电火花成型加工工艺基本规律

电火花加工是靠放电瞬间产生的局部高温,使电极材料熔化和汽化而达到去除材料的目的。为了充分发挥电火花成型加工机床的功能,应当了解和掌握电火花加工的基本工艺规律,针对不同的工件材料和技术要求,正确选择合理的工具电极材料以及粗精加工的脉冲参数,确保加工出合理的工件。

下面对电火花加工时的加工速度、工具电极的损耗、加工表面质量及影响加工精度的主要因素进行分析,以提高实际操作水平。

1.影晌材料的放电蚀除速度的主要因素

(1)极性效应

仅由于放电时正负极性不同而导致蚀除量不同的现象称为极性效应。在电火花加工过程中,通常把工件与脉冲电源正极相连接时的加工称为“正极性”加工;反之,把工件与脉冲电源负极性连接时的加工称为“负极性”加工,或称为“反极性”加工。在实际工作中,应当注意这个区别。

产生极性效应的原因很复杂,对这一现象的粗略解释是:在电火花放电时,正极放电部分分别受到负离子和正离子的碰击,使两极表面获得的能量不同,因此熔化、气化抛出的材料也不相同。由于电子的质量和惯性都很小,容易获得很高的加速度和速度,所以在击穿放电的初始阶段就有大量的电子射到正极,把能量传递给正极表面,使正极材料迅速熔化、汽化;而正离子则因其质量和惯性均较大,启动加速慢,故在放电初始阶段只有少量离子到负极表面。当窄脉冲宽度加工(大多用于精加工)时,负电子对正极的碰击作用大于离子对负极的碰击作用,正极材料的蚀除速度高于负极材料的蚀除速度,所以精加工时,工件应接脉冲电源的正极,即应采用正极性加工。而当放电持续时间长(脉冲宽度大)时,正离子有足够时间加速到达负极表面,离子数随脉冲宽度的增大而增多,由于正离子质量大,传递给负极的能量就大,导致负极材料的蚀除高于正极。因此,当采用窄脉冲(例如纯铜电极加工铜时,脉冲宽度ti＜10μs)精加工时,应选用正极性加工;当采用长脉冲(例如纯钢加工钢时,脉冲宽度ti＞80μs)粗加工时,应采用负极性加工,可以得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。在实际加工中,应当充分利用极性效应的积极作用。

(2)电参数对电蚀量的影响

1)脉宽。脉冲宽度对加工速度有很大的影响。在峰值电流不变的情况下,脉宽加大时,加工速度愈高,但当脉宽太大时,因为扩散的能量加大,反而会使生产率下降。

2)脉冲间隔。脉冲间隔对单个时间内的脉冲数(脉冲频率)有直接的影响。脉冲间隔减小,放电频率提高,生产率相应提高,但当脉冲频率高到一定数值后,反而会使生产率下降。

3)放电脉冲平均功率。在正常情况下,加工速度与平均速度成正比,即增大单个脉冲能量(增大峰值电流电压)及减少脉冲间隔,一般均有利于提高加工速度。但随着单个脉冲能量的增加,工件表面粗糙度也随之增大。而脉冲间隔过短,来不及消电离,则易产生电弧放电而损伤工件。所以,在实际应用中要综合考虑利弊,选择合适的电参数。

(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。

每次脉冲放电时,通道内及正、负电极放电点都瞬时获得大量热能。而正、负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。

1)使局部金属材料温度升高直至达到熔点,而每1g金属材料升高1℃(或lK)所需的热量即为该金属材料的比热容。

2)每熔化1g材料所需的热量即为该金属的熔化热。

3)使熔化的金属液体继续升温至沸点,每克材料升高1℃所需的热量即为该熔融金属的比热容。

4)使熔融金属气化,每气化1g材料所需的热量称为该金属的气化热。

5)使金属蒸气继续加热成过热蒸气,每克金属蒸气升高1℃所需的热量为该蒸气的比热容。

显然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;另一方面,热导率愈大的金属,由于较多地把瞬时产生的热量传导散失到其他部位,因而降低了本身的蚀除量。而且当单个脉冲能量一定时,脉冲电流幅值Îc愈小,即脉冲宽度ti愈长,散失的热量也愈多,从而影响电蚀量的减少;相反,若脉冲宽度ti愈短,脉冲电流幅值Îc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,多耗用不少气化热,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。由此可见,当脉冲能量一定时,都会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也是不同的;另外,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Îc的不同而变化。

如图10-62所示为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,从图中可以看出,当采用不同的工具、工件材料时,选择脉冲宽度在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。

(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除;对工具、工件的冷却作用;因而对电蚀量也有较大的影响。介电性能好、密度和黏度大的工作液有利于压缩放电通道,提高放电的能量密度,强化电蚀产物的抛出效应,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作为工作液,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、黏度较大的机油,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、渗透性好的煤油作为工作液。

图10-62 不同材料加工时电蚀量与脉宽的关系

(5)影响电蚀量的一些其他因素

影响电蚀量的还有其他—些因素。首先是加工过程的稳定性,加工过程不稳定将干扰甚致破坏正常的火花放电,使有效脉冲利用率降低。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,严重时将造成结炭拉弧,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。

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,积累起来,造成过热,形成电弧,破坏加工的稳定性。

电极材料对加工稳定性也有影响,钢电极加工钢时不易稳定,纯钢、黄铜加工钢时则比较稳定。脉冲电源的波形及其前后沿陡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。

电火花加工过程中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其蚀除量增大;如果抛出速度较低,则当喷射到另一电极表面时,会反粘合涂覆在电极表面,减少其蚀除量。此外,炭黑膜的形成也将影响到电极的蚀除量。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解和阴极电镀沉积现象,影响电极的蚀除量。

2.加工速度与工具电极的损耗速度

电火花加工时,工具电极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为加工速度,亦即生产率;单位时间内工具电极的电蚀量称为损耗速度。

(1)加工速度

一般常用单位时间蚀除的材料体积来表示加工速度(mm3/min),有时也用单位时间蚀除的材料质量(g/min)来表示。由前面内容可知,提高加工速度的途径主要有提高放电脉冲频率及增大单个脉冲能量等方式。通过压缩脉冲间隔可提高放电脉冲频率,但脉冲间隔过短容易产生电弧放电,反而降低加工速度。而增大单个脉冲能量主要依靠加大脉冲峰值电流及加大脉冲宽度,但也要适度,高加工速度只适合于电火花成型加工的粗加工。

电火花成型加工的加工速度,粗加工(加工表面粗糙度Ra10～20μm)时可达200～1000mm3/min,半精加工(Ra2.5～10μm)时降低到20～100mm3/min。精加工(Ra0.32～2.5μm)时一般都在10mm3/min以下。随着表面粗糙度值的减小,加工速度显著下降。加工速度与加工电流Ie有关。对电火花成型加工,约每安培加工电流的速度为10mm3/min。

(2)工具电极的损耗速度

在生产实际中,人们关心的是工具电极是否耐损耗,通常用＂相对损耗＂来评价。

电极相对损耗=电极损耗体积/去除工件体积×100%

为了降低电极的相对损耗,必须充分利用放电过程中的极性效应、吸附效应和传热效应,同时要选用适宜的材料制作电极。

1)正确地选择极性。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相加工极性的关系做过许多实验,得出了如图10-63所示的实验曲线。试验用的工具电极为φ6mm的纯铜,加工工件为钢,工作液为煤油,矩形波脉冲电源。加上电流峰值为10A。由图10-63可见,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120μs后,电极相对损耗将小于1%,可以实现低损耗加工(相对损耗小于1%的加工)。如果采用正极性加工。不论采用那—挡脉冲宽度,电极的相对损耗都难低于10%。然而在脉宽小于15μs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小。

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,而产生大量的碳,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,在电场作用下碳胶粒向正极移动,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.通常称之为炭黑膜,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。

图10-63 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

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。实验表明:当峰值电流、脉冲间隔一定时,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。这是由于脉冲间隔加大,引起放电间隙中介质消电离作用增强,胶粒扩散,放电通道分散,电极表面温度降低,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,因而造成拉弧烧伤。

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;但强迫冲、抽油使吸附、镀覆效应减弱,从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、抽油压力不要过大。

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时温度不仅与瞬时放电的总热量(与放电能量成正比)有关,而且与放电通道的截面积有关,还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(di/dt)对降低电极损耗是有利的,使电流密度不致太高,也就使电极表面温度不致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温度较低而减少损耗,工件表面温度仍比较高而遭到蚀除。

4)选用合适的材料。钨、钼的熔点和沸点较高,损耗小,但其机械加工性能不好,价格又贵,所以除线切割外很少采用。铜的熔点虽较低,但其导热性好,因此损耗也较少,又能制成各种精密、复杂电极,常用作中、小型腔加工用的工具电极。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,所以相对损耗很低,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。

上述诸因素对电极损耗的影响是综合作用的,根据实际生产经验,在煤油中采用负极性粗加工时,脉冲电流幅值与放电脉冲宽度的比值(Îe/te)满足如下条件时,可以获得低损耗加工。

石墨加工钢:Îe/te≤0.1～0.2A/μs

铜加工钢:Îe/te≤0.06～0.12A/μs

钢加工钢:Îe/te≤0.04～0.08A/μs

以上低损耗条件的经验公式并不完善,其中没有包含脉冲间隔对电极损耗的影响,但在生产中仍有很大的参考价值。在实际应用中,由于有的脉冲电源没有等脉冲功能,因此常以电压脉宽ti代替te,以便于参数的设定。

3.影响加工表面质量的主要因素

表面质量主要包括表面粗糙度、表面组织变化层以及表面微观裂纹。

(1)表面粗糙度

电火花加工表面粗糙度主要取决于单个脉冲能量,单个脉冲能量越高,表面粗糙度越粗糙。通常用微观轮廓平面的平均算术偏差Rz来表示,有时也用微观轮廓不平度平均高度值Rz或微观轮廓平面度的最大值Rmax来表示。

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Rz由2.5μm提高到1.25μm时,加工速度将下降10倍以上。目前国内电火花加工表面粗糙度的最高加工水平已达0.02μm。近几年,国内外又出现了“混粉镜面加工”新工艺,可加工出Rz0.02～0.01μm的镜面,后面将加以介绍。

工件的材质对加工表面粗糙度也有一定的影响。例如,粉末冶金的高熔点材料(硬质合金),在相同脉冲能量下加工表面粗糙度要比熔点低的钢件好,但加工速度比加工钢件速度慢。

精加工时,工具电极的表面粗糙度对加工表面质量也有一定的影响。但并不是直接的对应关系。也就是说只要其他条件适宜(最关键的是单个脉冲能量),工具电极的Rz为0.2μm时,也可以加工出Rz为0.05μm的表面来。只有工具电极表面粗糙度明显不良时,才会对加工表面的质量有明显的影响。

(2)表面组织变化层

放电加工后,工件的表面物理、化学和机械性能均有变化。放电产生瞬间高温使工件表层熔化、汽化,大部分熔化的材料在爆炸力的作用下被抛出,小部分滞留原处,被工作液冷却而迅速凝固,其晶粒非常小,抗腐蚀能力很强。熔化层的厚度随脉冲能量的增大而增大,但一般不超过0.1mm,大多在0.01～0.03mm左右,粗加工时的变化层厚度可达0.1～0.5mm,精加工及微细加工时约为0.003～0.01mm。

未经淬火的钢在电火花加工后,表面有淬火现象,硬度提高且耐磨。淬火钢经电火花加工后,表面出现重新淬火层和热影响层,电参数、冷却条件和工件原热处理状态不同,其表面硬度可能降低,也可能提高。因此它的厚度主要靠测定其显微硬度值来确定。

(3)表面微观裂纹

电火花加工表面由于熔化后再凝固,所以存在较大的抗应力,有时存在显微裂纹。如果材料的抗拉强度高,则裂纹敏感性差,加工硬质合金和陶瓷等脆性材料时,更易产生微观裂纹,同样,随着材料的脆性、脉冲宽度及单个脉冲能量的加大,裂纹产生的可能性也加大,反之,则不易产生裂纹。因此电火花粗加工后,应进行精加工,将变化层的深度尽量减少,以满足工件的使用要求。

4.影响电火花成型加工精度的主要因素

影响电火花成型加工精度的因素很多,除电火花成型加工机床的机械强度、传动精度、控制系统精度及电极装夹精度等非电火花加工工艺因素对加工精度有直接影响外,影响电火花成型加工精度的工艺因素还有以下几个。

(1)放电间隙的大小及其一致性

当放电间隙一定时,不会影响加工精度。但实际加工中,有关参数不可避免地要发生变化,特别是排屑条件及放电间隙中电蚀产物浓度的变化,导致加工区域二次放电机会不同,从而使得放电间隙不均匀,产生斜度及不均匀圆角等。

产生加工斜度的情况如图10-64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”的机率大而扩大,因而产生了加工斜度。

图10-64 电火花加工时的加工斜度

1-电极无损耗时工具轮廓线;2-电极有损耗而不会考虑二次放电时的工件轮廓

(2)工具电极的影响

1)由于电火花成型加工是“仿形”加工,所以工具电极的制造精度对加工精度有直接影响。

2)工具电极的损耗也直接影响成型加工的精度。电极损耗越小,仿形越精确,加工精度就越高,在放电加工时,由于间断部位电场强度大而出现尖端放电现象,使电极的尖角及棱边的损耗较大,直接影响了仿形精度。脉冲电压越高,单个脉冲能量越大,尖角和棱边外的损耗也就越大。因此采用交频窄脉宽精加工,放电间隙小,圆角半径可以明显减少,因而提高了仿形精度。

3)要正确选择加工的极性,充分利用极性效应。粗加工时采用负极性加工,而精加工时采用正极性加工,都有助于减少电极损耗,提高加工精度。但应注意:只有用钢制作工具电极加工钢工件时,不论粗精加工,一律采用负极性加工,才能获得低损耗。