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火花加工简述 电电火花加工简述 ．．．．．．．．．．．．．．
传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用,但是随着科学技术和生产发展的需要，很多工业部门，尤其是国防工业部门要求尖端科学技术产品向高精度、高强度、高速度、高温、高压、大功率和小型化等方向发展,它们要求机械制造部门解决各种难加工材料（如硬质合金、高强度合金、耐热钢、硬韧表面涂层、陶瓷及金刚石等）的加工；解决各种特殊复杂表面（如涡轮机叶片、模具型腔、喷丝头的小孔窄缝等）的加工；解决各种具有特殊要求的零件（如高精度的薄壁零件、弹性元件等）的加工等一系列问题。这些问题仅靠传统加工方法是很难解决的,有些甚至是无法实现的。因而产生了电火花加工,它具有切削加工不具有的特点：1)不是主要依靠机械能,而是主要用其他能量(如电化学、光、声、热等)去除金属材料；2)工具硬度可以低于被加工材料的硬度；3)加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，正因为电火花加工具有的这种特点，所以电火花加工得到了广泛的应用。下面我要详细介绍一下电火花加工。
大家都知道,当两个不同极性的带电电极靠近到一定距离（几个微米到几十微米），其间隙中的绝缘就会被破坏，而出现蓝白色的火花，这种现象称为火花放电。电火花现象在日常生活中经常可以看到，例如在插头或电器开关触点断开时，往往出现火花放电而将接触部分熔化,腐蚀而损坏，这种现象称为电腐蚀。利用这种电腐蚀现象作为一种加工方法，就称为“电火花加工”。但要将这种现象作用于尺寸加工，还必须创造条件来解决下列问题：
1.在脉冲放电必须有足够大的能量密度，使金属局部熔化和气化，并为使能量集中，通常在绝缘液体介质中进行。
2.放电形式应是脉冲的，脉宽一般为0.1-3000us,使脉冲放电使产生的绝大部分热量来不及从极微小的局部加工区扩散到非加工区。
3.必须把加工过程中所产生的电蚀产物及余热等从微小的电极间隙中排除出去，否则加工将无法正常地连续进行。
4.在每次脉冲放电之间的脉冲间隔内，电极间的介质必须来得及消电离，使下一个脉冲能在两极间另一“相对最靠近点”处击穿放电，以避免总是在同一点上放电而形成稳定电弧，从而使工件的形状尺寸逐点无限趋近于工具电极的形状尺寸。
上述问题的综合解决是通过电火花加工设备来实现的。目前电火花加工设备已非常先进，且类型较多，如电火花成形加工机床、电火花线切割加工机床等，但电火花加工机床主要由脉冲电源、机床本体、工作液循环过滤系统、间隙自动调节器四大部分组成。
脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙所须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，是电火花加工机床的心脏，应给予足够的重视。脉冲电源应满足以下工艺要求：
1.有较高的加工速度。不但要在粗加工时有较高的加速度，在精加工时也应有较高的加工速度
2.工具电极损耗低。粗加工时应实现电极低损耗，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，而且要适应不同的工件材料的加工，以及采用不同工具电极材料进行加工的要求。
脉冲电源要都满足上述各项要求是困难的，一般说来，为了满足这些总的要求，还有些具体要求：(1).所产生的脉冲应是单向的，没有负半波或负半波很小，这样一来才能最大限度地利用极性效应，提高生产率和减少工具电极的损耗。(2).脉冲电压波形的前后沿应该较陡，这样才能减少点极间隙的变化及油污程度等对脉冲放电宽度和能量等参数的影响，使工艺过程较稳定。因此常采用矩形波脉冲电源。
(3).脉冲的主要参数、如峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等应能在很宽的范围内可以调节，以满足粗、中、精加工的要求。
(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问题，还要考虑节省电能。
机床主体用来夹固工件和工具，实现工件与工具之间的精确的相对运动。包括床身、工作台、立柱、主轴头等。电火花加工虽没有机械切削力，但为了保证加工精度，机床的机械传动件和支承件应有一定的刚度，一般不作强度验算，当使用大型机床加工大型工件时，需从采料和结构方面充分考虑机床的刚性。床身工作台面与立柱导轨面间应有一定的垂直度要求，还应有较好的精度保持性，这就要求导轨具有良好的耐磨性和充分消除采料内应力等。
工作液循环过滤系统包括工作液箱、电动机、泵、过滤装臵、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散、定期抬刀以及使工具电极附加振动等排除外，常采用强迫循环的办法加以排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度，此外也可带走一部分热量。工作液应有一定的介电能力，教好的冷却、洗涤、防锈、灭弧及游离性能、无毒等。成形加工常用的工作液有煤油、锭子油及其混合油，也可用去离子水或其他水质工作液。工作液会越用越脏，必须加以净化、过滤，否则将影响加工性能。具体做法有：自然沉淀法，但是这种方法速度太慢，周期太长，只用于单件小用量或精微加工；介质过滤法，此法常用黄沙、木屑、棉纱头、过滤纸、硅藻土、活性碳等为过滤介质。这些介质各有优缺点，但对中小型工件、加工用量不大时，一般都能满足过滤要求，可就地取材，因地制宜。其中以过滤纸效率较高，性能较好，已有专用纸过滤装臵生产供应；高压静电过滤、离心过滤法等，这些方法技术上比较复杂，采用较少。目前生产上应用的循环系统形式很多，常用的工作液循环过滤系统应可以冲油，也可以抽油，目前国内已有多家专业工厂生产工作过滤循环装臵。
间隙自动调节器的脉冲放电必须在一定的间隙下才能产生，两极间短路或断路（间隙过大）都不可能产生，并且，放电间隙的大小对电蚀效果有一最佳值，加工中应将放电间隙控制在最佳间隙附近。但随着电火花加工的进行，工件和工具电极表面不断被蚀除，放电间隙逐渐增大，因此，在加工过程中必须使工具电极不断向工件靠拢；当电极间短路时，工具电极必须迅速离开工件，而后重新调整到合理间隙；当加工条件变化时，引起实际放电间隙的变化，工具电极的进给也随之作出相应的反应。显然，采用手动调节是无法满足要求的。为此，需采用自动调节器控制安装工具电极的主轴头，以自动调整工具电极的进给，经常自动方维持工具电极与工件之间的合理间隙。间隙自动调节器常用的传动方式有两种：电机传动方式和液压传动方式。液压传动方式的刚性好，灵敏度高，在电火光成形机床中应用较普遍。电火光加工是靠局部电热效应实现加工的，其主要特点有：
1.加工时无显著切削力，适于加工小孔、薄壁、窄槽及各种复杂的形孔、型腔和曲线孔等，也适于精密微细加工；不受加工材料硬度的限制，可以加工任何硬、脆、软的导电材料。2.当脉冲电源的脉冲宽度不大时，对整个工件而言，几乎不受热影响。因此，工件的热影响层很薄，有利于提高表面质量，也可加工热敏感性很强的材料。
3.脉冲参数可以任意调节，加工中只要更换工具电极或采用阶梯形工具电极，就可以在同一台机床上通过改变规准连续进行粗、半精和精加工。精加工的尺寸精度可达0.01mm，表面粗糙度为0.8um；微精加工的尺寸精度可达0.002-0.004mm，表面粗糙度为 0.1-0.05um。
4.由于直接使用电能加工，便于实现加工的自动化。
5.电火花加工的速度、精度、表面粗糙度及工具电极的损耗等与许多因素有关，包括脉冲电源的脉冲宽度、单个脉冲容量、电极的极性、电极的材料、工作液成份及排屑条件等等。并且，降低表面粗糙度与提高加工速度是相互矛盾的，通常降低一级表面粗糙度，加工速度要成倍甚至数十倍地下降，尤其在精加工时更为明显。因此，加工时，要根据被加工零件的材质和工艺要求进行综合考虑，合理地选择上述各项参数和加工条件。
虽然电火花加工有很多的优点，但它也有它的局限性： 1.主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可加工半导体材料。
2.一般加工速度较慢，因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率，但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，其生产率可不亚于切削加工。3.存在电极损耗，由于电极损耗多集中在尖角或底慢，影响成型精度，但近年来粗加工已能将电极相对损耗比例降到目前为0.1%以下，甚至更小。
火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的呢？这一微观的物理过程即所谓电火花加工的机理，也就是电火花加工的物理本质。了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工的基本规律，才能对脉冲电源、进给装臵、机床设备等提出合理要求，从大量实验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶化学等综合作用的过程，这一过程大致可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解，电极材料熔化，气体化膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。
1.极间介质的电离,击穿形成放电通道,液体介质中不可避免地含 有某种杂质(如金属微粒、碳粒子、胶体粒子等)，也有一些自由电子,使介质呈现一定的电导率,在电场作用下,这些杂质将使极间电场更不均匀,当阴极表面某处的电场强度增加到105v/mm即100v/um 左右时,就会产生电场电子发射,由阴极表面向阳极逸出电子,在电场作用下负电子高速向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子,产生碰撞电离，形成带负电的粒子和带正电的粒子，导致带电粒子学崩式增多，使介质击穿形成放电通道。放电通道是由数量大体相等的带正电(正离子)和带负电(电子)以及中性粒子(原子或分子)组成等离子体。2.介质热分解,电极材料熔化,气体热膨胀,极间介质一旦被击穿,电离,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熔化材料。
3.电极材料的抛出,由于高温使金属熔化,汽化,产生高压把金属杂质排入工作液。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，形成一个扩张的“气泡”，气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的容熔金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中。实际上金属材料的抛出过程远比上述的要复杂。放电过程中工作液不断气化，正极受电子撞击、负极受离子撞击，电极材料不断熔化，气泡不断扩大。当放电结束后，气泡温度不再升高，但由于液体介质惯性作用使气泡继续扩展，致使气泡内压力急剧下降，甚至降到大气压以下，形成局部真空，使在高压下溶解在熔化和过热材料中的气体析出，以及材料本身在低压下再沸腾。由于压力的骤降，使熔融金属材料及其蒸气从小坑中再次爆沸飞溅而被抛出。总之，材料的抛出是热爆炸力、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。
4.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,标志一次脉冲放电结束,但此后仍应有一段间隔时间使间隙消电离,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次击穿放电通道。
电火花加工中还有一些基本规律。在加工过程中，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。
放电蚀除时，阳极和阴极表面分别受到电子和离子的轰击即瞬时热源的作用，因此它们都遭到电蚀除，但阴阳两极的电蚀除量是不一样的，这种两极蚀除量不一样的现象称为极性效应。一般认为电子的质量小，在短时间内可获得较大的速度，但由于加速度大，即使放电时间很短，大量电子也能达到阴极表面而进行轰击。离子的质量大，加速度小，如放电时间短，部分离子就来不及达到并轰击阳极表面，所以在放电时间短时，离子对阴极的轰击程度不如电子对阳极的轰击。但当放电时间达到一定程度时，离子也有足够的时间到达阴极面，并可获得较大的速度，加上它的质量大，因而离子对阴极的轰击程度远远大于电子对阳极的轰击。阴阳两极的蚀除量不仅与放电时间或脉冲宽度有关，而且还与电极材料及单个脉冲能量等因素有关。在电火花加工过程中极性效应愈显著愈好，必须充分利用极性效应，合理选择加工极性，以提高加工速度及减少工具电极的损耗。在习惯上，通常把工件接正极称为正极性加工，工件接负极的加工称为负极性加工。研究表明，在电火花加工过程中无论正极或负极，都存在单个脉冲的电蚀量与单个脉冲能量在一定范围内成正比的关系。某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲除量总和，故正、负极的金属材料热学常数对电蚀量也有一定的影响。所谓的热学常数是指熔点、沸点、热导率、比热容、熔化热、气化热等。
在电火花加工过程中，工作液的作用是：形成火花击穿放电通道，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；对工件、工具的冷却作用；因而对电蚀量也有较大的影响。
影响电蚀量的还有其他一些因素，如加工过程的稳定性、加工面积的大小、电极材料、电极材料瞬时熔化或气化而抛出，这些都对电蚀量有一定影响。
影响加工精度的因素很多，除电火花加工机床的机械结构，机械传动以及装夹定位的误差外，影响精度的主要因素有下述几方面：
恒定的侧向间隙可以不影响加工精度，但在加工过程中，有关参数不可避免地要发生变化，特别排屑条件及放电间隙中的电蚀产物浓度的变化，导致各处二次放电机会不同，造成侧向间隙的不均匀，形成斜度和不圆度。提高脉冲峰值电压和增大单个脉冲能量都会导致侧向间隙的增大，粗加工时，因脉冲电流大，脉宽大，所以侧面间隙也大；精加工时，侧面间隙较小。
工具电极的损耗直接影响加工精度，损耗愈小，加工精度愈高。由于尖端部分电场强度大而出现尖端放电现象，因此尖角和棱边的工具电极损耗比较大，故影响仿形精度。脉冲电压虽高，以及单个脉冲能量愈大，影响就愈大。
电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分。表面粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单个脉冲能量愈大，粗糙度愈低。电火花加工后的工件表面，是脉冲放电时所形成的大量凹穴的重叠结果；电火花加工后，工件表面的物理、化学和机械能有所变化，变化层的深度与工件材料及电参数有关。单个脉冲能量愈大及脉冲宽度愈宽变化层愈深。未经淬火的钢材在电火花加工后表面有淬火现象，硬度高而耐磨。淬火经电火花加工后，表面出现二次淬火层和热影响层。由于电参数、冷却条件及材料的原来热处理不同，表面硬度有时降低，有时有不同程度的提高；加工硬质合金和金属陶瓷等硬脆材料，容易产生表面裂纹。工件材料愈脆，单个脉冲能量愈大，脉冲宽度愈宽愈容易产生裂纹。反之，则不易产生裂纹。根据不同的工件材料，合理地选择脉冲参数及工艺过程，可以妥善解决电火花加工中的表面裂纹问题。
最后我将简单介绍一下电火花加工的工艺方法、分类及应用范围。工艺方法有电火花成形加工和电火花线切割加工。电火花成形加工又分为穿孔和型腔加工两大类：穿孔是电火花加工中应用最广的一种，常用来加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等；型腔加工是对锻模、压铸模、挤压模、胶木和塑料压模等型腔加工及整体式叶轮、叶片等曲面零件的加工。线切割加工是利用一根运动着的细金属丝（直径从0.02-0.3mm的钼丝或黄铜丝）作工具电极，并在金属丝与工件间通以脉冲电流，使工件产生电蚀而进行切割加工。
由于生产发展的需要，除上述两种方法外，先后出现了许多形式的电火花加工方法，主要有：电火花磨削、电火花铣削和电火花共轭回转加工等诸多方法，可用于加工精度及表面粗糙度要求较高的小孔、外圆和小模数滚刀等。利用工具电极和工件在气体介质中进行放电的办法来强化刀具、量具和模具的刃口，还可以在各种金属工具和产品上打印标记和图形。多孔加工，用许多黄铜丝组成的刷子电极，一次可加工数万个小孔。次外，还扩展到对半导体材料和非导体材料的加工，如加工锗、硅、金刚石及各种人造宝石等。
利用电火花加工比传统加工方法更加先进，这足以看出电火花加工的优越性。
综上所述,电火花加工有很多优点,所以我们要好好学习这门课程,为将来国家发展尽一份微薄之力.
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