精密仪器与特种加工-电火花加工

2020/12/7
1．极性效应
➢近年来的生产实践和研究结果表明，正的电极表面的吸附、 覆盖和镀覆作用也是产生极性效应的原因。 例如：纯铜作工具电极，吸附工作液中分解游离出来的碳微 粒，形成碳黑膜（覆盖层）减小电极损耗。
➢极性效应除了受到脉宽、脉间的影响外，还有脉冲峰值电 流、放电电压、工作液以及电极对的材料等都会影响到极性 效应。 其中主要原因是脉冲宽度。
第4章 电火花加工
➢ 概述
基本概念
电火花加工又称放电加工（ Electrical Discharge Machine,简称ＥDM），其加工过程与传统的机械加工 完全不同。电火花加工是一种电、热能加工方法。。
电火花加工的原理是基于工具和工件(正、负电极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金 属。达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定的加 工要求
的关系。用公式表示为:
q=KWMƒфt
式中:
v=q/t=KWMƒ ф
q —在t时间内的总蚀除量（g或mm3）；
ν—蚀除速度（g/min或mm3/min）,亦即工件生产率或工具损
耗速度；
WM—单个脉冲能量（J）； ƒ —脉冲频率（HZ）； t —加工时间（s）； K —与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺系数； ３.金属材料热学常数 ３.金属材料热学常数对电蚀量的影响
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。
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３.金属材料热学常数
➢当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、气 化热愈高，电蚀量将愈少，愈难加工；
➢热导率较大的金属，会将瞬时产生的热量传导散失到其它部位，因 而降低了本身的蚀除量。
图 4-3 极间放电电压和电流波形 a）电压波形 b）电流波形
火花维持电压:火花维持电压是电火花加工中每次火 花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一
般在25 V左右，但它实际是一个高频振荡的电压。
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1 极间介质的击穿和放电通道的形成
➢影响电场强度的因素：初始电子和电场强度 ➢影响电场强度的因素：极间电压和极间距离 ➢雪崩电离过程是由电子的运动决定的
➢极间介质中存在许多杂质 ➢气体击穿理论 ➢气体击穿的原因：一是气体的介电常数小，因此气泡中的 电场强度比液体中的高；二是气体的击穿电场强度比液体低
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1 极间介质的击穿和放电通道的形成
➢从雪崩电离开始，到建立放电通道的过程 非常迅速，一般小于0.1μs，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103～104A/mm2。间隙电压则由击穿电 压迅速下降到火花维持电压（一般约为 25V），电流则由0上升到某一峰值电流 （图4.3b中 2～ 3段）。
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３.金属材料热学常数对电蚀量的影响
➢图4.5示意地描绘了在相同放电电 流情况下，铜和钢两种材料的电蚀量 与脉宽的关系。
图 4.5 不同材料加工时蚀除量
➢从图中可知，当采用不同的工具电极和工件材料时与脉，宽的选关系择脉 冲宽度在t’i附近时，再加以正确选择极性，既可以获得较高 的生产率，又可以获得较低的工具损耗，有利于实现“高效 低损耗”加工。
➢在电火花加工
中极性效应越显
＋
脉 冲 电 源
工 具 电 极
工件电极
工
著越好，这样，
－
具
可以把电蚀量小
电
脉
极
的一极作为工具
冲
电极，以减少工
电
源
工件电极
具电极的损耗。
－
＋
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1 极性效应
产生极性效应的原因很复杂，对这一问题的笼统解释是： ➢在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正 离子的撞击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量 不一样，因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。 ➢在用窄脉冲（即放电持续时间较短）加工时，电子的撞击 作用大于离子的撞击作用，正极的蚀除速度大于负极的蚀除 速度，这时工件应接正极。 ➢当采用长脉冲（即放电持续时间较长）加工时，质量和惯 性大的正离子将有足够的时间加速，到达并撞击负极表面的 离子数将随放电时间的延长而增多；由于正离子的质量大， 对负极表面的撞击破坏作用强，同时自由电子挣脱负极时要 从负极获取逸出功，而正离子到达负极后与电子结合释放位 能，故负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。
ie—脉冲电流幅值（A）； te—电流脉宽（μs）。
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2．电参数
➢提高电蚀量和生产率的途径在于：
√ 提高脉冲频率，增加单个脉冲能量或者说增加平均放 电电流（对矩形脉冲即为峰值电流）和脉冲宽度和减小脉 冲间隔； √ 提高有关的工艺参数Ka、Kc。
在实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系 和对其它工艺指标的影响，例如脉冲间隔时间过短，将产 生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度 值也随之增大等等。
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一 电火花加工的机理
这样以相当高的频率，连续 不断地重复放电，工具电极不断 地向工件进给，就可将工具的形 状复制在工件上，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。
➢工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接。
➢自动进给调节装置3（此处为电动机及丝杆螺母机 构）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙。
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2 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀
➢放电通道是由数量大体相等的带正电（正离子）粒子和带负电粒子（电 子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。 ➢带电粒子高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，通道 中心温度可高达10000°C以上。
➢由于电子流动形成电流而产生磁场，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 阻力，故放电开始阶段通道截面很小，电流密度高达105～107A/cm2,而通 道内由瞬时高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕。
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二 电火花的加工速度和工具的损耗速度
电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀，单 位时间内工件的电蚀量称之为加工速度，亦即生产率；单位时 间内工具的电蚀量称之为损耗速度，它们是一个问题的两个方 面。
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1.加工速度
电火花成形加工的加工速度，是指在一定电规准下， 单位时间内工件被蚀除的体积V或质量m。
5—在负极上熔化并抛出金属的区域
6—负极
7—翻边凸起
8—在工作液中凝固的微粒
9—工作液
10—放电形成的凹坑
➢电极材料抛出是在脉冲持续时间结束后的抛出
➢1）脉冲消失后观察到阳极射线流
➢2）通道形成过程中通道中仅有氢气存在
➢通道的高温高压特性使相变区保持下来，通道消失后高温高压消失，相 变区爆炸性释放
➢抛出材料为球形颗粒
左图表示单个脉冲放电后 的电蚀坑
右图表示多次脉冲放电后 的电极表面
➢当脉冲电压加到两极之间，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介质，在该 局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都 蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图
图4.1 电火花加工原理示意图 1—工件 2—脉冲电源 3—自动进给调节装置 4—工具 5—工作液 6—过滤器 7—工作液泵
➢电极上形成放电痕，熔化层，热影响层，材料基体
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4 极间介质的消电离
➢ 随着脉冲电压的下降，脉冲电流也迅速 降为零，图4.4中4～5段，标志着一次脉冲 放电结束。
➢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，以免下一次总是重复在同一处 发生放电而导致电弧放电，这样可以保证 在其他两极相对最近处或电阻率最小处形 成下一击穿放电通道，这是电火花加工时 所必须的放电点转移原则。
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2．电参数
单个脉冲放电所释放的能量取决于极间放电电
压、放电电流和放电持续时间，所以单个脉冲放电
能量为:
WM＝
te u(t)i(t)dt
0
式中 te—单个脉冲实际放电时间（s）； WM—单个脉冲放电能量（J）。 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）；
4.1所示。
➢脉冲放电结束后，经过一段间隔时间t0，使工作 液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，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，又电蚀出一个小凹坑。
图4.1 电火花加工表面局部放大图
1—凹坑
2—凸边
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1 极间介质的击穿和放电通道的形成
➢当单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值愈小，脉冲宽度愈长，散失 的热量也愈多，从而使电蚀量减少；
➢若脉冲宽度愈短，脉冲电流幅值愈大，由于热量过于集中而来不及 传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比例增大， 多耗用了气化热，电蚀量也会降低。
因此，电极的蚀除量与电极材料的热导率以及其它热学常数、放 电持续时间、单个脉冲能量等有密切关系。
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2．电参数 电参数主要是指电压脉冲宽度ti、电流脉冲宽度te、脉冲
间隔to、脉冲频率ƒ、峰值电流ie、开路电压和脉冲的前沿上升 率和后沿下降率。
对蚀除影响的综合作用规律用脉冲能量的大小和变化率来 描叙。
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2．电参数
在电火花加工过程中，无论正极或负极都存在单个
脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比
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2．电参数
火花维持电压是一个与电极对材料和工作液种类 有关的数值（煤油中纯铜加工钢为25V，石墨加工 钢为30-35V，乳化液中钼丝加工钢16-18V）