电火花新加工技术及其发展趋势

1、电火花加工新技术及其发展趋势一，新技术的介绍近年来电火花加工方面的研究取得了许多新的进展,主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法。这些方法不仅可以进行体积去除,还可以进行表面陶瓷化改性和沉积;加工不仅可以在绝缘工作液中进行,也可以在气体中进行;不仅可以加工导电材料,也可以加工非导电材料,大大扩展了这一技术的应用领域。近年来发展起来的电火花加工新技术主要包括:弯曲孔电火花加工,液中放电表面改性处理,绝缘陶瓷电火花加工,单次放电微细电极加工,放电堆积成型,气体中放电电火花加工,扫描创成电火花加工,钛合金表面电火花放电着色,反复拷贝法微细电极电火花加工,用直角三角形截面电极对单晶

2、硅进行微细电火花加工,线电极电火花磨削精微、微细电火花加工,混粉镜面电火花加工,气体放电线切割加工,双电极电火花加工及电火花加工放电状态检测新方法,电火花加工放电位置可控性研究,新的摇动控制技术等。限于篇幅,下面仅就几项最新技术成果加以介绍。1. 电火花加工与超声复合加工在电火花微小孔加工中,由于被加工孔的孔径细微(0󰀁5mm以下),加工时放电间隙狭小(1󰀁m左右),电蚀产物易聚积在孔的底部,排屑困难,稳定的放电间隙范围小且容易受其它工艺参数的影响,易造成频繁的短路和非正常的放电;同时,为达到较高的加工尺寸精度和表面精度,常采用减小单个脉冲放电能量的方法,减小材

3、料的蚀除量,降低了加工速度;另外,由于微孔加工工具电极细微,当深径比较大时,异常放电易烧毁工具电极,造成加工不能稳定进行,可加工范围变窄,使传统的电火花加工在微细加工中不能成为有效的加工方法12。 目前常采用的提高电火花加工能力的方法,如人工排气法,强迫冲液或抽液法、加速工作液循环等方法,常因加工条件或加工要求的限制而无法实现。因此,为改善电火花加工性能,在微细加工中,采用超声电火花复合加工是非常有效的手段。在电极上附加超声振动,就可以使电极端面频繁进入合适的放电间隙,提高火花击穿的概率;同时由于超声的空化作用和泵吸作用,可以增大被加工材料的去除量,加速工作液循环,改善间隙放电条件,从而提高被

4、加工孔的深径比、加工稳定性、生产率和脉冲电源的利用率,并且在振幅得到良好控制的情况下,可以获得更高的加工精度。电火花超声复合加工是指将超声掁动部件固定在电火花机床的主轴头下部，脉冲电源接到工具电极和工件上，加工时主轴作伺服进给，工具电极端面作超声掁动，有利于加工间隙的排屑和排气，特别适合小面积的微孔加工。一般采用RC线路脉冲电源，当工具电极下端面上的掁动处于接近最高点时，RC线路脉冲电源即向电容充电，当工具电极端面自最高点向下掁动时，电容上已基本充电完成，一旦电极端面下行至合适的放电间隙，工作液即被击穿，电容上储存的能量瞬间释放而形成火花放电。这样周而复始，超声每掁动一次，就能引发一次火花放电

5、，每秒将有45 次超声频率的接近百分之百的有效火花脉冲放电率。因此大大提高加工效率和稳定性。可加工孔径0.050.4mm、深0.510mm、尺寸精度±0.005 0.01mm、表面粗糙度Ra值3.20.1m的小圆孔。还可以加工各种形状的异形喷丝孔，取得利用超声电火花复合加工提高生产率320倍的工艺效果。因此说超声放电复合加工小孔的尺寸精度、形位公差精度和孔的表面粗糙度明显优于电火花小孔加工。但是，需要指出的是，在加工面积大和粗、中加工时不宜选用超声放电复合加工。1986年,印度Madras工业大学的V󰀁S.R.MURTI和P.K.PHILIP使用扫描电子显微镜对火花间

6、隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行了详细的研究。其实验条件为:开路电压40V,放电间隙0󰀁1mm,电极的超声振动频率22kHz,振幅3󰀁m。结果显示,大部分碎屑呈现轻微椭圆度的球形,除有个别的中空结构外,其余均为实体结构。电源的脉冲特性明显影响到形成碎屑的尺寸,在超声的作用下碎屑颗粒的椭圆度减小,颗粒尺寸、铜电极的蚀除量和碎屑碰撞的剧烈程度均有明显的增加。同时,实验者指出放电间隙中附加超声辐射场对EDM将产生下面的影响: 󰀁󰀂空化作用加剧,增大了放电区中颗粒碰撞的随机性和剧烈程度,使形成碎屑颗粒的尺寸变大; 󰀁

7、󰀂放电区中颗粒的受力更复杂,增加了超声场辐射力的作用; 󰀁󰀂放电区中声流场交替地变化加速了电解液的循环和扰动效果。 英国的RODNEYW.J.等人在1990年申请了电火花超声复合穿孔的专利4。该装置如图1所示。主要用于加工在导电基上有非导电层的零件,例如:在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行:首先用超声振动将非导电层去除掉,当传感器感知金属层出现时,即刻改用电加工的方法进行加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置在电火花加工(EDM)的基础上附加超声加工(USM),有效地解决了具有导电层和非导电层零件的加工问题。2超声振

8、动辅助气中放电复合加工超声振动辅助气中放电复合加工的基本原理超声振动辅助气中放电复合加工技术是以高压气体为工作介质并辅以超声波振动辅助的电火花加工。图1 所示为超声振动辅助气中放电加工基本原理图。固定在主轴头上的工具电极与固定在工作台上的工件分别与高频脉冲电源两个输出端相连接。伺服控制单元通过伺服进给装置使工具电极和工件之间保持一个很小的、可进行火花放电的间隙。工具电极制成中空的薄壁管形状, 放电加工时, 主轴头带动工具电极旋转, 同时在电极中间通以高压气体介质。工作台固定在超声变幅杆端部, 工件随着工作台一起作超声频振动。当脉冲电压加到两电极之间时, 立即在极间形成一个电场。由于工具电极与工

9、件表面微观不平, 使极间电场分布不均匀, 最终导致气体介质在绝缘强度最低处或间隙最小处击穿, 形成放电通道, 在该局部产生火花放电。放电产生的瞬时高温使工件电极和工具电极表面材料熔化和气化, 熔化和气化的材料在爆炸力作用下从电极表面上分离并迅速被极间高速流动的气体介质带走,在两电极表面上各形成一个凹坑。脉冲放电结束后, 经过一段间隔时间后气体介质恢复绝缘, 第二个脉冲电压加到两电极上又在极间相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电, 又形成一个小凹坑。这样随着连续不断的重复脉冲放电, 工具电极不断地向工件电极进给以维持适宜的放电间隙。超声振动辅助气中放电加工试验是在山东大学自行研制的超声振动辅助气中电

10、火花加工机床上进行的。从试验结果可以看出, 超声振动辅助气中放电加工产生的火花明显地比常规火花放电产生的火花明亮。 目前常采用煤油作为电火花成形加工的工作液, 性能方面能够全面符合电火花加工的要求。但容易着火, 芳烃含量高, 有刺激性气味, 对人体呼吸道健康不利, 且会逐步发挥消耗。为找到一种清洁的工作液, 各国研究人员都在进行许多的实验研究。日本东京农工大学M.Kunieda等人对气中放电加工方式进行了研究, 实验研究了不同气体介质中的放电加工,证实了气中放电加工的可行性;华中大学的徐盛林教授对气中放电加工作了进一步的研究; 山东大学张建华教授对超声放电复合加工利用高压气体作为工作介质进行了

11、研究, 取得了实质性的成果,并应用到了实际加工中3 电火花与焊接复合加工随着工业的快速发展，对机械工具、模具零部件及设备零部件等的性能和使用寿命的要求越来越高。电火花堆焊技术是一种具有独特技术优势的新兴材料表面技术，在表面耐磨损、耐腐蚀抗氧化、表面修复与改性等方面具有广阔的应用前景，不仅应用于工具、模具与刃具、矿山、冶金、汽车、医用器材等一般工业领域，还可以应用于核反应堆、直升机和战机引擎等高端零件。原理：电火花沉积 (Electro-Spark Deposition；ESD) 技术是通过电火花放电的作用，利用瞬间高脉冲能量产生很大电流，最大脉冲放电频率为2000Hz，可使电流密度最高达10-

12、10A/cm。这种高能量，高电流将产生大量的热能，使电极和工件接触部分的金属熔化并且形成熔池，加上电极的往复运动过程中的压合作用，使熔池中融化的金属沉积到基体表面，此过程将使基体表面产生微小的融化区，并且金属发生了重新的冶金反应，实现了冶金结合，以形成各方面性能良好的，比如硬度变高，耐磨性变好的合金涂层，进而实现了基体金属表面的各项性能得到提高和改善1。电火花表面加工处理方法是一个涉及到甚多学科的复杂的系统工程，有冶金学，摩擦学以及材料性能等等。电火花沉积实际上属于电火花特种加工领域。电火花成型，电火花磨削、电火花雕刻 、线切割（电火花切割）均属于传统的电火花加工技术。这些工艺都是利用了电火花

13、放电来对基体材料烧灼腐蚀或者去除功能来实现最终的加工要求。然而本文讲到的电火花堆焊则是在烧蚀去除材料的同时又将其融化，而冷态的基体金属又使刚刚的融化区快速发生了冷却，从而产生了电火花强化的效果。我们又使沉积过程中加以气体保护（如Ar气的保护），有了气体保护就可以使在电火花放电的同时阴阳两极间的氩气被电离击穿并形成了微小的电弧产生，从而致使沉积层又拥有了脉冲氩弧焊的强化效果，从而使电极与基体金属间形成结合强度更高的冶金结合层。特点：电火花堆焊是利用电极棒在工作表面旋转，在相互接触的微小区域瞬时(10-610-5 s)流过高密度的电流(105106A/cm2)，由于放电能量在时间和空间上高度集中，

14、在微小的放电区域内产生了500025000K的高温，使该区域的局部材料高能离子化，电极棒高速转移到工件表面，并扩散进入到工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。可按不同性能的要求，使工件具有高硬度、高耐磨性、高疲劳强度、高耐腐蚀性和抗氧化、耐高温、耐烧蚀等特殊性能，广泛应用于工具、模具、刃具、农机、军工、医药、汽车、食品、矿山、冶金等行业机械零部件的表面强化，以及失效零部件的表面修复。与其它表面技术相比，电火花堆焊具有如下的优点1-4： (1)能量输入低，基体保持在室温，热影响区及变形极小，因此，可以忽略其对基体的影响。 (2)快速凝固。由于放电时间比放电间隔时间短，放电间隔期间热量迅速扩散到工

15、件的其他部分，因此热量不会集中在工件的处理部分，实现了真正意义的冷焊。 (3)与基体冶金结合且结合强度高，明显优于热喷涂。 (4)涂层细密、一致性好。 (5)仅需要少量的前处理与后处理，有时甚至不需要。 (6)适于原地或在线修复(设备移动性好)。这点对于大型工件或在线设备的修复非常重要。 (7)适用范围广，可适用于所有能导电、可熔的金属及陶瓷材料。 电火花沉积还有一些其它的优点，例如：容易自动化、环境友好(不存在噪声、水气等环境污染)、可用于视线看不到的地方，如零件的内孔、凹槽部位。电火花沉积也存在着一定的缺点，比如它的表面沉积层较薄(一般小于l mm，尤以10µm内为佳)，沉积速度

16、慢、效率低，因此它不适用于大的区域及形状复杂的表面。在无氩气保护状态下，沉积层的厚度随着时间的增长逐渐增大，当比沉积时间达到某一值时，沉积层厚度达到最大值，随后沉积层厚度缓慢下降。当沉积时间超过临界值之后，沉积层裂纹逐渐增多，并随时间的增长，沉积层破碎减薄，孔隙较多，产生撕裂，碎化的倾向越严重，有些地方会出现脱落现象，沉积层质量较差。主要原因是由于电火花表面沉积是利用火花放电的能量使金属材料在瞬间熔化甚至气化，然后又急剧地冷却而凝固，在这种骤热骤冷的过程中，沉积层内部存在着热应力，反复的热作用使沉积层产生热疲劳，达到一定程度后便产生裂纹而最后崩裂，导致碎化、脱落现象的出现随着电火花沉积功率的增

17、大，沉积层厚度也逐渐增大。 在其它沉积条件相同的情况下，随着沉积电压的增大，脉冲放电能量也随着增大，释放的能量也就越大，电极熔融速度变大，一次转移的电极材料量增大，沉积层的厚度因此也随之增厚。同样电火花沉积功率对电火花沉积层厚度的影响也是很大的，在其它沉积参数一定的情况下，随着电火花沉积功率的增大，脉冲放电能量增大，一次转移的电极材料体积较大，沉积层厚度也增大。作为一项正在快速发展推广的实用技术，电火花沉积堆焊工艺仍存在一些没能解决问题，如沉积层厚度能否更厚一些，表面粗糙度能否更小一些；另外，生产效率及工艺的稳定性、可靠性还有待提高等。而这些问题的存在与设备、材料，特别与电火花沉积堆焊过程的机

18、理研究是直接相连的。这些问题的存在也在很多方面限制了该技术的应用范围。4 电火花与机械复合加工电火花加工又称为放电加工，其加工过程与传统的机械加工完全不同。电火花加工时，工件与加工所用的工具为极性不同的电极对，加工时，电极对之间充满工作液，主要起恢复电极间的绝缘状态及带走放电时产生的热量的作用，以维持电火花加工的持续放电。在正常电火花加工过程中，电极与工件并不接触，而是保持一定的距离（称作间隙），在工件与电极间施加一定的电压，当电极向工件进给至某一距离时，两极间的工作液介质被击穿，局部产生火花放电，放电产生的瞬时高温将电极对的表面材料融化甚至汽化，逐步蚀除工作，通过控制连续不断地脉冲式的火花放

19、电，就可将工件材料按人们预想的要求予以蚀除，达到加工目的，故称作电火花加工。 正常的电火花加工过程，工具电极与工件并不直接接触，工件材料靠放电产生的顺时高温蚀除，工件的加工性能主要取决于其材料的导电性及热学特性，而与工件材料的力学特性几乎无关。因此，电火花加工使用于无法采用刀具切削或切削加工十分困难的场合，如航天、航天领域的众多发动机零件、蜂窝密封结构件、深窄槽及狭缝等加工，特别适用于加工弱刚度、薄壁工件的复杂外形，异型孔以及形状复杂的型腔模具，弯曲孔等。另外，对于高温合金、钛合金、硬质合金及聚晶金刚石等导电的难加工材料，用紫石或石墨制成电极即可实现电火花加工。尤其是IC行业近年来广泛使用的多

20、工位硬质合金精密跳步冲裁模具与封装模具，电火花精密线切割加工已成为此类精密模具的主要加工工艺手段。由于是直接利用电火花放电蚀除工件材料，加工时几乎没有大的作用力，因此易于实现加工过程的自动控制及实现无人化操作。但是由于火花放电时工件与电极均会被蚀除，因此电极的损耗对加工形状及尺寸精度的影响比切削加工时刀具的影响要大得多。电火花成形加工时电极损耗的影响又比线切割加工时大，所以在选择加工方式时应予以充分考虑。 根据电火花加工过程中工具电极与工件相对运动方式和主要加工用途不同，电火花加工工艺大致可粗略分为：电火花成型加工，电火花线切割加工，电火花磨削，电火花高速小孔加工，电火花磨削，电火花高速小孔加

21、工，电火花表面加工及电火花复合加工六大类。目前最广泛使用的是电火花成形加工和电火花线切割加工。目前，电火花加工工艺技术已广泛应用于淬火钢、耐热合金、硬质合金及聚晶金刚石等难加工材料的加工，尤其是对模具及常规切削刀具难以发挥作用的、具有复杂形状表面零件的加工，具有广泛的应用前景，已成为机械制造业不可或缺的重要补充工艺手段。 电火花成形加工，其工具电极与工件间主要有相对的伺服进给运动，电极在多数情况下为成形电极，其与工件成形截面相似，尺寸偏差为两个放电间隙。为了进行型腔模具加工，要先制造一个与模具内腔相同的凸状的电极；二加工冷冲模时，则需加工与冲头形状相同的电极。电火花加工主要用于加工各类冷冲模具

22、、挤压模、拉丝模、粉末冶金模及异形孔类和微孔等。对于型腔模具及有复杂型腔的零件加工具有独特的优越性。 电火花线切割加工的特点：工具电极为柔性的线状电极，加工时电极与工件在X、Y及U、V两个水平方向同时有相对伺服进给运动及垂直方向的直线相对运动。慢走丝线切割加工因电极丝只单向移动且仅一次性使用，因此电极损耗对加工精度的影响远小于快走丝线切割加工。线切割加工广泛用于各类精密冲压模具及上、下面不同的工件加工，也可用于贵重的下料切割及窄缝类零件的加工。由于线切割加工无需制作复杂截面形状的电极，因此在冷冲模具加工领域已取代了绝大部分电火花成型加工工艺。 电火花磨削加工时，电极工件间有相对旋转运动；二为了

23、达到这个要求的形状和尺寸，电极与工件还有径向及轴向的进给运动，这是与电火花成形加工及电火花线切割加工的最大不同点。由于电极与工件的特殊相对运动方式，电火花磨削适用于加工弱刚度或切削工。具无法进行的工件，还可进行大型齿轮副的跑合加工，增大齿轮副的啮合面积，从而大大延长齿轮副的使用寿命。 电火花高速小孔加工是近十年来发展迅速的一种工艺方法，它采用中空的细铜管作为电极，管中用高压水泵通入高压水基工作液，一般加工小孔的速度可达2060mm/min，加工速度已超过机械钻削小孔，孔径越小，优势越明显。目前这一工艺已广泛用于线切割加工模具时的穿丝孔加工，由于它的效率高，装备本身造价低，因此几乎全部取代了慢走

24、丝线切割机床的打穿丝孔的附件功能。又由于细管电极的柔性较好，配用上弯曲的导电器还可加工弯曲的孔。 电火花表面加工技术中，应用较多的是电火花表面强化，淬火工艺。它利用电极在工件表面振动，在空气中放电，视模具的刃口或机床导轨表面强化、淬火。由于放电时，电极表面熔化，部分电极材料课涂毒到工件表面，当采用硬质合金作为工具电极时，工件表面耐磨能力大幅提高。电火花强化工艺方法简单，装备造价低，经济效益明显，因而广泛应用模具、导轨及齿轮、压辊工件表面的涂覆强化。此外还可以采用不同电极材料对工件表面的性能进行改性处理亦可收到明显的工艺效果。例如铝合金和铝合金不易钎焊，而采用铅或银做电极对上述两种金属表面进行涂

25、覆后，就很容易将两者钎焊到一起。同时，电火花刻字，打印记的应用也相当普遍。 电火花复合加工技术在生产中应用不太普遍，目前应用较多的是电火花与拉丝模具孔形加工。阳极机械加工及电容爆加工，其加工原理为短电弧及一定的电解作用联合，加工后表面很粗糙，加工时噪声很大，故仅限于下料等加工场合。 电火花成形加工技术在模具制造中应用很广泛，包括冲模电火花加工、精锻模具加工、注塑模具及压胶模具加工、电火花展成加工、精密细微加工。冲模电火花加工：冲模是生产中应用较多的一类模具，其凹模大多数难以采用机械加工方法制作，且在热处理时常因淬火变形或开裂导致模具报废。采用电火花加工工艺，模板可先行淬火，令其变形后加工凹模，

26、避免了热处理变形的弊病，而且模板可制成整体，无需镶拼，既简化了模具结构又能提高模具的强度与寿命。近年来，由于线切割机床的普及和工艺水平的提高，不少冲模的凹模加工为电火花线切割加工工艺所取代。精锻模具加工：摩托车变速齿轮及传动用锥齿轮的精锻模具，先采用机械切削加工模具外表及型腔预加工，留0.31mm加工余量，用紫铜或石墨制作电极，然后采用电火花成形加工工艺，用单个电极经过几次规准转换直接加工成形。加工时采用低损耗工艺参数和经协作单位精修，锻模表面粗糙度可1.252.5m，无需钳工修形或抛光即可交付使用。注塑模具及压胶模具加工：大多数采用机械切削加工模具外表及粗铣型腔，仅将刀具精铣困难或无法精铣的

27、部位留给电火花成形加工。电火花成形加工用电极用切削加工或线切割加工后镶拼制作。对于大型模具，目前大多数采用铣削加工，只有个别切削加工难以完成的部位，才采用电火花成形加工作为补充加工手段。电火花展成加工：航空、航天领域的一些涡轮及扭曲叶片的压铸模具，采用机械切削十分困难，有些地方刀具与工件会发生干涉而无法加工。又如航空航天领域的静压铸模及某些异形零件，采用数控多轴联动电火花成形机床加工，具有较高的经济效益。精密微细加工：随科学技术的不断发展，无论是模具还是装备都在向微型化发展，例如微型机器人中，许多零部件的尺寸均在1mm以内，采用切削加工工具加工，其工具尺寸更小。电火花加工特点是其在精密微细加工

28、领域有着广阔的前景。 电火花线切割分为快走丝线切割机床和慢走丝精密线切割机床。电火花线切割有着广阔的前景，目前，在特种加工领域中电火花成形加工及电火花线切割加工工艺在生产中，特别是在模具加工中的应用越来越广泛、普遍。成为加工领域必不可少的一种加工方法。5.电火花线切割电火花线切割机（Wire Electrical Discharge Machining简称WEDM），属电加工范畴，是由前苏联拉扎联科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生

29、产的国家。自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。然后通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。电火花线切割机按走丝速度可分为高速往复

30、走丝电火花线切割机（Reciprocating type High Speed Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“快走丝”）、低速单向走丝电火花线切割机（Low Speed one-way walk Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“慢走丝”）和立式自旋转电火花线切割机（Vertical Wire Electrical Discharge Machining machine tool With Rotation Wire）三类。又可按工作台形式分成单立柱十字工作台型和双立柱型（俗称龙门型）。往复

31、走丝电火花线切割机床往复走丝电火花线切割机订的走丝速度为612 m/s，是我国独创的机种。自1970年9月由第三机械工业部所属国营长风机械总厂研制成功“数字程序自动控制线切割机床”，为该类机床国内首创。1972年第三机械工业部对工厂生产的CKX数控线切割机床进行技术鉴定，认为已经达到当时国内先进水平。1973年按照第三机械工业部的决定，编号为CKX 1的数控线切割机床开始投入批量生产。1981年9月成功研制出具有锥度切割功能的DK3220型的坐标数控机，产品的最大特点是具有1.5度锥度切割功能。完成了线切割机床的重大技术改进。随着大锥度切割技术逐步完善，变锥度、上下异形的切割加工也取得了很大的

32、进步。大厚度切割技术的突破，横剖面及纵剖面精度有了较大提高，加工厚度可超过1000mm以上。使往复走丝线切割机床更具有一定的优势。同时满足了国内外客户的需求。这类机床的数量正以较快的速度增长，由原来年产量23千台上升到年产量数万台，目前全国往复走丝线切割机床的存量已达20余万台，应用于各类中低档模具制造和特殊零件加工，成为我国数控机床中应用最广泛的机种之一。但由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制，故电极丝抖动大，在加工过程中易断丝。由于电级丝是往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低。低速单向走丝电火花线切割机低速走丝线切割机电极丝以铜线作为工具电极，一般以低于0.2

33、m/s的速度作单向运动，在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60300V的脉冲电压，并保持550um间隙，间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀，在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。目前精度可达0.001mm级，表面质量也接近磨削水平。电极丝放电后不再使用，而且采用无电阻防电解电源，一般均带有自动穿丝和恒张力装置。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好，但不宜加工大厚度工件。由于机床结构精密，技术

34、含量高，机床价格高，因此使用成本也高。单向走丝电火花线切割机床早期只有国外公司的独有机种。台湾的低速走丝电火花线切割机起步虽然较晚，但这几年来发展迅速。其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资，在有关部门一定限度的支持下，由台湾工业技术研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。经过10多年的攻关，在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。台湾各企业制造的低速走丝电火花线切割机目前应属中档机的范围，近3年每年达到20%30%的增长率，估计未来5年，台湾低速走丝电火花线切割机的年产量能达2000台，可占世界市场的25%以上。低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高

35、的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。也可以说，谁掌握了低速走丝电火花线切割机的技术，谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。为了抢占中国市场，日本、瑞士、台湾的电加工机床制造企业在中国大陆设厂生产这类机床。我国的科技工作者在科技部专项基金的支持下，投入了较大的研发力量，已完成新一代低速走丝电火花线切割机的研发，取得了重大突破，目前已拥有了具有自主知识产权的产品，并占领了一定的市场份额，其性能指标可达中档机水平。目前还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术。立式自旋转电火花线切割机立式自旋转电火花线切割机（卧式自旋转电火花线切割机）。立

36、式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花线切割加工均有不同，首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切割加工多了一个电极丝的回转运动；其次，电极丝走丝速度介于高速走丝和低速走丝之间，速度为12m/s。由于加工过程中电极丝增加了旋转运动，所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机相比，最大的区别在于走丝系统。立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结构完全相同的两端做为走丝结构，实现了电极丝的高速旋转运动和低速走丝的复合运动。两套主轴头之间的区域为有效加工区域。除走丝系统外，机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。与单向低速走丝电火花线切割机床相比，往复高速走丝

37、电火花线切割机床在平均生产率、切割精度及表面粗糙度等关键技术指标上还存在较大差距。针对这些差距，本世纪初，国内有数家高速往复走丝电火花线切割机生产企业实现了在高速走丝机上的多次切割加工（该类机床被俗称为“中走丝” Medium Speed Wire cut Electrical Discharge Machining）。所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝线切割机床，其走丝原理是在粗加工时采用8-12m/s高速走丝，精加工时采用1-3m/s低速走丝，这样工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差，使加工质量也相对提高，加工质量可介于高速走丝机与

38、低速走丝机之间。因而可以说，用户所说的“中走丝”，实际上是往复走丝电火花线切割机借鉴了一些低速走丝机的加工工艺技术，并实现了无条纹切割和多次切割。经过几年的发展，国内几乎所有生产高速走丝电火花线切割机床的厂家都在生产及销售中走丝，但最终表明不是所有的往复走丝电火花线切割机都能进行多次切割，或者说不是所有的往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后都能获得好的工艺效果。多次切割是一项综合性的技术，它涉及到机床的数控精度、脉冲电源、工艺数据库、走丝系统、工作液及大量的工艺问题，并不是简单地在高速走丝机上加上一套运丝变频调速系统即可实现的，只有那些制造精度高，并在诸方面创造了多次切割条件的往复走丝电火

39、花线切割机才能进行多次切割和无条纹切割，并获得显著的工艺效果。因此我们的生产企业必须充分注意到这个问题，一定要按系统工程来做，真正把这一技术用好，把这一产品做好。如目前已有一些企业为进一步提高机床本体精度，X、Y坐标工作台采用了直流或交流伺服电机作驱动单元直接驱动滚珠丝杠，同时采用了带螺距补偿功能的全闭环控制，可以利用数控系统对机床的定位精度误差进行补偿和修正。在保证精度的前提下，减小因长期使用而导致的加工精度下降，延长机床的使用寿命。运丝系统方面采用特殊（大多数采用金刚石）电极丝保持器，保持电极丝的相对稳定，减小加工过程中电极丝的张力变化。冷却系统方面改变常用的粗放冷却方式，采取多级过滤并对

40、介电常数等关键参数加以控制，确保精加工的顺利进行。控制软件方面提供开放的加工参数数据库，可以根据材料的质地、厚度、粗糙度等条件选择对应的加工参数。相信经过我们的努力，多次切割技术将会更加完善，往复走丝电火花线切割加工技术也将得到更好的应用和发展。往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后，虽加工质量有明显提高，但它仍然属于高速走丝电火花线切割机的范畴，切割精度和光洁度仍与低速走丝机存在较大差距，且精度和光洁度的保持性也需要进一步提高。“中走丝机”具有结构简单、造价低以及使用消耗少等特点，因此也有其生存的空间，目前执行的标准仍然是高速走丝机的相关标准，因此生产企业在对用户的宣传上要注意，一定要实事

41、求是。6.电火花放点熔涂电火花强化理论最早是由前苏联学者拉扎连科在1943年提出，前苏联中央电气科学研究院于1950年成功研制出了系列电火花表面强化机，使该技术开始在工业上得到应用。但由于其工作效率极低，强化层太薄，在实践中应用效果不佳。在1964年又研制出了系列电火花强化机，分手工和机械操作两种类型，这种强化机在机器制造、工具、仪器等工业领域得到广泛应用，并取得了较好的效果。欧美从 1950 年代后期开始研究电火花表面强化技术，并研制出强化机系列产品，如英国的 SPARCARD，美国的 TVNGCARB220 等。保加利亚专家提出采用独立式脉冲电源的非接触强化思想，并研制出了 系列强化机，这

42、些设备应用于刀具和模具的表面强化，其功率小于200W，为手工操作。1964年，摩尔达维亚科学院应用物理研究所及其所属实验工厂在上世纪七十年代生产出了采用可控硅（SCR)和晶体管（GTR)脉冲发生器的新型电火花强化机，改变了合金化的控制方法。日本从 1960 年代初开始研究电火花强化技术，并从 1990 年代开始取得较大发展，研制成功了 SPARKDEPO电火花强化设备，该设备采用旋转电极，功率较大，与传统的振动电极式强化设备相比，强化层厚度明显增加，且强化层表面较均匀平整。电火花表面强化技术1960年代中期在我国得到推广使用。1977 年苏州电加工研究所研制成功振动电极式D91系列电火花强化设

43、备，在刀具表面强化、模具量具表面修复和机器零件的微量修补方面得到应用，取得了良好的经济效益。1990 年以后随着人们对电火花强化理论研究的更加深入，该技术得到了进一步发展，清华大学、西北工业大学、太原理工大学、沈阳工业大学、中国矿业大学等学者分别研制出了多种电火花强化设备，并进行了一系列实验研究工作，但上述强化设备大多只限于单机操作，利用率不高，应用范围不广，加工效率较低。中国农业机械研究院和哈尔滨工业大大学联合根据自适应控制原理，用IGBT作为控制开关元件，以旋转电极代替振动电极，研制出了一种新型脉冲放电电火花表面强化设备，使放电能量大幅度提高，强化过程稳定可靠，可以获得高质量强化层。但设备

44、整体电路复杂，价格较为昂贵，影响了其大面积推广使用。电火花强化技术（Electrical Discharge Hardening)，它是一种表面处理技术，其原理是通过电火花放电将电极材料熔渗到工件表层，并与工件表层金属发生合金化作用，以得到结合牢固的强化层。电火花强化技术有时也称为电火花沉积，电火花堆焊等。工艺特性：1、电极材料:电极材料对工件表面强化效果的影响很大。电火花表面强化层与基体结合力较强，所以电极材料的选择主要从材料表面所需要达到的功能方面来考虑。如对机器磨损部位进行微量修补，可选用碳素钢、黄铜等价格便宜的材料即可。如需在刀具表面获得高硬度，采用硬质合金作为工具电极要比采用铬锰作为

45、工具电极所得的强化层硬度更高。2、放电电压：当其他参数一定时，随着放电电压的提高，所得的强化层厚度也随之增大。这时因为在强化过程中当放电回路阻抗稳定时，放电电压增大，放电电流也增大，产生的能量也就越大，则单位时间内熔化的电极材料变多，故强化层变厚。3、脉冲频率：脉冲频率主要影响强化层的表面致密度，当脉冲频率提高时，单位时间内放电次数增多，每次过渡的电极熔融颗粒变小，所获的强化层致密度将提高，光洁度增加，同时也可在一定程度上提高硬度。但是对于给定的电规准，脉冲频率不可过大，否则可能造成电容器充电不足或放电不完全，从而降低强化层厚度。4、强化时间：强化时间对强化层影响较为复杂。在某一最佳强化时间之

46、前，强化层厚度随强化时间增加而增大，且强化层组织较均匀、致密，这是因为在强化初期，电极材料向基体过渡量较小，强化层较薄，尚未完全覆盖工件表层，故表面存在的缺陷也很少，表面质量较好。当强化时间超过这最佳强化时间的后强化层厚度增幅放缓，且表面粗糙度显著提高，这是因为随着电极熔滴不断向工件沉积，强化层表面的强化点和电蚀凹坑会不断叠加，加上强化过程一般由人手工操作，也会使熔滴涂覆不均匀性增加，故表面粗糙度升高。但是进一步增加强化时间，粗糙反而又会下降，其原因是强化层表面凸起的较大颗粒与电极间的间距相对更小，故其之间电场强度更大，所以容易被电蚀熔化并填补到凹陷部分，从而使表面粗糙度降低。5、电容：在其他

47、条件一定时，增大电容的容量，强化层的厚度将增大。因为在强度过程中，增大电容值，放电电流的脉冲宽度增大，从而放电过程中的平均电流也增大，所释放的能量也随之增大，进而使强化层变厚。但是电容量增大，过渡的电极熔滴尺寸也变大，这会使强化层表面粗糙提高。当电容量增加到一定值时，强化层厚度增速将放缓，直至停止。应用领域：1、模具修复模具在使用过程中，不可避免地要发生磨损，这样会造成模具的几何尺寸变化，产品的质量难以保证。利用电火花表面强化技术修复模具，可以使模具的寿命大幅提高。如某厂采用3Cr2W8V制造的压铸模具，经过WC-Ti作为电极进行电火花表面强化，并经油石研磨处理，其模具寿命由原来的1-2万件，

48、提升到8万件。2、航空工业随着航空领域对材料的性能要求越来越高，电火花表面强化技术被广泛地用来强化关键零部件。如俄罗斯航空部门利用此技术在战斗机透平叶片表面强化WC、C、Ni基材料，以提高部件的寿命。国内某航空发动机公司曾与中国农机院表面工程技术研究所合作，采用电火花表面强化技术成功在发动机叶片榫槽处制造出高可靠性微动磨损的WC-Co强化层，使叶片的使用寿命大大提高。3、电力行业早在1999年，中国农机院表面所就采用电火花表面强化技术成功修复了重庆华能珞璜电厂30万KW发电组轴径密封段磨损面，解决了此类部件不能以焊接修复，而喷涂，电镀结合强度又不够的技术难题。此后该技术在电力行业的应用开始快速

49、发展，取得了显著经济效益。二，新技术的发展趋势伴随着难加工材料及复杂型面加工而逐步发展成 熟起来的电火花加工技术(EDM),已经成为制造技术中不可缺少的加工手段之一。据统计,目前电火花加工机床已占世界机床市场的6%。相对于传统的切削加工技术而言,电火花加工技术的研究与开发历史并不长,对其加工机理与适用范围的研究还并不充分。一般认为,这是限制其发展与应用的主要因素。但同时也应看到,正因为如此,它才可能具有较大的想象空间。 现代制造技术及其相关技术的发展,在为电火花加工技术的发展提供良好机遇的同时,也对其提出了严峻的挑战。首先,从生产模式上讲,以单元化生产为主体的EDM技术必须适应现代多品种、变批

50、量生产的模式,与柔性制造技术、网络技术等现代技术接轨;其次,电火花加工技术本身也必须面对来自新型刀具材料的出现和日益完善的多轴数控铣削加工技术的竞争。目前数控铣削加工技术已经几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。而且相对于传统电火花加工而言,切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本和更好的加工柔性。因此国外甚至有人断言在模具制造领域,高速铣削已经可以替代EDM。目前电火花加工技术的研究与发展趋势主要表现在以下几个方面: (1) 加工微细化 随着工程技术领域对微型机械的迫切需求,微细加工已不再是微电子机械技术的代名词。微细电火花加工技术的应用领域已经从简单的轴孔加工逐步拓展到微三维结构

51、型腔的制作中。微细电火花加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术之一。 (2)加工装置的微小型化 由于电火花加工中工具电极与工件之间没有宏观作用力,因此,将电火花加工装置、尤其是电极驱动机构进行微小型化,使电极进给驱动系统的惯性得以大幅度减小,必将更好地发挥电火花加工技术的工艺特点。(3)新型元器件的成功应用 不断地吸收现代科技发展的精髓是任何制造技术得以生存和发展的前提。目前一些新型开关元件如IGBT,大规模集成电路芯片如FPGA、DSP,新型压电材料等均已在电火花加工机床的脉冲电源、控制系统及驱动装置上得到了极为成功的应用,大大地提高了EDM的加工性能与工艺指标。 (4)硬件软件化 软件

52、在电火花加工机床上所占的比重日趋增大。这一趋势表明一些新的软件平台、数控技术有可能很快地融入电火花加工技术中,从而将极大地提高电火花加工技术的快速响应能力。(5)现代制造模式的渗透 人工智能技术、网络制造、绿色制造、敏捷制造等新概念正逐渐渗透到电火花加工领域中。 (6)新工艺的出现 借助现代化的研究手段,人们对电火花加工技术的研究正向更深层次发展,新的工艺方法不断涌现,电火花加工技术的应用领域正在拓宽电火花加工的最新工艺进展 任何一种实用的制造技术最终都要体现在工艺上,工艺方法的不断完善与实用化表征了该技术的生命力与存在价值。1微细电火花加工 微细电火花加工技术的研究起步于20世纪60年代末。

53、荷兰Philips研究所的Dsenbruggen等人用微细电火花加工技术成功地加工出了直径为<30m,精度 为0.5m的微孔。80年代末,随着MEMS技术的蓬勃兴起,以及这一时期现代电力电子技术的发展,尤其是线电极电火花磨削(WEDG)技术的逐步成熟与应用,成功地解决了微细电极的在线制作这一瓶颈问题,使得微细电火花加工技术进入了实用化阶段,并成为微细加工领域的热点研究内容之一。 WEDG已经成为微细高精度电极在线制作的有效手段。可以说,目前的微细电火花加工与WEDG是密不可分的。利用WEDG技术,日本东京大学增泽隆久 等人已可加工出<2.5m的微细轴和<5m的微细孔, 代表了

54、当前这一领域的世界前沿。在此基础上,应用WEDG技术进行微细工具制作,他们又研究了微细冲压加工、微细管子和微细喷嘴的电火花电铸复合加工法、微细超声加工和微细钻铣加工等。由于微细工具的成功制作,上述加工方法目前均可进行微米级尺度的加工。微细电火花加工技术所取得的上述研究成果已经受到了日本政府的高度重视,将其作为微型机械技术研究领域的重要发展方向之一。国内南京航空航天大学和哈工大特种加工研究所也在此方面进行了卓有成效的探索。随着微型机械的发展和WEDG技术的逐步成熟,微细电火花加工技术的研究已经逐步拓展到了三维微细结构的加工中。据统计,微细电火花加工在电火花加工中所占的比重正逐年增加,目前已接近1

55、0%。使用微小成型电极,利用传统的电火花成型加工方法进行微细三维轮廓加工显然是不现实的。这是因为复杂形状微小成型电极本身就极难甚至无法制作,而且由于加工过程中严重的电极损耗现象,将使成型电极的形状很快改变而无法进行高精度的微细三维曲面加工。90年代后,由于微细电极的成功制作,人们开始探索使用简单形状的微细电极,借鉴数控铣削的方法进行微三维结构的电火花加工。在这一研究领域,日本学者作出了突出的贡献。1996年,日本三菱电机(株)的真柄卓司、汤泽隆等人利用微细电火花加工技术成功地制作出了由齿顶圆直径为<1.2mm的大齿轮、齿顶圆直径为<0.2mm的小齿轮和直径为<0.1mm的内心轴构成的、最深的加 工尺寸为270m的齿轮铸模。以微细电火花加工为主要技术手段,1997年7月,日本东京大学增泽隆久、余祖元等人利用简单形状的微细电极,制作出了长0. 5m