电火花加工的基本工艺规律

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第124页（7781字）

3．1．3．1 电火花加工的电规准

电火花加工的电规准(或称电参数)是指选用的电加工用量、电加工参数，主要是电脉冲的参数，如图3-2

图3-2 方波脉冲电源电脉冲参数

1—空载(开路)电压波形；2—火花放电电压波形；3—短路电流波形；4—火花放电电流波形．

(1)脉冲宽度ti(μs) 简称脉宽，是加到工具和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间，电火花加工采用断续的脉冲电压波，粗加工时可用较大的脉宽，t_i>100μs；精加工时采用较小的脉宽，t_i<50μs．

(2)脉冲间隔t₀(μs) 简称脉间或间隔，是两个电压脉冲之间的间隔时间．脉间隔时间过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤工具电极和工件；脉间隔时间过大，将降低加工效率．

(3)峰值电压(V) 是间隙开路时电极间最高电压，等于电源的直流电压，一般晶体管方波脉冲电源的峰值电压=80～100V，高低压复合脉冲电源的高压峰值电压为175～300V．峰值电压高时放电间隙大，生产率高，但加工成型精度稍差．

(4)峰值电流(A) 是间隙火花放电时脉冲电流的最大值(瞬时值)，它是影响生产率、表面粗糙度等指标的重要参数．但是峰值电流不容易直接测量．在设计制造脉冲电源时，每一功率放大管的峰值电流是预先选择计算好的．每个功率放大管的峰值电流约为2～3A，电源说明书中也有说明．可以按此规格选定粗、半精、精加工时的峰值电流(实际上是选定几个功率管进行加工)．

3．1．3．2 影响加工速度的主要因素

加工速度(v_w)(或加工生产率)指在单位时间内的工件蚀除量[金属体积(mm³)或金属质量(g)]，通常以mm³／min为单位．在电火花线切割加工中，一般用mm²／min为单位．大功率脉冲电源粗加工时的加工速度大于500mm³/min，电火花精加工时通常低于20mm³／min．影响加工速度的主要因素有以下几种．

(1)平均功率 在加工正常的情况下，加工速度与平均功率成比例增加．增大单个脉冲能量(增大脉冲峰值电流和峰值电压)以及减小脉冲间隔，一般都有利于提高加工速度．但是当脉冲放电电流超过某临界值后，增大脉冲放电电流时，电火花成型加工速度呈下降的趋势，见图3-3．

(2)脉冲间隙 加工速度并不因单位时间内脉冲数的增多而无止境地加快．从图3-4中可以看出，当脉冲间隔缩小到某一临界值后，加工速度也有所下降．通常，脉冲间隔的最小值不能小于1～2μs．

图3-3 脉冲放电电流对电火花成型加工速度的影响

加工条件：工具电极材料—紫铜；工件材料—CrWMn；vw—加工速度(mm³／min)；i_e—脉冲放电电流(A)；t_e—脉冲放电时间(μs)

图3-4 单个脉冲能量不变的情况下，脉冲间隔对电火花成型加工速度的影响

加工条件：工具电极材料—紫铜；工件材料—T8A；加工极性—负(工件)；vw—加工速度(mm³／min)；t₀—脉冲间隔(μs)

(3)脉宽 脉冲宽度(或脉宽)对加工速度有很大的影响．在峰值电流不变的情况下，当脉冲宽度由小增大时，有一个获得最高加工速度的最佳脉宽．增大峰值电流，最佳脉宽也相应增大，脉宽太校加工速度会下降，这是因为气态蚀除的比例增大，耗损在汽化潜热上的能量增大；脉宽太大，加工速度也会下降，这是因为脉宽愈大，扩散掉的能量愈多，脉冲宽度对加工速度的影响，如图3-5所示．

图3-5 不同峰值电流下的加工速度和脉冲宽度的关系

I_p1>I_p2>I_p3，I_p—峰值电流(A)；vw—加工速度(mm³/min)；t_i—脉冲宽度(μs)

(4)极性 火花通道对两电极的能量分布与传递是不均匀的，因此，在电火花成型加工时，加工极性对加工速度具有极大的影响，在相同的工件材料、工具电极材料、电规准和加工条件下，如果加工极性按照通道能量分布规律的有利方式安排，则会获得较高的加工速度；反之，则不利于获得较高的加工速度．在一般情况下，高频(脉宽小)时将工件接正极，而低频(脉宽大)时将工件接负极，有利于加工速度的提高和工具电极损耗的降低．而钢打钢时，不论脉宽大校工件都接负极，才有利于加工速度的提高．图3-6是相同的电极工件材料在各种加工条件下加工速度的对比．从图中可以看出，当脉冲放电时间t_e<10～20μs时，工件正极性对加工速度有利；当脉冲放电时间t_e>20μs以后，工件负极性对加工速度有利．

图3-6 加工极性对加工速度的影响

实线：电极材料—紫铜；工件材料—45^#钢；加工极性—负．虚线：电极材料—紫铜；工件材料—45^#钢；加工极性—正、v_w—实际加工时的平均加工速度(g／min)；t_e—脉冲放电时间(μs)

(5)加工电流平均密度 电火花加工的加工电流平均密度在合理的范围内，对电火花成型加工速度没有明显的影响；但是当电流平均密度过大时，则会造成排屑条件恶化，甚至由于能量的过分集中，产生的气体过多，排斥液体介质，形成气体介质放电，这都是造成加工不稳定和降低加工速度的原因，因此，在一般情况下，电流密度不可过大，通常：

J_m≤33A／cm²

式中：J_m——电流平均密度，J_m=I／S；

I——加工电流(A)；

S——有效放电面积(cm²)．

但是，对不同的工件材料和不同的电极材料，加工电流平均密度的范围不能一概而论．在电火花成型加工的实用过程中，加工电流平均密度值的选取和确定，应以电流密度最大值的50%为最佳值，表3-1是几种电极对的理想平均加工电流密度．

表3-1 几种电极对的合理加工电流密度

(6)工具电极材料和工件材料的性能 在相同的加工条件下加工相同的工件材料，采用不同材料的工具电极，可获得不同的电火花成型加工速度，在相同的加工条件下采用相同的工具电极材料，对不同的工件材料进行电火花成型加工，亦可获得不同的加工速度．这就说明工具电极材料可以影响电火花成型加工速度，同时，加工速度与工件材料的性能(熔点、沸点、导热系数、热容量、熔解和汽化的潜热等)有关，但是不受它的硬度、强度等性能的影响．工件材料的熔点和沸点愈高，热容量、熔化和汽化潜热愈大，加工速度就愈低．导电性能好，一般不利于加工速度的提高，材料的组织结构对加工速度也有一定的影响．一般说来，工具和工件这一电极对是否能稳定地实行电火花成型加工，是一个影响加工速度的重要因素．在实用过程中，较为理想的电极对有石墨—钢、紫铜—钢和紫铜—硬质合金等．

(7)面积效应 当加工电流一定时，面积过小会导致加工速度的降低，如图3-7．这是因为加工电流密度过大时，脉冲放电过分集中，致使电极间气泡及蚀除产物排除不畅．改善排屑条件有利于增大加工电流密度，提高加工速度．

图3-7 加工面积和加工速度的关系

(8)工作液种类 在相同的加工条件下，工作液的种类不同，电火花成型的加工速度也不相同．例如采用油类工作液时，加工中产生大量碳黑，不利于加工稳定性，对电火花成型加工速度不利；而采用去离子水或蒸馏水作为工作液时，不起唬加工稳定，加上部分电解作用，电火花成型加工速度就比较高．工作液流动性的好坏，也影响加工速度．例如煤油比机油流动性好，煤油工作液的电火花成型加工速度就相对较快．

3．1．3．3 影响表面质量的主要因素

表面质量包括表面粗糙度、表面组织变化层以及表面微观裂纹．

(1)表面粗糙度 电火花加工后的工件表面粗糙度沿用机械切削加工中的表面粗糙度，一般以算术平均偏差R_a表示，其单位为μm．表面粗糙度主要决定于单个脉冲能量，单个脉冲能量愈大，表面粗糙度数值愈大，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，电火花加工一般粗加工表面粗糙度数值为80～10μm，而精加工表面粗糙度数值为1．25～0．32μm，微精加工则可达0．08μm．加工熔点较高的硬质合金等材料可获得比钢更小一些的表面粗糙度．由于工具电极与工件作相对运动，侧壁表面粗糙度比端面表面粗糙度数值小．

(2)表面组织变化层 电火花加工后，工件表面的物理、化学和机械性能有所变化，在表面变化层中存在着金相组织、晶粒的变化，有时还有渗碳现象(工作液和石墨电极在电腐蚀过程中分解或析出的碳元素)、渗金属(工具电极材料的金属元素)、显微裂纹和气孔等．表面变化层的厚度与工件材料的种类和电火花加工时的电参数有关，单个脉冲能量愈大及脉冲宽度愈宽，变化层就愈深．粗加工时变化层一般为0．1～0．5mm，精加工时一般为0．01～0．05mm．

未经淬火的钢材在电火花加工后表面有淬火现象，硬度变高而耐磨．淬火钢经电火花加工后，表面出现二次淬火层和热影响层．由于电参数、冷却条件及工件材料的原始热处理不同，工件表面的硬度有时降低，有时有不同程度的提高．

(3)表面微观裂纹 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，则不容易产生裂纹．根据不同的工件材料，合理地选择脉冲参数及工艺过程，可以妥善地解决电火花加工中的表面裂纹问题．

3．1．3．4 影响加工精度的主要因素

电火花成型加工精度包括尺寸精度和仿型精度．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，还有以下几个主要方面．

(1)放电间隙(加工间隙) 指电火花加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙，单位为mm，它的大小一般在0．01～0．5mm之间．粗加工时较大，精加工时较校加工时又分为端面间隙和侧面间隙，对穿孔或冲模加工来说又可分为入口间隙和出口间隙．侧面间隙的变化是影响加工精度的主要因素．恒定的侧面间隙可以不影响加工精度．但在实际加工过程中，有关参数将会发生变化，特别是排屑条件及放电间隙中的电蚀产物浓度的变化，将导致各处二次放电机会不同，造成侧面间隙的不均匀，形成斜度和不圆度．提高脉冲峰值电压及增大单个脉冲能量，都会导致侧面间隙的增大．粗加工时，因脉冲峰值电流大，脉宽大，所以侧面间隙也大；精加工时，侧面间隙较小．

(2)工具电极的损耗 工具电极的损耗直接影响加工精度，损耗愈校加工精度愈高．

(3)尖角与棱边倒圆 由于尖端部分电场强度大而出现尖端放电现象，因此尖角和棱边外的工具电极损耗比较大，影响仿形精度．脉冲电压愈高以及单个脉冲能量愈大，影响就愈大．尖角与棱边倒圆有损耗方面的原因，同时也有工艺方式方面的原因．例如在型腔加工中采用的“平动”和“摇动”加工工艺，在很多情况下，都以圆弧轨迹为运动方式，在型腔修光的同时又产生了尖角棱边倒圆的副作用．因此平动工艺只宜在对清角不高的型腔模的加工中使用．至于对尖角棱边要求较高的冲模和部分型腔模，则只能采用增加工具电极穿透深度或更换工具电极的加工方法来实现．

3．1．3．5 影响工具电极损耗的主要因素

衡量工具电极损耗大校一般用工具电极的相对损耗率(或称损耗率)γ来表示，即

式中：γ——工具电极的相对损耗率；

m——工具电极的绝对损耗(mm³／min)；

M——工件的加工速度(mm³／min)；

q——工具电极的蚀除量(mm³)；

Q——工件的蚀除量(mm³)．

工具电极的损耗率与工具电极材料、工件材料、电极极性、脉冲参数、工作液成分、排屑条件等有关．电极损耗率小于1%时称低损耗加工，长脉宽负极性粗加工时可达到低损耗加工．精加工时电极损耗率较大，一般大于5%～10%．

(1)工具电极材料 在电火花加工中，工具电极材料的熔点、沸点愈高，熔化潜热和汽化潜热愈大，导热性能愈好，其损耗率一般愈小．工具电极材料的绝对损耗取决于其材料本身的电腐蚀性能(与材料熔点有关)，紫铜和石墨是损耗较小的工具电极材料．m(Ag)∶m(w)=35%∶65%的银钨合金，m(Cu)∶m(w)=30%∶70%的铜钨合金都是高档工具电极材料，可以在相同条件下获得更小的工具电极损耗．工具电极相对损耗与工具电极材料的关系具有相当大的离散性，它取决于电极对电腐蚀性能的相互关系．如果两个电极的电腐蚀性能悬殊(例如银钨合金和钢)，工具电极的相对损耗可以获得很理想的指标；反之，若两个电极材料的电腐蚀性能相近(例如冲模加工时的钢对钢加工)，则很难获得理想的工具电极相对损耗．

(2)脉冲放电时间 在一定范围内，脉冲宽度越宽，工具电极的相对损耗越小．一般情况下，只要满足［i_e：脉冲放电时间(μs)，i_e：脉冲放电电流(A)]这一临界条件，当脉冲放电时间大于500μs时，工具电极的相对损耗可以维持在1%以下(采用紫铜或石墨电极，负极性加工)．图3-8就是典型的脉冲放电时间对工具电极相对损耗的影响曲线．

图3-8 脉冲放电时间对电火花成型加工工具电极相对损耗的影响

加工条件：电极材料—ф40mm紫铜棒；工件材料—CrWMn；加工极性—负(工件)

(3)放电电流 为了实现低相对损耗的电火花成型加工，必须使脉冲放电电流和脉冲放电时间相适应，见图3-9．从图中可以看出，在各种脉冲放电时间的条件下，脉冲放电电流达到相当大的某值后就不能获得低损耗．同时还可以看出，随脉冲放电时间的加大，低损耗的条件允许放电电流值也随之适当加大．

图3-9 脉冲峰值电流对工具电极相对损耗的影响

加工条件：工具电极材料—紫铜；工件材料—CrWMn；加工极性—负(工件)；加工介质—煤油；晶体管电源

(4)加工面积 在电火花成型加工中，平均电流密度若大于某一临界值，则工具电极的相对损耗将增大．由于电流密度与加工面积成反比(条件是固定电规准)，因此加工面积一旦小于某一临界值(实质还是平均电流密度增大)，工具电极的相对损耗就加大了．加工面积对工具电极相对损耗的影响见图3-10．

(5)加工极性 因极性效应，为获得较低的电极相对损耗率，粗加工时采用负极性，精加工时采用正极性．唯有“钢打钢”时，不论粗、精加工，都采用负极性，才能获得低的电极损耗．图3-11所示的是晶体管电源在煤油中用紫铜加工钢时的试验曲线．在试验条件下，为达到较低的电极损耗，当ti<90μs时，应采用正极性；当ti>90μs时，则应采用负极性．A点的位置，随加工条件的不同而有所变化．

图3-10加工面积与工具电极相对损耗率的关系

加工条件：工具电极材料—紫铜；工件材料—CrWMn钢；加工极性—负(工件)；加工介质—煤油；电源—晶体管电源；脉冲峰值电流—48A，平均电流—32A；脉宽—1000μs

图3-11 加工极性对工具电极损耗率的影响

加工条件：脉冲峰值电流—48A；加工面积—10cm²