第27章 电火花成型加工

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电火花加工是在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时的电腐蚀作用， 对工件进行加工的一种工艺方法。它可以加工各种高熔点、高硬度、高强度、髙纯度、髙韧 性的导电材料，并在生产中显示出了很多优越性，因此得到了迅速发展和广泛应用。在模具 制造中被用于凹模型孔和型腔及型芯的加工。

电火花加工已在模具行业普遍、成熟地应用，而且电火花机床的精度越来越高，其种类 有镜面光电火花机床、双头火花机床等。关于如何提高模具型腔的加工精度和质量、加工效 率的内容较多。

从事电火花工作的人员，须了解电火花加工的基础知识和掌握必要的加工方法和技巧， 使所加工的零件表面质量和尺寸精度达到设计要求。

型腔电火花加工机床的工作原理

27. 1. 1电火花的加工原理

电火花加工的原理是利用工具电极和工件之间间隙性火花放电生成的热，局部瞬时产生高 温把多余的金属蚀除下来。即利用工具和工件（即正、负电极）之间脉冲性放电时的电腐蚀现 象来蚀除多余金属，达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的要求，如图27-1 (b)所示。

图27-1为电火花成形加工原理的示意图。工件1与工具4分別接脉冲电源2的两输出 端。自动进给调节装置3 (此处为液压油缸及活塞）使工具和工件之间经常保持适当很小的 放电间隙，当脉冲电压加到两个电极（工具和工件）之间时，便在当时条件下，相对某一间 隙最小处或绝缘强度最低处，击穿工作液介质，在该局部产生火花放电，并在放电通道中瞬 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、汽化，使工件和工具表 面都蚀除掉一小部分材料，各自形成一个小凹坑。

电火花加工是在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时的电腐蚀作用， 对工件进行加工的一种工艺方法。它可以加工各种高熔点、高硬度、高强度、髙纯度、髙韧 性的导电材料，并在生产中显示出了很多优越性，因此得到了迅速发展和广泛应用。在模具 制造中被用于凹模型孔和型腔及型芯的加工。

电火花加工已在模具行业普遍、成熟地应用，而且电火花机床的精度越来越高，其种类 有镜面光电火花机床、双头火花机床等。关于如何提高模具型腔的加工精度和质量、加工效 率的内容较多。

从事电火花工作的人员，须了解电火花加工的基础知识和掌握必要的加工方法和技巧， 使所加工的零件表面质量和尺寸精度达到设计要求

27. 1. 2电火花加工时所需要具备的条件

① 一定的放电间隙。工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离。在该距离范围内， 既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可以适应在火花通道熄灭后介质消电 离以及排出蚀除产物的要求。若两电极距离过大，则脉冲电压不能击穿介质、不能产生火花 放电，若两电极短路，则在两电极间没有脉冲能量消耗，也不可能实现电腐蚀加工。

② 绝缘介质。两电极之间必须充人具有一定绝缘性能的液体介质（专用工作液或工业 煤油）；在进行材料电火花表面强化时，两极间为气体介质。液体介质还应能够将电蚀产物 从放电间隙中排除出去，并对电极表面进行较好的冷却。

③ 单向脉冲。在火花信道形成后，脉冲电压变化不大，因此，信道的能蛩密度可以表 征信道的能量密度。能量密度足够大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，从而在被加工 材料表面形成一个腐蚀痕（凹坑），实现电火花加工。因而，通道一般必须有105〜 106 A/cm2的电流密度。

放电通道必须具有足够大的峰值电流，通道才可以在脉冲期间得到维持。一般情况下， 维持通道的峰值电流不小于2A。

④ 足够的能量。必须有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或汽化。图 27-1 (a)中所示的自动进给装置能使工件和工具电极之间经常保持给定的放电间隙。由脉 冲电源输出的电压将加在液体介质中的工件和工具电极（以下简称电极）上。当电压升高到 间隙中介质的击穿电压时，会使介质在绝缘强度最低处被击穿，产生火花放电。瞬间高温使 工件和电极表面都被蚀除掉一小块材料，形成小的凹坑。

—次脉冲放电的过程可以分为电离、放电、热膨胀、抛出金属和消电离等几个连续的 阶段。

a. 电离。工件和电极表面存在着微观的凹凸不平，在两者相距最近的点上电场强度最 大，从而会使附近的液体介质首先被电离为电子和正离子。

b. 放电。在电场的作用下，电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，并产生火花放电， 在这个过程中，两极间液体介质的电阻从绝缘状态时的几兆欧姆骤降到几分之一欧姆。由于 放电通道受放电时磁场力作用和周围液体介质的压缩作用，其横截面积极小，因此电火花放 电可达105〜106 A/cm2。

c. 热膨胀。由于放电通道中电子和离子高速运动时相互碰撞，会产生大量的热能；而 阳极和阴极表面受高速电子和离子流的撞击，其动能也转化成热能，因此在两极之间沿通道 形成了一个温度高达10000〜12000#C的瞬时高温热源。在热源作用区的电极和工件表面层 金属会很快熔化，甚至汽化。

d. 抛出金属。由于热膨胀具有爆炸的特性，爆炸力将熔化和汽化了的金属抛人附近的 液体介质中冷却，凝固成细小的圆球状颗粒，其直径视脉冲能量而异（一般约为0.1〜 500/im),电极表面则形成了一个周围凸起的微小圆形凹坑。

e. 消电离。消电离是使放电区的带电粒子复合为中性粒子的过程。在一次脉冲放电后， 应有一段间隔时间使间隙内的介质来得及消电离而恢复绝缘强度，以实现下一次脉冲击穿放 电。如果电蚀产物和气泡来不及排除，就会改变间隙内介质的成分和绝缘强度，破坏消电离 过程，易使脉冲放电转变为连续电弧放电，从而影响加工质量。

一次脉冲放电之后，两极间的电压急剧下降到接近于零，间隙中的电介质立即恢复到绝 缘状态。此后，两极间的电压再次升高，又在另一处绝缘强度最小的地方重复上述放电过 程。多次脉冲放电的结果，使整个被加工表面由无数小的放电凹坑构成，工具电极的轮廓形状便被复制在工件上，从而达到加工的目的。

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在脉冲放电过程中，工件和电极都要受到电腐蚀。但正、负两极蚀除速度不同，这 种两极蚀除速度不同的现象称为极性效应。产生极性效应的基本原因是电子的质量小， 其惯性也小，在电场力的作用下容易在短时间内获得较大的运动速度，即使采用较短的 脉冲进行加工也能大量、迅速地到达阳极，轰击阳极表面。而正离子的质量大，惯性也 大，在相同时间内所获得的速度远小于电子。当采用短脉冲进行加工时，大部分正离子 尚未到达阴极表面，脉冲便已结束，所以阴极的蚀除i小于阳极。但是，当用较长的脉 冲加工时，正离子可以有足够的时间加速，获得较大的运动速度，并有足够的时间到达 阴极表面，加上它的质量大，因而正离子对阴极的轰击作用远大于电子对阳极的轰击， 阴极的蚀除量则大于阳极。

电极和工件的蚀除量不仅与脉冲宽度有关，还受电极及工件材料、加工介质、电源种 类、单个脉冲能量等多种因素的综合影响。在电火花加工过程中，极性效应越显著越好。因 此必须充分利用极性效应，合理选择加工极性，以提高加工速度，减少电极的损耗。在实际 生产中，把工件接阳极的加工称为“正极性加工”或“正极性接法”；工件接阴极的加工称 为“负极性加工”或“负极性接法”，极性的选择主要靠实验确定。

⑤ 脉冲放电需重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的。这包含 两个方面的意义：其一，时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道；其二，若在一定时 间内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲放电应转移到另一区域。只有 如此，才能避免积炭现象，迸而避免发生电弧和局部烧伤。

⑥ 脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行。在电 火花加工的实际过程中，火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性；蚀 除物以外的其余放电产物（如介质的气化物）亦可以促进上述过程。另外，还必须利用一些 人为的辅助工艺措施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等。

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