3电火花加工教学课件

1、3.1 概述,电火花加工的定义 是在加工过程中，使工具和工件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。因放电过程中可以见到火花，故称之为电火花加工。日本、美国、英国称之为放电加工，前苏联也称为电蚀加工。 即：电火花加工放电加工电蚀加工 电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。,第三章 电火花加工,实现电火花加工的条件,（1）工具电极和工件之间要保持一定的放电间隙 这一间隙随着加工条件而定，通常只有几微米至几百微米。 如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。 如果间隙过

2、小，很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。 因此，在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置,“不接触加工”是电火花加工与普通切削加工的不同之处。正常电火花加工时工件和工具电极有一放电间隙，工件以Vw的速度不断被蚀出，间隙S将逐渐扩大，必须使电极工具以速度Vd补偿进给以维持所需的放电间隙； 如果进给量Vd大于工件的蚀出速度Vw，则间隙S将逐渐变小，此时电蚀产物难以及时排除，从而产生二次放电，使能量消耗在电蚀产物的重熔上，同样会使加工速度降低，加工面烧伤。 当间隙值等于零(S=0)时，则形成短路。虽然短路本身既不产生材料蚀出，也不损伤电极，但在短路处造成了一个热点，而在短路数次

3、后，自动调节系统使工具电极在回退消除短路时又很容易引发“拉弧”（指电压击穿空气时候的放电现象）。,为此，在电火花加工过程中，尤其在由粗中精转换加工规准之后，要维持一定的放电间隙，必须重新调节主轴进给量旋钮才能达到稳定进给的加工状态，即使在同一规准下，当加工面积或加工深度有了较大的变化时，也应重新调节进给旋钮，以防出现不稳定加工状态和短路现象。,拉弧现象在电火花加工中常常发生，一旦出现，它将直接影响到加工的稳定性，降低其加工速度和加工质量。 在实际加工中，为确保加工质量，防止拉弧，我们往往则采取： (1)在加工小面积工件时，由于它的局部电蚀产物浓度过高，放电后的余热未及时传播扩散，一般取较小的峰

4、值电流，其电流密度可维持在3-5A/cm2范围内。 (2)在加工较大面积工件时，尤其是在加工细长型腔，形状复杂的工件时，往往通过提高抬刀运动或增加冲液压力来防止和降低拉弧现象。（垃圾没排清，放电条件不良，形成拉弧） (3)为保证制件的加工工艺和加工精度，在粗加工时，脉冲宽度ti与脉冲间隔t0之比应在10:1-2:1范围内选取；精加工时脉冲宽度ti与脉冲间隔t0之比应取在1:1-1:10间，从而有利于提高排屑能力，防止二次放电和拉弧的产生。,（2）必须是瞬时脉冲放电 放电持续一段时间后，需要停歇一段时间，放电持续时间一般为10-710-3秒（0.00011s ）。这样才能使产生的热量来不及传导扩

5、散到其余部分，把每一次的放电蚀除点分别局限在很小的范围内；否则，像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。,该图为脉冲电源空载电压波形，图中 ti脉冲宽度 to脉冲间隔 tp脉冲周期 脉冲峰值电压 或者空载电压,实现电火花加工的条件,(3)火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 如：煤油、皂化液或者去离子水。 液体介质工作液必须具有的性能： 较高的绝缘性能（103107欧姆.厘米）以至于产生脉冲性的火花放电。 液体介质还能将电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排出，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。 对导电材料进行尺

6、寸加工时，两极间为液体介质；进行材料表面强化时，两极间为气体介质。,实现电火花加工的条件,（4）输送两极间的能量要足够大 即放电通道要有很大的电流强度（一般为1051016A/cm2）。这样放电时，产生大量的热，足以使任何导电材料局部熔化或气化。 （5）脉冲放电需要重复多次进行 并且每次脉冲放电在时间上和空间上是分散的，不重复的，即每次脉冲放电一般不在同一点进行，避免发生局部烧伤。 （6）脉冲放电后的电蚀产物能及时排运至放电间隙之外，使重复性脉冲放电顺利进行,实现电火花加工的条件,电火花加工的特点,1）电火花加工的优点 电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料； 由于加工中材料的去除是靠

7、放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能（如硬度、强度等）无关。这样可以突破传统的切削加工对刀具的限制，可以实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。 目前电极材料多采用纯铜（俗称紫铜）或石墨，因此电极容易加工。 可以加工特殊及其复杂形状的零件 由于加工中电极和工件不直接接触，没有机械加工宏观的切削力，因此适宜加工低刚度工件及其微细加工。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工件的加工，如复杂型腔模具加工等。数控技术的采用使得用简单的电

8、极加工复杂零件也成为可能。,脉冲放电持续的时间极短，产生的热传导局限在很小的范围内，材料被加工表面受热影响的范围小。 工具电极材料无须比工件材料硬；加工时无切削力； 加工时工具和电极不接触，由于两者的宏观作用力很小，工具电极不需比工件材料硬，因此工具电极制造容易。加工过程中没有显著的“切削力”。因而一切小孔、深孔、弯孔、窄缝和薄壁弹性件等，它们不会因工具或工件刚度太低而无法加工；各种复杂的型孔、型腔和立体曲面，都可以采用成型电极一次加工，不会因加工面积过大而引起切削变形。 直接使用电能加工，便于实现自动化；并可以减少机械加工工序，加工周期，劳动强度低，使用维护方便。 不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷

9、；,电火花加工的特点,脉冲参数可以任意调节。加工中不要更换工具电极，就可以在同一台机床上通过改变电规准(指脉冲宽度、电流、电压)连续进行粗、半精和精加工。精加工的尺寸精度可达0.01mm，表面粗糙度Ra0.8 m，微精加工的尺寸精度可达0.0020.004mm，表面粗糙度Ra0.10.05m。 电火花加工工艺指标，可归纳为生产率(指蚀除速度)，表面粗糙度和尺寸精度。影响这些的工艺因素，可归纳为电极对、电参数和工作液等。当电极对及工作液已确定后，电参数成为工艺指标的重要参数。一般随着脉冲宽度和电流幅值的增加，放电间隙、生产率和表面粗糙度值均增大，由于提高生产率和降低表面粗糙度值有矛盾，因此，在加

10、工时要根据工件的工艺要求进行综合考虑，以合理选择电参数。,电火花加工的特点,电火花加工的局限性, 主要用于加工金属等导电材料，但近年来研究表明，在具备一定条件下也可加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料 一般加工速度较慢 通常安排工艺时，多采用切削加工来去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求得较高的生产率，但是最近已有新的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其生产率可以不亚于切削加工。 存在电极损耗，这就影响了成型精度。 由于电极损耗多集中在尖角或底面，影响成型精度。但是近年来粗加工时，已经能将电极相对损耗比降至0.1以下，甚至更小。, 最小圆角半径有限制， 一般电火花加工

11、能得到的最小角部半径等于加工间隙（通常为0.020.3mm），若电极有损耗或采用平动、摇动加工则角部半径还要增大。 加工表面的光泽问题 加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除； 工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。 加工过程必须在工作液中进行。电火花加工时放电部位必须在工作液中，否则将引起异常放电。 线切割加工有厚度极限。,电火花加工的局限性,为保证电蚀加工顺利进行，必须注意下列几点：,1火花放电的时间必须极短，且是间歇性的、脉冲性的瞬时放电。一般每一脉冲延续时间应小于0.001s才能使热量来不及传导和扩散出去，从而局部地蚀掉金属，否则就会象电弧持续放电那样，只能起焊接和切

12、割作用，无法用于尺寸加工。 2电蚀加工中，不仅工件被蚀除，工具电极也被蚀除，但两极蚀除速度不同，这种现象称为“极效应”。为了减少工具电极的消耗和提高生产率，希望极效应越显著越好，即工件蚀除的速度要远远地超过工具电极蚀除的速度。为此电蚀加工的电源应选择直流脉冲电源。若采用交流脉冲电源时，由于工件与工具电极的极性不断改变，便总的极效应等于零。同时应正确选择极性，一般采用正极性(即工件接正极，工具电极接负极)。 3电蚀加工是在液体介质中进行的，常用的液体介质有煤油、10号机油、锭子油等，液体介质不仅将电蚀产物从间隙中排除，并应起绝缘、冷却和提高电蚀的能力。,电火花加工的用途,电火花加工主要用于: 加

13、工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件； 加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等； 加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等； 加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具; 刻字、打印铭牌和标记; 表面强化; 辅助用途：如去除折断在工件中的丝锥、钻头、修复磨损件、跑合齿轮啮合件。,电火花加工的应用范围 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，已解决难加工材料及其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

14、型模具和零件。,电火花加工工艺方法的分类,按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类： 利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工； 利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；,电火花加工工艺方法的分类, 利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔或成形磨削的电火花磨削； 用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工； 小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。,各类电火花加工方法的主要特点和用途：,各类电火花加工方法的主要特点和用途：,电火花加工装置原理图,脉冲发生器

15、1的两极分别接在工具电极2与工件3上，当两极在工作液4中靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电，在放电通道中瞬时产生大量的热、达到很高的温度（10000以上，使工件和工具表面局部材料熔化甚至气化而被蚀除下来，形成一个微小的凹坑多次放电的结果，就使工件表面形成许多非常小的凹坑。电极不断下降，工具电极的轮廓形状便复印到工件上，这样就完成了工件的加工。,3.2 电火花加工的原理,电火花加工原理,电火花加工机理 是基于工具和工件（正、负极）之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。,电火花加工表面局部放大图,图a表示单个脉冲放电后的电蚀坑；图b

16、表示多次放电后的电极表面。脉冲放电结束以后，经过一段间隔时间（脉冲间隔t0），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两个电极上，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，又电蚀一个小凹坑。这样随着相当高的频率，连续不断的重复放电，工具电极不断向工件进给，就使工具的形状复制到工件上，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。,每次火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使局部金属融化，甚至汽化，从而将金属蚀除下来

17、。这一过程大致分为以下四个连续的阶段：,一、极间介质的电离、击穿、形成放电通道； 二、介质的热分解、电极材料的熔化、气化热膨胀； 三、电极材料的抛出； 四、极间介质的消电离。,电火花加工过程,当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两电极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着两电极之间电压的升高或者极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两电极离得最近的突出点或尖端处电场强度一般为最大。 液体介质中的杂质（金属微粒、碳离子、胶体离子），还有一些自由电子，介质呈现一定的电导率；使极间电

18、场更不均匀，当某处的电场强度增加到105V/mm时，产生场致电子发射。在电场的作用下，电子高速向阳极运动并撞击工作液中的分子和中性原子，产生碰撞电离形成带正电的离子（正离子）和带负电的离子（主要是电子），导致带电离子雪崩式增多，使介质击穿而形成放电通道。 雪崩电离开始，到建立放电通道的过程非常迅速，一般为10-710-9s，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）。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达105106A/cm2。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般为2025V），电流则由0上升到某一峰值电流。,一、极间介质的电离、击穿、

19、形成放电通道,放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）和带负电的粒子（电子）以及中性粒子（原子和分子）组成的等离子体。带电粒子对高速运动相互碰撞，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一万摄氏度以上。由于受到放电时电流产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大的阻力。故放电开始阶段通道的截面很小，而通道内由高温热膨胀形成的初始压力可达到数十兆帕。高温高压的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体（以后发展成气泡）急速扩展、并产生一个强烈的冲击波向四周传递。在放电过程中，同时还伴随着

20、一系列的派生现象热效应、电磁效应、光效应、声效应及其频率范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等。,一、极间介质的电离、击穿、形成放电通道,二、介质的热分解、电极材料的熔化、气化热膨胀,极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极，电能变成动能，动能通过碰撞又转变成热能。于是在通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，分别达到很高的温度。通过高温 首先把工作液介质气化，进而热裂分解气化和游离碳等，正负极表面的高温除使工作液气化、热分解气化外，也使金属材料熔化，直至沸腾气化。这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬时体积猛增，迅速膨胀，就像火药，爆竹点燃后那样具有

21、爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以见到放电间隙间冒出很多小气泡，工作液迅速变黑，和听到轻微而清脆的爆炸声。 主要靠此热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出蚀除。,三、电极材料的抛出,正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高，工作液和金属汽化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作液中。加工中看到的桔红色火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。 通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩

22、张的“气泡”，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，就被排挤、抛出而进入工作液中。 材料的抛出是热膨胀力、电动力、流体动力等综合作用的结果，对这一复杂的抛出机理的认识还在不断深化中。 正极、负极受电子、正离子撞击的能量、热量不同；不同电极材料的熔点、气化点不同；脉冲宽度、脉冲电流大小不同，正、负极上被抛出材料的数量也不会相同。目前还无法定量计算。,四、极间介质的消电离,随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，标志着一次脉冲放电结束，但此后仍应有一段间隔时间，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

23、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。 为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般都应有足够的脉冲间隙时间，这一脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间（与脉冲能量有关），还要考虑电蚀产物排离出放电区域的难易程度（与脉冲爆炸力大小、放电间隔的大小、抬刀及加工面积有关）。,在电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散，那么产生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解，结碳，使加工无法进行，并烧坏电极。因此为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀

24、产物充分排除，恢复放电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。,四、极间介质的消电离,影响材料放电腐蚀的因素,电火花加工过程中，材料被放电腐蚀的规律是十分复杂的综合性问题。研究影响材料放电腐蚀的因素，对于应用电火花加工方法，提高电火花加工的生产率，降低工具电极的损耗是极为重要的。,1 极性效应 2 电参数对电蚀量的影响 3 金属材料热学常数对电蚀量的影响 4 工作液对电蚀量的影响 5 影响电蚀量的一些其它因素,1 极性效应,在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。即使是相同材料，正负极的电蚀量也是不同的。这种单纯由于正负极性的不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。 如果两

25、个电极材料不同，则极性效应更加复杂。在生产中，通常把工件接电源的正极（工具电极接负极）时，称为正极性加工；反之，工件接脉冲电源的负极（工具电极接正极）时，称为“负极性”加工，又称为“反极性”加工。 电火花加工时，相同材料两电极的被腐蚀量是不同的。其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。如果两电极材料不同，则极性效应更加明显。,2 电参数对电蚀量的影响,总的蚀除量 蚀除速度,式中：q在t时间内的总的蚀除量，g或mm3； v蚀除速度，g/min或mm2/min，亦即工件生产率或工具损耗速度； WM单个脉冲能量，J； f脉冲频率，Hz； 有效脉冲利用率，； t加工时间，s； K与电

26、极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺参数。,单个脉冲放电能量,WM单个脉冲能量，J； te单个脉冲放电时间，s； u(t)放电间隙中随时间而变化的电压，V； i(t)放电间隙中随时间而变化的电流，A；,2 电参数对电蚀量的影响,提高电蚀量和生产率的途径,1.提高脉冲频率； 2.增加单个脉冲能量； 3.增加平均放电电流（对矩形波脉冲即为峰值电流）； 4.增加脉冲宽度； 5.减小脉间； 6.提高有关的工艺参数。,但是脉间过短，又将产生电弧放电，而随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度值也随之增大，因此，在实际生产中要考虑到以上各个因素之间的相互影响关系和对其它工艺指标的影响。,3 金属材料热学常数

27、对电蚀量的影响,所谓热学常数是指熔点、沸点（气化点）、热导率、比热容、熔化热、气化热等。 （1）比热容 使局部金属材料温度升高直至达到熔点，而每克金属材料升高一度所需热量即为该金属材料的比热容。 使熔化的金属液体继续升温直至沸点，每克材料升温一度所需要的热量即为该熔融金属的比热容。 使金属蒸气继续加热成过热蒸气，每克升温一度所需要的热量即为该蒸气的比热容。 （2）熔化热 每熔化一克材料所需要的热量即为该金属的熔化热。 （3）气化热 使熔融金属气化，每气化一克材料所需要的热量称为该金属的气化热。 （4）其它 比如：熔点、沸点（气化点）、热导率等。,热学常数对电蚀量的影响,脉冲放电能量相同时，金属

28、的热学常数（金属的熔点、沸点、比热容、汽化热）愈高，电蚀量越少，越难加工； 热导率大，传热快，降低蚀除量； 脉冲电流峰值愈小，即脉冲宽度越长，散失的热量也越多，蚀除量减少； 由此可见，当脉冲能量一定时，都会各有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽。由于各种金属材料的热学常数不同，故获得最大电蚀量的最佳脉宽也不同；另外，获得最大电蚀量的最佳脉宽还与脉冲电流峰值有相互匹配的关系，它将随着脉冲电流的峰值的不同而变化。,4 工作液对电蚀量的影响,(1) 工作液的作用： 形成电火花击穿通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态； 对放电通道产生压缩作用； 帮助电蚀产物的抛出和排除； 对工具、工件的冷却作用；

29、对电蚀量有很大的影响。,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。但是粘度大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。,目前电火花成形加工主要采用的工作液是油类。 (1) 粗加工时采用机油 粗加工时的脉冲能量大、加工间隙也较大，爆炸排屑抛出能力强，往往选用介电性能、粘度大的，且机油的燃点较高，大能量加工时着火燃烧的可能性小； (2) 中、精加工时采用煤油 中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故一般均选用粘度小、流动性好的煤油作为工作液。 注：介电性能是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示.介电常数

30、又叫介质常数、介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数。,4 工作液对电蚀量的影响,5 覆盖效应,在油类介质中放电加工会分解出负极性的游离碳微粒，在合适的脉宽、脉间条件下将在放电的正极上覆盖碳微粒，叫覆盖效应。利用覆盖效应可以降低电极损耗。 注意：负极性加工才有利做覆盖效应。 覆盖效应的作用 对电极起到保护作用，改变了电极的蚀除量，合理利用有利于减少电极的损耗量（工具电极） 覆盖层一般是碳黑层（具有很高的耐电腐蚀性，对电极表面起保护作用）、金属微粒的粘结层 覆盖层在电火花加工过程中应该保持稳定，覆盖层的形成和破坏应该达到动态平衡,6. 影响电蚀量的一些其它因素,加工过程的稳定性。影响有

31、效脉冲的利用率。 电极材料电蚀产物的排除速度、抛出速度。采用强迫冲油、工具电极定时抬刀等措施。 电极材料。钢电极加工钢不易稳定；纯铜、黄铜加工钢时则比较稳定； 脉冲电源的波形及其前后沿陡度影响输入能量的集中或分散程度，对电蚀量也有很大的影响。 碳黑膜，会减少正极蚀除量,电火花加工中的基本工艺规律,1. 影响加工速度的主要因素 （1）加工速度的定义 在一定的规准下，单位时间内工件的电蚀量称为加工速度，亦即生产率。一般采用体积加工速度vw表示 加工速度Vw(毫米3分) 指单位时间内工件材料的体积加工量。有时为了实际测量方便，也有用质量加工速度Mw(克分)表示的。,vwV/t vw体积加工速度，mm

32、3/min V被加工掉的体积，mm3； t加工时间，min； 有时候为了方便测量，也采用质量加工速度vw（g/min）表示。, 对于电火花成形机来说加工速度是指在单位时间内，工件被蚀除的体积或重量。一般用体积表示。若在时间T内，工件被蚀除的体积为V，则加工速度Vw为： Vw=V/t（mm3/min） 对于电火花线切割机来说，加工速度是指在单位时间内，工件被切面积。即用mm2/min来表示。 在规定表面粗糙度（如Ra=2.5m），相对电极损耗（如1%）时的最大加工速度，是衡量电加工机床工艺性能的重要指标。 一般情况下，生产厂给出的是最大加工电流，在最佳加工状态下所能达到的最高加工速度。因此，在实

33、际加工时，由于被加工工件尺寸与形状的千变万化，加工条件，排屑条件等与理想状态相差甚远，即使在粗加工时，加工速度也往往大大低于机床的最大加工速度指标。,（2）提高加工速度的的方法 提高脉冲频率 靠缩小脉冲停歇时间，但是脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离，排除电蚀产物及其气泡来恢复其介电性能，导致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常进行。 增加单个脉冲能量 主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增加可以提高加工速度，但是同时又会使表面粗糙度变坏和降低加工速度，因此，一般只用于粗加工和半精加工的场合 设法提高工艺参数 途径很多：合理选择电极材料、电参数和工作液、改

34、善工作液的循环过滤方式等，从而提高有效脉冲利用率，达到提高工艺参数的目的来提高加工速度。另外，工件的加工面积、加工极性、排屑条件都将对加工速度有一定的影响。 同时还应考虑这些因素之间的相互制约关系和对其它工艺指标的影响。,电火花成型加工速度的选择：,粗加工时可达2001000 mm3/min，加工表面粗糙度Ra1020m； 半精加工时降到20100 mm3/min，Ra2.510m； 精加工时一般都在10 mm3/min以下， Ra0.322.5m。 由此可见随着表面粗糙度值的减小，加工速度显著下降。,影响工具电极相对损耗的主要因素,在生产实际中用来衡量工具电极是否耐损耗，不只是看工具损耗速度

35、，还要看同时能达到的加工速度。因此，采用相对损耗或称损耗比作为衡量工具电极耐损耗的指标，即 损耗速度VE(毫米3分) 指单位时间内电极材料的体积损耗量 相对(体积)损耗() 指电极损耗速度与工件加工速度之比 (VEVW)100 式中加工速度和损耗速度都用mm3/min为单位计算，则为体积相对损耗；如以g/min为单位计算，则为质量相对损耗。 按照的大小，通常称1的场合为低损耗；0.1的场合为超低损耗；而对于金属转移量大于电极损耗量而使电极尺寸反而增长的情况，称为负损耗。,为了降低工具电极的相对损耗，必须很好地利用电火花加工过程中的各种效应，这些效应主要包括：极性效应、吸附效应、传热效应等。这些

36、效应又是相互影响，综合作用的。,影响工具电极相对损耗的主要因素,（1）利用极性效应,电火花加工时，相同材料两电极的被腐蚀量是不同的。其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。 短脉冲精加工时采用正极性加工（即工件接电源正极）； 而在长脉冲粗加工时采用负极性加工。（P58 3.2.3.1的第二段）,试验条件： 工具电极为6mm的纯铜， 加工工件为钢， 工作液为煤油， 矩形波脉冲电源。 加工电流峰值为10A。,不同脉冲宽度和加工极性的关系试验：,关系试验表明： 负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随着脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽度大于120s后，电极相对损耗将小于1，可以实现低损耗加

37、工（相对损耗小于1的加工）。 如果采用正极性加工，不论采用那一挡脉冲宽度，电极的相对损耗都难低于10， 然而在脉宽小于15s的窄脉宽范围内，正极性加工的工具电极相对损耗比负极性加工小。,（2）利用吸附效应,在用煤油之类的碳氢化合物做工作液时，在放电过程中将发生热分解，产生大量的碳，还能和金属结合形成金属碳化物的微粒，即胶团。中性的胶团在电场力的作用下可能与其可动层（胶团的外层）脱离，而成为带电荷的碳胶粒。电火花加工中的碳胶粒一般带负电荷，因此，在电场作用下会向正极移动，并吸附在正极表面，如果电极表面瞬时温度在400左右，且能保持一定时间，即能形成一定强度和厚度的化学吸附碳层，通常称之为“碳黑膜

38、”，由于碳的熔点和气化点很高，可对电极起到一定的保护和补偿作用，从而实现“低损耗”加工。 碳黑膜只能在正极表面形成，因此，要利用碳黑膜的补偿作用来实现电极的低损耗，必须采用负极性加工。,影响吸附效应的因素,影响碳黑膜厚度的因素就是影响吸附效应的因素 脉冲宽度 当峰值电流和脉冲间隔一定时，碳黑膜厚度随脉冲宽度的增加而增厚，使吸附效应增强； 脉冲间隔 当脉冲宽度和峰值电流一定时，碳黑膜厚度随脉冲间隔的增加而减薄，使吸附效应减弱； 冲、抽油的影响 强迫冲抽油，有利于间隙内电蚀产物的排除，使加工稳定。但是强迫冲抽油使吸附、镀覆效应减弱，因而增加了电极的损耗，因此，在加工过程中采用冲抽油时，压力不要过大

39、。,（3）利用传热效应,影响电极表面放电点的瞬时温度的因素： 瞬时放电总热量（与放电能量成正比） 放电通道的截面积 电极材料的导热性能,在放电初期限制脉冲电流的增长率对降低电极损耗是有利的，使电流密度不致太高，也就使电极表面温度不致过高而遭受较大的损耗。脉冲电流增长率太高时，对在热冲击波作用下容易脆裂的工具电极（石墨）的损耗，影响尤为显著。 另外由于一般采用的工具电极的导热性能比工件好，如果采用较大的脉冲宽度和较小的脉冲电流进行加工，导热作用使电极表面温度较低，而减少损耗，工件表面温度仍比较高而遭到蚀除。,（4）工具电极材料的选用, 钨、钼线切割 钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但是机械加工性

40、能不好，价格昂贵，所以除线切割外很少采用。 铜中小型型腔加工用的工具电极 铜的熔点虽然较低，但是导热性较好，因此损耗较少，又能制成各种精密、复杂电极，常用作中小型型腔加工用的工具电极。 石墨型腔加工的电极 石墨不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极损耗，所以相对损耗很低。目前已经广泛用作型腔加工的电极。 铜碳、铜钨、银钨合金等复合材料精密电火花加工 铜碳、铜钨、银钨合金等复合材料，不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小，但由于价格昂贵，制造成形比较困难，因而一般只在精密电火花加工时采用。,影响加工精度的因素,主要因素有： 放电间隙的大小及其一致性、 工具电极的损耗及其稳

41、定性。 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，因此工件尺寸、形状与工具并不一致，如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可根据工件加工表面的尺寸、形状预先对工具尺寸、形状进行修正来对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。 放电间隙的大小实际上是变化的，影响着加工精度。 电火花加工的精度可以达到0.010.05mm左右。,影响表面质量的因素,电火花加工的表面质量主要包括三部分 ： 表面粗糙度、 表面变质层、 表面力学性能。,表面粗糙度 微观平面度的平均算术偏差Ra 平面度的最大高度值Rmax 对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量，因为脉冲能量大，每次脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既

42、大又深，从而使表面粗糙度恶化。,表面粗糙度和脉冲能量之间的关系 Rmax实测的表面粗糙度（m） Ka常数，钢加工钢时常数取2.3 te脉冲放电时间（s） ie峰值电流（A）,表面粗糙度, 加工速度对表面粗糙度的影响 按照目前的工艺水平，较大面积的电火花成形加工要达到优于Ra0.32m是比较困难的，采用平动或摇动加工工艺，可以大为改善。 目前，电火花穿孔加工侧面的最佳表面粗糙度为Ra1.25m0.32m， 电火花成形加工加上平动或摇动后，最佳表面粗糙度为Ra0.63m0.04m， 而类似电火花磨削的加工方法，其表面粗糙度可优于Ra0.04m0.02m，这时加工速度很低。 因此，一般电火花加工到R

43、a2.5m0.63m之后采用其他的磨削方法改善其表面粗糙度比较经济。,表面粗糙度,工件材料对表面粗糙度的影响 a）熔点高的材料（如硬质合金）表面粗糙度较好，当然加工速度要下降。 b）石墨电极的加工表面粗糙度较差。石墨电极很难加工到非常光滑的表面 电参数对表面粗糙度的影响 脉冲宽度与峰值电流的乘积，也即单个脉冲能量的大小 为在煤油工作液中的工具和工件相当于电容器的两个电极，具有 “潜布电容”（寄生电容），相当于在放电间隙上并联了一个电容器，当小能量的单个脉冲到达工具和工件时，电能被此电容“吸收”，只能起“充电”作用而不会引起火花放电，只有当经多个脉冲充电到较高的电压，积累了电能后，才能引起击穿放

44、电，打出较大的放电凹坑。,表面粗糙度,降低表面粗糙度的最新成果 近年来国内外出现了“混粉加工”新工艺，可以较大面积地加工出Ra0.050.1m的光亮面。 其办法是在煤油工作液中混入硅或铝等导电微粉，使工作液的电阻率降低，放电间隙成倍扩大，潜布、寄生电容成倍减小；同时，每次从工具到工件表面的放电通道，被微粉颗粒分割形成多个小的火花放电通道，到达工件表面的脉冲能量“分散”成很小，相应的放电痕也就较小，可以稳定获得大面积的光整表面。,表面粗糙度,表面变质层,表面变质层包括： 熔化凝固层 热影响层 显微裂纹,熔化凝固层 位于工件表面最上层，它被放电时瞬时高温熔化而又滞留下来，受工作液快速冷却而凝固。

45、熔化层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，大约为12倍的Rmax，但是一般不超过0.1mm。,热影响层 它介于熔化层和基体之间。热影响层的金属材料并没有熔化，只是受到高温的影响，使材料的金相组织发生了变化，它和基体材料之间并没有明显的界限。由于温度场分布和冷却速度的不同，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；对未淬火钢，热影响层主要为淬火区。因此，淬火钢的热影响层厚度比未淬火钢大。 热影响层中靠近熔化凝固层部分，由于受到高温作用并迅速冷却，形成淬火区，其厚度与条件有关，一般为23倍的最大微观平面度。对淬火钢，与淬火层相邻的部分受到温度的影响而形成高温、低温回火区，回火区的厚度约为最

46、大微观平面度的34倍。 不同的金属材料的热影响层金相组织结构是不相同的，耐热合金的热影响层与基体差异不大。,显微裂纹 电火花加工表面由于受到瞬时高温作用并迅速冷却而产生拉应力，往往出现显微裂纹。实践表明，一般裂纹仅在熔化层内出现，只有在脉冲能量较大的情况下（粗加工时）才有可能扩展到热影响区。 脉冲能量对显微裂纹的影响非常明显，能量越大，显微裂纹越宽越深。 脉冲能量很小时，一般不出现微裂纹。 不同工件材料对裂纹的敏感性不同，硬脆材料容易产生裂纹，工件预先的热处理状态对裂纹产生的影响也很明显，加工淬火材料要比加工淬火后回火或退火的材料容易产生裂纹，因为淬火材料脆硬，原始内应力也较大。,表面机械性能

47、,（1）显微硬度和耐磨性 电火花加工后表面层的硬度一般均比较高，但对某些淬火钢，也可能稍低于基体硬度，对未淬火钢，特别是原来含碳量低的钢，热影响层的硬度都比基体材料高；对淬火钢，热影响层中的再淬火区硬度稍高或接近于基体硬度。而回火区的硬度比基体低，高温回火区又比低温回火区的硬度低。因此，一般来说，电火花加工表面最外层的硬度比较高，耐磨性较好。但对于滚动摩擦，由于是交变载荷，尤其是干摩擦，则因熔化凝固层和基体的结合不牢固，容易剥落而磨损。因此，有些要求高的模具需要把电火花加工后的表面变质层事先磨掉。,（2）残余应力 电火花加工表面存在着由于瞬时先热后冷作用而形成的残余应力，而且大部分表现为拉应力

48、，残余应力大小和分布，主要和材料在加工前的热处理状态及加工时的脉冲能量有关，因此，对表面层要求质量较高的工件，应尽量避免使用较大的加工规准。,（3）耐疲劳性能 电火花加工表面存在着较大的拉应力，还可能存在显微裂纹，因此其耐疲劳性能比机械加工表面低许多倍。 采用回火处理、喷丸处理等，有助于降低残余应力，或使残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。 试验表明，当表面粗糙度在Ra0.320.08范围内时，电火花加工表面的耐疲劳性能将与机械加工表面相近，这是因为电火花精微加工表面所使用的加工规准很小，熔化凝固层和热影响层均非常薄，不会出现显微裂纹，而且表面的残余拉应力也较小。,数控电火花成型机床

49、的组成,主机 脉冲电源 机床电气系统 数控系统 工作液循环过滤系统,3.3 电火花加工机床,主机,机床主要包括主轴头、床身、立柱、工作台及其工作液槽几部分。机床的整体布局按照机床型号的大小可以采用分离式和整体式。一般为分离式。油箱和电源箱放入机床内部称为整体式 床身和立柱的特点及其要求 是机床的主要结构件，要有足够的刚度。床身工作台面与立柱导轨面间有一定的垂直度要求，还要有一定的精度保持性。这就要求导轨要具有良好的耐磨性和充分消除材料的内应力。 纵横向移动的工作台 做纵横向移动的工作台一般都带有坐标装置，常用的是靠刻度手轮来调整，随着要求加工精度的提高，可采用光学坐标读数装置、磁尺数显等装置。

50、,主轴头,主轴头的组成：主要由进给系统、导向防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。 主轴头的作用：是最关键的部件，是调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。 对主轴头的要求：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统惯性小、灵敏度好、能承受一定负载的要求。 电-机械式液压主轴头：随着步进电机、力矩电机和数控直流、交流伺服电机的出现和技术的进步，电火花机床中已经越来越多的采用电-机械式液压主轴头。其特点是：传动链短、可由电机直接带动，进给丝杠主轴头的导轨可以采用矩形滚柱或者滚针导轨。,电火花加工机床的型号编制,我国电火花成型（穿孔和型腔）加工机床的型

51、号按JB 183876规定，与线切割机床的型号规定基本相同，例如型号DK 7125即表示机床工作台宽为250mm的数控电火花成型机床。,电火花成型机,NH7145CNC,NH7145NC,线切割机床,DK7732A,DK7725C系列,脉冲电源,电火花加工用脉冲电源的作用： 是将直流或工频交流电转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙所需要的能量来蚀除金属。 脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、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。,对脉冲电源的要求和分类,1. 对电火花加工所用的脉冲电源总的要求是： （1）有较高的加工速度 不但在粗加工时要有较高的加

52、工速度（vw10mm3/(minA)） 在精加工时也应有较高的加工速度； 精加工时表面粗糙度Ra应小于1.25m。 （2）工具电极损耗要低 粗加工时应实现电极低损耗（相对损耗1%）； 中、精加工时也要使电极损耗尽可能低。,（3）加工过程稳定性好 在给定的各种脉冲参数下能保持稳定加工，抗干扰能力强，不易产生电弧放电，可靠性高，操作方便。 （4）工艺范围广 不仅能适应粗、中、精加工的要求，而且要适应不同工件材料的加工，以及采用不同工具电极材料进行加工的要求。,对脉冲电源的要求和分类,对电火花加工脉冲电源的具体要求 （1）所产生的脉冲应是单向的，没有负半波或负半波很小，其目的是最大限度地利用极性效应

53、，以提高生产率和减少工具电极的损耗。 （2）脉冲电源波形的前后沿应该较陡，一般常采用矩形波脉冲电源，其目的是保证加工工艺过程相对稳定。 （3）脉冲的主要参数，如峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隙等应能在很宽的范围内可以调节，其目的是满足粗加 工、半精加工、精加工的不同要求。 （4）脉冲电源不仅要考虑工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修方便和体积小等问题，还要考虑节省电能。,脉冲波形的类型,RC线路脉冲电源,1.工作原理 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，故又称为“弛张式”脉冲电源。 RC线路是“弛张式”脉冲电源中最简单最基本的一

54、种。 是由两个回路组成：一个是充电回路，由直流电源、充电电阻R（可调节充电速度、同时限流以防止电流过大及转变为电弧放电，故又称为限流电阻）和电容器C（储能元件）所组成；另一个回路是放电回路，由电容器C、工具电极和工件及其间的放电间隙组成。,RC回路工作原理,当直流电源接通后，电流经限流电阻R向电容C充电，电容C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，因为当电容C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，形成很大的脉冲电流。电容上的能量释放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液迅速恢复绝缘

55、状态，此后电容器再次充电，又重复上述过程，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。,RC脉冲电源特点,（1）RC线路脉冲电源最大的优点为： 结构简单、工作可靠、成本低； 在小功率时可以获得很窄的脉宽（小于0.3s）和很小的单个脉冲能量，因此主要用于小功率的精微加工或简式电火花加工机床中，用作光整加工和精微加工。 （2）RC线路脉冲电源的缺点为： 电能利用效率很低 电能利用效率只有30 40 ，因为大部分电能经过电阻R时转化为热能损失掉了，这在大功率加工时是很不经济的。,RC脉冲电源特点, 生产率低 因为电容器的充电时间比放电时间长50倍以上，脉冲间隙系数太大。 工艺参数不稳

56、定 因为这类电源本身不能“独立”形成和发生脉冲，而是靠电极间隙中工作液的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断，所以间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度及其排除情况等，都影响脉冲参数，因此脉冲频率、宽度、单个脉冲能量都不稳定，而且放电间隙经过限流电阻和直流电源直接连通，没有开关元件使之隔离开来，所以随时都有放电的可能，并容易转为电弧放电。,RLC脉冲电源,在RC充电回路中加一个电感L组成RLC脉冲电源。 由于电感对脉冲电源具有感抗阻力，从而起到了限流的作用，但它并不会引起发热而消耗电能，所以其电能的利用率可以达到6080；,还可以缩短电容器的充电时间，以及使充电过程成为振荡充电过程，提高充电电压，这就

57、使脉冲频率和单个脉冲能量两个方面都得到提高，所以生产率比RC线路提高12倍。 RLC的缺点是当间隙短路后又瞬时断开时，电感上将感应出很高的电压，所以要采用质量很高的电容器（耐压1500V以上），并要求要有较大的瞬时功率。,独立式脉冲电源,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的电源，可以大大减少电极间隙物理状态参数变化的影响。这类电源为区别于弛张式脉冲电源，称之为独立式脉冲电源。,电子管式、 闸流管式、 晶闸管式、 晶体管式。,注： 电子管，是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。 闸流管，在阴极阳

58、极之间有一个或多个栅极、具有控制特性的热阴极充气管。 晶闸管是晶体闸流管的简称，是一种大功率开关型半导体器件 。 晶体管是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关。,电子管式和闸流管式脉冲电源，主要用于冲模类穿孔加工等精加工场合，不适于型腔加工。,电火花加工的自动进给调节系统,自动进给调节系统的作用、技术要求和分类 1.自动进给调节系统的任务在于维持一定的平均放电间隙S，保证电火花加工正常而稳定地进行，以获得较好的加工效果。,火花放电加工是一种无切削力不接触的加工手段，要

59、保证加工继续，就必须始终保持一定的放电间隙 S 。这个间隙必须在一定的范围内，间隙过大就不能击穿放电介质，过小则容易短路。因此，电极的进给速度 Vd 必须大于电腐蚀的速度 Vw ，如图所示。同时，电极还要频繁的靠近和离开工件，以便于排渣，而这种运动是无法用手动来 控制的，故必须由伺服系统来自动控制 电极的的运动。自动进给调节系统就是 用来改变、调节进给速度，使进给速度 接近并等于电腐蚀速度，维持一定的放 电间隙，使放电加工稳定进行，获得 比较好的加工效果。,自动进给调节系统的一般要求,（1）有较广的速度调节跟踪范围 在电火花加工过程中，加工规准、加工面积等条件的变化，都会影响其进给速度，调节系统应有较宽的速度调节范围，以适应加工的需要。 （2）有足够的灵敏度和快速性 放电加工的频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节，为此整个系统的不灵敏区、时间常数、可动部分的质量惯性要求要小，放大倍数应足够，过渡过程要短。 （3）有必要的稳定性 电蚀速度一般不高，加工进给量也不必过大，所以应有很好的低速性能，均匀、稳定地进给、避免低速爬行、超调量要小，传动刚度应高，传动传动链中不得有明显间隙，抗干扰能力要强。 此外，自动进给装置还要求体积小，结构简单可靠、维修操作方便等,自动进给调节系统基本组成部分,间隙测量环