【正文】 第4章 模具零件電火花加工 電火花加工又稱放電加工(Electrical Discharge Machining簡稱EDM)，在20世紀40年代開始研究并逐步應用于生產。它是在加工過程中，利用兩極（工具電極和工件電極）之間不斷產生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬時產生的高溫把金屬蝕除下來，以使零件的尺寸、形狀和表面質量達到預定要求的加工方法。因放電過程中可見到火花，故稱之為電火花加工，也稱電蝕加工。加工中工件和電極都會受到電腐蝕作用，只是兩極的蝕除量不同,這種現(xiàn)象成為極性效應。工件接正極的加工方法稱為正極性加工；反之，稱為負極性加工?！　‰娀鸹庸さ馁|量和加工效率不僅與極性選擇有關，還與電規(guī)準（即電加工的主要參數(shù))、工作液、工件、電極的材料、放電間隙等因素有關。 電火花放電加工按工具電極和工件的相互運動關系的不同，可以分為電火花穿孔成形加工、電火花線切割、電火花磨削、電火花展成加工、電火花表面強化和電火花刻字等。其中,電火花穿孔成形加工和電火花線切割在模具加工中應用最廣泛。　　電腐蝕現(xiàn)象早在19世紀初就被人們發(fā)現(xiàn)并加以研究。例如，電器開關在閉合或斷開時，往往產生火花放電而把接觸表面燒毛、腐蝕。所以人們一直認為電腐蝕是有害的。因而不斷地研究它的成因，并設法減輕和避免。研究結果表明，電火花腐蝕的主要原因在于火花放電時，火花通道瞬時產生大量的熱，以致使電極表面的金屬局部熔化甚至汽化而被蝕除下來，形成放電凹坑。要將放電腐蝕原理用于導電材料的尺寸加工，必須具備以下幾個基本條件。　　1）工具電極和工件電極之間在加工時必須保持一定的間隙，一般是幾個微米至數(shù)百微米。因此，加工中必須用自動進給調節(jié)機構來保證加工間隙隨加工狀態(tài)而變化。2）火花放電必須在一定絕緣性能的介質中進行，液體介質有壓縮放電通道的作用，同時液體介質還能把電火花加工過程中產生的金屬屑、炭黑等電蝕產物從放電間隙中排出去，并對電極和工件有較好的冷卻作用。對導電材料進行尺寸加工時，極間應有液體介質；表面強化時，極間為氣體介質?！　?）放電點局部區(qū)域的功率密度足夠高，即放電通道要有很高的電流密度（一般為105~106A/cm）。這時，放電所產生的熱量就足以使電極表面的局部金屬瞬時熔化甚至汽化?！　?）火花放電是瞬時的脈沖性放電。放電的持續(xù)時間一般為1~1000μs，這樣才能使放電產生的熱量來不及傳導擴散到材料的其余部份，放電點集中在很小范圍，內能量集中，溫度高。如果放電時間過長，就會形成持續(xù)電弧放電，使加工表面材料大范圍熔化燒傷而無法用作尺寸加工?！　?）在先后兩次脈沖放電之間，應有足夠的停歇時間，排除電蝕產物，使極間介質充分消電離，恢復介電性能，以保證每次脈沖放電不在同一點進行，避免發(fā)生局部燒傷現(xiàn)象，使重復性脈沖放電順利進行。圖中ti為脈沖寬度，t0為脈沖間隔，tp為脈沖周期，ui脈沖峰值電壓或空載電壓?！? 以上這些問題的解決。工件5與工具3分別與脈沖電源2的兩輸出端相連接。自動進給調節(jié)裝置1使工具和工件間經(jīng)常保持一很小的間隙（此處為電機與絲桿螺母機構），當脈沖電壓加到兩極之間時，便在當時條件下相對某一間隙最小處或絕緣強度最低處擊穿介質，在該局部產生火花放電，放電點處產生瞬時高溫使工具和工件表面都蝕除掉一小部分金屬，各自形成一個小凹坑。脈沖放電結束后，經(jīng)過一段時間間隔，使工作液恢復絕緣后，第二個脈沖電壓又加到兩極上，又會在當時極間距離相對最近或絕緣強度最弱處擊穿放電，又電蝕出一個小凹坑。如此連續(xù)不斷地重復放電，工具電極不斷地向工件進給就可將工具的形狀復制在工件上，加工出所需要的零件，整個加工表面將由無數(shù)個小凹坑所組成， (a)表示單個脈沖放電后的電蝕坑， (b)表示多次脈沖放電后的電極表面。 　　　　　 1自動進給調節(jié)裝置；2脈沖電源；3工具；4工作液；5工件；6工作臺；7過濾器；8工作液泵　　電火花加工中，加工材料的去除是靠放電時的熱作用實現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材斜的導電特性及其熱學特性，如熔點、沸點(汽化點)、比熱容、熱導率、電阻率等，而幾乎與其力學性能(硬度、強度)無關，因此適合于加工難以切削加工的材料?！　》烹娂庸ぶ校庸すぞ唠姌O和工件不直接接觸，沒有機械加工中的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細加工。由于可以簡單地將工具電極的形狀復制到工件上，因此特別適用于復雜表面形狀的加工?！　‰娀鸹庸な侵苯永秒娔苓M行加工，而電能、電參數(shù)較機械量易于數(shù)字控制、智能控制和無人化操作。由于電火花加工具有許多傳統(tǒng)切削加工所無法比擬的優(yōu)點，因此其應用領域日益擴大，目前已廣泛應用于機械（特別是模具制造）、宇航、航空、電子、電機電器、精密機械、儀器儀表、汽車拖拉機、輕工等行業(yè)，以解決難加工材料及復雜形狀零件的加工問題。加工范圍可小至幾微米的小軸、孔、縫，大到幾米的超大型模具和零件。電火花加工的局限性在于：主要用于導電材料的加工；一般加工速度較慢；存在電極損耗?！　×私夥烹娂庸さ臋C理，即金屬材料蝕除的微觀過程，有助于掌握電火花加工中各種基本規(guī)律，并能對脈沖電源、機床設備等提出合理的要求?！　∮捎诜烹姇r間很短，放電間隙很小，所以放電加工的機理相當復雜。實驗結果表明，電火花加工的微觀過程是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學和膠體化學等綜合作用的結果。這一過程大致可分為以下幾個連續(xù)的階段：極間介質的擊穿與放電；能量的轉換、分布與傳遞；電極材料的拋出；極間介質的消電離。　　由于工具電極和工件的微觀表面是凹凸不平的，極間距離又很小，因而極間電場強度是很不均勻的，兩極之間離得最近的突出點或尖端處的電場強度一般為最大。當陰極表面某處的場強增加到105V/mm以上時，就會產生場致電子發(fā)射，由陰極表面向陽極逸出電子。在電場作用下負電子高速向陽極運動并撞擊工作液介質中的分子或中性原子，產生碰撞電離，形成帶負電的粒子(主要是電子)和帶正電的粒子(正離子)，導致帶電粒子雪崩式增多，使介質擊穿而放電。從雪崩電離開始到建立放電通道的過程非常迅速，間隙電阻從絕緣狀況迅速降低到幾分之一歐姆，間隙電流迅速上升到最大值（幾安到幾百安）。由于放電通道直徑很小，所以通道中的電流密度可高達105～106 A/cm。間隙電壓則由擊穿電壓迅速下降到火花維持電壓一般為（25V），電流則由0上升到某一峰值電流?！　》烹娡ǖ朗怯蓴?shù)量大體相等的帶正電（正離子）和帶負電粒子（電子）以及中性粒子（原子或分子）組成的等離子體。帶電粒子高速運動時相互碰撞，產生大量的熱，使通道溫度相當高，但分布是不均勻的，從通道中心向邊緣逐漸降低，通道中心溫度可高達10000℃以上。由于放電時電流產生磁場，磁場反過來對電子流產生向心的磁壓縮效應。由于受到放電時的磁壓縮效應和周圍介質動力壓縮效應的作用，通道瞬間擴展受到很大阻力，放電開始階段通道截面很小，其初始壓力可達數(shù)十甚至上百兆帕。高壓放電通道以及瞬時形成的氣體分子團（以后發(fā)展成氣泡）急速擴展，并產生強烈的沖擊波向四周傳播。在放電過程中，同時還伴隨著一系列派生現(xiàn)象，其中有熱效應、電磁效應、光效應、聲效應及頻率范圍很寬的電磁波輻射和爆炸沖擊波等。（u）和電流（i）波形、分布與傳遞　　極間介質一旦被擊穿，脈沖電源就通過放電通道瞬時釋放能量，把電能轉換為熱能、動能、磁能、光能、聲能及電磁波輻射能等(其中大部分轉換成熱能)，使兩極放電點和通道本身溫度劇增，該處即產生局部的熔化或汽化，通道中的介質也汽化或熱裂分解。 　　脈沖電源釋放的能量分布在放電通道、陽極上與陰極上。放電通道中的能量主要消耗在熱輻射和熱傳導上。隨著極間距離、電位梯度、放電電流和放電時間的增大，放電通道中消耗的能量亦增大。　　傳遞給電極上的能量是產生材料腐蝕的原因。在放電過程中，通道中的大量電子在電場的作用下奔向陽極并以很高的速度轟擊陽極表面，將動能轉變?yōu)闊崮?。而通道中的正離子則在電場作用下奔向陰極，也以很高的速度轟擊陰極表面，將其動能轉變?yōu)闊崮?。這些熱源產生了很高的溫度熔化和汽化了電極材料?！　鬟f給電極的能量轉化成熱能，并在電極表面形成一個瞬時高溫熱源。在脈沖放電初期，高溫熱源將使電極放電點部分材料汽化，在汽化過程中，產生很大的熱爆炸力，使被加熱至熔化狀態(tài)的材料擠出或濺出。電極蒸氣、介質蒸氣以及放電通道的急劇膨脹也會產生相當大的壓力，引起氣化爆炸，把熔融金屬拋出。 　 同時，放電過程由于氣化了得氣體體積不斷向外膨脹產生的擴張“氣泡”。這些氣泡上下、內外的瞬時壓力并不相等，壓力高處的熔融金屬液體和蒸氣就會噴爆而出，拋出進入工作液中。　　實際上熔化和汽化了的金屬在拋離電極表面時，向四處亂射飛濺，除絕大部分拋入工作液中收縮成球狀小顆粒外，有一小部分飛濺、附著、覆蓋在相對的電極表面上去了。在某些條件下，這種互相飛濺覆蓋現(xiàn)象的產物可以用來補償電極工具在加工中的損耗?！　】傊?電極材料的拋出是熱爆炸力、磁流體動力、流體動力等綜合作用的結果。人們對這種復雜的拋出機理的認識仍不完善，目前還在不斷深化之中?！　∫淮蚊}沖放電結束，此后還應有一段間隔時間，使間隙介質消電離，即放電通道中的帶電粒子復合為中性粒子，恢復本次放電通道處間隙介質的絕緣強度，以免總是重復在同一處發(fā)生放電而導致電弧放電，這樣可以保證按兩極相對最近處或電阻率最小處形成下一擊穿放電通道?！　≡诩庸み^程中產生的電蝕產物(如金屬徽粒、炭粒、氣泡等)如果來不及排除、擴散出去，就會改變間隙介質的成分和降低絕緣強度，火花放電時產生的熱量如不及時傳出，帶電粒子的自由能不易降低，將大大減少復合的概率，使消電離過程不充分，結果將使下一個脈沖放電通道不能順利地轉移到其他部位，而始終集中在某一部位，使該處介質局部過熱而破壞消電離過程，脈沖火花放電將轉變?yōu)橛泻Φ姆€(wěn)定電弧放電，同時工作液局部高溫分解后可能結炭，在該處聚成焦粒而在兩極間搭橋，使加工無法進行下去。　　由此可見，在電火花加工過程中，為了保證加工的正常進行，在先后兩次脈沖放電之間一般都應有足夠的停歇時間，其最小脈沖停歇時間的選擇，不僅要考慮介質消電離的時間，而且還要考慮電蝕產物擴散和排出的難易程度?！　∥覈娂庸W會參照國際電加工界的電火花加工術語、定義和符號，制定了我國電火花加工的術語、定義和符號，以利于國內外學術交流、圖書出版和學生教育培養(yǎng)等。下面介紹常用的術語和符號。1）工具電極 電火花加工用的工具，是火花放電時電極之一，故稱工具電極。 　 2）放電間隙 是指加工時，工具和工件之間產生火花放電的距離間隙。在加工過程中稱之為加工間隙S，～。粗加工時間隙較大；精加工時則較小。加工間隙又可分為端面間隙SF和側面間隙SL；對沖壓模具等的穿孔加工來說，可分為入口間隙Sin和出口間隙Sout；在一般情況下SF稍小于SL，Sin稍小于Sout。　 3）脈沖電源 是電火花加工設備的主要組成部分之一，它給放電間隙提供一定能量的電脈沖，是電火花加工時的能量來源，常簡稱為電源。　 4）伺服進給系統(tǒng) 是電火花加工設備的主要組成部分，作用是使工具電極伺服進給、自動調節(jié)，使工具電極和工件在加工過程中保持一定的平均端面放電間隙。我國早期電火花加工機床中的伺服進給系統(tǒng)是液壓式的，靠液壓油缸和活塞產生進給運動，實現(xiàn)伺服進給?，F(xiàn)在采用步進電動機或大力矩、寬調速直流電動機以及交流伺服電動機作為伺服進給系統(tǒng)?！? 5）工作液介質 電火花加工時，工具和工件間的放電間隙必須浸泡在有一定絕緣性能的液體介質中，此液體介質即稱工作液介質。一般將煤油作為電火花加工時的工作液?！? 6）電蝕產物 是指電火花加工過程中被電火花蝕除下來的產物。狹義而言，指工具和工件表面被蝕除下來的金屬微粒小屑和煤油等工作液在高溫下分解出來的炭黑，也稱為加工屑。廣義而言，電蝕產物還包括煤油在高溫下分解出來的氣體氫、甲烷等小氣泡。　 7）電規(guī)準電參數(shù) 是指電火花加工時選用的電加工用量、電加工參數(shù)，主要有脈沖寬度ti、脈沖間隔to、峰值電壓ui、峰值電流ie等脈沖參數(shù)（），這些脈沖參數(shù)在每次加工時必須事先選定。 脈沖參數(shù)與電火花加工時的5種放電狀態(tài)　 8）脈沖寬度ti（181。s） 簡稱脈寬，日本及英美用ton。或τon表示。它是加到工具和工件上放電間隙兩端的電壓脈沖持續(xù)時間。為了防止電弧燒傷，電火花加工只能用斷續(xù)的脈沖電壓波。粗加工時，用較大的脈寬，ti＞100181。s；精加工時，只能用較小的脈寬，ti＜50181。s?！? 9）脈沖間隔to（181。s） 簡稱脈間，也稱脈沖停歇時間。它是兩個電壓脈沖之間的間隔時間。間隔時間太短，放電間隙來不及消電離和恢復絕緣，容易產生電弧放電，燒傷工具和電極；脈間選擇的太長，將降低加工生產率?！? 10）放電時間（電流脈寬）te（181。s） 放電時間是工作液介質擊穿后放電間隙中流過放電電流的時間，亦即電流脈寬，它比電壓脈寬稍小，差一擊穿延時td。ti和te對電火花加工的生產效率、表面粗糙度和電極損耗等有很大的影響，但實際起作用的是電流脈寬te?！? 11）擊穿延時td（181。s） 從間隙兩端加上脈沖電壓后，一般均要經(jīng)過1小段的延續(xù)時間td，工作液介質才能概率性地被擊穿放電，此時間稱為擊穿延時，它與平均放電間隙大小有關，工具欠進給時，平均放電間隙偏大，平均擊穿延時td就大；反之工具過進給時，放電間隙變小，td也就小。12）脈沖周期tp（181。s） 一個電壓脈沖開始到下一個電壓脈沖開始之前的時間稱為脈沖周期，顯然tp=ti＋to ?！? 13）開路電壓（空載電壓）或峰值電壓ui（V） 開路電壓是間隙開路時電極間的最高電壓，等于電源的直流電壓。一般晶體管方波脈沖電源的峰值電壓ui=80～100V，高低壓復合脈沖電源的高壓峰值電壓為175～300V。峰值電壓高時，放電間隙大，生產率高，但成形復制精度稍差?！　?4) 加工電流I（A） 加工時，電流表上指示的流過放電間隙的平均電流。精加工時小，粗加工時大；間隙偏開路時小，間隙合理或偏短路時則大?！　?5) 峰值電流ie(A) 是間隙火花放電時脈沖電流的最大值（瞬時），雖然峰值電流不易直接測量，但它是實際影響生產率、表面粗糙度等指標的重要參