨电极材料的要求是颗粒小、组织细密、强度高和导电性好。目前已有在3个方向等强度加压烧结的高性能石墨，它各向同性、均匀细密，加工中任何方向的表面不会脱层、剥落，在制造重要的模具时应选购这类优质石墨作工具电极。（3）电参数的影响无论工具电极是正是负，都存在单个脉冲的蚀除量与单个脉冲的能量在一定范围内成正比的关系，某一段时间内的总蚀除量等于这段时间内各单个脉冲蚀除量的总和，故正、负极性的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。所以要提高电蚀量和生产率的途径：1）减小脉冲间隔，提高脉冲频率；2）增加放电电流及脉冲宽度，增加单个脉冲能量。但在实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其他工艺指标的影响。例如，脉冲间隔时间过短，会使加工区的工作液来不及消电离、排除电蚀产物及气泡，形成破坏性的电弧放电；如果加工面积较小，而采用的加工电流较大，会使局部电蚀产物浓度过高，且放电后的余热来不及扩散而积累起来，造成过热，易形成电弧，破坏加工的稳定性；增加单个脉冲能量，会恶化加工表面质量，降低加工精度。因此，这两种途径一般只用于粗加工和半精加工的场合，在精加工中为降低表面粗糙度则需要显著降低加工速度。脉宽与峰值电流的选择，粗加工时，主要按蚀除速度和电极损耗比来考虑，精加工时,主要按表面粗糙度来考虑。 3.影响工件加工精度的主要因素（1）放电间隙的大小电火花加工时，工具电极的凹角与尖角很难精确地复制在工件上，因为在棱角部位电场分布不均，间隙越大，这种现象越严重。当工具电极为凹角时，工件上对应的尖角处由于放电蚀除的概率大、容易遭受腐蚀而成为圆角；当工具电极为尖角时，由于放电间隙的等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心、以放电间隙值为半径的圆弧，另外工具上的尖角本身因尖端放电蚀除的概率大而容易耗损成圆角。为了减少加工误差，应该采用较弱的加工规准，缩小放电间隙。精加工的单面放电间隙一般只有0.010.03mm，粗加工时则为0.5mm左右。（2）工具电极的损耗假设工具电极从上往下做进给运动，工具电极下端由于加工时间长，所以绝对损耗较上端大；另外，在型腔入口处由于电蚀产物的存在而容易产生二次放电（由于已加工表面与电极的空隙中进入电蚀产物而再次进行非必要的放电），结果是在加工深度方向上产生斜度，上宽下窄，俗称喇叭口。为了减少加工误差，需要对工具电极各部分的损耗情况进行预测，然后对工具电极的形状和尺寸进行补偿修正。4.影响工件表面质量的主要因素电火花加工的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；而机械加工表面则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。两者相比,电火花加工表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工的表面好。电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度和表面力学性能。（1）表面粗糙度对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量。脉冲能量大，则每次脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙度恶化。电火花加工的表面粗糙度可以分为底面粗糙度和侧面粗糙度。侧面粗糙度由于有二次放电的修光作用，往往要稍好于底面粗糙度。要提高表面粗糙度可用平动头或数控摇动工艺。 工件材料对加工表面的粗糙度也有影响。熔点高的工件材料（如硬质合金），单脉冲形成的凹坑较小，在相同能量下加工，其表面粗糙度要比熔点低的工件材料（如钢）好。当然，其加工速度也相应下降。工具电极的表面粗糙度也影响到加工表面的粗糙度。由于加工石墨电极时很难得到非常光滑的表面，因此，与纯铜电极相比，用石墨电极加工出的工件表面粗糙度较差，所以石墨电极只用于粗加工。（2）表面力学性能电火花加工过程中，在火花放电的瞬时高温高压，以及工作液的快速冷却作用下，材料的表面层发生了很大的变化。工件的表面变质层分为熔化凝固层和热影响层。熔化凝固层位于表面最上层，是表层金属被放电时的瞬间高温熔化后大部分抛出，小部分滞留下来，并受工作液快速冷却而凝固形成的。显微裂纹一般在熔化凝固层内出现。由于熔化凝固层和基体的接合不牢固，容易剥落而加快磨损。热影响层位于熔化凝固层与基体之间。热影响层的金属材料并没有熔化，只是受到高温的影响，使材料的金相组织发生了变化。对淬火钢，热影响层包括再淬火区、高温回火区和低温回火区，再淬火区的硬度稍高或接近于基体硬度，回火区的硬度则比基体材料低；对未淬火钢，热影响区主要为淬火区，热影响层的硬度比基体材料高。电火花表面由于瞬间的先热胀后冷缩，因此加工后的表面存在残余拉应力，使抗疲劳强度减弱，比机械加工表面低了许多。采用回火热处理来降低残余拉应力，或进行喷丸处理把残余拉应力转化为压应力，能够提高其耐疲劳性能。4.2.3电火花成形加工工具电极的设计与制造电火花加工模具的特点是把工具电极的形状精确地复制在工件（模具）上。因此，电极是电火花加工中不可缺少的工具之一。电极的合理设计及制造，与模具型孔或型腔的加工精度有着密切的关系。为了保证模具的加工精度，在设计电极时，必须选择适当的电极材料，合理的电极结构和正确的几何尺寸，同时还应考虑电极加工工艺性等问题。1.对电极的技术要求1）电极的几何形状要和模具型孔或型腔的几何形状完全相同，其尺寸大小根据模具型孔或型腔的尺寸及公差、放电间隙的大小、凸模与凹模配合间隙来决定。2）电极的尺寸精度不低于IT7级精度。3）电极的表面粗糙度应在Ra0.631.25m以上，如果采用铸铁或铸铜时，表面不能有砂眼。4）各表面的平行度，100 mm长度内不能大于0.010.02mm。5）电极加工成形后变形小，具有一定强度。2.电极材料从电火花加工原理来说，加工时工具电极与工件不接触，是通过电蚀作用对工件进行加工，似乎任何导电材料都可以作为电极。但是，由于不同材料的电极对于电火花加工的稳定性，生产率及模具被加工质量等都有很大的影响。因此，在实际使用中不能任意选择电极材料，而应选择相对损耗小、加工过程稳定、生产率高、易于制造加工及成本低廉的材料作为电极材料，以满足模具成型零件的电加工要求。目前，常用的电极材料有：铸铁、钢、纯铜、黄铜、铜钨合金、银钨合金、石墨等。这些材料的性能见表4.2.2所示。表4.2.2 电火花成形加工常用电极及其性能常 用材 料电加工工艺性能机械加工性能价格材料来源应用情况稳定性电极损耗铸铁较差适中好低(常用材料) 主要用于型孔加工，制造精度高钢较差适中好低(常用材料) 常采用加长凸模，加长部分为加工型孔的电极；可降低制造费用石墨较好较小(取决于石墨性能)好（有粉尘、易崩角、掉渣）较低(常用材料) 适用于加工大、中型尺寸的型孔与型腔纯铜好较大较差(磨削困难)较高(小型电极常用材料) 主要用于加工较小尺寸型腔，精密型腔，表面加工粗糙度可很低黄铜好大较好(可磨削)较高(小型电极常用材料)铜钨合金好小(为纯铜电极损耗的15%25%)较好(可磨削)高(高于铜价40倍以上) 主要用于加工精密深孔、直壁孔和硬质合金材料的型孔与型腔银钨合金好很小较好(可磨削)高(比铜钨合金高)（1）铸铁电极的电极损耗和加工稳定性均较一般，容易起弧，生产率不及铜电极。但是，它的来源丰富、价格低廉、并且机械加工性能好，因此电极的尺寸精度，几何形状精度及表面粗糙度等都容易保证。因此，铸铁是一种较常用的电极材料，多用于穿孔加工。（2）钢电极的加工稳定性较差、电极损耗较大、生产率也较低、但是来源丰富、价格便宜、具有良好的机械加工性能。钢电极还有其独特的优点，即把电极和凸模做成一体，实质上就是将凸模加长，加长的部分就用作电极。电火花加工后，把损耗部分切除掉，余下部分可做凸模使用。这种方法使电极的制造工时减少到了最低程度。所以钢为常用的电极材料之一，多用于一般的穿孔加工。（3）纯铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、但损耗较大、来源少、价格较贵。由于其韧性大，机械加工性能差、磨削加工困难，其加工精度较低。由于磨削困难，使得难以将电极与凸模连接在一起加工，电极与凸模分别制造使凸模与凹模配合间隙不易均匀。 对于电火花型腔加工来说，纯铜电极适用对小型腔及高精度型腔的加工。纯铜电极与其他材料电极相比，在电火花加工中能使模具达到最细表面粗糙度。（4）黄铜电极在加工过程中稳定性好、生产率高、与纯铜电极相比价格较低、机械加工性能尚好，但其磨削性能不如钢和铸铁。而黄铜电极的损耗最大。因此，黄铜电极一般用在对加工表面粗糙度较低，尺寸、形状精度要求较高及形状复杂的小孔穿孔加工。（5）石墨电极的电极损耗小、加工稳定性尚好、易于加工、生产率最高、其价格与铜大体相同，但机械强度较差，尖角处易崩裂。石墨是电火花型腔加工的常用电极材料，适用于大、中、小型腔。由于石墨的热胀系数小，所以，最适于大电极的穿孔加工。（6）铜钨合金和银钨合金的加工稳定性均很好，电极损耗也均很小，它们的电加工性能优越，而机械加工性能尚好，其磨削性比铜好。但其价格较高，比铜的价格高40倍。因此，主要用于模具中高精度的深孔、直壁孔等的穿孔加工和加工面积小且高精度的型腔加工，以及硬质合金模具的加工。而银钨合金的价格更高，约为铜的100倍，所以它的使用受到限制，一般只用于硬质合金模具的加工。当用同一种电极材料加工不同材料的模具时，加工情况也会有一定的差异，即使同是钢件也会因其成分不同而对加工有所影响，在实际生产中应根据具体情况选用电极材料。3电极的结构形式电极的结构形式应根据模具型孔或型腔的尺寸大小，复杂程度及电极的加工工艺性等来确定,常用的电极结构有下列几种形式：（1）整体电极整体电极就是用一整块电极材料加工出的完整电极，这是型孔或型腔加工中最常用的电极结构形式，图4.2.4所示即为型腔加工用整体电极的结构形式。当电极面积较大时,可在电极上开一些孔，或者挖空以减轻重量。对于穿孔加工，有时为了提高生产率和加工精度，降低表面粗糙度，可以采用阶梯式整体电极。所谓阶梯式整体电极就是在原有的电极上适当增长，而增长部分的截面尺寸适当均匀减小（f=0.10.3mm），呈阶梯形。如图4.2.5所示，L1为原有电极的长度，L2为增长部分的长度（为型孔深度的1.22.4倍）。加工时利用电极增长部分来粗加工，蚀除掉大部分金属，只留下很少余量，让原有的电极进行精加工。阶梯电极有许多优点：能充分发挥粗加工的作用，大幅度提高生产效率，使精加工的加工余量降低到最小，特别适宜小斜度型孔的加工，易保证模具的加工质量，并且可减少电规准的转换次数。 a)无固定板式; b)有固定板式图4.2.4整体电极结构形式 图4.2.5阶梯式整体电极1-冲油孔; 2-石墨电极； 3-电极固定板（2）组合电极在冲模加工中常遇到需要在同一凹模上加工出几个型孔，对于这样的凹模可以用单个电极分别加工各孔，也可以采用组合电极加工，即把多个电极组合装夹在一起。如图4.2.6所示，一次完成凹模各型孔的电火花穿孔加工。采用组合电极加工时，生产率高，各型孔间的位置精度也较为准确，但必须保证组合电极各电极间的定位精度，并且每个电极的轴线要垂直于安装表面。 图4.2.6组合电极 图4.2.7分解式电极1）分解式电极 当工件形状比较复杂，则可将电极分解成简单的几何形状，分别制造成电极，以相应的加工基准，逐步将工件型腔加工成形。采用分解式电极成形加工，可简化电加工工艺。但是，必须统一加工基准，否则将增加加工误差，如图4.2.7所示。分解式电极多用在形状复杂的异型孔和型腔的加工。2）镶拼式电极 对形状复杂而制造困难的电极，可分解成几块形状简单的电极来加工，加工后镶拼成整体的电极来电加工型孔，该电极即为镶拼式电极。如图4.2.8所示，是将E字形硅钢片冲模所用的电极分成三块，加工完毕后再镶拼成整体。这样即可保证电极的制造精度，得到了尖锐的凹角，而且简化了电极的加工，节约了材料，降低了制造成本。但在制造中应保证各电极分块之间的位置准确，配合要紧密牢固。图4.2.8镶拼式电极4电极尺寸的确定（1）电极横截面尺寸的确定电极横截面尺寸是根据凹模（或凸模）的尺寸及公差，凸模、凹模配合间隙和放电间隙的大小确定的。电火花放电间隙的大小与电极材料、模具材料、电规准的选择、设备的精度及工作液等有关。为了保证模具加工后的表面粗糙度，最后必须用精规准修出，因此在确定电极尺寸时，应先按相应的条件得到放电间隙值。在凸模、凹模零件图上标注的公差时，根据模具的设计基准不同，有不同的标注方法。因此，电极截面尺寸的确定也要按以凹模设计为基准，还是凸模设计为基准两种情况来讨论。1）按凹模尺寸和公差确定电极横截面尺寸 如图4.2.9所示凹模型孔不同部位的尺寸公差标注。其相应部位电极横截面尺寸的计算公式如下： 式中S单面放电间隙；电极制造公差，通常取模具公差的1/22/3，并按“入体原则”标注。 2）按凸模尺寸和公差确定电极横截面尺寸 图4.2.10所示为凸模尺寸及公差标注，由于凹模、凸模配合间隙的不同又存在三种情况：凸模、凹模单边配合间隙等于放电间隙（Z/2S）：电极横截面尺寸和凸模截面尺寸完全相同，电极公差取凸模公差1/23/2。凸模、凹模单边配合间隙小于放电间隙（Z/2S）：电极应按凸模四周每边均匀缩小一个值（SZ/2），电极横截面尺寸计算公式如下： 图4.2.9凹模尺寸及公差标注 图4.2.10凸模尺寸及公差标注 凸模、凹模配合间隙大于放电间隙（Z/2S），电极应按凸模四周每边均匀放大一个值（Z/2S），电极横截面尺寸计算公式如下： 式中S单面放电间隙；Z/2凸模、凹模单边间隙；电极制造公差,取模具公差的1/22/3。由以上相应公式设计计算出的电极横截面尺寸适合一般型孔的电火花加工，对加工型腔的电极还应考虑精加工及抛光加工余量。 图4.2.11 穿孔加工用电极长度 图4.2.12加工型腔电极纵截面尺寸 1-电极；2-凹模（2）电极长度的确定在电极长度确定方面，穿孔加工与型腔加工是不同的，穿孔加工只计算电极长度，而型腔加工还须考虑各纵截面的形状和尺寸。1)穿孔加工电极长度的确定 图4.2.11所示为穿孔加工用电极长度。电极长度按下式计算： 式中 L电极总长度；L1精加工用的电极长度；L2粗中加工用的电极长度；t电极长度损耗（用铸铁电极，当加工钢模具时, t =0.9T1；当加工硬质合金模具时, t =1.7T1。用钢电极，当加工钢模具时, t =1.1T1；当加工硬质合金模具时, t =2.1T1）；T1凹模有效刃口厚度；T2凹模中有较大斜度的漏料部分厚度；T粗中加工的电极端面损耗比。当凹模的刃口为全刃口，没有斜度较大的漏料部分时，电极长度仅计算L1部分，即L=L1，但此时