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电火花加工原理和特点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，英文简称EDM。
1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。
最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。
50年代初，改进为电阻-电感-电容等回路。
同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。
随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。
60年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。
到70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。
在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。
进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。
通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。
在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。
这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。
紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。
这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。
在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。
第一章概论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。
电火花加工的基本原理、特点和适用范围1、电火花加工的基本原理：基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电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。
2、电火花加工的特点：（1）电火花加工属不接触加工。
（2）加工过程中没有宏观切削力。
（3）易于实现加工过程自动化。
3、电火花加工的适用范围（1）适合于难切削材料的加工（2）可以加工特殊的零件（3）可以加工复杂形状的零件（4）可以改进结构设计，改善结构的工艺性4、电火花加工的局限性（1）只能用于加工金属等导电材料（2）加工速度一般较慢（3）存在电极损耗（4）最小角部半径有限制电火花线切割加工的基本原理和特点1、电火花线切割加工的基本原理：利用移动的细金属丝(铜丝或钼丝)作为工具电极(接高频脉冲电源的负极)，对工件(接高频脉冲电源的正极)进行脉冲火花放电、切割成形。
根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：（1）高速走丝电火花线切割机床（快走丝）（2）低速走丝电火花线切割机床（慢走丝）2、电火花线切割加工的工艺特点（了解）数控电火花加工机床电火花加工机床及其组成1、国产电火花穿孔、成形加工机床的型号与参数1985年起国家把电火花穿孔成形加工机床定名为D7l系列，其型号表示方法如下：2、数控电火花穿孔、成形加工机床的组成：包括（1）主机、（2）电源箱、（3）工作液循环过滤系统、（4）伺服进给系统。
数控电火花穿孔成形加工机床的机械装置1、HCD300K电火花加工机床简介2、数控电火花穿孔成形加工机床的主要机械装置数控电火花线切割机床组成：床身、坐标工作台、走丝机构、丝架、工作液箱、附件和夹具等组成。
数控电火花线切割机床的型号与参数1、电火花线切割机床的型号与参数数控电火花线切割机床型号表示方法如下：例如：DK7725表示工作台横向行程为250mm的数控电火花线切割机床。
2、数控电火花线切割机床的主要技术参数包括：1）工作台行程(纵向行程×横向行程)；2）最大切割厚度；3）加工表面粗糙度；4）加工精度；5）切割速度；6）数控系统的控制功能等。
工程陶瓷的加工技术目前实际生产中对工程陶瓷所采用的精加工方法通常为机械磨削，仅限于加工平面和回转曲面，极大地限制了工程陶瓷的应用。
所以，目前陶瓷材料的加工技术已成为世界各国研究的热点。
1 研制开发特种加工工艺陶瓷材料的电火花(EDM)加工技术陶瓷材料EDM加工技术的难度远远大于一般金属材料，这是因为陶瓷具有较大的电阻率，超过EDM可加工范围(电阻率ρ<100Ω·cm)：再者陶瓷的熔点很高(Tm>2000℃)，增加了加工的困难。
因此，必须采取以下措施，才有可能实现陶瓷材料的EDM加工：①增大加工电压以提高单个脉冲能量，达到加强电火花蚀除能力的目的：②改进伺服系统信号分辨能力，使其能对开路、放电、短路状态及时作出正确判别，以适应陶瓷加工的特殊要求。
与金属材料相比，陶瓷的组织结构要复杂得多。
因此，电火花加工是一个极其复杂的电、热、流体、化学等综合作用的过程。
电火花成型加工及电火花线切割HP-SiC陶瓷是可行的，但加工速度很低(一般低一个数量级或者更多)。
因此，建议用电火花加工工艺作为HP-SiC陶瓷小余量的型腔、型孔加工或修整手段。
还有文献报道，现在用EDM加工陶瓷的速度已接近用EDM加工金属的速度。
最近进行的实验所用材料包括从高导电陶瓷到各种绝缘陶瓷，绝缘陶瓷在加工时表面喷涂了如Ti-C或Ti-N化合物等导电材料。
采用这么高的速度加工陶瓷减小了材料表面的微观裂纹，提高了加工件的拉伸强度，使常用于减少小批量零件磨削时间的无余量成形不再像过去那么困难。
陶瓷材料的激光加工技术激光用于陶瓷这样超硬材料孔的加工，功率密度为107～108W/cm2，作用时间为10-3～10-5s，经济效益显著。
目前用CO2激光器可在Al2O3陶瓷上打出精确的孔，加工成本大大降低。
采用英国Frumpt公司生产的TLF750 CO2激光器打孔，孔径为，位置公差。
在美国机械工程师年会上，有人提出，CO2激光束热加工可能成为取代目前采用金刚石磨料的陶瓷加工的一种新方法，可以提高铣削工效10～30倍。
非导电工程陶瓷电火花放电蚀除特性的数值模拟1刘永红，于丽丽，徐玉龙，纪仁杰中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营（257061）E-mail：liuyh@摘要：利用放电通道流经非导电工程陶瓷表面时产生的瞬时高温、高压作用来进行蚀除加工的方法是作者新近开发出来的一种加工技术，它具有加工效率高、成本低和对环境无污染等特点。
针对该加工技术建立了非导电工程陶瓷电火花加工过程中温度场和热应力场的数学模型，对非导电工程陶瓷表面上的温度梯度和热应力场特性进行了数值模拟，总结出了单次脉冲放电过程中放电通道在非导电工程陶瓷表面上形成的温度梯度和热应力分布规律。
关键词：非导电工程陶瓷；电火花加工；温度梯度；热应力；数值模拟中图分类号：TG661 文献标识码：A1.引言非导电工程陶瓷因具有硬度高、耐磨、耐腐和质轻等优良性能，而被日益广泛地应用于现代工业、国防和高科技等领域中 [1-2]。
但其高脆性、高硬度和非导电性等给加工带来了极大的困难[3]。
如：机械磨削加工存在成本高、效率低和加工表面易产生微裂纹等问题；超声波加工效率低、工具损耗较严重；激光加工主要适用于切割和打孔，且设备昂贵[4-5]。
目前，国内外学者多集中于研究非导电工程陶瓷电解电火花复合加工技术，该种加工方法是利用电解液中的火花放电作用进行加工的，存在精度差、效率低、易锈蚀机床和对环境有污染等缺陷。
对该种加工技术研究较多的学者有：日本学者土屋八郎、九保田護、近森邦夫，瑞士学者Bhattacharyya B、印度学者Allesu K，以及我国的刘永红和郭永丰等[6-8]。
日本学者福泽康、毛利尚武等利用工具电极与放置在非导电工程陶瓷上的金属辅助电极间的火花放电作用，以及火花放电时的碳化导电作用，在煤油中实现了对非导电工程陶瓷的电火花加工，该研究成果最具有代表性，但仍未达到实用化的程度[9-10]。
日本学者黑松彰雄等开展了机械电解电火花复合磨削技术(MEEC)的研究工作，该复合磨削方法与单纯的机械磨削方法相比具有生产率较高、加工质量好和成本低等优点，但由于加工过程中排出一些有害的电解气体，易污染环境和锈蚀机床，因此未能在实际生产中得到推广应用。
作者研究开发出了利用电火花放电通道流经非导电工程陶瓷表面时产生的高温、高压作用来进行蚀除加工的一种加工技术，该种加工技术具有效率高、成本低和对环境无污染等特点。
其单次脉冲放电加工过程中的温度梯度和热应力场等特性对加工效率、精度和表面质量等有很大的影响，但目前关于此方面的研究成果和文献资料极少，且大都是研究导电材料电火花加工技术的。
本文基于有限元技术对单次脉冲放电加工过程中的温度梯度和热应力场等的特性进行了研究，总结出了相应的规律关系，为生产实际中推广应用该技术提供了一定的理论依据。
2.非导电工程陶瓷电火花加工的物理及数学模型2.1 物理模型非导电工程陶瓷单脉冲放电加工的物理模型如图1所示。
加工时铜片电极和针状钢电极1本课题得到国家自然科学基金资助项目(50675225)和高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20040425504）的资助。
分别与脉冲电源的正、负极相连，铜片电极紧贴在非导电工程陶瓷的表面上，针状钢电极沿陶瓷表面向铜片电极送进，当两极之间的距离达到放电间隙尺度时，极间介质被放电击穿，产生火花放电，由放电通道流经非导电工程陶瓷表面时产生的瞬时高温、高压作用进行蚀除加工。
2.2 数学模型的建立2.2.1 温度场火花放电产生的热量作用在辅助电极和工件上，满足热传导微分方程[11]：)(())((1)(z T T zr T T r r t T T c ∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂λλρ (1) 式中：ρ是密度，kg/m 3；c 是比热，J/kg·℃；λ是导热系数，W/m·℃；T 是瞬时温度，t 是时间变量，r 、z 是空间变量。
边界条件为：⎩⎨⎧>−≤=∂∂−)( )()( 0R r T T h R r q z T λ (2) 式中：q 为加工中作用于铜片电极和非导电工程陶瓷的热流密度，W/m 2；h 为换热系数，W/m 2·℃。
2.2.2 热应力场温度升高引起的应力应变的方程为[12-13]：}){}]({[}{m D −=εσ (3) 式中：[D ]是弹性矩阵，{σ}为应力向量，{ε}为应变向量。
其表达式为：},{}{,xz zz xx T σσσσ= (4)},,{}{xz zz xx T εεεε= (5))21(011}{v TE m t −∆⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=α (6) 铜片电极陶瓷工件热对流 热对流热对流热传导热传导辐射 辐射辐射针状钢电极图1 非导电工程陶瓷单脉冲放电加工的物理模型Fig.1 Physical model of single pulse discharging machining for insulating ceramics⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−−−+=221000101)21)(1(][v vv v v v v E D (7) 式中：E 是杨氏模量，ν是泊松比，t α是热膨胀系数，T ∆是温升。
为了找到变形区，也就是等效热应力大于材料屈服强度的区域，对于偏离的应力区域有如下表达式：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=++−=++−=++−=xzxzyyzz xx zz zz yyzz xx yyyy yyzzxxxxxxS31S 31S31Sσσσσσσσσσσσσσ)()()( (8) 则等效应力为： 22222)(23xzzz yy xx eq S S S S +++=σ (9) 3. 有限元模型的建立3.1 有限元模型及网格划分对放电几何模型进行单元划分时，要考虑两方面的因素。
一方面，放电区域存在很大的温度梯度，如果划分单元过大，计算结果将产生较大误差，甚至计算中会在一个单元内部出现温度不连续的情况；另一方面，为了节省计算时间，在建立模型时，应使用尽量少的计算单元和节点。
因此，在划分网格时对距离热源较近的区域用较细密的网格，对距离热源较远的区域用较稀疏的网格，这样既可以提高计算精度，又可以节省计算时间。
图2为所建立的电火花放电加工电极与陶瓷工件的有限元网格划分模型，图3为铜片电极与陶瓷工件放电区域有限元网格划分模型剖面的局部放大图。
铜片电极陶瓷工件针状钢电极图2 电极与陶瓷工件的有限元模型陶瓷工件3.2 热源模型在导热计算中，为获得较精确的解，须考虑放电时的热源不是点热源，而是有一定尺寸大小的表面热源。
单脉冲电火花加工的热流密度呈高斯分布[14]，可通过下式求得： })(5.4exp{45.422R r RI U q b −=ηπ (10) 式中：U b 为加工电压，I 为加工电流，R 为放电通道半径，η为能量分配系数。
4. 计算结果与分析4.1 铜和Al2O3陶瓷热学物理参数分析计算时所用的铜和Al 2O 3陶瓷材料的热学物理参数如表1所示[15-17]。
表1 铜和Al2O3陶瓷的热学物理参数Tab1 Heat material parameters of copper and Al2O3 ceramicT(℃) 127 327 5279271327192721272727 3227λ铜 392 381 360348348 348 166 166 166 c 铜 398 418 432458490 490 490 382 382 λ陶瓷 26.4 15.8 10.47.07 6.42 6.42 6.42 6.42 6.42 c 陶瓷942 1093 117912561307136914201420 14204.2 温度梯度单次脉冲放电时，铜片电极和Al 2O 3陶瓷工件上的温度场分布情况如图4所示。
图4 铜片电极和Al2O3陶瓷工件上的温度场分布图Fig.4 Temperature field distribution on sheet copper electrode and Al2O3 workpiece图4的上半部分为铜片电极的温度分布，下半部分为陶瓷工件的温度分布。
由图4可以看出，在距离放电点最近的位置（铜片电极与放电点最近的位置）放电温度最高，达13205℃，Al 2O 3陶瓷工件上的最高温度约为10000℃。
高温区范围很小，在离开放电点区大约0.4mm 以外的大部分区域，温度很低。
在放电点附近温度场变化快，温度梯度高，在远离放电点的地方温度场变化缓慢。
图5为不同放电脉冲宽度下，Al2O3陶瓷工件表面上距离放电中心的位置与温度梯度的关系曲线。
由图5可以看出，随着单次脉冲放电宽度的增加，陶瓷表面上的温度梯度增加，同时热影响区的面积也增加，即加工的坑痕面积变大。
这与实际的电火花加工规律关系是一致的，电火花加工中，在其它条件不变的情况下，随著脉冲宽度的增加单次脉冲放电的能量增加，其放电蚀除量增加。
在各种脉冲宽度下，Al2O3陶瓷表面上距离放电中心的位置与温度梯度关系曲线的变化规律关系都是基本一致的，放电中心处的温度梯度最大，在100µs时，最大温度梯度达177M℃/m，在600µs时，最大温度梯度达480M℃/m，如此高的温度梯度是造成材料蚀除和工件表面产生微裂纹的主要原因，在-0.4mm～0.1mm区域以内的温度梯度变图5 陶瓷表面上距离放电中心的位置与温度梯度的关系曲线Fig.5 Relation curve of distance to discharge center on ceramic surface withtemperature gradient.化较快，以外变化较慢，逐渐趋近于0。
图6为不同放电脉冲宽度下，距离Al2O3陶瓷工件上表面深度与温度梯度的关系曲线。
由图6可以看出，随着单次脉冲放电宽度的增加，陶瓷表面上的温度梯度增加，同时热影响区的深度也增加，即加工的坑痕变深。
这与实际的电火花加工规律关系是一致的，电火花加工中，在其它条件不变的情况下，随著脉冲宽度的增加单次脉冲放电的能量增加，其放电蚀除量增加。
在各种脉冲宽度下，距离Al2O3陶瓷上表面的深度与温度梯度关系曲线的变化规律关系都是基本一致的，在上表面处的温度梯度最大，在100µs时，最大温度梯度达177M℃/m，在600µs时，最大温度梯度达480M℃/m，如此高的温度梯度是造成材料蚀除和工件表面产生微裂纹的主要原因，当深度大于0.08mm时，陶瓷上的温度梯度趋近于0。
4.3 热应力图7为不同放电脉冲宽度下，Al2O3陶瓷工件表面上距离放电中心的位置与等效应力的关系曲线。
Fig.7 Relation curve of distance to discharge center on ceramic surface withequivalent thermal stress.由图7可以看出，随着单次脉冲放电宽度的增加，陶瓷表面上的等效应力增加，同时等效应力影响区的面积也增加。
