2.6电火花成型加工的基本工艺规律

2.6　电火花成型加工的基本工艺规律

电火花加工是靠电能瞬时、局部转换成热能来熔化和汽化而蚀除金属的，与靠刀具或模具切削时金属的塑性变形或脆性断裂去除表层材料的机械加工的原理和基本规律完全不同。只有了解和掌握电火花加工中的基本工艺规律，才能正确地针对不同工件材料选用合适的工具电极材料，才能合理地选择粗、中、精电加工参数和规准，才能提高电火花加工的生产率，降低工具电极的损耗。

2.6.1　影响放电蚀除量的主要因素

电火花加工过程中，材料被放电蚀除规律是十分复杂的综合性问题。影响金属蚀除量的主要因素有极性效应、放电参数、电极材料、工件材料及其他因素。

(1)极性效应

在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。即使是相同材料(如钢加工钢)，极性不同电蚀量也不相同。因此，单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象，称为极性效应。如果把工件接脉冲电源的正极(工具电极接负极)时，称“正极性”加工；反之，工件接脉冲电源的负极(工具电极接正极)时，称“负极性”加工，又称“反极性”加工。

产生极性效应的原因很复杂，对这一问题的原则性解释如下:

①蚀除能量在两极分配不均匀。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轰击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配的能量不一样，因而熔化、汽化抛出的电蚀量也不一样。

②大量电子(非常轻)高速轰击工件阳极，离子(重)低速奔向负极，从而导致工件蚀除快，工具蚀除慢。由于电子的质量和惯性均小，容易获得很大加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给阳极表面，使电极材料迅速熔化和汽化；而正离子由于质量和惯性较大，启动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面，只有一小部分到达负极表面。

在采用短脉冲加工时，负电子对正极的轰击作用大于正离子对负极的轰击作用，正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度，这时工件应接正极；在采用长脉冲(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，到达并轰击负极表面的离子数将随放电时间的增长而增多。由于正离子的质量大，对负极表面的轰击破坏作用强，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，故长脉宽时负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。因此，当采用窄脉冲(如纯铜电极加工钢时，t_i＜10 μ s )精加工时，应选用正极性加工；当采用长脉冲(如纯钢加工钢时，t_i＞80 μ s)粗加工时，应采用负极性加工，可获得较高的蚀除速度和较低的电极损耗。

研究表明，当采用负极性加工时，此时工具为正极，可吸附从煤油中游离出的碳微粒，形成黑膜减少电极损耗。例如，纯铜的电极加工钢工件，当脉宽为8 μ s时，通常的脉冲电源必须采用正极性加工，但在分组脉冲进行加工时，虽然脉宽也为8 μ s，却需采用负极性加工，因为这时在正极纯铜表面明显地存在着吸附的炭黑膜，因而使钢工件的蚀除速度大大超过了正极。在普通脉冲电源上的实验也证实了炭黑膜对极性效应的影响。当脉宽为12 μ s、脉间为15 μ s时，往往正极蚀除速度大于负极，应采用正极性加工，当脉宽不变，逐步把脉间减少(应配之以抬刀，以防止拉弧)，有利于炭黑膜在正极上形成，使负极蚀除速度大于正极而必须改用负极性加工。实际上是极性效应和正极性吸附炭黑之后对正极的保护作用的综合效果。

由此可知，极性效应是一个较为复杂的问题。它除了受脉宽、脉间的影响外，还要受到正极吸附炭黑保护膜和脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极的材料等影响。

从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好，故在电火花加工过程中必须充分利用极性效应。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了电极的损耗。因此，电火花加工一般采用单向脉冲电源。

图2.35　晶体管脉冲电源电压、电流波形

除了充分地利用极性效应、正确地选用极性、最大限度地降低工具电极的损耗外，还应合理选用工具电极的材料，根据电极对材料的物理性能和加工要求选用最佳的电参数，使工件的蚀除速度最大，工具损耗尽可能小。

(2)电参数对电蚀量的影响

电参数指放电加工时人为选择的参数，主要是指电压脉冲宽度t_i、电流脉冲宽度(或放电时间)t_e、脉冲间隔t₀、脉冲频率f、峰值电流i^＾_e、峰值电压u＾_i和极性等。如图2.35所示上部为脉冲电源的空载、火花放电、短路的电压波形，其下对应的为空载电流、火花放电电流和短路电流；其中有击穿延时t_d，脉冲周期t_p，短路峰值电流。

研究结果表明，电参数中起最大作用的是电流脉冲宽度和放电峰值电流。单个脉冲的放电能量等于电流脉冲宽度乘以峰值电流。在连续的电火花加工过程中，无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量q′与单个脉冲能量WM在一定范围内成正比的关系。某一段时间内的总蚀除量q约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和，故正、负极的蚀除速度与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。用公式表示为

电极的蚀除量

电极的蚀除速度

式中　q_a，q_c——正极、负极的蚀除量；

　　　v_a，v_c——正极、负极的蚀除速度，也即工件生产率或工具损耗速度；

　　　W_M——单个脉冲能量；

　　　f——脉冲频率；

　　　t——加工时间；

　　　K_a，K_c——与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺系数；

　　　φ——有效脉冲利用率，单位时间内有效火花脉冲个数与该单位时间内的总脉冲个数之比。

注意:a表示正极，c表示负极。

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，单个脉冲放电能量为

式中　t_e——单个脉冲实际放电时间；

　　　u(t)——放电间隙中随时间而变化的电压；

　　　i(t)——放电间隙中随时间而变化的电流；

　　　W_M——单个脉冲放电能量。

由于火花放电间隙电阻的非线性特性，击穿后间隙上的火花维持电压是一个与电极材料及工作液种类有关的数值。例如，在煤油中用纯铜加工钢时约为25 V，用石墨加工钢时为25～30 V；而在乳化液中用钼丝加工钢时则为18～20 V。火花维持电压与脉冲电压幅值、极间距离以及放电电流大小等的关系不大，因而可以说，正负极的电蚀量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽；对于矩形波脉冲电流，实际上正比于放电电流的幅值。在通常的晶体管脉冲电源中，脉冲电流近似地为一矩形波，故当纯铜电极加工钢时的单个脉冲能量为

式中　——脉冲电流幅值，A；

　　　t_e——电流脉宽。

由此可知，提高电蚀量和生产率的途径:提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量WM，或者增加单个脉冲平均放电电流(对矩形脉冲即为峰值电流)和脉冲宽度t_i；适当的脉冲间隔t₀，脉冲间隔太大，会影响放电频率，从而降低平均蚀除率，脉冲间隔太小，热量没有充分利用，也会影响平均蚀除率；设法提高系数K_a，K_c。当然，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他工艺指标的影响。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，加工表明粗糙度值也随之增大，等等。

(3)金属材料热学物理常数对电蚀量的影响

所谓热学常数，是指熔点、沸点(汽化点)、热导率、比热容、熔化热、汽化热等，如表2.4所示为几种常用材料的热学物理常数。

表2.4　常用材料的热学物理常数

图2.36　铜、钢材料的脉宽与蚀除量的关系

每次脉冲放电时，通道内及正、负极电极放电点所获得的热能，除一部分由于热传导散失到电极其他部分和工作液中外，其余部分将依次消耗在:

①使局部金属材料温度达到熔点(比热容)。

②熔化材料所需热量(熔化热)。

③使熔化的金属升温到沸点(比热容)。

④使熔融金属汽化(汽化热)。

⑤使金属蒸汽转变为过热蒸汽(比热容)。

显然当脉冲放电能量相同时，一方面，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，则电蚀量越小，其加工的难度就越大；另一方面，热导率越大的金属，由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部分，因而降低了本身的蚀除量，也不易加工。各种金属材料电火花加工的难易程度依次为钨、铜、银、钼、铝、铂、铁、镍、不锈钢、钛，而且单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值越小，即脉冲宽度t_i越长，散失的热量也越多，从而影响电蚀量的减少；相反，若脉冲宽度t_i越短，脉冲电流幅值越大，由于热量过于集中而来不及扩散，虽然散失的热量减少，但抛出的金属中汽化部分比例增大，多耗用不少汽化热，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他热学常数、放电持续时间、单个脉冲能量有密切关系。由此可知，当脉冲能量一定时，都各有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽。由于各种金属材料的热学常数不同，故获得最大电蚀量的最佳脉宽还与脉冲电流幅值有相互匹配的关系，它将随脉冲电流幅值的不同而不同。

如图2.36所示，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。从图中可知，当采用不同的工具、工件材料，选择脉冲宽度在t_i附近时，正确地选择极性，既可获得较高的生产率，又可获得较低的工具损耗，有利于实现“高效低损耗”的加工。

(4)工作液对电蚀量的影响

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出，对工具、工件的冷却作用。因而它对电蚀量有较大的影响，介电性能好、密度和黏度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电能量密度，强化电蚀产物的抛出效果；但黏度大，不利于电蚀产物的排出，影响正常放电。目前电火花成型加工主要采用油类为工作液，粗加工时采用的脉冲能量大，加工间隙也较大、爆炸排屑抛出能力强，往往选用介电性能、黏性较大的机油，且机油的燃点较高，大能量加工时着火燃烧的可能性小；而在中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故一般均选用黏度小、流动性好、渗透性好的复合油作为工作液。因此，工作液的种类和性能、选择的冲抽油流速流量、进给是否稳定等，都会对电蚀量产生影响。

(5)影响电蚀量的一些其他因素

影响电蚀量的其他因素主要是加工过程的稳定性，具体表现在以下4个方面:

①影响稳定性最大的是电火花加工的自动进给和调节系统，以及正确加工参数的选择和调节。加工过程不稳定将干扰以至破坏正常的火花放电，使有效脉冲利用率降低。随着加工深度、加工面积的增加或加工型面复杂程度的增加，都不利于电蚀产物的排出，影响加工稳定性，降低加工速度，严重时将使结炭拉弧，使加工难以进行。为了改善排屑条件，提高加工速度和防止拉弧，常采用强迫冲油和工具电极定时抬刀等措施。

②如果加工面积较小，而采用的加工电流较大，也会使局部电蚀产物浓度过高，放电点不能分散转移，放电后的余热来不及传播扩散而积累起来，造成过热，形成电弧，破坏加工的稳定性。

③电极材料对加工稳定性也有影响，钢电极加工钢时电极间隙容易磁化，吸附铁屑，加工不易稳定，纯铜、黄铜加工钢时则比较稳定。

④电火花加工过程电极材料瞬时熔化或汽化而抛出，如果抛出速度很高，就会冲击另一电极表面而使蚀除量增大；如果抛出速度较低，则当喷射到另一电极表面时，会反黏和涂覆在电极表面，减少其蚀除量；炭黑膜的“保护”作用的形成也将影响到电极的蚀除量；脉冲电源的波形及其前后沿徒度影响着输入能量的集中或分散程度，对电蚀量也有很大影响；如果工作液是以水溶液为基础的，如去离子水、乳化液等，还会产生电化学阳极溶角和阴极电镀沉积现象，影响电极的蚀除量。

2.6.2　加工速度和电极损耗速度

电火花加工时，工件和工具同时受到不同程度的电蚀。单位时间内工件材料的电蚀量称为加工速度，也即上产率；单位时间内工具材料的电蚀量称为损耗速度。它们是一个问题的两个方面。

(1)加工速度

一般常用体积加工速度v_W(mm³/min)来表示，即用被加工掉的体积V除以加工时间t来表示，即

有时为了测量方便，也采用质量加工速度v_m来表示，单位为g/min。或直线加工速度v_L，单位为mm³/min。

根据前面对电蚀量的讨论，提高加工速度的途径在于:提高脉冲频率f；增加单个脉冲能量Wm；设法提高工艺系数K。同时，还应考虑这些因素间的相互制约关系和其他工艺指标的影响。

提高脉冲频率可缩小脉冲停歇时间，但脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离、排除电蚀产物及气泡来恢复其介电性能，以致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常进行。

增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。单个脉冲能量的增加可提高加工速度，但同时会增大表面粗糙度和降低加工精度，因此一般只用于粗加工和半精加工的场合。提高工艺系数K的途径很多，如合理选用电极材料、电参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等，从而提高有效脉冲利用率φ ，达到提高工艺系数K的目的。

电火花成型加工速度分别为粗加工(加工表面粗糙度R_a为10～20 μm)可达到200～300 mm³/min；半精加工(加工表面粗糙度R_a为10～2.5 μm)可达到20～100 mm³/min；精加工(加工表面粗糙度R_a为2.5～0.32 μm)可达到10 mm³/min，以下。其规律是随着表面粗糙度数值下降，加工速度明显降低。

(2)工具电极相对损耗速度和相对损耗比

在生产实际中用来衡量工具电极是否损耗，不只是看工具损耗速度v_E，还要看同时能达到的加工速度v_W。因此，采用相对损耗或称损耗比作为衡量工具电极损耗的指标，即

式中，加工速度和损耗速度均以mm³/min为单位计算，则θ为体积相对损耗；如以g/min为单位计算，则θ为质量相对损耗；表2.5说明了表面粗糙度与最小加工余量的关系。

1)正确选择极性

一般来说，在短脉冲精加工时采用正极性加工(即工件接电源正极)，而在长脉冲粗加工时则采用负极性加工。

人们曾对不同脉冲宽度和加工极性的关系做过许多实验，得出实验曲线。试验用的工具电极为矱6 mm的纯铜，加工工件为钢，工作液为煤油，矩形波脉冲电源，加工电流峰值为10 A。如图2.37所示，负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽度大于120 μ s后，电极相对损耗将小于1%，可实现低损耗加工(相对损耗小于1%的加工)。如果采用正极性加工，不论采用哪一挡脉冲宽度，电极相对损耗都难以低于10%。然而在脉宽小于15 μ s的窄脉宽范围内，正极性加工的工具电极相对损耗比负极性加工的小。

表2.5　表面粗糙度与最小加工余量的关系

图2.37　电极相对损耗与极性、脉宽的关系

1—正极性加工；2—负极性加工

2)利用吸附效应

在用煤油之类的碳氢化合物作工作液时，在放电过程中将发生热分解，而产生大量的游离碳微粒，还能和金属结合形成金属碳化物的微粒，即胶团。中性的胶团在电场作用下可能与其可动层(胶团的外层)脱离，而成为带电荷的碳胶粒。电火花加工中的碳胶粒一般带负电荷，因此，在电场作用下会逐步像正极移动，并吸附在正极表面。如果电极表面瞬时温度在400℃左右，且能保持一定时间，即能形成一定强度和厚度的化学吸附碳层，通常称为炭黑膜。由于碳的熔点和汽化点很高，可对电极起到保护和补偿作用，从而实现“低损耗”加工。

由于炭黑膜只能在正极表面形成，因此，要利用炭黑膜的补偿作用来实现电极的低损耗，必须采用负极性加工。为了保持合适的温度场和吸附炭黑的时间，增加脉冲宽度是有利的。试验表明，当峰值电流、脉冲间隔一定时，炭黑膜厚度随脉宽的增加而增厚；而当脉冲宽度和峰值电流一定时，炭黑膜厚度随脉冲间隔的增大而减薄。这时由于脉冲间隔加大，正极吸附炭黑的时间缩短；引起放电间隙中介质消电离作用增加，胶粒扩散，放电通道分散；电极表面温度降低，都使“吸附效应”减少。反之，随着脉冲间隔的减少，电极损耗随之降低。但过小的脉冲间隔将使放电间隙来不及消电离和使电蚀产物扩散，因而造成电弧烧伤。

影响“吸附效应”的除上述电参数外，还有冲、抽油的影响。采用强迫冲、抽油，有利于间隙内电蚀产物的排除，使加工稳定；在强迫冲、抽油使吸附、镀覆效应减弱，因而增加了电极的损耗。因此，在加工过程中采用冲、抽油时，要注意控制其冲、抽油的压力，使其不要过大。

3)利用传热效应

对电极表面温度场分布的研究表明，电极表面放电点的瞬间温度不仅与瞬间放电的总热量(与放电能量成正比)有关，而且与放电通道的截面积有关，与电极材料的导热性能有关。因此，在放电初期限制脉冲电流的增长率对降低电极损耗是有利的，可使电流密度不至于太高，也就使电极表面温度不至于过高而遭受较大的损耗。脉冲电流增长率太高时，对在热冲击波作用下易脆裂的工具电极(如石墨)的损耗，影响尤为显著。另外，由于一般采用的工具电极的导热性能比工件好，如果采用较大的脉冲宽度和较小的脉冲电流进行加工，导热作用使电极表面上较低而减少损耗，工件表面上仍较高而遭到蚀除。

4)选用合适的材料

如表2.6所示，钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格低廉，故除线切割用钨钼丝外，其他很少采用。铜的熔点虽然较低、但其导热性好，因此损耗也较少，又能制成各种精密、复杂的电极，常作为中、小型腔加工的工具电极。石墨电极不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗，故相对损耗很低，目前已广泛用作型腔加工的电极。铜碳、铜钨、银钨合金等复合材料，不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小，但由于其价格较贵，制造成型比较困难，因而一般只在精密电火花加工时采用。

表2.6　电火花加工常用电极材料的性能

最佳峰值电流宽度随脉冲能量的增加而增大。根据实际生产经验，在煤油中采用负极性粗加工时，当峰值电流与脉宽之比(/t_e)满足下列条件时，可获得低损耗加工:

石墨加工钢

铜加工钢

钢加工钢

在以上经验公式中，只要选用合适的脉间能保持稳定加工而不出现电弧放电，在生产中有很大的参考价值。式中，以电压脉宽t_i代替t_e，以便参数的设定。

2.6.3　影响加工精度的因素

影响电火花加工精度的主要因素有:放电间隙的大小及其一致性(间隙变化影响加工精度)；工具电极的损耗及其稳定性；放电参数的影响、加工规准(粗加工、精加工)；电蚀产物导致的“二次放电”；伺服进给机构工作的稳定性，等等。

电火花加工时，工具电极与工件之间存在着一定的放电间隙，如果加工过程中放电间隙保持不变，则可以通过修正工具电极的尺寸对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。然而，放电间隙的大小实际上是变化的，影响着加工精度。

放电间隙可利用经验公式表示为

式中　S——放电间隙(指单面放电间隙)，μm；

　　　——开路电压，V；

　　　K_u——与工作液介电强度有关的常数，纯煤油时为5×10^－2，含有电蚀产物后K增大；

　　　K_R——与加工材料有关的常数，一般易熔金属的值较大，对铁，K＝2.5×10²，对硬质合金，K_R＝1.4×10²，对铜，K＝2.3×10²；

　　　WM——单个脉冲能量，J；

　　　S_m——考虑若膨胀、收缩、振动等影响的机械间隙，约3 μm。除了间隙能否保持一致性外，间隙大小对加工精度(特别是仿形精度)也有影响，尤其是对复杂形状的加工表面，棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。因此，为了减少加工误差，应该采用较弱小的加工规准，缩小放电间隙，这样不但能提高仿形精度，而且放电间隙越小，可能产生的间隙变化量也越小；另外，还必须可能使加工过程稳定。电参数对放电间隙的影响是非常显著的，精加工的放电间隙一般只有0.01 mm(单面)，而粗加工时则为0.5 mm左右。

工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时，电极可贯穿型孔而补偿电极的损耗，型腔加工时则无法采用这一方法，精密型腔加工时可采用更换电极的方法。

影响电火花加工形状精度的因素还有“二次放电”。二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非必要的放电，它使加工深度方向产生斜度和加工棱角棱边变钝。产生加工斜度的情况如图2.38所示，由于工具电极下端部加工时间长，绝对损耗大，而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二次放电”的几率大，而使放电间隙扩大，因而产生了加工斜率，俗称喇叭口。

图2.38　电火花加工时的加工斜度

1—电极无损耗时工具轮廓线；2—电极有

损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线

电火花加工时，工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上，这是因为当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的概率大，容易遭受腐蚀而成为圆角，如图2.39(a)所示。当工具为尖角时，一则由于放电间隙的等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心、放电间隙S为半径的圆弧；二则工具上的尖角本身因尖端放电蚀除的概率大而损耗成圆角，如图2.39(b)所示。采用高频窄脉宽精加工，放电间隙小，圆角半径可明显减少，因而提高了仿形精度，可获得圆角半径小于0.01 mm的尖棱，这对于加工精密小模数齿轮等冲模是很重要的。目前，电火花加工的精度可达0.01～0.05 mm，在精密光整加工时可小于0.005 mm。

图2.39　电火花加工时尖角变圆

1—工件；2—工具

2.6.4　影响表面质量的因素

电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面机械性能3部分。

(1)表面粗糙度

电火花加工表面和机械加工的表面不同，它是由无方向性的无数小坑和硬凸边所组成，特别有利于保存润滑油；而机械加工表面则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。两者相比，在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，电火花加工表面的润滑性能和耐磨性能均比机械加工的表面好。

与切削加工一样，电火花加工表面粗糙度通常用微观轮廓平面度的平均算术偏差R_a或用微观轮廓平面度的最大高度值R_max来表示。对表面粗糙度影响最大的是单个脉冲能量，因为脉冲能量大，每次脉冲放电的蚀除量也大，放电凹坑既大又深，从而使表面粗糙度恶化。表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用试验公式来表示，即

式中　R_max——实测的表面粗糙度，μm；

　　　K_R——常数，铜加工钢时常取2.3；t_e——单个脉冲放电时间，μ s；

　　　——脉冲峰值电流，A。

电火花穿孔、型腔加工的表面粗糙度可分为底面粗糙度和侧面粗糙度，同一加工规准加工出来的侧面粗糙度因为有二次放电的修光作用，往往要稍好于底面的粗糙度。要获得更好的侧壁表面粗糙度，可采用平动头或数控摇动工艺来修光。

电火花加工的表面粗糙度和加工速度之间存在着很大的矛盾。例如，当表面粗糙度R_a由2.5 μm提高到1.25 μm时，加工速度要下降10多倍。如图2.40所示为加工速度与表面粗糙度的关系曲线。按目前的工艺水平，较大面积的电火花成型加工要达到优于R_a为0.32 μm是比较困难的，但是采用平动或摇动加工工艺可大为改善。目前，电火花穿孔加工侧面的最佳表面粗糙度R_a为1.25～0.32 μm，电火花成型加工加平动或摇动后最佳表面粗糙度R_a为0.63～0.04 μm，而类似电火花磨削的加工方法，其表面粗糙度R_a可小于0.45～0.02 μm，但这时加工速度很低。因此，一般电火花加工到R_a为2.5～0.63 μm之后，再采用其他研磨或抛光方法，有利于改善其表面粗糙度并节省工时。

图2.40　加工速度与表面粗糙度的关系曲线

工件材料对加工表面粗糙度也有影响，熔点高的材料(如硬质合金)，单脉冲形成的凹坑较小，在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料(如钢)好，当然，加工速度相应下降。

精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极的精加工表面粗糙度较差。

从式(2.8)可知，影响表面粗糙度的因素主要是脉宽t_e与峰值电流的乘积，也即单个脉冲能量的大小。但实践中发现，即使单脉冲能量很小，但在电极面积较小时，R_max很难低于2 μm(R_a约为0.32 μm)，而且加工面积越大，可达到的最佳表面粗糙度越差。这是因为在煤油工作中的工具和工件相当于电容器的两个极，具有“潜布电容”(寄生电容)，相当于在放电间隙上并联了一个电容器，当小能量的单个脉冲到达工具和工件时，电能被此电容“吸收”，只能起“充电”作用而不会引起火花放电。只有当多个脉冲充电到较高的电压，积累了较多的电能后，才能引起击穿放电，打出较大的放电的凹坑。这种由于潜布电容对加工较大面积使表面粗糙度恶化的影响，有时称为“电容效应”。

近年来国内外出现了“混粉加工”新工艺，可较大面积地加工出R_a为0.1～0.05 μm的光亮面。其办法是在煤油工作液中混入硅或铝等导电微粉，使工作液的电阻率降低，放电间隙成倍扩大，潜布电容成倍减少；同时，每次从工具到工件表面的放电通道，被微颗粒分割形成多个小的火花放电通道，到达工件表面的脉冲能量“分散”得很小，相应的放电痕也就小，可以稳定获得较大面积的光整表面。

(2)表面变质层

电火花加工过程中，在煤油、火花放电局部的瞬时高温高压下从煤油中分解出的碳微粒渗入工件表层，又在工作液的快速冷却作用下，材料的表面层发生了很大的变化。从最表层向里，主要有熔化凝固层和热影响层，还有从表层开始的显微裂纹，如图2.41所示。

图2.41　放电痕剖面显示的表面变质层

1)熔化凝固层

熔化凝固层位于工件表面最上层，它被放电时瞬时高温熔化后大部分抛出，小部分滞留下来，受工作液快速冷却而凝固。对于碳钢来说，熔化层在金相照片上呈现白色，故又称之为白层。它与基体金属完全不同，是一种树枝状的淬火铸造组织，与内层的结合也不甚牢固。它由马氏体和大量晶粒及极细的残余奥氏体及某些未熔化的碳化合物组成，用显微威氏硬度计测得其硬度在1 000乃至1 000以上。

熔化层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，为1～2倍的R_max值，但一般不超过0.1 mm。单个脉冲能量一定时，脉宽越窄，熔化层凝固越薄，因为大部分金属不是熔化而是在汽化状态下被抛出蚀除，不再残留在工件表面。

2)热影响层

热影响层介于熔化层和基体之间。热影响层的金属材料并没有熔化，只是受到高温的影响，使材料的金相组织发生了变化，它和基体材料之间并没有明显的界限。由于温度场分布和冷却速度的不同，对淬火钢，热影响层包括再淬火区、高温回火区和低温回火区；对未淬火钢，热影响层主要为淬火区，因此，淬火钢的热影响层厚度比未淬火钢大。

热影响层中靠近熔化凝固层的部分，由于受到高温作用并迅速冷却，形成淬火区，其厚度与条件有关，一般为2～3倍的最大微观平面度R_max值。对淬火钢，与淬火层相邻的部分受到温度的影响而形成高温、低温回火区，回火区的厚度约为最大微观平面度R_max的3～4倍。脉冲宽度越宽，向内传的热就越多，热影响层也越厚。

不同金属材料的热影响层其金相组织是不同的，耐热合金的热影响层与基体差异不大。

3)显微裂纹

电火花加工表面由于受到瞬时高温作用并迅速冷却而产生拉应力，往往在表面出现显微裂纹(见图2.42)。实验表明，一般裂纹仅在熔化层(白层)内出现，只有在脉冲能量很大的情况下(粗加工时)才有可能扩展到热影响层。

图2.42　电火花加工表面显微裂纹

显微裂纹与放电能量密切相关。能量越大，显微裂纹越宽、越深。脉冲能量很小时(如加工表面粗糙度R_a小于1.25 μm时)，一般不出现裂纹。不同材料对裂纹的敏感性也不同，硬质合金等脆性材料易产生表面显微裂纹。在含铬、钨、钼、钒等合金元素的冷轧模具钢、热轧模具钢、高速钢、耐热钢中较易产生，在低碳钢和低合金钢中不产生。工件预先的热处理状态对裂纹产生的影响也很明显，加工淬火材料要比加工淬火后回火或退火的材料容易产生裂纹，因为淬火材料淬硬，原始内应力也较大。

由于存在表面变质层，加工表面一旦熔化就存在再凝固层，因此，在表面存在着残余拉应力(为70～80 Pa)。这种残余拉应力使抗疲劳强度减弱(正压力反而使抗疲劳强度变强)，因此在放电加工之后，如果表面要求高，必须有精加工工序，以去除熔化再凝固层，这对模具的寿命是有益的。

(3)表面力学性能

表面机械性能主要包括显微硬度和耐磨性、残余应力、抗疲劳性能。

1)显微硬度及耐磨性

电火花加工后表面层的硬度一般高于基体材料，耐磨性好；对某些淬火钢可能稍低。对未淬火钢，特别是原来含碳量低的钢，热影响层的硬度都比基体材料高；对淬火钢，热影响层中的再淬火区硬度稍高或接近于基体硬度，而回火区的硬度比基体低，高温回火区又比低温回火区的硬度低。因此，一般来说，电火花加工表面最外层的硬度比较高，耐磨性好。但对于滚动摩擦，由于是交变载荷，特别是干摩擦，则因熔化凝固层和基体的结合不牢固，容易剥落而加快磨损。因此，有些要求高的模具需把电火花加工后的表面变质层事先研磨掉。

2)残余应力

电火花加工表面存在着由于瞬时的热胀冷缩产生的残余应力，以拉应力为主。残余应力大小与放电能量有关。因此，对表面层要求质量较高的工件，应尽量避免使用较大的电加工规准。

3)耐疲劳性能

电火花加工表面存在残余应力和显微裂纹，因此，抗疲劳性能一般较差。采用回火处理和喷丸处理，可使拉应力转化为压应力，提高抗疲劳性能。

试验表明，当表明粗糙度R_a在0.32～0.08 μm时，电火花加工表面的耐劳性能将与机械加工表面相近，这是因为电火花精微加工表面所使用的加工规准很小，熔化凝固层和热影响层均非常薄，不会出现显微裂纹，而且表面的残余拉应力也较小。因此，可采用小规准精加工或进行机械抛光去除表面变质层。