西工大特種加工第2章

第二章電火花加工電火花加工---放電加工---EDM---電蝕加工（我國）（日、美、歐）（俄、東歐）EDM:electricaldischargemachining電火花加工:工具、工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，依靠放電時局部、瞬時產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除下來。2.1電火花加工的基本原理2.1.1電火花加工原理（電腐蝕一直作為一種該如何避免的有害現(xiàn)象來研究，但一段時間后，有人想到能否利用這種現(xiàn)象來去除金屬材料？）△原理：在液體介質(zhì)中，基于工具和工件（正、負(fù)電極）之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象，通過兩極間的相對進(jìn)給，蝕除多余的金屬，以達(dá)到對零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量的預(yù)定要求。

關(guān)鍵詞：脈沖放電、相對進(jìn)給、液態(tài)介質(zhì)

△實(shí)現(xiàn)電火花加工的條件1、電極、工件經(jīng)常保持一定的放電間隙（幾μm到幾百μm）；(電場強(qiáng)度)工具電極的自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置2、火花放電必須是瞬時性的脈沖放電（短于1ms)；避免形成連續(xù)性的電弧放電，高頻脈沖電源3、火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行；進(jìn)一步確保放電的脈沖性，并更好地排屑基于以上分析，考慮到機(jī)械架構(gòu)，設(shè)計出電火花加工機(jī)床。2.1.2電火花加工機(jī)床的設(shè)備組成1、電源控制柜（起到大腦、心臟作用）*電源，提供電能（電流、脈沖寬度等）*自動進(jìn)給控制系統(tǒng)，檢測、控制間隙多軸聯(lián)動控制系統(tǒng),（X-Y-Z-C-A五軸聯(lián)動）*電參數(shù)調(diào)整，放電能量改變（脈沖寬度、抬刀等）*座標(biāo)設(shè)定、移動、電極定位操作，等電參數(shù)數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)，常見電極-工件電參數(shù)自動、手工編程系統(tǒng)（利用專家系統(tǒng)自動編程）文件管理系統(tǒng)（編輯、修改、刪除，等）系統(tǒng)維護(hù)（加工速度顯示、加工時間等）安全（液面控制、滅火控制，等）顯示器、鍵盤、手控盒2、床身、工作臺、油槽床身，X-Y-Z直線移動A主軸裝旋轉(zhuǎn)頭，電極旋轉(zhuǎn)（恒速旋轉(zhuǎn)、定位分度）C旋轉(zhuǎn)工作臺，工件旋轉(zhuǎn)（恒速旋轉(zhuǎn)、定位分度）工作臺，安裝工件、安裝C旋轉(zhuǎn)工作臺油槽，盛裝工作液，有門式和升降式上、放油機(jī)構(gòu)沖油機(jī)構(gòu)滅火器、燈關(guān)鍵：軸的移動和旋轉(zhuǎn)精度3、主軸，提供A主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，Z軸直線移動，夾持電極4、工作液系統(tǒng)，工作液循環(huán)、過濾、降溫（空調(diào)）

2.1.3電火花加工基本過程1、電極趨近工件2、間距足夠小時，E急劇增大，擊穿絕緣介質(zhì)，放電，3、局部、瞬時高溫，熔化、汽化金屬材料，在液體介質(zhì)中微爆炸，拋除材料，蝕除工件4、第一個脈沖結(jié)束，第一次放電結(jié)束，放電區(qū)恢復(fù)絕緣5、第二個脈沖開始，在E足夠大時，第二次放電開始，如此循環(huán)6、達(dá)到預(yù)定深度，加工結(jié)束。（No.2）△電火花加工簡略討論1、實(shí)際加工時，由于

1）、大量微細(xì)蝕除產(chǎn)物存在于放電區(qū)2）、自動進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)（過進(jìn)給、緩進(jìn)給）3）、工作液的潔凈情況等出現(xiàn)短路、開路、拉弧、正常脈沖多種情況；2、電極與工件間的距離有波動；3、由于E必須達(dá)到一定臨界值才會放電，且放電過程復(fù)雜，電火花加工過程，實(shí)際上是一個不很準(zhǔn)確的形狀（型腔、型孔或圓孔）復(fù)制過程；4、加工狀態(tài)的穩(wěn)定，與電參數(shù)、進(jìn)給速度、加工深度等多種因數(shù)有關(guān)；5、工具電極有一定損耗。2.2電火花加工的特點(diǎn)及應(yīng)用2.2.1電火花加工的優(yōu)點(diǎn)a、適合于難切削導(dǎo)電材料的加工

淬火鋼、高溫合金、鈦合金、硬質(zhì)合金等

電火花加工時，材料的蝕除特性，主要取決于：

1）、材料的導(dǎo)電性2）、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)3）、比熱容4）、導(dǎo)熱系數(shù)等

幾乎與強(qiáng)度、硬度、韌性、脆性等機(jī)械力學(xué)性能無關(guān)。

因此，電極材料一般選（鍛制）紫銅（導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好）、石墨（導(dǎo)電性好、熔點(diǎn)高）、銅鎢合金（價格貴）。前兩者易制作、損耗小、成本不太高。b、可以加工特殊、復(fù)雜形狀，或低剛度的零件

微型電機(jī)軸的小半圓鍵槽（0.4mm厚）；

某傳感器用0.05±0.005mm厚的細(xì)頸；型腔貫通槽、孔（12

3

4）；簡單電極（棒狀、片狀）加工復(fù)雜形狀零件，即，電火花展成加工；（低剛度，內(nèi)螺旋齒）（NO.03）2.2.2電火花加工的局限性a、主要適合于導(dǎo)電材料的加工

在一定條件下，可以加工半導(dǎo)體材料甚至非導(dǎo)電材料，處于研究階段，效果應(yīng)該一般；b、加工速度較慢（與蝕除特點(diǎn)有關(guān)，特別是小面積）

1、當(dāng)余量過大時，可采用切削加工方法（或其它特種加工方法）去除大部分余量（大型腔）；

2、可用較大能量來粗加工，用小能量來精加工（輔以電極搖動），一個電極完成粗、精加工。3、多電極更換。c、加工成型精度不是特別高

由于存在電極損耗，即使低于0.1%（體積損耗），尖角處的損耗也較為明顯；不過，尖角處的損耗變圓，對應(yīng)于型腔根部，相應(yīng)形成一個小圓角，常常（但不永遠(yuǎn)允許）有利于提高工件的疲勞壽命。d、最小腳部半徑有限制

除了尖角損耗，還有放電間隙存在，有時圓角難以避免；相應(yīng)地，工件型腔中絕對的清角或很小的圓角，對切削加工也有難度。2.3電火花加工工藝方法分類1、穿孔及成型加工（穿孔的過程就是成型加工）2、電火花線切割加工3、電火花磨削（工具電極與工件具有類似磨床運(yùn)動形式的電火花加工，電極、工件一般都旋轉(zhuǎn)，能量較??；可用于磨削微細(xì)﹑薄壁等易變形的零件和深槽﹑狹縫等）

4、電火花展成加工（含電火花銑削）5、電火花小孔加工（含深孔加工）6、表面強(qiáng)化、表面改性（利用放電產(chǎn)生的高溫使電極瞬間熔化,并與基體發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)形成涂層。涂層成分不同,具有耐磨、耐蝕等不同功能。涂層的厚度可控,成分和硬度分布具有梯度性。）

7、刻字2.4電火花加工機(jī)理所謂機(jī)理，就是金屬材料被去除的微觀物理過程。電火花放電加工區(qū)具有狹小、復(fù)雜、動態(tài)的特征，材料每次被蝕除的微觀過程是電動力、磁力、熱力、流體動力、電化學(xué)和膠體化學(xué)等綜合作用的過程。

到目前，尚有未研究清楚并難以完全研究清楚的部分。

但大致可分為以下幾個連續(xù)的階段：

一、極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道（電極、工件）脈沖電壓→→不均勻E，尖端局部E達(dá)到約100伏/μm→→陰極表面出現(xiàn)場致電子發(fā)射，碳粒、膠體、金屬顆粒等導(dǎo)電介質(zhì)及電子定向移動→→碰撞電離，使帶電粒子雪崩式增多→→間隙電流↑，間隙電阻↓，間隙電壓↓→→形成電流密度很高的放電通道二、介質(zhì)熱分解，電極材料熔化、氣化，熱膨脹通道中的粒子，在電場作用下，動能迅速增加，通過碰撞，又轉(zhuǎn)變成熱能；在極短時間內(nèi)，通道達(dá)到10000℃左右的高溫，該處的兩極金屬材料熔化、氣化，附近工作介質(zhì)熱分解，產(chǎn)生氣體，并進(jìn)而熱膨脹。由于時間極短，數(shù)量極多，因而常有密集的輕微爆炸。三、電極材料的拋出電極材料的拋出，在電極表面形成放電痕大部分進(jìn)入工作液鍍覆、吸附在另一極表面極少又返粘在電極表面四、極間介質(zhì)的消電離脈沖電壓結(jié)束，帶電粒子復(fù)合為中性粒子；放電通道迅速恢復(fù)絕緣。完成一次放電。2.5電火花加工中的基本規(guī)律2.5.1影響材料放電腐蝕的主要因素材料放電腐蝕：工件材料腐蝕（關(guān)系加工速度）電極材料腐蝕（關(guān)系電極損耗）一、極性效應(yīng)現(xiàn)象：不管正負(fù)極材料是否相同，兩極的蝕除量都不同，并常常相差很大。概念：由于兩極的正負(fù)極性不同，而彼此電蝕量不一樣的現(xiàn)象，叫極性效應(yīng)。產(chǎn)生原因：1）、正、負(fù)電極分別受負(fù)電子（質(zhì)量極?。┖驼x子（質(zhì)量很大）轟擊，在兩極表面分配的能量不一樣，熔化、氣化量也不一樣；

短（長）脈寬加工時，電子（離子）對正（負(fù)）極的撞擊作用較大；2）、正電極表面，能吸附游離碳膠粒，形成碳黑膜，使正極損耗減小，即所謂“覆蓋效應(yīng)”。（短脈沖分組脈沖，Cu-鋼時，就采用工件接負(fù)的“負(fù)極性加工”方式，類似于長脈寬加工。）顯然，短脈寬加工時，因電子對正極的撞擊作用較明顯，為盡快蝕除工件，宜將工件接正極，即“正極性加工”方式；

長脈寬加工時，宜將工件接負(fù)極，即“負(fù)極性加工”方式。二、電參數(shù)單個脈沖的蝕除量q1與單個脈沖能量WM在一定范圍內(nèi)成正比；總的脈沖蝕除量q=∑q1下面推導(dǎo)的公式，得出：蝕除量q、蝕除速度vw,與K、WM、f、φ等多種因素有關(guān)，特別是K和φ。K：與te平均占比ti有關(guān)提高Vw的方法：提高f，增大WM，增大K，提高φ。討論：t0相對ti過分小，φ、K會減??；ti增大，f減?。籭p過大，K會減小，電極損耗會加大；因此：ti、t0、ip等，需根據(jù)具體情況合理搭配，使K值較大。te的含義三、金屬材料熱學(xué)常數(shù)對電蝕量的影響熱學(xué)常數(shù)：是指熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熔化潛熱、氣化潛熱等；火花通道的熱能消耗在：工作液及兩極。具體在兩極上有：金屬升溫、金屬熔化、熔融金屬升溫、金屬氣化、金屬蒸氣升溫等；具體在工作液上有：液體升溫、氣化、氣體升溫等只有金屬被熔化、氣化，才能拋出，因而，熱學(xué)常數(shù)與電蝕量有很大關(guān)系。金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化潛熱、氣化潛熱等越高，電蝕量越小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，電蝕量越小。

比熱容和熔化潛熱、氣化潛熱

1、比熱容又稱比熱容量，簡稱比熱，是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即單位質(zhì)量物體改變單位溫度時吸收或釋放的內(nèi)能；Q=cm△t，Q表示熱量，c表示比熱容2、熔化潛熱，指物質(zhì)從固態(tài)（熔點(diǎn)溫度）變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時吸收或放出的熱量。

純銅（Cu）的熔化潛熱為：13.02kJ/mol；純錫（Sn）的熔化潛熱為：7.08

kJ/mol。3、氣化潛熱，指物質(zhì)從液態(tài)（沸點(diǎn)溫度）變?yōu)闅鈶B(tài)或由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時吸收或放出的熱量。有時也稱為蒸發(fā)潛熱，單位是kJ／Kg，或

kJ/mol。

對于各種不同材料，當(dāng)脈沖能量一定時，都會各有一個使材料電蝕量最大的“最佳脈寬”。這和熱學(xué)常數(shù)有關(guān)。相應(yīng)就有某“材料對”的最佳加工脈寬ti’。（某一試驗(yàn)條件下）四、工作液對電蝕量的影響工作液的作用：形成放電通道，恢復(fù)絕緣；壓縮放電通道；拋出、排除產(chǎn)物；冷卻。粗加工時，由于放電間隙較大，排屑條件好，可以選用介電性能好、粘度稍大的機(jī)油；中、精加工時，由于放電間隙較小，排屑條件較差，須選擇粘度小、滲透性好的煤油類工作液。五、影響電蝕量其它因素1、加工過程的穩(wěn)定性

加工深度，加工面積，型腔復(fù)雜程度，工作液，工件材料等，都會影響加工過程的穩(wěn)定性。有效脈沖利用率φ，定量表達(dá)了它?？刹扇〉拇胧簭?qiáng)迫沖油、定時（適頻）抬刀、減小電流、增大脈間t0、減小脈寬ti、減低進(jìn)給速度等。2、脈沖電源波形

分組脈沖波形

高低壓復(fù)合脈沖波形3、水基工作液流動性好，電化學(xué)陽極溶解作用。2.5.2電火花加工速度Vw單位時間內(nèi)，工件的電蝕量，稱為加工速度。分為：體積加工速度Vw=V/t（V為體積）（優(yōu)先）

重量加工速度VG=G/t（G為重量）影響因素：f（ti、t0）、極性、WM（te、ip、火花維持電壓）、φ、K（電極對材料、電參數(shù)匹配情況、工作液、沖油、抬刀、進(jìn)給速度、電壓波形等）。2.5.3電火花加工電極損耗單位時間內(nèi)，電極的體積電蝕量，稱為損耗速度VE。用得更多的是電極相對損耗θ。較為直觀。θ=VE/

VW

粗加工時，Vw較大，θ較小，可達(dá)0.1%以下，甚至無“損耗”，但粗糙度Ra較大（較差）。Vw、θ、Ra是電火花加工的三個工藝指標(biāo)。電極相對損耗θ，影響成型精度、電極壽命、加工成本（時間、制作）等。Ra，影響表面質(zhì)量。影響電極相對損耗的因素：一、極性一般地，短脈沖寬度，用工件接正的正極性加工；長脈沖寬度，用工件接負(fù)的負(fù)極性加工；

加工鈦合金，都采用正極性加工，短脈寬的正極性加工，VW高。下圖是某一加工條件下的θ-ti圖。加工條件：φ6mm紫銅電極，工件為普通鋼，煤油工作液，矩形電壓波形，普通機(jī)床，ip（峰值電流）為10A?？梢?，負(fù)極性加工，由于極性效應(yīng)和覆蓋效應(yīng)等，可以實(shí)現(xiàn)＜0.1%的低損耗或“無損耗”。二、覆蓋效應(yīng)（正極形成黑膜）

帶負(fù)電的碳膠粒，會向正極移動，如果電極表面溫度合適（低于熔點(diǎn)，但高于400℃），就有部分碳膠粒吸附在正極表面，形成一定厚度的化學(xué)吸附碳層–碳黑膜。它起到保護(hù)、補(bǔ)償電極的作用。在加工穩(wěn)定的前提下，1）、ip、t0不變，ti適當(dāng)增大，利于形成黑膜；2）、ip、ti不變，t0適當(dāng)減小，利于形成黑膜；3）、沖油加工，降低了放電區(qū)溫度，不利于形成黑膜，會加大電極損耗。三、利用傳熱效應(yīng)，控制ip

電流偏大（相對于加工面積、脈寬等）時，電流密度偏高，工具電極局部表面溫度過高（高于沸點(diǎn)），電極損耗增大。四、合適的電極材料W、Mo等：熔、沸點(diǎn)高，但價格高，機(jī)械加工性差；紫銅：熔點(diǎn)不太高，導(dǎo)熱性好，價不太高，加工性好，損耗小；（鍛制紫銅更好）石墨：熱學(xué)性能好，價不太高，加工性好，損耗小?？紤]到上述因素，生產(chǎn)中一般采用：負(fù)極性加工（較大脈寬）石墨（紫銅）-鋼ip/te＜0.1~0.2A/μste/ti,一般有一估計值：0.3-0.82.5.4影響加工精度的因素1、機(jī)床本身的各種誤差X、Y、Z的直線度Z軸與工作臺面的垂直度工作臺面的平面度X、Y間的垂直度定位精度（包含重復(fù)定位精度）A軸、C軸的分度精度等2、工件、電極的制造、定位、安裝誤差3、放電間隙的大小及其一致性放電間隙S＝Ku×u＋KR×WM0.4＋SmKu：與介電強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)u：開路電壓或空載電壓KR：與加工材料有關(guān)的常數(shù)WM：單個脈沖能量Sm：與熱膨脹、收縮、振動有關(guān)S：隨Ku、WM、Sm動態(tài)變化，S減小可提高仿型精度。高精度，伴隨小Ra，宜用小能量終加工。精加工時，搖動使加工更穩(wěn)定，但仿型精度下降。4、工具電極的損耗影響尺寸、形狀精度。措施：更換電極，機(jī)械拋磨。例如：整體渦輪。5、“二次放電”與“尖端放電”“二次放電”，指已加工表面由于電蝕產(chǎn)物的搭接，而發(fā)生的非期望的放電。

“尖端放電”，電極、工件的尖邊尖角處，由于電場強(qiáng)度較大，在距離相同的條件下，易出現(xiàn)較嚴(yán)重的電蝕，使型腔形狀發(fā)生改變。2.5.5電火花加工表面質(zhì)量電火花加工表面質(zhì)量表面粗糙度表面變質(zhì)層表面力學(xué)性能◆表面粗糙度：無方向性的無數(shù)小坑和硬凸邊構(gòu)成不同于機(jī)械切削加工表面的表面形貌；這種表面，有利于貯存潤滑油，其表面潤滑性能、耐磨損性能，均優(yōu)于同Ra數(shù)值的機(jī)械加工表面。Ramax＝KR×te0.3×

ip0.4

減?。ǜ纳疲㏑a，（te、ip減小更多）VW迅速下降?！舯砻孀冑|(zhì)層：

熔化凝固層（電火花重熔層）→常有微觀裂紋熱影響層，在熔化凝固層和基體之間◆表面機(jī)械性能

1、顯微硬度（一般較高）；2、耐磨性（一般較好）；3、殘余應(yīng)力——拉應(yīng)力（工件內(nèi)部表層存在一個使工件表層或表面微觀裂紋擴(kuò)大的一個內(nèi)應(yīng)力）。

對于表面層要求較高的工件，應(yīng)盡量避免使用較大的加工參數(shù)（加工規(guī)準(zhǔn)），或先大后小規(guī)準(zhǔn)；4、耐疲勞性能：存在拉應(yīng)力、顯微裂紋，因而耐疲勞性能較低?？刹捎没鼗鸹驀娡杼幚韥硖岣咚?。2.6電火花加工自動進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)任務(wù)：維持一定的放電間隙S，保證電火花加工正常、穩(wěn)定地進(jìn)行，以取得較好的加工效果。2.6.1自動進(jìn)給調(diào)節(jié)原理放電間隙S與蝕除速度VW有密切關(guān)系—間隙蝕除特性曲線。

進(jìn)給調(diào)節(jié)特性曲線：當(dāng)間隙過大時，電極以較大的正向進(jìn)給速度趨近工件；當(dāng)間隙過小時，電極以較大的反向回退速度遠(yuǎn)離工件。通過間隙電壓（平均值）與SV（伺服基準(zhǔn)電壓）的差值比較、放大，并反饋控制主軸的進(jìn)退，以及進(jìn)給快慢程度。2.6.2執(zhí)行元件執(zhí)行元件主要特點(diǎn)（可在網(wǎng)絡(luò)查）電液壓式油缸反應(yīng)快，電控性、靈活性差步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)慢，易失步，用在精度不高的場合力矩電機(jī)低速運(yùn)行溫升快，恒力矩直流伺服電機(jī)穩(wěn)定性、可控性好，響應(yīng)迅速交流伺服電機(jī)反應(yīng)快速、高速大力矩，體積小直線電機(jī)高速度、高加速度，行程不限，無絲杠

位置檢測是達(dá)到高精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

一般用精密光柵尺，進(jìn)行機(jī)床移動（直線或旋轉(zhuǎn)）位置的直接檢測，并反饋到控制系統(tǒng)和執(zhí)行元件。即所謂“全閉環(huán)控制”。

高精度機(jī)床，都采用“全閉環(huán)控制”。2.7電火花穿孔成型加工2.7.1應(yīng)用范圍穿孔加工：冷、熱沖壓模粉末冶金模擠壓模型孔零件小孔（圓孔、異型孔）型腔加工：型腔模（鍛模、壓鑄模、塑料模，等）型腔零件特點(diǎn)：可在淬火后加工，可制造出整體式結(jié)構(gòu)，可減少鑲拼模具結(jié)構(gòu)。2.7.2型腔、型孔加工方法a、單電極平動法一個電極完成零件的粗、中、精加工；當(dāng)中、精加工時，由于放電間隙減小，可逐步加大電極的平動量，修光型腔的底面、側(cè)面。優(yōu)點(diǎn)：一個電極，一次裝夾，完成型腔的粗、精加工，電極定位方便。電蝕產(chǎn)物排除較易。常用。缺點(diǎn)：粗加工時，電極易引起龜裂狀積碳層，影響型腔表面Ra。辦法：粗加工電參數(shù)略小，或在保證電極更換精度的條件下，取下（或不取下）修光。b、多電極更換法多個外形完全相同，尺寸略有不同的電極，依次更換加工同一型腔，精度、表面質(zhì)量較好，但需這些電極的形狀一致性好，裝夾、定位精度高。c、分解電極法主型腔電極+副型腔電極優(yōu)點(diǎn)：簡化電極制造（不同Ra、精度、面積的表面，采用不同電規(guī)準(zhǔn)，但需各電極的準(zhǔn)確定位）適用于大型復(fù)雜型腔零件。電極庫（類似于加工中心的刀庫功能）可作為分解電極法應(yīng)用的輔助手段。電極庫：多個電極制造、調(diào)試好以后，裝在電極庫中，自動按編制的程序，更換電極、設(shè)置不同電參數(shù)（脈寬、脈間、電流，等）、非電參數(shù)（沖油、抬刀、旋轉(zhuǎn)，等），加工出型腔。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，但調(diào)試準(zhǔn)備周期長，適合于中、大批量生產(chǎn)（不宜無人加工）。2.7.3典型零件加工工藝☆層板（本校動力能源學(xué)院縱向項(xiàng)目）某氣流流場試驗(yàn)裝置中的一個關(guān)鍵零件。材料：1Cr18Ni9Ti合計圓臺數(shù)：1000多個難度：圓臺形狀要求高、大面積排屑困難、不銹鋼的電火花加工性差；厚為2mm的薄板易變形。