《数控特种加工技术(第二版)》教学资源 第2章 数控电火花加工课件

第2章数控电火花加工主编：丛文龙张祥兰第2章数控电火花加工主编：丛文龙张祥兰1学习目标与要求：1．了解数控电火花加工的原理、特点；2．熟悉数控电火花加工机床的组成及各部分功用；3．了解数控电火花加工基本工艺规律；4．掌握数控电火花加工的应用。电火花加工（ElectricalDischargeMachining，简记为EDM）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。电火花加工于1943年由苏联学者Б.Р.拉扎连科夫妇研究发明后，随着脉冲电源和控制系统的改进而迅速发展起来。目前这一工艺技术已广泛应用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料；用于加工模具等具有复杂表面和有特殊要求的零部件，在民用和国防工业中获得越来越多的应用。学习目标与要求：1．了解数控电火花加工的原理、特点；22.1电火花加工的原理、特点及应用范围一、电火花加工的原理电火花加工原理如图2-1所示。工件1和工具电极（简称为电极）4分别接脉冲电源2的两极，并均浸泡在工作液中，电极在自动进给调节装置的驱动下，与工件间保持一定的放电间隙。电极的表面（微观）是凹凸不平的，当脉冲电压加到两极上时，某一相对间隙最小处或绝缘强度最低处的工作液将最先被电离为负电子和正离子而被击穿，形成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工件和工具表面都蚀除掉一小部分金属。单个脉冲经过上述过程，完成了一次脉冲放电，而在工件表面留下一个带有凸边的小凹坑，如图2-2b所示。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具电极不断向工件进给，工件材料不断被蚀除，最后使工件整个被加工表面形成无数个小放电凹坑。这样，电极的轮廓形状便被复制到工件上，加工出所需要的零件。2.1电火花加工的原理、特点及应用范围一、电火花加工的原理3

图2-1电火花加工原理示意图1—工件2—脉冲电源3—自动进给调节装置4—工具电极5—工作液6—过滤器7—液压泵

图2-1电火花加工原理示意图4

图2-2放电间隙状况示意图(a)放电间隙状况(b)放电后的表面1—阳极2—阳极上抛出金属的区域3—熔化的金属微粒4—工作液5—凝固的金属微粒6—阴极上抛出金属的区域7—阴极8—气泡9—放电通道10—翻边凸起11--凹坑

图2-2放电间隙状况示意图1—阳极2—阳极上抛出金属的5电火花加工应具备以下条件：（1）工件与电极之间应保持一定的放电间隙。放电间隙不能过大或过小，间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，无法产生电火花；间隙过小，容易形成短路接触，同样不能产生电火花。为此，在电火花加工过程中必须具有电极自动进给和调节装置，使工件与电极之间保持一定放电间隙。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关，一般为0.01～0.1mm左右。（2）工件与电极之间应充满有一定绝缘性能的工作液，以利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还应能将电蚀产物从放电间隙中排除出去，并对电极和工件表面进行很好的冷却。（3）火花放电必须为瞬时的脉冲性放电，而不是持续电弧放电。这样才能使所产生的热量来不及传导扩散到其它部分，从而只在极小范围内使金属熔化、气化蚀除。否则，像持续电弧放电那样，会使工件表面烧伤而无法用作尺寸加工。电火花加工应具备以下条件：（1）工件与电极之间应保持一定的放6二、电火花加工的特点电火花加工具有如下特点：（1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。（2）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工件的加工，如复杂型腔模具加工等。由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此，适宜于加工低刚度工件及作微细加工。（3）电极材料不必比工件材料硬。（4）可进行微细精加工。通常可用于0.01~1mm范围内的型孔加工。（5）可加工各种成形工具和量具。（6）直接利用电、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制。二、电火花加工的特点电火花加工具有如下特点：7三、电火花加工的应用范围由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，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，用以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。（1）高硬度零件加工。对于某些硬度较高的模具，或者是硬度特别高的滑块、顶块等零件，热处理后表面硬度高达50HRC以上，采用机械加工方式将很困难，而采用电火花加工则可以不受材料硬度的影响。（2）型腔尖角部位加工。如锻模、热固性和热塑性塑料模、压铸模、挤压模、橡皮模等各种模具的型腔常存在着一些尖角部位，在常规切削加工中由于存在刀具半径而无法加工到位，使用电火花加工可以完全成形。（3）模具上的筋加工。在压铸件或者塑料件上，常有各种窄长的加强筋或者散热片，这种筋在模具上表现为下凹的深而窄的槽，用机械加工的方法很难将其加工成形，而使用电火花可以很便利地进行加工。（4）深腔部位的加工。由于机械加工时，没有足够长度的刀具，或者刀具缺乏足够的刚性，不能加工具有足够精度的零件，此时可以用电火花进行加工。（5）小孔加工。对各种圆形小孔、异形孔的加工，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等，对于长深比非常大的深孔，很难采用钻孔方法加工，而采用电火花或者专用的高速小孔加工机可以完成各种深度的小孔加工。（6）表面处理。如刻制文字、花纹，对金属表面的渗碳和涂覆特殊材料的电火花强化等。另外通过合理选择加工参数，也可以直接用电火花加工出一定形状的表面蚀纹。电火花加工存在着加工效率低、有电极损耗、只能加工金属等导电材料等缺陷，这使电火花加工的应用受到了一定限制。为了提高电火花加工的生产率，通常安排工艺时多先采用切削加工来去除大部分余量，然后再进行电火花加工。三、电火花加工的应用范围由于电火花加工有其独特的优越性，再加8和普通电火花加工机床相比，数控电火花加工机床的加工精度、加工自动化程度、加工工艺的适应性、多样性大为提高，在生产中得到广泛应用。数控电火花成形加工机床主要由机床本体、脉冲电源和机床电气系统、自动进给调节系统、数控系统、工作液循环过滤系统及工具电极等部分组成。图2-3所示为SC400型数控电火花成形加工机床的外观，图2-4所示为数控电火花成形加工机床组成示意图。和普通电火花加工机床相比，数控电火花加工机床的加工精度、加工9图2-3SC400型数控电火花成形加工机床1－机床垫铁2－油箱3－底座4－滑枕5－数控电源柜6－主轴箱7－控制台8－工作液槽9－床身图2-3SC400型数控电火花成形加工机床10

图2-4数控电火花成形加工机床的组成

图2-4数控电火花成形加工机床的组成11一、机床本体及附件机床本体是指构成机床的机械实体，主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统等部分组成。附件包括用以实现工件和电极的装夹、固定和调整其相对位置的机械装置、电极自动交换装置（ATC或AEC）等。床身和立柱是机床的基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相对位置。其结构应合理，有较高刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性，还应能减小温度变化引起的变形。主轴头是数控电火花成形加工机床的关键部件，它由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成，电极即安装在其上，主轴头通过自动进给调节系统带动在立柱上作升降移动，改变电极和工件之间的间隙。工作台是用来支承和安装工件的，上面装有工作液槽，工作台可作纵向和横向进给运动，分别由直流或交流伺服电动机经滚珠丝杠驱动。运动轨迹是靠数控系统通过数控程序控制实现的。机床的附件主要有可调节工具电极角度的夹头和平动头。装夹在主轴头下的电极，在加工前需要调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需要在水平面内调节、转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工的工件型孔或型腔预定位置一致。平动头是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的，其运动半径通过调节可由零逐步扩大，以补偿粗、中、精加工的火花放电间隙之差，从而达到修整型腔的目的。其每一个质点运动轨迹的半径就称为平动量。与数控加工中心的自动换刀装置相似，电极自动交换装置具有在多电极加工时自动选择、交换电极的功能。一、机床本体及附件12二、脉冲电源脉冲电源是电火花成形加工机床的重要组成部分，其作用是将工频交流电转变成一定频率的定向脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。脉冲电源提供的脉冲电流波形如图2-5所示。放电延续时间称为脉冲宽度，应小于10，这样才能使金属在极小范围内微量蚀除。相邻脉冲之间的间隔时间称为脉冲间隔，它使放电介质有足够的时间恢复绝缘状态（称为消电离），以免引起持续电弧放电烧伤工件表面而无法用作尺寸加工。为脉冲周期，为脉冲峰值电压或空载电压。二、脉冲电源13

图2-5脉冲电源电压波形

图2-5脉冲电源电压波形14脉冲电源的性能直接影响电火花成形加工的生产效率、加工稳定性、电极损耗、加工精度和表面粗糙度，因此要求具备高效低损耗、大面积小粗糙度表面稳定加工的能力。目前常用的脉冲电源有张弛式、独立式及由独立式派生出的各种派生电源。脉冲电源的性能直接影响电火花成形加工的生产效率、加工稳定性、151．张弛式脉冲电源最简单最基本的张弛式脉冲电源是线路脉冲电源，如图2-6所示。它是利用电容器充电储存电能，而后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源。线路脉冲电源的工作原理是：当直流电源接通后，电流经限流电阻向电容充电，电容两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压时，间隙就被击穿，电阻变得很小，电容器上储存的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流。电容上的能量释放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又重复前述过程。如果间隙过大，则电容器上的电压按指数曲线上升到直流电源电压。1．张弛式脉冲电源最简单最基本的张弛式脉冲电源是线路脉冲电源16

图2-6线路脉冲电源1—工具电极2—工件

图2-6线路脉冲电源17

图2-7自振式晶体管脉冲电源

图2-7自振式晶体管脉冲电源182．独立式脉冲电源独立式脉冲电源的放电间隙和直流电源各自独立、互相隔离，能独立形成和发生脉冲，可大大减少电极间隙物理状态参数变化的影响。最常用的独立式脉冲电源为晶体管式脉冲电源，它是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。2．独立式脉冲电源193．派生脉冲电源近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源的基础上，派生出不少新型电源，如高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源、等脉冲电源、高频分组脉冲、梳形波脉冲电源以及自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源等。这些电源的出现提高了电火花加工的生产率及加工质量，拓展了电火花加工的应用领域。3．派生脉冲电源近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高20三、自动进给调节系统1．自动进给调节系统的功用及特点正常电火花加工时，工具电极和工件间有一放电间隙，见图2-8。过大，脉冲电压不能击穿间隙间的绝缘工作液，不会产生火花放电，必须使工具电极向下进给，直到间隙等于、小于某一值，才能击穿和火花放电。在正常的电火花加工时，工件以的速度不断被蚀除，间隙将逐渐扩大，必须使工具电极以速度补偿送给，以维持所需的放电间隙。如进给量大于工件的蚀除速度，则间隙将逐渐变小，当间隙过小时，必须减小进给速度。如果工具工件间发生短路（＝0），则必须使工具以较大的速度反向快速回退，消除短路状态。随后再重新向下进给，调节到所需的放电间隙。这是正常电火花加工所必须解决的问题。三、自动进给调节系统1．自动进给调节系统的功用及特点21图2-8放电间隙、蚀除速度和进给速度图2-8放电间隙、蚀除速度和进给速度222．自动进给调节系统的组成自动进给调节系统由测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行机构和调节对象等几个主要部分组成，图2-9是其基本组成部分方框图。2．自动进给调节系统的组成23

图2-9自动进给调节系统的组成

图2-9自动进给调节系统的组成24调节对象是指工具电极与工件之间的放电间隙，应控制在0.1～0.0lmm之间。测量环节通常采用测量与放电间隙成比例关系的电参数来间接反映放电间隙的大小。比较环节用来把从测量环节得来的信号和“给定值”的信号进行比较，再按此差值来控制加工过程。大多数比较环节包含或合并在测量环节之中。由测量环节获得的信号，一般都很小，难以驱动执行元件，必须要有一个放大环节，通常称它为放大器。为了获得足够的驱动功率，放大器要有一定的放大倍数。目前常用的放大器主要是各类晶体管放大器件。执行机构常采用不同类型的伺服电动机，它是根据放大器提供的控制信号的大小及时地调节工具电极的进给速度，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正常进行。调节对象是指工具电极与工件之间的放电间隙，应控制在0.1～0253．自动进给调节系统的类型常用自动进给调节系统有电—液自动控制系统和电—机械式自动进给调节系统，数控电火花机床普遍采用电—机械式自动进给调节系统。电—机械式自动进给调节系统根据驱动电机的不同，可分为步进电动机、直流或交流伺服电机驱动的自动调节系统。其中直流或交流伺服电机自动进给调节系统，近年来在高档数控电火花成形加工机床上得到了广泛应用。3．自动进给调节系统的类型26四、数控系统1．电火花成形加工单轴数控系统它往往控制Z轴，Z向进给由自动进给调节系统完成。自动进给调节系统一方面始终保持电极和工件间的合理间隙，另一方面沿Z向控制主轴头（电极）相对工件作进给运动。在单轴数控系统中，常采用步进电机作为驱动元件，通过两路数字化信号（无信号为“0”，有信号为“1”）可实现步进电机的快慢和正反方向旋转控制。在交、直流伺服电机驱动的数控系统中常采用编码器、光栅等传感装置对控制对象（电动机主轴或装有电极的主轴和装有工件的工作台）进行转角、转速或位置的反馈，以实现运动的控制。其数控系统为开环系统，电路简单、成本低廉，但力矩和调速性能差，一般只用于中、小型电火花加工机床。2．电火花成形加工多轴数控系统它可以实现对机床的多个坐标轴的移动和转动的数字控制，可进行多轴联动控制，电极和工件之间的相对运动复杂，可以满足各种复杂型腔和型孔的加工。图2-10为采用X、Z、C多轴联动加工型孔。其中图a为横向X轴伺服进给水平加工圆孔；图b为横向X轴和垂直方向Z轴联动加工；图c为Z向伺服进给，C轴分度旋转，加工圆周均布的多个长方形孔。四、数控系统27

图2-10数控X、Z、C多轴联动加工

图2-10数控X、Z、C多轴联动加工28图2-11为电火花三轴数控摇动加工型腔。其中图a为摇动加工修光六角型孔侧壁和底面；图b为摇动加工修光半圆柱侧壁和底面；图c为摇动加工修光半圆球柱的侧壁和球头底面；图d为用圆柱形工具电极摇动展成加工出任意角的内圆锥面。图2-11中箭头线为电极进给和摇动加工轨迹。图2-11为电火花三轴数控摇动加工型腔。其中图a为摇动加工修29

图2-11电火花三轴数控摇动加工

图2-11电火花三轴数控摇动加工30五、工作液循环过滤系统工作液在电火花成形加工中的作用是在脉冲间隔火花放电结束后，迅速恢复间隙的绝缘状态，以便下一个脉冲电压再次形成火花放电；在强迫流动过程中，将电蚀产物从放电间隙中带出来，并对电极和工件表面起到冷却作用。电火花成形加工机床所用的工作液主要为油类。粗加工一般选择介电性能和粘度较大的机油，其燃点较高，在大能量加时着火的可能性较小；而在中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故选用粘度小、流动性和渗透性好的煤油作为工作液。有时，为避免起火，可采用煤油与机油混合作为工作液。近年来新开发的水基工作液可使粗加工效率大幅度提高。工作液循环过滤系统由工作液箱、液压泵、电机、过滤器、工作液分配器、阀门、油杯等组成，它的作用是强迫一定压力的工作液流经放电间隙将电蚀产物排出，并且对使用过的工作液进行过滤和净化。工作液循环过滤系统的工作方式有冲油式、抽油式两种，如图2-12所示。其中图a、b为冲油式，是把经过滤得到的清洁工作液经液压泵加压，强迫冲入电极与工件之间的放电间隙，将放电蚀除的电蚀产物随同工作液一起从放电间隙中排除，以达到稳定加工的目的。图c、d是抽油式，从待加工表面，将已使用过的工作液连同电蚀产物一起抽出。冲油式排屑效果好，但电蚀产物从已加工面流出时易造成二次放电（由于电蚀产物在侧面间隙中滞留引起的电极侧面和已加工面之间的放电现象），使型腔四壁形成斜度，影响加工精度。抽油式抽油压力略大于冲油式油压，排屑能力不如冲油式，但可获得较高的精度和较小的表面粗糙度。五、工作液循环过滤系统31

图2-12工作液循环方式（a）下冲油式（b）上冲油式（c）下抽油式（d）上抽油式

图2-12工作液循环方式32工作液过滤装置常用介质过滤器，其优点是材料来源广泛，可以就地取材；缺点是过滤能力有限，不适于大流量、粗加工，且每次更换介质要消耗大量煤油。如纸质过滤器的优点是过滤精度较高，阻力小，更换方便，本身的耗油量比木屑等少得多，特别适合中、大型电火花加工机床，用后经反冲或清洗仍可继续使用，故现已被大量应用。工作液过滤装置常用介质过滤器，其优点是材料来源广泛，可以就地33六、电极1．电极材料根据电火花加工原理，可以说任何导电材料都可以用来制作电极，但在生产中应选择损耗小，加工过程稳定，生产率高，工艺性能良好，来源丰富，价格低廉的材料作电极材料。电极的损耗受电极材料的热物理常数的综合影响。电极材料的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，加工时损耗越小；电极材料的热导率越大，能将瞬时热量传导散到其它部分，损耗越小。2．电极结构常用电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼式电极三种。整体式电极是用一块材料加工而成，如图2-13a所示，是最常用的结构形式；组合式电极是指在同一工件上有多个型孔或型腔时，在某些情况下可以把多个电极组合在一起，如图2-13b所示，一次可同时完成多型孔或型腔的加工；镶拼电极是指对形状复杂的电极整体加工有困难时，常将其分成几块，分别加工后再镶拼成整体，这样可节省材料，且便于制造。在加工过程中，电极的尖角、棱边等凸起部位的电场强度较强，易形成尖端放电，所以这些部位比平坦部位损耗要快。为提高其加工精度，在设计电极时可将其分解为主电极和副电极，先用主电极加工型腔或型孔的主要部分，再用副电极加工尖角、窄缝等部分。六、电极34

图2-13常用电极结构（a）整体式电极（b）组合式电极1—减重孔2—固定用螺孔3—固定板4—电极

图2-13常用电极结构353．电极长度的确定电极的长度取决于被加工零件的结构形式、型孔或型腔的复杂程度、加工深度、电极使用次数、装夹形式及电极工艺等一系列因素。加工凹模型孔时电极长度L可按图2-14进行计算，即（2-1）式中——凹模的有效厚度（电火花加工的深度），mm；——当凹模下部挖空时，电极需要加长的长度，mm；——为夹持电极而增加的长度，约为10～20mm；——电极的使用次数；——与电极材料耗损、型孔复杂程度等因素有关的系数，一般选用经验数据：紫铜为2～2.5，黄铜为3～3.5，石墨为1.7～2，铸铁为2.5～3，钢为3～3.5。当电极材料耗损小、型孔简单、电极轮廓无尖角时，K取小值；反之取大值。3．电极长度的确定36

图2-14电极长度尺寸

图2-14电极长度尺寸37加工型腔时电极长度按图2-15进行计算，即（2-2）（2-3）式中——电极垂直方向的总高度，mm；——电极垂直方向的有效工作尺寸，mm；——考虑加工结束时，为避免电极固定板和模板相撞，同一电极能多次使用等因素而增加的高度，一般为5～20mm；——型腔垂直方向的尺寸（型腔深度），mm；——粗规准加工时电极端面相对磨损率，其值小于l％，只适用于未预加工的型腔；——中、精规准加工时电极端面相对耗损率，其值一般为20％～25％；——中、精规准加工时端面总进给量，一般为0.4～0.5mm；——最后一档精规准加工时端面的放电间隙，一般为0.02～0.03mm，可忽略不计。加工型腔时电极长度按图2-15进行计算，即38

图2-15电极垂直方向尺寸1—电极固定板2—电极3—工件

图2-15电极垂直方向尺寸394．电极损耗电火花成形加工时，电极和工件一样会受到电腐蚀而损耗。所以，必须采取合理的措施，保证既提高加工效率，又减少电极损耗。常用的措施如下：（1）正确选择极性。一般说来，在短脉冲精加工时采用正极性加工，在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。（2）利用吸附效应。采用含碳氢化合物的工作液（如煤油）时，在放电过程中将分解形成带负电荷的碳胶粒。电场力使碳胶粒吸附在正极表面，在一定条件下可形成一定厚度的化学吸附层，称为炭黑膜。如采用负极性加工，炭黑膜会吸附在电极上，对电极有保护和补偿作用，可实现电极“低损耗”加工。此时，一般采用较大的脉冲宽度，合适的脉冲间隔，加工时要控制冲、抽油的压力。4．电极损耗402.3数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径一、电蚀量及其影响因素电火花加工时，工具和工件同时受到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，亦即生产率；单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。电火花加工时的电蚀量主要受极性效应、电参数、金属材料热学常数、工作液等的影响。1．极性效应对电蚀量的影响在电火花加工过程中，无论是正极还是负极（工件或电极）都要受到不同程度的电腐蚀。即使工件和电极材料完全相同，也会因为所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度，这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象称为极性效应。在生产中常把工件接脉冲电源的正极，称为正极性加工或正极性接法；反之，工件接脉冲电源的负极称为负极性加工或负极性接法。从提高生产率和减少工具损耗角度看，极性效应越显著越好。极性效应受脉宽、脉间、脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极对的材料等多种因素影响。用纯铜电极加工钢，当采用窄脉冲（如<10）精加工时，应采用正极性加工；当采用长脉冲（如>80）粗加工时，应采用负极性加工。实验证明，当采用脉宽为12、脉间为15，应采用正极性加工；当脉宽不变，逐步把脉间减少，就可采用负极性加工。当工具与工件的材料不同时，应选择不同的电极极性，如表2-1所示。2.3数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径41《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件42《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件432．电参数对电蚀量的影响电参数是指脉冲电源提供给电火花成形加工的电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率和峰值电流等。研究结果表明，在电火花加工过程中，在一定范围内单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量成正比，某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和。故正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。用公式表达为2．电参数对电蚀量的影响44《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件453．金属材料热学常数对电蚀量的影响金属材料的热学常数是指材料的熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，电蚀量将越少，越难加工；另一方面，热导率越大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位，因而降低了本身的蚀除量。而且当单个脉冲能量一定时，峰值电流越小，即脉冲宽度越长，散失的热量也越多，从而减少电蚀量。相反，脉冲宽度越短，峰值电流越大，由于热量过于集中而来不及传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比例增加，多耗用不少汽化热，电蚀量也会降低。3．金属材料热学常数对电蚀量的影响464．工作液对电蚀量的影响热加工工艺过程就是材料的相变和转移过程。提高单脉冲放电的相变量并及时将相变材料转移离开电极表面和加工区，就是提高加工速度。在电火花加工过程中，工作液是影响材料转移的主要因素，工作液帮助电蚀产物的抛出和排除，因而对电蚀量也有较大影响。介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，可提高电蚀量。4．工作液对电蚀量的影响47二、加工精度及其影响因素影响电火花加工精度的因素很多，主要有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极的制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等因素。这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。1．放电间隙大小及其一致性电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙。如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可通过修正工具电极的尺寸对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。然而放电间隙的大小实际是变化的，影响加工精度。二、加工精度及其影响因素48除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响，尤其是对复杂形状的加工表面，棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。实际加工中，电极上的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角。这样，电极的尖角很难精确地复制在工件上。因此，为了减少加工误差，提高仿形精度，应采用较小的加工规准（脉冲电源提供的脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流等一组电参数），缩小放电间隙；另外，还必须使加工过程稳定。 除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响，尤其是492．电极的损耗电火花加工时是将电极的形状和尺寸复制到工件上的，因此工具电极的损耗对工件尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时，电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗，型腔加工时则无法采用这一方法，精密型腔加工时可采用更换电极的方法。2．电极的损耗503．二次放电二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的一种非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱边棱角变钝等方面，从而影响电火花加工的形状精度。产生加工斜度的情况如图2-16所示，由于电极下端部加工时间长，绝对损耗大；而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二次放电”几率大而扩大，因而产生了加工斜度。应从工艺上采取措施，及时排除电蚀产物，减少二次放电，使加工斜度减小。3．二次放电51

图2-16电火花加工时的加工斜度1—工件2—电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线3—电极无损耗时的工具轮廓线4—工具

图2-16电火花加工时的加工斜度52三、加工表面质量及其影响因素1.表面粗糙度影响电火花加工表面粗糙度的因素有脉冲能量、工件材料熔点、工具电极表面质量等。电火花加工的表面粗糙度与脉冲能量之间的关系可用以下经验公式表示三、加工表面质量及其影响因素53工件材料熔点对表面粗糙度的影响为：熔点高的材料，在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料好。当然，加工速度会相应下降。精加工时，工具电极的表面粗糙度直接影响工件的表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极加工的表面粗糙度较差。电火花加工后的表面，是由脉冲放电时所形成的大量凹坑和硬凸边排列重叠而形成的，有利于保存润滑油，与机械加工表面相比，在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。工件材料熔点对表面粗糙度的影响为：熔点高的材料，在相同能量下542．表面变质层电火花加工过程中，由于受瞬时高温作用和工作液的冷却作用，材料的表面层发生了很大的变化，可粗略地把它分为熔化凝固层和热影响层，如图2-17所示。2．表面变质层55

图2-17放电凹坑剖面1—无变化区2—热影响层3—翻边凸起4—熔化凝固层5—放电通道6—气化区7—熔化区

图2-17放电凹坑剖面56凝固层位于工件表面最上层，是工件表层材料在脉冲放电的瞬时高温作用下熔化后未能抛去，在脉冲放电结束后迅速冷却、凝固而保留下来的金属层，其晶粒非常细小，有很强的抗腐蚀能力。热影响层介于熔化层和基体之间，热影响层的金属材料并没有熔化，只是该层金属受到放电点的高温影响，使材料的金相组织发生了变化。对未淬火的钢，热影响层主要为淬火层；对淬火钢，热影响层主要为重新淬火层、高温回火区和低温回火区，其厚度较大。由于所采用的电参数、冷却条件、工件材料及原来的热处理状况不同，表面变质层的金相组织结构、性能和厚度等是不同的。单个脉冲能量及脉冲宽度越大，表面变质层就越厚；工作液的冷却速度越快，粘度越小，表面变质层也越厚。凝固层位于工件表面最上层，是工件表层材料在脉冲放电的瞬时高温572.4数控电火花加工的应用实例一、电机转子冲孔落料模的电火花加工工件材料：淬火40Cr，工件尺寸要求如图2-18a所示。凸凹模配合间隙：0.04～0.07mm。工具电极（即冲头）材料：淬火Crl2，尺寸要求如图2-18b所示。2.4数控电火花加工的应用实例一、电机转子冲孔落料模的电火58

图2-18冲孔落料模的电火花加工（a）工件示意图（b）工具电极（冲头）和定位心轴示意因

图2-18冲孔落料模的电火花加工591．工具电极在电火花加工前的工艺路线（1）准备定位心轴车：心轴φ6和φ12外圆，其外圆直径留0.2磨量，钻中心孔；磨：精磨φ6和φ12外圆。（2）车：粗车冲头外形，精车上段吊装内螺纹（参见图2-18b），φ6孔留磨量。（3）热处理：淬火处理。（4）磨：精磨φ6定位心轴孔。（5）线切割：以定位心轴φ12外圆面为定位基准，精加工冲头外形，达图纸要求。（6）钳：安装固定连接杆（连接杆用于与机床主轴头连接）。（7）化学腐蚀（酸洗）：配置腐蚀液，均匀腐蚀，单面腐蚀量0.14mm，腐蚀高度20mm。（8）钳：利用凸模上φ6孔安装固定定位心轴。2．工艺方法凸模打凹模的阶梯工具电极加工法，反打正用。3．使用设备SC400型数控电火花成形加工机床和P100D型数控脉冲电源柜。4．装夹、校正、固定（1）工具电极：以定位心轴作为基准，校正后予以固定。（2）工件：将工件自由放置在工作台上，将校正并固定后的电极定位心轴插入对应的φ12孔（注意不能受力），然后旋转工件，使预加工刃口孔对准冲头（电极），最后予以固定。5．加工规准如表2-2所示。1．工具电极在电火花加工前的工艺路线60《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件616．加工效果（1）配合间隙：0.06mm。（2）斜度：0.03mm（单面）。（3）加工表面粗糙度：1.0～1.25。6．加工效果62二、锥齿轮精锻模电火花加工1．工件名称锥齿轮精锻模。2．工件技术要求（1）工件材料：CrWMn。（2）工件形状尺寸：齿形渐开线；模数m=12；尺寸公差见图2-19。二、锥齿轮精锻模电火花加工63

图2-19锥齿轮锻模毛坯和电极（a）工件（b）电极

图2-19锥齿轮锻模毛坯和电极643）工件在电火花加工前的工艺路线：车模块外形和型腔预孔。模块底面留0.2mm磨量，型腔孔直径留0.5mm余量，锥度与齿底锥度一致→淬火处理→用平面磨床磨出模块底面。3．工具电极的技术要求。（1）材料：纯铜。（2）在电火花加工前的工艺路线：车：精车工具电极外形，锥度部分直径为齿顶直径尺寸→铣：铣斜齿，公差达图样要求→钳：修型抛光。4．工艺方法单电极直接成形法。5．装夹、校正、固定（1）工具电极用万能角度尺校正工具电极上的锥面，每相差90°校正一点，共四点，其锥度角对称。（2）工件将工件平放在工作台上，利用机床的撞刀保护（接触感知）功能，采用复位法找正、对刀，将工具电极坐入预加工锥孔，从而使工件和工具电极对正。6．加工规准锥齿轮精锻模型腔的加工规准如表2-3所示。3）工件在电火花加工前的工艺路线：65《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件66对锥齿轮精锻模加工用的工具电极（见图2-19b）的说明：相邻周节最大误差0.025mm；周节最大积累误差0.040mm。A面对不垂直度小于0.01mm。接触区沿齿长、齿高方向不小于80％，且靠小端将齿形角修至22°。7．加工效果（1）因采用单电极直接成形法，靠垂直进给方向对各锥面进行加工，所以可不采用平动工艺，避免了破坏渐开线齿形。（2）采用了低损耗工艺规准，尤其在采用中精加工低损耗规准以后，表面粗糙度Ra值达到4.5μm时，仍获得小于1％的相对损耗指标，为保证工件的加工精度奠定了基础。（3）仅用了0.07mm的进给深度精修，使工件型腔的表面粗糙度Ra值达到了2.5μm的指标。经电火花加工后，型腔部分无需进行任何钳工修型或抛光，可直接使用。对锥齿轮精锻模加工用的工具电极（见图2-19b）的说明：相邻67《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件68《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件69《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件705．工艺方法单电极平动法。6．使用设备SC400型数控电火花成形机床和P100D型数控脉冲电源柜。7．装夹、校正、固定（l）准备定位心轴：用45圆钢车长为40mm、直径定位心轴作为校正棒。（2）工具电极：以各叶片电极的侧壁为基准校正后予以固定。固定后将定位心轴校正棒装入固定板中心孔。（3）工件：将工件平置于工作台面。移动X、Y坐标，对准心轴校正棒与工件上对应孔，直到能自由插入为止。将工件夹紧后抽出定位心轴。8．加工规准加工规准如表2-4所示。刚开始时，由于实际加工面积很小，应减小峰值电流，以防电弧烧伤。5．工艺方法71《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件729．加工效果（1）因半精、精加工采用了低损耗规准，工具电极综合损耗约为1％～2％。（2）加工表面粗糙度值为1.5～2，无需修型抛光，可以直接使用。（3）加工后，槽孔壁有0.2mm的脱模斜度，符合设计要求。加工后，槽孔壁有0.2mm的脱模斜度，符合设计要求。9．加工效果73本章小结本章主要介绍了数控电火花加工的原理、特点、基本工艺规律及应用。电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。它可以加工各种高熔点、高硬度、高强度、高纯度、高韧性材料，常用于型孔或型腔的加工，是采用与工件型孔或型腔形状相似的电极作为工具对工件进行加工的，加工精度可达0.01~0.05mm，表面粗糙度可达Ra=2.5~12.5mm，精加工时可达Ra=3.2~0.8mm，微精加工时可达Ra=0.8~0.2mm。在进行数控电火花加工时，应注意其基本工艺规律，选择适当的加工规准，以保证加工所要求的尺寸精度和表面质量。同时，尽可能提高加工效率。本章小结74复习思考题1．简述数控电火花加工的原理。2．简述数控电火花加工的特点。3．数控电火花加工过程中工作液有何作用？4．数控电火花加工机床主要由哪些部分组成？各有何功用？5．影响数控电火花加工精度和加工表面质量的工艺因素有哪些？6．减少电极损耗可采取什么措施？7．数控电火花加工中电极常用结构有哪些？复习思考题75第2章数控电火花加工主编：丛文龙张祥兰第2章数控电火花加工主编：丛文龙张祥兰76学习目标与要求：1．了解数控电火花加工的原理、特点；2．熟悉数控电火花加工机床的组成及各部分功用；3．了解数控电火花加工基本工艺规律；4．掌握数控电火花加工的应用。电火花加工（ElectricalDischargeMachining，简记为EDM）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。电火花加工于1943年由苏联学者Б.Р.拉扎连科夫妇研究发明后，随着脉冲电源和控制系统的改进而迅速发展起来。目前这一工艺技术已广泛应用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料；用于加工模具等具有复杂表面和有特殊要求的零部件，在民用和国防工业中获得越来越多的应用。学习目标与要求：1．了解数控电火花加工的原理、特点；772.1电火花加工的原理、特点及应用范围一、电火花加工的原理电火花加工原理如图2-1所示。工件1和工具电极（简称为电极）4分别接脉冲电源2的两极，并均浸泡在工作液中，电极在自动进给调节装置的驱动下，与工件间保持一定的放电间隙。电极的表面（微观）是凹凸不平的，当脉冲电压加到两极上时，某一相对间隙最小处或绝缘强度最低处的工作液将最先被电离为负电子和正离子而被击穿，形成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工件和工具表面都蚀除掉一小部分金属。单个脉冲经过上述过程，完成了一次脉冲放电，而在工件表面留下一个带有凸边的小凹坑，如图2-2b所示。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具电极不断向工件进给，工件材料不断被蚀除，最后使工件整个被加工表面形成无数个小放电凹坑。这样，电极的轮廓形状便被复制到工件上，加工出所需要的零件。2.1电火花加工的原理、特点及应用范围一、电火花加工的原理78

图2-1电火花加工原理示意图1—工件2—脉冲电源3—自动进给调节装置4—工具电极5—工作液6—过滤器7—液压泵

图2-1电火花加工原理示意图79

图2-2放电间隙状况示意图(a)放电间隙状况(b)放电后的表面1—阳极2—阳极上抛出金属的区域3—熔化的金属微粒4—工作液5—凝固的金属微粒6—阴极上抛出金属的区域7—阴极8—气泡9—放电通道10—翻边凸起11--凹坑

图2-2放电间隙状况示意图1—阳极2—阳极上抛出金属的80电火花加工应具备以下条件：（1）工件与电极之间应保持一定的放电间隙。放电间隙不能过大或过小，间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，无法产生电火花；间隙过小，容易形成短路接触，同样不能产生电火花。为此，在电火花加工过程中必须具有电极自动进给和调节装置，使工件与电极之间保持一定放电间隙。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关，一般为0.01～0.1mm左右。（2）工件与电极之间应充满有一定绝缘性能的工作液，以利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还应能将电蚀产物从放电间隙中排除出去，并对电极和工件表面进行很好的冷却。（3）火花放电必须为瞬时的脉冲性放电，而不是持续电弧放电。这样才能使所产生的热量来不及传导扩散到其它部分，从而只在极小范围内使金属熔化、气化蚀除。否则，像持续电弧放电那样，会使工件表面烧伤而无法用作尺寸加工。电火花加工应具备以下条件：（1）工件与电极之间应保持一定的放81二、电火花加工的特点电火花加工具有如下特点：（1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等。（2）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工件的加工，如复杂型腔模具加工等。由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此，适宜于加工低刚度工件及作微细加工。（3）电极材料不必比工件材料硬。（4）可进行微细精加工。通常可用于0.01~1mm范围内的型孔加工。（5）可加工各种成形工具和量具。（6）直接利用电、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制。二、电火花加工的特点电火花加工具有如下特点：82三、电火花加工的应用范围由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，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，用以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。（1）高硬度零件加工。对于某些硬度较高的模具，或者是硬度特别高的滑块、顶块等零件，热处理后表面硬度高达50HRC以上，采用机械加工方式将很困难，而采用电火花加工则可以不受材料硬度的影响。（2）型腔尖角部位加工。如锻模、热固性和热塑性塑料模、压铸模、挤压模、橡皮模等各种模具的型腔常存在着一些尖角部位，在常规切削加工中由于存在刀具半径而无法加工到位，使用电火花加工可以完全成形。（3）模具上的筋加工。在压铸件或者塑料件上，常有各种窄长的加强筋或者散热片，这种筋在模具上表现为下凹的深而窄的槽，用机械加工的方法很难将其加工成形，而使用电火花可以很便利地进行加工。（4）深腔部位的加工。由于机械加工时，没有足够长度的刀具，或者刀具缺乏足够的刚性，不能加工具有足够精度的零件，此时可以用电火花进行加工。（5）小孔加工。对各种圆形小孔、异形孔的加工，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等，对于长深比非常大的深孔，很难采用钻孔方法加工，而采用电火花或者专用的高速小孔加工机可以完成各种深度的小孔加工。（6）表面处理。如刻制文字、花纹，对金属表面的渗碳和涂覆特殊材料的电火花强化等。另外通过合理选择加工参数，也可以直接用电火花加工出一定形状的表面蚀纹。电火花加工存在着加工效率低、有电极损耗、只能加工金属等导电材料等缺陷，这使电火花加工的应用受到了一定限制。为了提高电火花加工的生产率，通常安排工艺时多先采用切削加工来去除大部分余量，然后再进行电火花加工。三、电火花加工的应用范围由于电火花加工有其独特的优越性，再加83和普通电火花加工机床相比，数控电火花加工机床的加工精度、加工自动化程度、加工工艺的适应性、多样性大为提高，在生产中得到广泛应用。数控电火花成形加工机床主要由机床本体、脉冲电源和机床电气系统、自动进给调节系统、数控系统、工作液循环过滤系统及工具电极等部分组成。图2-3所示为SC400型数控电火花成形加工机床的外观，图2-4所示为数控电火花成形加工机床组成示意图。和普通电火花加工机床相比，数控电火花加工机床的加工精度、加工84图2-3SC400型数控电火花成形加工机床1－机床垫铁2－油箱3－底座4－滑枕5－数控电源柜6－主轴箱7－控制台8－工作液槽9－床身图2-3SC400型数控电火花成形加工机床85

图2-4数控电火花成形加工机床的组成

图2-4数控电火花成形加工机床的组成86一、机床本体及附件机床本体是指构成机床的机械实体，主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统等部分组成。附件包括用以实现工件和电极的装夹、固定和调整其相对位置的机械装置、电极自动交换装置（ATC或AEC）等。床身和立柱是机床的基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相对位置。其结构应合理，有较高刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性，还应能减小温度变化引起的变形。主轴头是数控电火花成形加工机床的关键部件，它由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成，电极即安装在其上，主轴头通过自动进给调节系统带动在立柱上作升降移动，改变电极和工件之间的间隙。工作台是用来支承和安装工件的，上面装有工作液槽，工作台可作纵向和横向进给运动，分别由直流或交流伺服电动机经滚珠丝杠驱动。运动轨迹是靠数控系统通过数控程序控制实现的。机床的附件主要有可调节工具电极角度的夹头和平动头。装夹在主轴头下的电极，在加工前需要调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需要在水平面内调节、转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工的工件型孔或型腔预定位置一致。平动头是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的，其运动半径通过调节可由零逐步扩大，以补偿粗、中、精加工的火花放电间隙之差，从而达到修整型腔的目的。其每一个质点运动轨迹的半径就称为平动量。与数控加工中心的自动换刀装置相似，电极自动交换装置具有在多电极加工时自动选择、交换电极的功能。一、机床本体及附件87二、脉冲电源脉冲电源是电火花成形加工机床的重要组成部分，其作用是将工频交流电转变成一定频率的定向脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。脉冲电源提供的脉冲电流波形如图2-5所示。放电延续时间称为脉冲宽度，应小于10，这样才能使金属在极小范围内微量蚀除。相邻脉冲之间的间隔时间称为脉冲间隔，它使放电介质有足够的时间恢复绝缘状态（称为消电离），以免引起持续电弧放电烧伤工件表面而无法用作尺寸加工。为脉冲周期，为脉冲峰值电压或空载电压。二、脉冲电源88

图2-5脉冲电源电压波形

图2-5脉冲电源电压波形89脉冲电源的性能直接影响电火花成形加工的生产效率、加工稳定性、电极损耗、加工精度和表面粗糙度，因此要求具备高效低损耗、大面积小粗糙度表面稳定加工的能力。目前常用的脉冲电源有张弛式、独立式及由独立式派生出的各种派生电源。脉冲电源的性能直接影响电火花成形加工的生产效率、加工稳定性、901．张弛式脉冲电源最简单最基本的张弛式脉冲电源是线路脉冲电源，如图2-6所示。它是利用电容器充电储存电能，而后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源。线路脉冲电源的工作原理是：当直流电源接通后，电流经限流电阻向电容充电，电容两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压时，间隙就被击穿，电阻变得很小，电容器上储存的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流。电容上的能量释放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又重复前述过程。如果间隙过大，则电容器上的电压按指数曲线上升到直流电源电压。1．张弛式脉冲电源最简单最基本的张弛式脉冲电源是线路脉冲电源91

图2-6线路脉冲电源1—工具电极2—工件

图2-6线路脉冲电源92

图2-7自振式晶体管脉冲电源

图2-7自振式晶体管脉冲电源932．独立式脉冲电源独立式脉冲电源的放电间隙和直流电源各自独立、互相隔离，能独立形成和发生脉冲，可大大减少电极间隙物理状态参数变化的影响。最常用的独立式脉冲电源为晶体管式脉冲电源，它是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。2．独立式脉冲电源943．派生脉冲电源近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源的基础上，派生出不少新型电源，如高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源、等脉冲电源、高频分组脉冲、梳形波脉冲电源以及自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源等。这些电源的出现提高了电火花加工的生产率及加工质量，拓展了电火花加工的应用领域。3．派生脉冲电源近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高95三、自动进给调节系统1．自动进给调节系统的功用及特点正常电火花加工时，工具电极和工件间有一放电间隙，见图2-8。过大，脉冲电压不能击穿间隙间的绝缘工作液，不会产生火花放电，必须使工具电极向下进给，直到间隙等于、小于某一值，才能击穿和火花放电。在正常的电火花加工时，工件以的速度不断被蚀除，间隙将逐渐扩大，必须使工具电极以速度补偿送给，以维持所需的放电间隙。如进给量大于工件的蚀除速度，则间隙将逐渐变小，当间隙过小时，必须减小进给速度。如果工具工件间发生短路（＝0），则必须使工具以较大的速度反向快速回退，消除短路状态。随后再重新向下进给，调节到所需的放电间隙。这是正常电火花加工所必须解决的问题。三、自动进给调节系统1．自动进给调节系统的功用及特点96图2-8放电间隙、蚀除速度和进给速度图2-8放电间隙、蚀除速度和进给速度972．自动进给调节系统的组成自动进给调节系统由测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行机构和调节对象等几个主要部分组成，图2-9是其基本组成部分方框图。2．自动进给调节系统的组成98

图2-9自动进给调节系统的组成

图2-9自动进给调节系统的组成99调节对象是指工具电极与工件之间的放电间隙，应控制在0.1～0.0lmm之间。测量环节通常采用测量与放电间隙成比例关系的电参数来间接反映放电间隙的大小。比较环节用来把从测量环节得来的信号和“给定值”的信号进行比较，再按此差值来控制加工过程。大多数比较环节包含或合并在测量环节之中。由测量环节获得的信号，一般都很小，难以驱动执行元件，必须要有一个放大环节，通常称它为放大器。为了获得足够的驱动功率，放大器要有一定的放大倍数。目前常用的放大器主要是各类晶体管放大器件。执行机构常采用不同类型的伺服电动机，它是根据放大器提供的控制信号的大小及时地调节工具电极的进给速度，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正常进行。调节对象是指工具电极与工件之间的放电间隙，应控制在0.1～01003．自动进给调节系统的类型常用自动进给调节系统有电—液自动控制系统和电—机械式自动进给调节系统，数控电火花机床普遍采用电—机械式自动进给调节系统。电—机械式自动进给调节系统根据驱动电机的不同，可分为步进电动机、直流或交流伺服电机驱动的自动调节系统。其中直流或交流伺服电机自动进给调节系统，近年来在高档数控电火花成形加工机床上得到了广泛应用。3．自动进给调节系统的类型101四、数控系统1．电火花成形加工单轴数控系统它往往控制Z轴，Z向进给由自动进给调节系统完成。自动进给调节系统一方面始终保持电极和工件间的合理间隙，另一方面沿Z向控制主轴头（电极）相对工件作进给运动。在单轴数控系统中，常采用步进电机作为驱动元件，通过两路数字化信号（无信号为“0”，有信号为“1”）可实现步进电机的快慢和正反方向旋转控制。在交、直流伺服电机驱动的数控系统中常采用编码器、光栅等传感装置对控制对象（电动机主轴或装有电极的主轴和装有工件的工作台）进行转角、转速或位置的反馈，以实现运动的控制。其数控系统为开环系统，电路简单、成本低廉，但力矩和调速性能差，一般只用于中、小型电火花加工机床。2．电火花成形加工多轴数控系统它可以实现对机床的多个坐标轴的移动和转动的数字控制，可进行多轴联动控制，电极和工件之间的相对运动复杂，可以满足各种复杂型腔和型孔的加工。图2-10为采用X、Z、C多轴联动加工型孔。其中图a为横向X轴伺服进给水平加工圆孔；图b为横向X轴和垂直方向Z轴联动加工；图c为Z向伺服进给，C轴分度旋转，加工圆周均布的多个长方形孔。四、数控系统102

图2-10数控X、Z、C多轴联动加工

图2-10数控X、Z、C多轴联动加工103图2-11为电火花三轴数控摇动加工型腔。其中图a为摇动加工修光六角型孔侧壁和底面；图b为摇动加工修光半圆柱侧壁和底面；图c为摇动加工修光半圆球柱的侧壁和球头底面；图d为用圆柱形工具电极摇动展成加工出任意角的内圆锥面。图2-11中箭头线为电极进给和摇动加工轨迹。图2-11为电火花三轴数控摇动加工型腔。其中图a为摇动加工修104

图2-11电火花三轴数控摇动加工

图2-11电火花三轴数控摇动加工105五、工作液循环过滤系统工作液在电火花成形加工中的作用是在脉冲间隔火花放电结束后，迅速恢复间隙的绝缘状态，以便下一个脉冲电压再次形成火花放电；在强迫流动过程中，将电蚀产物从放电间隙中带出来，并对电极和工件表面起到冷却作用。电火花成形加工机床所用的工作液主要为油类。粗加工一般选择介电性能和粘度较大的机油，其燃点较高，在大能量加时着火的可能性较小；而在中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故选用粘度小、流动性和渗透性好的煤油作为工作液。有时，为避免起火，可采用煤油与机油混合作为工作液。近年来新开发的水基工作液可使粗加工效率大幅度提高。工作液循环过滤系统由工作液箱、液压泵、电机、过滤器、工作液分配器、阀门、油杯等组成，它的作用是强迫一定压力的工作液流经放电间隙将电蚀产物排出，并且对使用过的工作液进行过滤和净化。工作液循环过滤系统的工作方式有冲油式、抽油式两种，如图2-12所示。其中图a、b为冲油式，是把经过滤得到的清洁工作液经液压泵加压，强迫冲入电极与工件之间的放电间隙，将放电蚀除的电蚀产物随同工作液一起从放电间隙中排除，以达到稳定加工的目的。图c、d是抽油式，从待加工表面，将已使用过的工作液连同电蚀产物一起抽出。冲油式排屑效果好，但电蚀产物从已加工面流出时易造成二次放电（由于电蚀产物在侧面间隙中滞留引起的电极侧面和已加工面之间的放电现象），使型腔四壁形成斜度，影响加工精度。抽油式抽油压力略大于冲油式油压，排屑能力不如冲油式，但可获得较高的精度和较小的表面粗糙度。五、工作液循环过滤系统106

图2-12工作液循环方式（a）下冲油式（b）上冲油式（c）下抽油式（d）上抽油式

图2-12工作液循环方式107工作液过滤装置常用介质过滤器，其优点是材料来源广泛，可以就地取材；缺点是过滤能力有限，不适于大流量、粗加工，且每次更换介质要消耗大量煤油。如纸质过滤器的优点是过滤精度较高，阻力小，更换方便，本身的耗油量比木屑等少得多，特别适合中、大型电火花加工机床，用后经反冲或清洗仍可继续使用，故现已被大量应用。工作液过滤装置常用介质过滤器，其优点是材料来源广泛，可以就地108六、电极1．电极材料根据电火花加工原理，可以说任何导电材料都可以用来制作电极，但在生产中应选择损耗小，加工过程稳定，生产率高，工艺性能良好，来源丰富，价格低廉的材料作电极材料。电极的损耗受电极材料的热物理常数的综合影响。电极材料的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，加工时损耗越小；电极材料的热导率越大，能将瞬时热量传导散到其它部分，损耗越小。2．电极结构常用电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼式电极三种。整体式电极是用一块材料加工而成，如图2-13a所示，是最常用的结构形式；组合式电极是指在同一工件上有多个型孔或型腔时，在某些情况下可以把多个电极组合在一起，如图2-13b所示，一次可同时完成多型孔或型腔的加工；镶拼电极是指对形状复杂的电极整体加工有困难时，常将其分成几块，分别加工后再镶拼成整体，这样可节省材料，且便于制造。在加工过程中，电极的尖角、棱边等凸起部位的电场强度较强，易形成尖端放电，所以这些部位比平坦部位损耗要快。为提高其加工精度，在设计电极时可将其分解为主电极和副电极，先用主电极加工型腔或型孔的主要部分，再用副电极加工尖角、窄缝等部分。六、电极109

图2-13常用电极结构（a）整体式电极（b）组合式电极1—减重孔2—固定用螺孔3—固定板4—电极

图2-13常用电极结构1103．电极长度的确定电极的长度取决于被加工零件的结构形式、型孔或型腔的复杂程度、加工深度、电极使用次数、装夹形式及电极工艺等一系列因素。加工凹模型孔时电极长度L可按图2-14进行计算，即（2-1）式中——凹模的有效厚度（电火花加工的深度），mm；——当凹模下部挖空时，电极需要加长的长度，mm；——为夹持电极而增加的长度，约为10～20mm；——电极的使用次数；——与电极材料耗损、型孔复杂程度等因素有关的系数，一般选用经验数据：紫铜为2～2.5，黄铜为3～3.5，石墨为1.7～2，铸铁为2.5～3，钢为3～3.5。当电极材料耗损小、型孔简单、电极轮廓无尖角时，K取小值；反之取大值。3．电极长度的确定111

图2-14电极长度尺寸

图2-14电极长度尺寸112加工型腔时电极长度按图2-15进行计算，即（2-2）（2-3）式中——电极垂直方向的总高度，mm；——电极垂直方向的有效工作尺寸，mm；——考虑加工结束时，为避免电极固定板和模板相撞，同一电极能多次使用等因素而增加的高度，一般为5～20mm；——型腔垂直方向的尺寸（型腔深度），mm；——粗规准加工时电极端面相对磨损率，其值小于l％，只适用于未预加工的型腔；——中、精规准加工时电极端面相对耗损率，其值一般为20％～25％；——中、精规准加工时端面总进给量，一般为0.4～0.5mm；——最后一档精规准加工时端面的放电间隙，一般为0.02～0.03mm，可忽略不计。加工型腔时电极长度按图2-15进行计算，即113

图2-15电极垂直方向尺寸1—电极固定板2—电极3—工件

图2-15电极垂直方向尺寸1144．电极损耗电火花成形加工时，电极和工件一样会受到电腐蚀而损耗。所以，必须采取合理的措施，保证既提高加工效率，又减少电极损耗。常用的措施如下：（1）正确选择极性。一般说来，在短脉冲精加工时采用正极性加工，在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。（2）利用吸附效应。采用含碳氢化合物的工作液（如煤油）时，在放电过程中将分解形成带负电荷的碳胶粒。电场力使碳胶粒吸附在正极表面，在一定条件下可形成一定厚度的化学吸附层，称为炭黑膜。如采用负极性加工，炭黑膜会吸附在电极上，对电极有保护和补偿作用，可实现电极“低损耗”加工。此时，一般采用较大的脉冲宽度，合适的脉冲间隔，加工时要控制冲、抽油的压力。4．电极损耗1152.3数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径一、电蚀量及其影响因素电火花加工时，工具和工件同时受到不同程度的电蚀，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，亦即生产率；单位时间内工具的电蚀量称为损耗速度。电火花加工时的电蚀量主要受极性效应、电参数、金属材料热学常数、工作液等的影响。1．极性效应对电蚀量的影响在电火花加工过程中，无论是正极还是负极（工件或电极）都要受到不同程度的电腐蚀。即使工件和电极材料完全相同，也会因为所接电源的极性不同而有不同的蚀除速度，这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象称为极性效应。在生产中常把工件接脉冲电源的正极，称为正极性加工或正极性接法；反之，工件接脉冲电源的负极称为负极性加工或负极性接法。从提高生产率和减少工具损耗角度看，极性效应越显著越好。极性效应受脉宽、脉间、脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极对的材料等多种因素影响。用纯铜电极加工钢，当采用窄脉冲（如<10）精加工时，应采用正极性加工；当采用长脉冲（如>80）粗加工时，应采用负极性加工。实验证明，当采用脉宽为12、脉间为15，应采用正极性加工；当脉宽不变，逐步把脉间减少，就可采用负极性加工。当工具与工件的材料不同时，应选择不同的电极极性，如表2-1所示。2.3数控电火花加工的主要工艺指标及其提高途径116《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件117《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件1182．电参数对电蚀量的影响电参数是指脉冲电源提供给电火花成形加工的电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率和峰值电流等。研究结果表明，在电火花加工过程中，在一定范围内单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量成正比，某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和。故正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。用公式表达为2．电参数对电蚀量的影响119《数控特种加工技术(第二版)》教学资源第2章数控电火花加工课件1203．金属材料热学常数对电蚀量的影响金属材料的热学常数是指材料的熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、汽化热等。当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，电蚀量将越少，越难加工；另一方面，热导率越大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位，因而降低了本身的蚀除量。而且当单个脉冲能量一定时，峰值电流越小，即脉冲宽度越长，散失的热量也越多，从而减少电蚀量。相反，脉冲宽度越短，峰值电流越大，由于热量过于集中而来不及传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比例增加，多耗用不少汽化热，电蚀量也会降低。3．金属材料热学常数对电蚀量的影响1214．工作液对电蚀量的影响热加工工艺过程就是材料的相变和转移过程。提高单脉冲放电的相变量并及时将相变材料转移离开电极表面和加工区，就是提高加工速度。在电火花加工过程中，工作液是影响材料转移的主要因素，工作液帮助电蚀产物的抛出和排除，因而对电蚀量也有较大影响。介电性能好、密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，可提高电蚀量。4．工作液对电蚀量的影响122二、加工精度及其影响因素影响电火花加工精度的因素很多，主要有机床本身的制造精度、工件的装夹精度、电极的制造及装夹精度、电极损耗、放电间隙、加工斜度等因素。这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。1．放电间隙大小及其一致性电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙。如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可通过修正工具电极的尺寸对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。然而放电间隙的大小实际是变化的，影响加工精度。二、加工精度及其影响因素123除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响，尤其是对复杂形状的加工表面，棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。实际加工中，电极上的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角。这样，电极的尖角很难精确地复制在工件上。因此，为了减少加工误差，提高仿形精度，应采用较小的加工规准（脉冲电源提供的脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流等一组电参数），缩小放电间隙；另外，还必须使加工过程稳定。 除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响，尤其是1242．电极的损耗电火花加工时是将电极的形状和尺寸复制到工件上的，因此工具电极的损耗对工件尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时，电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗，型腔加工时则无法采用这一方法，精密型腔加工时可采用更换电极的方法。2．电极的损耗1253．二次放电二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的一种非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱边棱角变钝等方面，从而影响电火花加工的形状精度。产生加工斜度的情况如图2-16所示，由于电极下端部加工时间长，绝对损耗大；而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二次放电”几率大而扩大，因而产生了加工斜度。应从工艺上采取措施，及时排除电蚀产物，减少二次放电，使加工斜度减小。3．二次放电126

图2-16电火花加工时的加工斜度1—工件2—电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线3—电极无损耗时的工具轮廓线4—工具

图2-16电火花加工时的加工斜度127三、加工表面质量及其影响因素1.表面粗糙度影响电火花加工表面粗糙度的因素有脉冲能量、工件材料熔点、工具电极表面质量等。电火花加工的表面粗糙度与脉冲能量之间的关系可用以下经验公式表示三、加工表面质量及其影响因素128工件材料熔点对表面粗糙度的影响为：熔点高的材料，在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料好。当然，加工速度会相应下降。精加工时，工具电极的表面粗糙度直接影响工件的表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极加工的表面粗糙度较差。电火花加工后的表面，是由脉冲放电时所形成的大量凹坑和硬凸边排列重叠而形成的，有利于保存润滑油，与机械加工表面相比，在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。工件材料熔点对表面粗糙度的影响为：熔点高的材料，在相同能量下1292．表面变质层电火花加工过程中，由于受瞬