电火花成型加工的基本原理

4.1.1　电火花成型加工的基本原理

1．电火花加工的发展历史

电火花加工又称为放电加工（Electrical Discharge Machining，简称EDM），是20世纪40年代开始研究并逐步应用于对零件进行加工的。电火花加工工艺有许多类型，应用最为普遍的是电火花型腔加工、电火花穿孔加工和电火花线切割加工。无论哪种电火花加工，它们的加工原理都是基于电火花的放电蚀除基本原理来进行工作的。

电火花加工的基本原理是：把工件和工具电极分别作为两个电极浸入电介质溶液（工作液）中，并在两个电极间施加符合一定条件的脉冲电压，当两个电极间的距离小到一定程度时，极间的电介质会被击穿，而产生火花放电，利用火花放电所产生的瞬间局部高温可以使工件的表层材料熔化和气化，使材料得以蚀除，达到对材料进行所需要的加工目的。

因放电过程中可见到火花，故习惯称为电火花加工，在日本、英、美等国家称为放电加工，在俄罗斯及前苏联则称为电蚀加工。

电火花加工基本原理的诞生，是人们通过研究电火花放电对电极材料所产生的电腐蚀现象而发展起来的。电腐蚀现象早在19世纪初就被人们所发现，当通有较大电流的电器开关触点在开、闭的瞬间，往往会在触点间产生强烈的电火花，而把接触表面烧毛或烧蚀成粗糙不平的凹坑，并导致电极逐渐损坏。为了避免触点的烧蚀，人们开始研究电火花的烧蚀机理，研究结果表明，电火花腐蚀的主要机理是：电火花放电时，在电火花放电通道中瞬间会产生大量的热量，形成极高的温度，这一高温足以使任何金属材料进行局部的熔化、气化而被蚀除掉，并在材料的放电表面形成一个放电凹坑。而对放电火花的有效控制技术的不断发展，则促成了今天的电火花加工工艺技术的不断完善和成熟。

2．电火花成型加工原理

所谓电火花成型加工，是指利用一个具有一定形状表面的工作电极，对工件进行放电蚀除加工，并最终将工作电极的复杂形状复制到工件上去的加工方法。

如图4-1所示为一种电火花成型加工的原理图，工件6与工具电极4浸入工作液5中，并由专门的脉冲电源1在二者间施加脉冲电压，主轴2上装有自动调整火花放电间隙的自动进给机构，当工件与工具电极间的距离缩小到电离击穿程度时，会在极间最小间隙或绝缘强度最低处产生火花放电，在放电爆炸力的作用下，熔化的金属材料被抛离表面且被液体介质冷凝并从放电间隙中被冲走，形成一次放电击穿。击穿脉冲结束后，电介质会消电离并快速恢复绝缘，等待下一个脉冲的到来。这样的放电过程不断地重复进行，工件材料表面就被不断地蚀除。自动进给机构不断地自动进给以维持正常的放电间隙，这样，工具电极的形状就被复映到了工件上。

图4-1　电火花成型加工原理

1—脉冲电源；2—进给伺服驱动装置；3—立柱；4—工具电极；5—工作液系统；6—工件

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等制成。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是黏度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

3．电火花成型加工的三个基本条件

为了有效地控制电火花的放电过程，加工成我们所需要的尺寸和型面，电火花加工工艺必须要有效地解决下述三个基本条件：

（1）必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持严格的控制距离。为了要在电极与工件之间得到受控制的电火花持续放电，必须要保证电极与工件之间始终维持一个一定大小的放电间隙，这一放电间隙的大小要随加工的具体条件来确定，通常约为几微米至几百微米。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，将不会产生火花放电；如果间隙过小，电极与工件间很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。为此，在电火花加工的机床设备中必须具有可供工具电极进行自动进给的进给调节装置，这一装置目前多由一套数控伺服驱动系统来承担，例如图4-1中的2 为进给间隙自动调节装置。

（2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电。电火花成型加工中的火花放电必须是有规律的脉冲放电，一次放电后，电极与工件之间必须迅速恢复绝缘状态，使电极与工件间的工作液恢复到消电离状态，以便为下一次的火花放电做准备。另外，每一次的放电持续时间不能太长，以免形成长时间的电弧放电，而使表面放电过程失控，造成加工表面的烧伤甚至无法实现尺寸加工。为此，电火花加工必须采用预定的脉冲电源，如图4-1中的机床脉冲电源系统。

放电延续时间一般为1～1000sμ。这样才能使放电所产生的热量来不及传导，扩散到其他地方，可以把每一次的放电蚀除控制在很小的加工区域范围之内，形成有效的尺寸加工控制。如图4-2所示为脉冲电源的空载电压波形。

图4-2　电火花成型加工的脉冲电源空载电压波

t_i—脉冲宽度；t₀—脉冲间隔；t_p—脉冲周期；u_i—脉冲峰值电压或空载电压

（3）火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。电火花成型加工中的液体介质又称为工作液，其主要有冷却、排屑和电离三大作用。常用的工作液有煤油、皂化液或去离子水等，它们必须具有较高的绝缘强度（10³～10⁷Ω·cm），以利于产生较强脉冲性的火花放电。同时，工作液还能把电火花蚀除加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物，随放电间隙的悬浮液体的流动而排除出去，保证放电间隙的通畅，避免极间短路的发生。另外，工作液对电火花加工具有良好的冷却作用，可以有效控制放电蚀除区域的温度，并对电极和工件起到良好的降温冷却。所以，电火花成型加工机床都具有一个完备的工作液供给系统，如图4-3中的5、6、7工作液系统。

图4-3　电火花机床的工作液系统

1—工件；2—脉冲电源；3—伺服进给装置；4—工具电极；5—工作液；6—过滤器；7—工作液泵

4．电火花成型加工的四个工作阶段

电火花成型加工的放电蚀除过程是电离、热力、流体动力等综合作用的结果，是一个复杂的物理过程。概括起来看，一次电火花放电过程可以划分为：电离击穿、热膨胀、抛出金属和消电离四个工作阶段。

（1）极间介质的电离、击穿阶段。当工具电极在自动进给伺服装置的控制下逐渐趋近工件时，在电极与工件间会形成强电场，如图4-4（a）所示，工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，两极间离得最近的突出部或尖端处的电场强度为最大，当该间距减小到一定程度时，两极间的工作液会被强大的极间电场所击穿，电子高速奔向阳极，正离子奔向阴极，介质被击穿，而形成了一个由原来的绝缘状态转变为带电离子的导电通道，极间电阻从原来的绝缘状况（10³～10⁷Ω）急剧降低到不足1Ω，通道内的电流由零迅速上升到数百安培。由于该电离通道的初始直径很小，通道中的电流密度可高达10⁵～10⁶A/cm²。这一个把工作液由绝缘状态转变为电离、击穿的阶段，是火花放电的第一个工作阶段。

（2）工作液的热膨胀阶段。放电通道是由正电粒子（正离子）和负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或分子）等离子体所组成的。极间的工作液一旦被电离、击穿，形成放电通道，带电粒子在通道中就会高速运动而发生剧烈的碰撞，产生大量的热，同时，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，使电离通道的温度达到10000℃～12000℃以上。

高温首先把通道内的工作液介质气化，进而进行热裂分解，同时也使正、负两电极的金属材料熔化、直至沸腾气化。急剧气化的工作液和金属蒸气，会导致气化体积的急剧膨胀，形成巨大的爆破力。这是火花放电的第二个工作阶段。

观察该过程，可以看到放电间隙中的很多小气泡，并可听到清脆的爆炸声。上述过程可由图4-4（b）来表示。

图4-4　放电间隙状况示意图

1—正极；2—从正极上熔化并抛出金属的区域；3—放电通道；4—气泡；5—在负极上熔化并抛出金属的区域；6—负极；7—凸起的翻边；8—在工作液中凝固的微粒；9—工作液；10—放电形成的凹坑

（3）烧蚀材料的抛出阶段。放电开始阶段，击穿通道的截面较小，放电点瞬时的急剧温升和热膨胀使工作液气化和金属材料熔化与气化，形成了极高的瞬时压力，通道中心的压力最高，使气化了的气体体积急剧地向外膨胀，形成一个剧烈的冲击波向四周传播。扩张的气泡使熔融的金属液体和蒸汽高速地抛出击穿通道，由此形成了被烧蚀的金属材料的抛出过程。如图4-4（c）所示，这是火花放电的第三个工作阶段。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。

经过以上三个过程后，两表面间最小距离处的电火花烧蚀作用已经进行完毕，如图4-4 （d）所示，此时的极间最小距离已经转移到了别的位置，所以，下一个放电位置应该进行必要的转移。

熔融材料被抛出后，在两个电极的表面形成了单个脉冲的放电熔池结构，其放大示意图如图4-5所示，熔化区未被抛出的材料经冷凝后残留在电极表面，会形成熔化凝固层，在其四周则会形成稍微凸起的熔池翻边结构。在熔化凝固层的下面是热影响层，再往下面是没发生变化的材料基体。

图4-5　单个脉冲放电痕迹剖面示意图

1—无变化区；2—热影响层；3—翻边凸起；4—放电通道；5—气化区；6—熔化区；7—熔化凝固层

分析电火花加工，以铜电极打钢工件后的烧蚀产物，在显微镜下可以看到，除了游离碳粒及大小不等的铜和钢的球状颗粒之外，还有一些钢包铜、铜包钢、互相飞溅所包容的颗粒，此外还有少量的由于气态的金属快速冷凝所形成的中间带有气泡的空心球状颗粒产物。

实际上，熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中，冷却收缩成为小颗粒外，还有一小部分通过飞溅、镀覆作用，吸附到了对面的电极表面上，这种互相飞溅、镀覆以及吸附现象的结果，减少了工具电极在加工过程中的损耗，对防止工具电极过快的烧蚀损耗起到了一个补偿的作用。

（4）工作液的消电离阶段。随着脉冲电压的结束，脉冲电流迅速降为零，标志着这一次脉冲放电的结束，而此后仍应该有一段足够的间隔时间，能够让前面的放电通道中的工作液进行消电离，使已经发生过放电烧蚀的电离通道中的带电粒子重新复合为中性粒子，恢复本次放电通道处工作液的绝缘强度，以免在同一位置处重复产生电火花而导致持续的电弧放电。这一过程称为工作液的消电离阶段。

在加工过程中产生的电蚀废料（如金属微粒、碳粒子、气泡等）如果不能够被及时地排除和扩散到放电间隙之外，会降低该处工作液的绝缘强度，甚至会影响工作液的成分。另一方面，脉冲火花放电时产生的热量如不能及时传出，带电粒子的自由能若不能够及时降低，会导致消电离过程延长，使下一个脉冲放电通道不能顺利地转移到其他部位，这将直接导致同一位置处的稳定电弧放电，同时通道内的工作液会因局部高温而分解，造成积炭现象，在该处聚成焦粒而形成两电极间搭桥，造成两极间的短路，导致两电极的电弧烧蚀，影响正常的火花放电加工的进行。

所以，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般都应有足够的脉冲间隔时间，这一脉冲间隔时间的确定，不仅要考虑到工作液本身消电离所需的时间（这与脉冲能量有关），还要考虑到电蚀产物排离出放电区域的难易程度（这与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀速度及加工面积大小有关）。

一次脉冲放电之后，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所构成，如图4-6所示。工具电极的轮廓形状便被复制在工件上，从而达到加工成型的目的。

图4-6　加工表面放大图