特种加工第六版白基成课后习题答案

特种加工(第六版)课后习题答案

第一章概论

一、课内习题及答案

1.从特种加工的发生和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是“物极必反”？有哪些

事例是“坏事有时变为好事”？

答：这种事例还是很多的。以“物极必反”来说，人们发明了螺旋桨式飞机，并不断加大

螺旋桨的转速和功率以提高飞机的飞行速度和飞行高度。但后来人们发现证实螺旋桨原理本

身限制了飞机很难达到音速和超音速，随着飞行高度愈高，空气愈稀薄，螺旋桨的效率愈来

愈低，更不可能在宇宙空间中飞行。于是人们采用爆竹升空的简单原理研制出喷气式发动机

取代了螺旋桨式飞行器，实现了洲际和太空飞行。由轮船发展成气垫船，也有类似规律。

以“坏事变好事”来说，火花放电会把接触器、继电器等电器开关的触点烧毛、损蚀，而

利用脉冲电源瞬时、局部的火花放电高温可用作难加工材料的尺寸加工。同样，铝饭盒盛放

咸菜日久会腐蚀穿孔，钢铁器皿、小刀等在潮湿的环境下会腐蚀。钢铁在风吹雨淋时遭受锈

蚀，海洋船舰的钢铁船体为了防止海水的腐蚀，得消耗巨资进行防锈、防蚀。人们研究清楚

钢铁电化学锈蚀的原理后，创造了选择性阳极溶解的电解加工方法。这些都是“坏事变好事”

的实例。

2.试列举几种采用特种加工工艺之后，对材料的可加工性和结构工艺性

产生重大影响的实例。

答：这类实例是很多的，例如：

(1)硬质合金历来被认为是可加工性较差的材料，因为普通刀具和砂轮无法对它进行切

削磨削加工，只有碳化硅和金刚石砂轮才能对硬质合金进行磨削。可是用电火花成形加工或

电火花线切割加工却可轻而易举地加工出各式内外圆、平面、小孔、深孔、窄槽等复杂表面，

其生产效率往往高于普通磨削加工的生产率。更有甚者，金刚石和聚晶金刚石是世界上最硬

的材料，过去把它作为刀具和拉丝模具等材料只有靠用金刚石砂轮或磨料”自己磨自己“，磨

削时金刚石工具损耗很大，正是硬碰硬两败俱伤，确实是可加工性极差。但特种加工中电火

花可成形加工聚晶金刚石刀具、工具，而激光加工则不但“削铁如泥”而且可"削金刚石如泥

在激光加工面前，金刚石的可加工性和钢铁差不多了。对过去传统概念上的可加工性，的确

需要重新评价。

(2)对结构工艺性，过去认为方孔、小孔、小深孔、深槽、窄缝以及细长杆、薄壁等低刚

度零件的结构工艺性很差，在结构设计时应尽量避免。对E字形的硅钢片硬质合金冲模，由

于90。内角很难磨削，因此常采用多块硬质合金拼镶结构的冲模。但采用电火花成形加工或

线切割数控加工，则很容易加工成整体硬质合金的E形硅钢片冲模，特种加工可使某些结

构工艺性由“差”变“好”。

3.工艺和特种加工工艺之间有何关系（应该说如何正确处理常规工艺和特

种加工之间的差别）？

答：一般而言，常规工艺是在切削、磨削、研磨等技术进步中形成和发展起来的行之有

效的实用工艺，而且今后也始终是主流工艺。但是随着难加工的新材料、复杂表面和有特殊

要求的零件愈来愈多，常规、传统工艺必然会有所不适应。所以可以认为特种加工工艺是常

规加工工艺的补充和发展。特种加工工艺可以在特定的条件下取代一部分常规加工工艺，但

不可能取代和排斥主流的常规加工工艺。

二、课外习题及答案

（-）是非题（"W表示正确，“x”表示错误）

1.加工是指利用电能、电化学能、化学能、光能、声能、热能为主，不用机械能或以

机械能为辅的去除材料的新颖加工方法。（4）

（-）填空题

1.电火花加工，粗加工时工件常接（负）极，精加工时工件常接（正）极；线切割加

工时，工件接（正）极；电解加工时，工件接（正）极；电解磨削时，工件接（正）极；电

铸加工时，工件接（负极）；电子束加工时，工件接（正极）；离子束加工时,工件接（负极）。

（三）名词解释

1.特种加工

答：是指利用电能、电化学能、化学能、光能、声能、热能为主，不用机械能或以机械

能为辅的去除材料的新颖加工方法。

（四）问答题

1.试述在去除材料的工艺范畴中特种加工工艺形式所能解决的主要问题，特种加工在

生产中常用的工艺形式和适用范围。

答：可以解决

①高硬度、高韧性、高强度、高脆性等难加工材料的加工问题。

②解决精密，微细、形状复杂零件的加工问题。

③薄壁、弹性等易变形零件的加工问题。

常用的工艺形式有：

①电火花加工。适用于加工任何导电材料及半导体材料，常用于各种模具、异形孔、盲

孔、窄缝的加工。

②电解加工。适用于任何导电材料的加工，可用来加工各种深孔、花键孔、叶片、异形

零件及模具等，生产率较高，加工表面粗糙度几=0.8〜0.2同3

③化学加工。适用于对难加工的具有化学活泼性的材料进行表面蚀刻，可用来制造印制

电路板、薄板零件，蚀刻图案、花纹等。

④激光加工。可加工任何材料，主要用于加工各种金属、非金属材料上的微细孔、对布

匹、纸张、木材等进行切割及热处理。

⑤超声加工。主要适用于各种不导电硬脆材料的加工，如玻璃、石英、陶瓷、宝石、金

刚石及各种半导体材料，也可加工硬脆的金属材料。

⑥电铸、涂镀加工。快速拷贝到制造模具、修复表面磨损的零部件。

⑦此外还有电子束加工和离子束加工等。

第二章电火花加工

一、课内习题及答案

1.两金属在（1）在真空中火花放电；（2）在空气中；（3）在纯水（蒸储水或去离子水）

中；（4）在线切割乳化液中；（5）在煤油中火花放电时，在宏观和微观过程以及电蚀产物方

面有何相同和相异之处？

答：（1）两金属在真空中火花放电时，当电压（电位差）超过一定时即产生“击穿”，电

子由“一”极逸出飞向“+”极，由于真空中没有物质阻挡电子的运动，所以没有正离子形成，

没有发热的放电“通道”的概念，示波器、显像管中电子流的运动与此类似。基本上没有“电

蚀产物“成生。

（2）两金属在空气中放电的例子是电火花表面强化、涂覆。电焊、等离子切割、等离子

焊等，也是在空气中放电，利用电子流在空气中撞击气体原子形成放电通道，在通道中和工

件表面产生大量的热能用于强化、涂覆、切割和焊接。

（3）在纯水、蒸储水或去离子水中，两金属间电火花放电与在煤油中类似，只是水分子、

原子受电子、正离子撞击发热气化，最后分解为氧原子和氢原子（分子），而不像煤油中会

分解出碳原子（碳黑微粒）和氢气等。

（4）、（5）在乳化液中和煤油中放电过程，详见教材中有关章节，不再另行论述。

2.有没有可能或在什么情况下可以用工频交流电源作为电火花加工的脉冲直流电源？

在什么情况下可用直流电源作为电火花加工用的脉冲直流电源？（提示：轧辑电火花对磨、

齿轮电火花跑合时，不考虑电极相对磨损的情况下，可用工频交流电源；在电火花磨削、切

割下料等工具、工件间有高速相对运动时，可用直流电源代替脉冲电源，但为什么？）

答：如提示所述，在不需要“极性效应”、不需考虑电极损耗率等的情况下，可以直接用

220V的50Hz交流电作为脉冲电源进行轧辐电火花对磨和齿轮电火花跑合等。不过回路中

应串接限流电阻，限制放电电流不要过大。如需精规准对磨或跑合，则可在交流工频电源上

并联RC电路（R=：5007000C,C=0.h0.01NF），再接到两个工件上。

在用高速转动的金属轮或圆片作电火花磨削、电火花切断、下料时，如果可以不计电极

损耗率，则就可以用全波整流或整流后并联电解电容滤波的直流电源进行电火花磨削。由于

工具电极高速转动，所以一般不会产生稳定电弧烧伤工件。最好是经调压变压器降压到

5~100V再整流供磨削之用，一则可以调节电压或电流，二则和220V交流电源隔离，以保

障人身避免触电的危险。

3.电火花加工时的自动进给系统和车、钻、磨削时的自动进给系统，在原理上、本质上

有何不同？为什么会引起这种不同？

答：电火花加工时工具电极和工件间并不接触，火花放电时需通过自动调节系统保持一

定的放电间隙，而车、钻、磨削时是接触加工，靠切削力把多余的金属除去，因此进给系统

是刚性的、等速的，一般不需要自动调节。

4.电火花共挽同步回转加工和电火花磨削在原理上有何不同？工具电极和工件上的瞬

间放电点之间有无相对移动？加工内螺纹时为什么不会“乱扣”？用铜螺杆做工具电极，在内

孔中用平动法加工内螺纹，在原理上和共朝同步回转法有何异同？

答：不同之处在于电火花共轲同步回转加工时：

（1）工具电极和工件的转动方向相同；

（2）转速严格相等（或成倍角、比例关系）；

（3）工具和工件上瞬时放电点之间有很慢的相对移动。而电火花磨削时工具和工件可

以同向或反向转动；工具和工件的转速并不相同，磨削点之间有很大的相对移动。加工内螺

纹时，其所以不会“乱扣”，是因为加工中工具电极和工件的转向和转速相等，工具和工件圆

周表面上有着“各点对应”的关系，所以能把工具表面的螺纹形状复制到工件表面上去而不会

“乱扣”。

在内孔中用平动法加工内螺纹，本质上和共扼同步回转法相同，不同之处在于平动法加

工时工件不转动而代之以工具电极在平动头中作“公转”行星式运动，其内外圆上“各点对应”

的规则仍然存在。

5.电火花加工时，什么叫做间隙蚀除特性曲线？粗、中、精加工时，间隙蚀除特性曲线

有何不同？脉冲电源的空载电压不一样时（例如80V、100V,300V三种不同的空载电压），

间隙曲线有何不同？试定性、半定量地作图分析之。

答：间隙蚀除特性曲线是电火花放电间隙蚀除速度和放电间隙大小（间隙平均电压的大

小）之间的关系，此关系可以定量地用作图法画成间隙蚀除特性曲线。

粗、中、精加工时，由于脉宽、峰值电流等电规准不同，同样大小间隙的蚀除速度也就

不一样，总的来说，粗加工时蚀除速度较大，上凸的间隙蚀除特性曲线就高于中、精加工的

曲线。

当脉冲电源的空载电压不一样时，例如电压较高为300V时，其击穿间隙、平均放电间

隙都大于100V或80V的放电间隙，因此横坐标上的A点（电火花击穿间隙）将大于100V

或80V时的间隙。间隙特征曲线原点不动，整个曲线稍向右移。同理80V空载电压的间隙

特征曲线的A点将偏向左边。

6.在电火花加工机床上用910mm的纯铜杆加工910mm的铁杆，加工时两杆的中心线

偏距5mm,选用八=200|is,i=5.4A,各用正极性和负极性加工lOmin,试画出加工后两杆的

形状、尺寸，电极侧面间隙大小和表面粗糙度值（提示：利用电火花加工工艺参数曲线图表

来测算）。

答：加工示意图见图2-lao设先用正极性加工，加工后的图形见图b,负极损耗较大;

负极性加工后的图形见图c,正极工具损耗较小。具体数据请自行在图中标明，并与书中工

艺曲线图表进行对照比较。

a)b)c)

图2-1

7.电火花加工一个纪念章浅型腔花纹模具，设花纹模电极的面积为

10mmx20mm=200mm2,花纹的深度为0.8mm,要求加工出模具的深度为1mm,表面粗糙度

为兄=0.63pm,分粗、中、精三次加工，试选择每次的加工极性、电规准脉宽小峰值电流

3加工余量及加工时间，并列成一表（提示：用电火花加工工艺参数曲线图表来计算）。

答：可按书中电火花加工工艺曲线图表选择粗、中、精加工的规准。例如

极加工后表面

脉宽脉间峰值电流加工余量时间

性粗糙度

粗加工（可Ra约

负600pslOOps10A0.9mm

不加抬刀）311m30min

中加工（加Ra

负100ps50Hs4A0.08mm30min

抬刀）1.25|im

精加工（加Ra

正20Hs50ps2A0.02mm30min

抬刀）0.63|im

二、课外习题及答案

（-）是非题（"W表示正确，“x”表示错误）

1.电火花加工是非接触加工（指工具和工件不接触），所以加工后的工件表面无残余应

力。（X）

（-）填充题

I.电火花加工按工件和工具电极相对运动的关系可分为：电火花（穿孔和成形加工）,

（电火花线切割），（电火花磨削），（电火花同步回转共规加工），（电火花刻字、强化）等类

型。

2.电火花加工时靠火花放电产生（局部、瞬时的高温）将金属蚀除下来的。

3.电火花加工蚀除金属材料的微观物理过程可分为：（介质电离击穿）、（火花放电能量

转换）、（蚀除物抛出）和（间隙介质消电离恢复绝缘）四个阶段。

4.电火花加工中把（由于正负极接法不同而蚀除量不同）的现象叫极性效应。电火花

型腔加工的工艺方法有：（单电极加平动法）、（多次更换电极法）、（分解电极法）、（简单电

极数控创成法）等。

（三）选择题

1.一般来说，精密电火花加工时电极是：a、高损耗；b、低损耗；c、零损耗；d、负损

耗。（a）

2.用电火花加工冲模时，若加工间隙与配合间隙相同，可选用哪种工艺方法？a、直接

配合法；b、修配冲头法；c、修配电极法。（a）

（四）名词解释

1.极性效应（电火花加工中）

答：电火花加工中，把由于正负极接法不同而蚀除量不同的现象叫极性效应。

2.电极相对损耗。（电火花加工中）

答：指工具电极损耗速度”e与工件损耗速度”w之百分比。即火，e/DwXlOO%

（五）计算题

1.用黄铜和石墨两种电极加工钢，已知

电极对生产率电极绝对损耗率

黄铜加工钢0.936g/min0.225g/min

石墨加工钢220mm3/min1.47mm3/min

（钢的密度7.8g/cm3；铜8.4g/cm3；石墨2.0g/cm3）

试问哪个生产率高？哪个电极绝对损耗小？哪个相对损耗比。小？

解：相对损耗比g”JuwX100%

De---电极损耗速度（mnWmin）；

t）w----工件加工速度（mrrP/min）。

a、黄铜加工钢时的生产率：%=0.936g/min=0.936/7.8cm3/min

=0.12cm3/min=120mm3/min；

石墨加工钢时的生产率：i>w2=220mm3/min。

所以石墨加工钢时的生产率加2大于黄铜加工钢时的生产率Owlo

b、黄铜加工钢时的电极绝对损耗：t）ei=0.225g/min=0.225/8.4cm3/min=26.8mm3/min；

3

石墨加工钢时的电极绝对损耗：We2=1.47mm/min<t>ci»

所以石墨加工钢时的电极绝对损耗小。

c、黄铜加工钢时的电极相对损耗：6»|=DeI/OwIX100%=26.3/120X100%=22.3%；

石墨加工钢时的电极相对损耗：仇="2/"w2X100%=1.47/120x100%=0.67%o

所以石墨加工钢时的电极相对损耗小。

（六）问答题

1.试述电火花加工中蚀除工件材料（电腐蚀）的微观物理过程。

答：由以下四个阶段组成

①介质击穿工具电极和工件凸点处电场强度最大,此处工作液绝缘性最低而最先被击

穿，形成等离子放电通道。

②能量转换电流通过放电通道时释放能量形成火花放电，把电能转化为热能、磁能、

声能、光能等，其中大部分转化成热能，由于通道截面很小，电流密度很大（105~i（）6A/cm2）,

通道中心温度高达10000C以上，瞬时压力达几十兆帕，高温使两极放电点局部熔化或气化。

③蚀除产物的抛出材料气化时产生很大的热爆炸力，把熔化状态的材料抛出，抛离的

金属大部分在工作液中收缩成球状小颗粒。一小部分飞溅，镀覆在对面电极上。

④消电离一次脉冲放电结束后，工件留下带凸边的小凹穴、电场消失，通道中带电粒

子复合，恢复介质的绝缘强度，为第二个脉冲火花放电准备条件。如果介质来不及消电离，

易使脉冲放电转为电弧放电，加工就无法进行。

无数次脉冲放电蚀除金属，使工件达到加工要求。

2.电火花加工和机械加工相比有哪些优点和缺点。

答：优点：

①电火花加工是“以柔克刚”，用较软的电极材料（如纯铜、石墨）加工任何高硬度的导

电材料。而机械加工是“以硬克软”，用高硬度、高强度的材料（如高速钢、硬质合金）作刀

具加工相对较软的材料。因此很多难加工材料可用电火花加工方法加工。

②电火花加工过程中工具和工件是不接触的，不是靠机械作用力，而是靠电火花局部瞬

时产生的高温蚀除金属的,因此不会引起工件变形,可以加工易变形的薄壁零件及弹性零件,

可以加工微小孔及窄缝。

③加工能量易于控制和转换，易于实现自动化。

缺点：加工设备成本高、生产率低、工具损耗大。

3.电火花加工按工件和工具相对运动的关系可分为哪些类型？及各有何特点？

答：①电火花穿孔和型腔加工

运动：工具电极和工件间只有一个垂直伺服进给基本运动。

工具电极和工件有凹凸相反而形状相同的截面。

用途：加工各类模具，如冷冲、冷拔、锻压、铸造、塑料型腔模、粉末冶金模；加工曲

面零件、异型孔、盲孔、窄缝及取出断丝锥等。

②电火花线切割

运动：工具为轴向移动的线状电极，称电极丝。

电极丝相对工件在水平面内有伺服进给运动。

用途：切割冲模，切割空间直纹曲面的各种零件，如凸轮，样板等。

③电火花镖、磨，电火花共挽回转加工，齿轮电火花跑合。

运动：工具电极和工件有相对的旋转运动、径向进给运动及轴向补偿运动。

用途：加工在尺寸精度、圆度、表面粗糙度方面要求较高的孔、外圆、内外螺纹、齿轮、

静压轴承内腔等。

④电火花刻字

运动：工具电极在工件表面上一边振动，一边相对移动。

用途：在金属上刻字、打印记。

4.什么叫电火花加工中的极性效应？如何在生产中利用极性效应？

答：在电火花加工中，即使电极材料相同，但正、负电极上的蚀除速度仍是不同的，这

种把由于正、负极性接法不同而蚀除速度不同的现象叫极性效应。

在短脉宽的脉冲加工时，电子轰击是主要的，正极蚀除量大于负极；在长脉宽的脉冲加

工时离子轰击是主要的，负极蚀除量大。从提高生产率和减少工具损耗角度来看，极性效应

愈显著愈好。

一般在用短脉宽做精加工时，应将工件接正极，称正极性加工;在用长脉宽作粗加工时，

应将工件接负极，称负极性加工。

5.电火花加工中，工具电极相对损耗的含义是什么？如何降低工具电极相对损耗？

答:工具电极体积相对损耗用电极损耗速度如与工件损耗速度加之比的百分数来表示。

即：—xlOO%

也可用长度相对损耗优来表示,

式中ALe—电极损耗长度；

（LE-ALE）——电极穿入深度。

降低工具电极相对损耗的途径如下：

①正确选择电极的极性

短脉宽（右30四）精加工时，电极选正极性，工件接正极。

长脉宽（八＞302）精加工时，电极选负极性，工件接负极。

在用短脉宽做精加工时，虽然相对损耗大（20%~40%）但绝对损耗不大，在用长脉宽做

粗加工时相对损耗较小，通常可达1%以下。

②正确选择电极的材料

选用熔点高、沸点高而耐蚀的材料，如石墨、铝、铝等。

选用导热性好而耐蚀的材料，如纯铜、银等。

常用石墨和纯铜做电极材料。

③利用加工过程中电极表面形成的碳镀覆层来补偿和保护电极和减少电极损耗，电极表

面如能形成0.01mm厚的黑膜，则电极损耗可降低到1%以下。不过黑膜通常只能在阳极上

（正电位时）形成。

6.工件经过电火花加工后表面物理力学性能有何变化？影响加工表面质量的主要因素

有哪些？

答：电火花加工后的工件表面将产生包含熔化层和热影响层两部分在内的表面变质层。

熔化层经过快速冷却后，层中的金属晶粒非常细小，有很强的抗化学腐蚀能力，有较高的硬

度，耐磨性比机械加工的好，在金相试片上虽经酸腐蚀，但显微镜下观察时仍呈白亮色，故

又称之为白层。热影响层位于融化层和工件基体之间，对未淬火钢，热影响层就是淬火层；

对淬火钢，热影响层是重新淬火层、高温回火层和低温回火层。

由于电火花加工后工件表面经历了从高温熔化到急剧冷却的过程，所以会形成残余拉应

力并经常有微细裂纹产生，因而疲劳强度有所下降。

当脉冲能量增加，熔化层和热影响层的厚度也增加，而表面粗糙度将变差。

7.影响电火花加工精度的因素有哪些？

答：除了工件的安装、定位误差和机床的运动误差会影响加工精度外，影响电火花加工

精度的因素还有：

①工具电极的形状和尺寸误差直接影响工件的加工精度。

②放电间隙的影响。放电间隙的大小和加工时所选的电规准（电压、峰值电流、脉冲宽

度、工作液的绝缘强度等）有关系，同时由于蚀除产物引起的二次放电现象也使入口间隙大

于出口间隙。

③加工过程中电极损耗会直接影响到加工精度。

8.试述电火花加工用脉冲电源的主要类型及优缺点

答：①驰张式脉冲电源包括RC、RLC、RLCL等脉冲电源，结构简单，使用和维修方

便，用于小功率，精加工时。加工表面粗糙度值较小。

但脉冲参数受间隙物理状态影响不稳定（又称非独立式脉冲电源）电能利用率低，电极

损耗大，加工速度低，目前只用于小功率精微光整加工中。

②电子管及闸流管式脉冲电源（为独立式脉冲电源）能满足中、精加工的要求，但

灯丝需预热、线路中有数千伏高压，不利于操作安全，现在很少应用。

③晶体管式脉冲电源（为独立式脉冲电源）脉冲参数调节范围宽，脉冲波形较好,

工具电极损耗较小，容易实现自动化要求。但线路比较复杂，一般用于型腔及穿孔加工，元

件寿命长，操作安全，简便。

④可控硅晶闸管式脉冲电源（为独立式脉冲电源）线路较简单。工具电极损耗小，

生产率较高，但频率不能做得很高，适用于大、中型模具，工件穿孔和成形。元件寿命长,

操作安全简便。

9.试述电火花加工时液体介质的作用以及常用的工作液种类

答：工作液的主要作用是：

①压缩放电通道，限制其扩散，使放电能亮高度集中在极小的区域内，以提高放电的能

量密度，提高蚀除效果。

②加速极间介质的冷却和消电离过程，防止电弧放电。

③工作液在电火花放电时的高温下分解出碳黑，对正电极表面产生覆盖效应，使电极损

耗减少并得到补偿和保护，但这种情况只能在负极性粗加工时出现.

④加剧放电时流体动力过程，以利金属的抛出。

⑤流动的工作液加速蚀除物的排除，以保持加工过程的稳定。

常用的工作液有：

①煤油粘度低、排屑容易，有足够的绝缘强度，广泛使用。

②机油、变压器油、锭子油粘度大，有利于压缩放电通道，提高蚀除效果，但排屑困

难，适用于大功率粗加工中。

③蒸储水、去离子水或乙醉水溶液排屑容易，常用于精密、小间隙加工中。

10.电火花加工必须采用自动调节伺服进给装置的原因何在？

答：用以跟踪、补偿工件上的蚀除量和工具电极的损耗量，保持工具电极和工件间恰当

的放电间隙。由于工件的蚀除速度和电极的损耗速度是随机的，不是常值。因此，电火花加

工中不能用等速的进给装置而必须采用调节伺服进给装置。

第三章电火花线切割加工

一、课内习题及答案

1.电火花线切割时，粗、中、精加工时的生产率的大小和脉冲电源的功率、输出电流的

大小有关。用什么办法来衡量、判断脉冲电源加工性能的好坏（绝对性能和相对性能）？

答：可用单位电流（每安培电流）的生产率来衡量，即可客观地判断脉冲电源加工性能

的好坏。例如某脉冲电源峰值电流25A时的切割速度为100mm2/min,另一电源峰值电流

27A时切割速度为106mm2/min,则前者的相对生产率为100/25=4mm2/min,优于后者

106/27=3.9mm2/min,又如某线切割脉冲电源3A时切割速度为100mm2/min,另一电源3.5A

时为124mm2/min,则前者相对切割速度为33.3mm2/A-min,低于后者35.5mm2/A-min。

2.电火花加工和线切割加工时，如何计算脉冲电源的电能的利用率？试估计一般线切

割方波脉冲电源的电能利用率？

答：设脉冲电源的空载电压为100V,加工时火花放电间隙的维持电压为25V,则消耗在

晶体管限流电阻上的电压为100—25=75V,由此可以算出电能利用率为：

有用能量:输入能量=25:100=1:4=25%

能量的消耗率为：

损耗能量:输入能量=75:100=3:4=75%

可见75%的能量损耗在限流电阻的发热上。

3.设计一个测量、绘制数控线切割加工的间隙蚀除特性曲线的方法（提示：使线切割等

速进给，由欠跟踪到过跟踪）。

答：这一习题有一定的难度，需对间隙蚀除特性曲线和线切割加工伺服进给系统有一定

深度的理解才行。间隙蚀除特性曲线是蚀除速度和放电间隙（间隙平均电压）的关系曲线（参

见第二章电火花加工的伺服进给）。线切割加工时，调节伺服进给量的大小，可以在一定程

度上改变平均放电间隙。例如把进给速度人为调慢，处于“欠进给”状态，则平均放电间隙偏

大，反之，进给速度过高，"过进给''时，则放电间隙偏小。测绘间隙蚀除特性曲线时，利用

“改变预置进给速度”来改变放电间隙的大小。实际上放电间隙的大小（绝对值）很难测量,

但可以用加工时的平均间隙电压大小来相对测量间隙值的大小。为此，要在工件和铝丝（导

电块）或直接在电源输出端并一个满刻度100V（用于测空载、偏空载时的开路间隙电压）、

20V（用于测偏短路时的间隙电压）的直流电压表。实际测绘时，先不用线切割机床的“自动

档'’（伺服）进给，而采用“人工档”（等速进给）进给功能。

最初用较慢的等速进给速度进行切割，此时处于“欠跟踪”的进给状态，待切割稳定后就

记下进给速度和此时的间隙平均电压，在坐标上作出曲线上的某一点。以后稍微调快进给速

度（仍为等速进给），同样测得第二、三…点的数据。当调节到进给速度约等于蚀除速度时，

此时即为最佳状态8点，放电间隙为最佳放电间隙SB,此时的切割速度为最大。当以更大

的进给速度（等速）切割时，由于没有伺服功能，进给速度大于可能的蚀除速度，放电间隙

逐步减小，最后即将形成短路，放电间隙为零。此时应尽快停止进给，并事先做好记录。

在曲线最高点B之右，用上述方法比较容易做出间隙蚀除特性曲线的右半部分。但B点

左边的曲线，因放电间隙逐步减小并趋于短路，易把铝丝顶弯，因此应多加小心。

4.一般线切割加工机床的进给调解特性曲线和电火花加工机床的进给特性曲线有何不

同？与有短路回退功能的线切割加工机床的进给调解特性曲线又有什么不同？

答：一般线切割机床的进给系统，往往没有短路回退功能，或短路后经一定时间例如30s

后仍不能自动消除短路状态，则回退256步（相当于0.256mm）,如仍不能消除短路，则自

动停止进给或同时报警，这与电火花成形加工机床遇短路即退回不一样。上述无短路回退功

能的线切割机床的进给调解特性曲线就不会有横坐标左下部分的曲线，亦即工具电极（铝丝）

的进给速度。d没有负值。

即使有短路回退功能的线切割机床，短路后的回退速度是固定的（不像电火花成形加工

机床那样短路后将以较高的速度vd0回退），所以进给调节曲线特征曲线的左下部为窄小矩

形，即放电间隙较小时，进给速度0,一旦完全短路后，铝丝才低速（恒速）回退。

5.设计一个测量、绘制数控线切割加工机床的进给调解特性曲线的方法（提示：在线切

割机床上作空载模拟试验。用可调的直流电源模拟火花间隙的平均电压）。

答：这一习题也有一定难度，需对线切割机床的变频进给系统有一定的了解。线切割机

床的进给速度始是由火花放电间隙的平均电压来决定的。如越大，久亦大，"e小，d也小，

Me=0,Dd=0或等速回退。为此可以用"模拟法''来测绘线切割加工机床的进给调解特性曲线。

具体的方法是：使线切割机床处于加工状态，可不开丝筒、不开高频电源，但应使工作

台处于“人工”等速进给状态。此时工作台进给的“取样电压”，并不是来自火花放电间隙的平

均电压网（%再经电阻分压成10〜12V的电压，经“变频调节”电位器送至“压一频”（U-f）转换

器，将此低电压u转换成进给脉冲，频率为了,令工作台进给），而是由+12V的外加电压，

经“变频调节''电位器调压输入至“压一频”（u-f）转换器。低电压0V相当于间隙短路，最高

10〜12V相当于间隙开路状态。可以将此电压由低向高调节，例如0V、2V、4V、6V、8V、

10V…直至12V,模拟不同的记录下每种不同电压时的工作台进给速度（可以从控制器

面板数显表上测得），然后即可绘制出进给调节特性曲线。

6.今拟用数控线切割加工有8个齿的爪牙离合器，试画出其工艺示意图并编制出相应

的线切割3B程序。

答：由于爪牙离合器工件是圆筒形的，端面上需切割出8个爪牙方齿，故切割时必须有

一个数控回转工作台附件。办法为先在圆套筒上钻一个01~2mm的穿丝孔，装夹好工

件后，调整到穿丝孔为最高点时穿丝，回转台转动切除爪牙的端面，见示意图。

数控回转台

爪牙侧面

切割的程序（一次切出凸、凹两个爪牙离合器）为:

1）BBBJ=穿丝孔距离GxU（x向移动）

2）BBBJ=l/2齿宽GyL»（y向转动）

3）BBBJ=齿深GxL3（x向移动）

4）BBBJ=齿宽GyL（y向转动）

5）BBBJh齿深GxLi（x向移动）

6）BBBJ=齿宽GyU（y向转动）

7）.......

二、课外习题及答案

（-）计算题

1.试确定加工如下图所示工件的工艺过

程，以及各工序所用的大致工艺规准。设材料9

为40Cr,硬度55HRC。*

技术要求：

1）顶底面的平行度0.01mm；

2）内外柱面同轴度0.02mm；

3）内外柱面对底面的垂直度

0.02mm。

解：工艺过程

1）在工件中心钳工钻穿丝孔05~6mm；

2）淬火、回火；

3）磨上下两平面到尺寸（19±0.02）mm；

4）研磨穿丝孔，便于找正中心；

5）装夹，找中心，线切割

9（10±0.02）mm,尺。8叩1孔，电压

70V,脉宽朽5gs；

6）线切割外形，保证9（30±0.02）mm、

R（5、40±0.02）mm及凡1.6pm和同心度

0.02mm＞垂直度0.02mm要求，电压80V,脉宽八=202

2.试按我国数控机床3B格式编出中心轨迹为下示图形的程序。

解：设自4点切入，按A、8、C...切割，按勾股弦定理，4点坐标的绝对值

为:x=0.5mm=5000pm,y=\152-0.52=4.975mm=4975|im。由止匕编程得3B程序为:

。BBB4975GyL2；QBBB4975GyL3；

3B4975B500B1000GySR3；4BBB4975GxL2；

5BBB4975GyL2；6B500B4975B1000GxSR2；

7BBB4975GyL4；8BBB4975GyLl；

9B4975B500B1000GySRl；WBBB4975GyL3；

HBBB4975GyL4；L2B500B4975B1000GxSR4；

第四章电化学加工

一、课内习题及答案

1.从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为“纳米级加工”或“原子级加工”

技术？原则上要采用哪些措施才能实现？

答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之

在电解液中“阳极溶解'’而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层“切削”去除。因此，

电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从

技术上讲还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极

沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。但是由于它们的影

响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。

2.为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？

答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称

为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由

正离子状态还原成为原来的中性原子状态。例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不

高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu2+正离子氧化而溶解入CuCl2溶

液，而溶液中的Cu2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。

3.原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何

区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？

答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，

而其负极，则为较活泼的金属。例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金

属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的

碳原子或杂质。两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电

位差，电位较正的称为“正极”，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子

流）。电解加工时人为地外部加以电源，接电源正极称阳极，接电源负极的称阴极，阳极表

面流出电流（流入电子流），阴极表面流入电流（流出电子流），两者的方向仍一致，见图4-

1。

4.举例说明电极电位理论在电解加工中有什么具体应用？

答：电极电位理论在研究、分析电解加工中有很重要的作用，具体应用在：

1）分析电极上电化学反应的产物在电解加工时，在阴阳两极都有电化学反应，可能

参与反应的有电极金属材料、电解液中的有效成分以及水的电离产物H+、OHo但真正能

在电极上完成电化学反应的是什么？则需要应用电极电位理论加以分析判断。即:在阳极上,

只有电极电位最"一''的离子才能参与反应。

2）估计某种金属材料电解加工的质量和可加工性每一种金属材料都是由不同元素所

组成（真正由单一元素组成的材料极少），而在电解加工时，人们希望阳极金属的电解过程

是均匀的。只有这样，加工表面的粗糙度值才会比较好，加工过程才能平稳。如果阳极金属

材料的组成元素其电极电位相差很大，则在电解加工中会由于一些元素的电极电位较

而不能及时溶解，使加工表面形成一些凸出点，造成加工表面粗糙度值增大。更为严重的是

这种凸出的质点会造成加工过程的短路、烧损电极，甚至使加工无法进行。例如铸铁和高碳

钢中有C及Fe3c存在，它们的电极电位高达+0.37V,而Fe/Fe?+的电极电位仅为-0.59V,

因此C及Fe3c在电解加工中几乎无法被阳极溶解而最终形成凸出质点，从而造成铸铁、高

碳钢甚至渗碳钢的电解加工可加工性很差。

5.阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点？举例说明。

答：电极钝化现象的存在，使电解加工中阳极溶解速度下降甚至停顿。从生产率的角度

出发人们不希望选用能产生钝化现象的钝化型电解液。

但是，当采用NaCl等非钝化型电解液工作时，虽然生产率很高，但因为杂散腐蚀严重，

成形精度较差，严重影响了电解加工的应用。而当采用钝化型电解液加工时，尽管电极工具

的非工作面没有绝缘，但当加工间隙达到一定尺寸后，对应的工件表面就会产生钝化膜，可

以避免产生杂散腐蚀，提高加工精度，促进电解加工的推广应用。

电解磨削、电解研磨等加工方法也是利用了阳极钝化现象的存在而开发出来的。它们利

用了钝化膜对金属表面的保护作用，采用机械去除钝化膜的方法，使金属微观表面凸点的钝

化膜被刮除，并迅速电解，而低凹处的钝化膜起保护作用，使局部不被电解，最终使金属表

面的整平作用加快，可实现精加工。

6.在厚度为64mm的低碳钢钢板上用电解加工方法加工通孔，已知阴极直径924mm,

端面平衡间隙4=0.2mm。

求：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的通孔在钢板上表面及下表面其孔径各是多少？

（2）当阴极工具侧面绝缘,且阴极侧面工作圈高度b=lmm时，所加工出的孔径是多少？

£>=d+24="24)mm»25.33mm

7.电解加工（如套料、成形加工等）的自动进给系统和电火花加工的自动进给系统有何

异同？为什么会形成这些不同？

答：一般电解加工自动进给系统主要是控制均匀等速的进给速度，它的大小是事先设定

的。进给速度的大小与端面平衡间隙有直接关系（双曲线关系），而端面平衡间隙又直接影

响到阴极形状（成形加工时）。在正常电解加工时，主要依照电流的大小来进行控制，但在

电极开始进入或即将退出工件时，由于加工面积的变化，则不能按照电流的大小进行控制。

电火花加工的自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙（放电状态）的稳定，

它是按照电极间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线来工作的，它的进给速度不是均匀等速的。

之所以形成这种不同的进给特性，主要是电解加工中存在平衡间隙，进给速度大，平衡

间隙变小。在进给方向、端面上不易短路；而电火花加工中不存在平衡间隙，进给速度稍大

于蚀除速度，极易引起短路，所以必须调节进给速度以保证放电间隙。

8.电解加工时，何谓电流效率？它与电能利用率有何不同？如果用12V的直流电源（如

汽车蓄电池）作电解加工，电路中串联一个滑杆电阻来调节电解加工时的电压和电流（例如调

到两极间隙电压为8V）,问：这样是否会降低电解加工时的电流效率？为什么？

答：电解加工时的电流效率是指按照法拉第电解定律所计算出的理论金属蚀除量与实际

金属蚀除量之比。由于在电解加工阳极溶解的同时，还会出现如析氧等副反应，因此电解加

工时电流效率一般小于1。

电能利用率是指电源输入的总能量在电解加工中用了多少，在其它方面（如线路损耗）

又用了多少。如题所示，利用滑杆电阻可以调节电解加工时的输入电流、电压，而滑杆电阻

本身产生的热损耗与电解加工无关。滑杆电阻的热损耗愈大，电能利用率愈低。而经过滑杆

电阻调节电压、电流之后进行电解加工时，它的电流效率并没有变化，仍然是按照法拉第电

解定律计算，与其它因素无关。

9.电解加工时的电极间隙蚀除特性与电火花加工时的电极间隙蚀除特性有何不同？为

什么？

答：电解加工时，电极间隙蚀除特性曲线是一条双曲线，即。“』=C（常数）如图4-3a

所示；而电火花加工的蚀除特性曲线则是一条蚀除速度在起点和终点都为零的上凸二次曲

线,如图如3b所示。

电火花加工放电间隙As

a）b）

图4-3

电解加工时，只要电极不发生短路，电极间隙愈小，阳极工件的蚀除速度就愈高，生产

率就愈高；反之，当电极间隙变大时，蚀除速度将下降。

电火花加工时，当放电间隙为零时，蚀除速度也为零。其实，当放电间隙很小时，排屑

困难，短路率增加，蚀除速度将大大下降，甚至无法正常加工；而当放电间隙过大时，间隙

无法击穿，蚀除速度也为零（相当于非线性电解液中电解加工时有一“切断间隙”）。

10.如何用电极间隙的理论进行电解加工阴极工具的设计？

答：电解加工时的蚀除速度应遵循双曲线规律，即q/=C。对平板电极而言，当电极

进给速度与阳极蚀除速度相等时，电极间隙相对平衡不变，称为端面平衡间隙。对于曲面电

极各法线方向的平衡间隙等于：

4二二

cos。

式中4——法向平衡间隙；

Jb——端面平衡间隙；

0——法线方向与进给方向的夹角。

由此，在已知端面平衡间隙/b的情况下，可以利用作图法（称为cos。法）设计电极。

图4-4

步骤如下：

已知工件形状及端面平衡间隙4

1）在工件轮廓线上取Ai、4…点；

2）过4、4…作法线及与进给方向相平行的直线；

3）在与进给方向相平行的线上取4Ci=A2C2=3=/b；

4）过Ci,C2,…作垂线，与各点法线的交点为B”B2,...；

5）连接S，员，…即为阴极工具轮廓。

二、课外习题及答案

（-）是非题（“4”表示正确，“x”表示错误）

1.电化学反应时，金属的电极电位越负，越易失去电子变成正离子溶解到溶液中去。

3）

2.氯化钠电解液在使用中，氯化钠成分不会消耗，不必经常添加补充。（Y）

3.法拉第电解定律认为电解加工时电极上溶解或析出的物质的量与通过的电量成正比,

它也适用于电镀。（4）

4.用线性电解液进行电解加工，可获得较高的加工精度。（x）

5.电解加工时，串联在回路中的降压限流电阻使电能变成热能而降低电解加工的电流

效率。（x）

（-）填充题

1.工件为铁，工具为铜，在NaCl电解液中进行电解加工时，阳极生成（Fe（OH）2），

阴极生成H2，但电解液内最终生成物是（Fe（OH）3）。

2.电解加工采用（低）电压、（大）电流的（直）流电源、常用的有（直流发电机组）、

（硅整流电源）和（晶闸管电源）。

3.电解加工必须有足够的流速，约在（10）m/s以上，为的是（把氢、氢氧化物等电解

产物冲走，并把加工区产生的热量带走）。

4.将普通磨床改装为电解磨床，主要改装工作有：（将普通砂轮改用导电砂轮）、（增加

电刷导电装置）、（使砂轮轴与机床绝缘）、（使工件、夹具体与机床绝缘）以及（增加防护罩、

排风和电解液锈蚀、过滤装置）等。

（三）选择题

1.用铜电极电解加工钢，在阴极主要生成：a.H2;b.O2；c.Cl2；d.Na。而电

解液中最后生成物是：a.FeCL;b.NaCl；c.Fe（OH）2;d.Fe（OH）3。（a；d）

2.需加工一批叶片型面，精度为0.1mm,表面粗糙度RaV0.4pm,应选用：a.电火花成

形加工；b.三维线切割加工；c.电解加工；d.化学加工。（c）

3.有.一批内孔利5+0.01mm,长50mm的合金钢套，需去除磨削内孔后表面变质层和

改善表面粗糙度，应采用：a.电解磨削；b.超声研磨；c.挤压研磨：d.电解抛光；

e.化学抛光。（c）

4.一批不锈钢内齿轮，需去除插齿时留在端面上的毛刺，应选用：a.电解去毛刺；

b.磨削喷射去毛刺；c.挤压玲磨去毛刺；d.液力加工去毛刺。（a）

（四）名词解释

1.切断电流密度。

答：在电解加工中，当电流密度小于ia时，电流效率〃=0即加工速度为零，则册称切断

电流密度。

2.电解加工中复制精度

答：为加工后工件尺寸形状与阴极尺寸形状之偏差。

3.电解加工中重复精度

答：用同一工具阴极加工的一批工件间尺寸形状的偏差。

4.电解加工的平衡间隙

答：当电解加工一定时间后，工件的溶解速度也和阴极的进给速度“相等，加工过程达

到动态平衡，此时的加工间隙为平衡间隙康。

5.混气电解加工

答：在气液混合器中将一定压力的气体混合成含无数小气泡的电解液再进入间隙进行加

工的方法，可改善电解液性能，提高复制精度。

6.线性电解液

答：例如NaCl电解液，其电流效率为接近100%的常数，加工速度也与电流密度i曲线

为通过原点的直线⑼=〃3），生产率高，但存在杂散腐蚀，加工精度差。

7.非线性电解液

VL

答：例NaCICh、NaN03电解液，其电解效率〃不

是常数，丸-i曲线为不同过原点的曲线。当电流密度小于

切断电流密度。时，加工速度为零，加工精度高，没有杂

散腐蚀，加工生产率低。

8.复合加工

答：把两种特种加工方法复合在一起，或者把一种或两种特种加工方法与常规机械加工

方法复合在一起，从而使之成为相辅相成,相得益彰的加工工艺，例电解电火花加工(ECDM)、

电解电火花机械磨削(ECDMG)等。

(五)计算题

1.用NaCl电解液加工低合金钢(体积电化当量(o=2.22mm3/A-min),当电流为900A

时，加工4min,求工件去除体积V是多少？

解：根据法拉第定律

V=t]toh

钢的体积电化当量<o=2.22mm3/A-min

电流/=900A加工时间r=4min

NaCl电解液的电流效率〃=1

工件去除的体积V=1x2.22x900x4mm3=7992mm3

2.用NaCl电解液加工低合金钢(体积电化当量(u=2.22mm3/A-min),当电流为900A

时，若工件面积S=200mm2,求阴极的进给速度？

解：加工电流密度z=//5=900/500A/mm3=l.8A/mm3

阴极进给速度t)=tia>i

NaCl电解液的电流效率〃=1；a>=2.22mm3/A-min；

阴极进给速度01.-1x2.22x1.8mm/min=4mm/min

3.用10%NaCl电解液加工高温合金。已知外电压E=12V,

阴极压降5E=2V,阴极进给速度以=0.3mm/min,电导率

上0.1501/C・cm,电化当量to=1.5mnP/A-min。求：A点的平衡间隙

及8点的法向平衡间隙。

解：〃=100%；co=1.5mm3/A-min；

AT=0.1501/C・cm=0.01501/Q«mm

OR=£-<5K=(I2-2)V=10V

vc=0.3mm/min

<9=30°

A点的平衡间隙Ab=〃a)kUR/Dc=1x0.01501x1.5x10/0.8mm=0.281mm

B点的法向平衡间隙/m=/b/cos8=0.281/cos30°mm=0.325mm

4.用侧面绝缘的阴极电解法加工淬火钢上的型孔，阴极直径为840mm；工作刃圈

6=1.5mm；电解液NaCl溶液外加电压E=14V；阴g____2_____

极压降（5E=2V,钢的体积电化当量3=2.22

mmVAmin,电导率公0.2/C*cm；阴极进给速度以

=2mm/min,求端面平衡间隙4,及加工直径。。

解：已知：NaCl电解液电流效率〃=1；

（w=2.22mm3/A-min：Q0.2/C・cm；DR=E-C>E=14-

2=12V；Vc=2mm/min；6=1.5mm；阴极直径

d=w40mm。

端面平衡间隙

zJb=r）（DkUR/t）c=1x2.22x0.5x12/2mm=0.266mm

侧面间隙

mm=0.932mm

加工孔直径£>=J+24s=（40+2x0.93）mm=41,864mm

（六）问答题

1.电解加工的基本原理如何？

答：电解加工就是利用金属在电解液中

发生阳极溶解的原理将零件加工成形的。

加工时，工件接直流电源正极，称为阳

极，工具接直流电源的负极，称为阴极。二

极间电压为6〜21V,两极间保持一定间隙

（0.1〜1mm）,电解液以较高的流速（5〜60m/s）从两极之间的间隙中流过，使两极之间

形成导电通路，使工件表面金属不断产生电化学反应而溶解到电解液中。电解产物被电解液