数控电火花加工机床知识

8.1　数控电火花加工机床知识

电火花加工的原理是，基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电蚀现象来蚀除多余的金属，使零件的尺寸、形状及表面质量达到预定的加工要求。电蚀现象早在19世纪初就被人们发现了，例如，在插头或电器开关触点开、闭时，往往产生火花而把接触表面烧毛、腐蚀成粗糙不平的凹坑。长期以来电蚀一直被认为是一种有害的现象，因而不断地研究电蚀的原因并设法减轻和避免它。

但事物都是一分为二的，只要掌握规律，在一定条件下可以把坏事转化为好事，把有害变为有用。研究结果表明，电火花蚀除的主要原因是：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，可达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。这样，人们在研究抗腐蚀办法的同时，开始研究利用电蚀现象对金属材料进行加工，就是所谓的电火花加工。

8.1.1　电火花加工机理简介

火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程即所谓电火花加工的机理，也就是电火花加工的物理本质。了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工的基本规律，从而对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求。从大量实验资料来看，每次电蚀的微观过程都是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程大致可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。

1.极间介质的电离、击穿，形成放电通道

图8－1所示为矩形波脉冲放电时的电压和电流波形。当约80 V的脉冲电压施加于工具电极与工件之间时（图8－1中0～1段和1～2段），两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，即随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。液体介质中不可避免地含有某种杂质（如金属微粒、碳粒子、胶体粒子等），也有一些自由电子，使介质呈现一定的电导率。在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀。当阴极表面某处的电场强度增加到10⁵V／mm，即100 V／μm左右时，就会导致场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下负电子高速向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（正离子），导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而形成放电通道。

从雪崩电离开始，到建立放电通道的过程非常迅速，一般小于0.01μs，间隙电阻从绝缘状况迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值（几安到几百安）。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达10⁵～10⁶A／cm²（10³～10⁴A／mm²）。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为25 V），电流则由零上升到某一峰值电流（图8－1（b）中2～3段）。

放电通道是由数量大体相等的带正电粒子（正离子）和带负电粒子（电子）及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。带电粒子高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，通道中心温度可高达10　000℃以上。由于受到放电时电流产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应，以及周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力，故放电开始阶段通道截面很小，而通道内由瞬时高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕。高压高温的放电通道及随后瞬时气化形成的气体（以后发展成气泡）急速扩展，并产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和局部爆炸冲击波等。

关于通道的结构，一般认为是单通道，即在一次放电时间内只存在一个放电通道；少数人认为可能有多通道，即在一次放电时间内可能同时存在几个放电通道，理由是单次脉冲放电后电极表面有时会出现几个电蚀坑。最近的实验表明，单个脉冲放电时有可能先后出现多次击穿（即一个脉冲内间隙击穿后，有时产生短路或开路，接着又产生击穿放电），另外，也会出现通道受某些随机因素的影响而产生游移，因而在单个脉冲周期内先后会出现多个形状不规则的电蚀坑，但同一时间内只存在一个放电通道，因为形成通道后，间隙电压降至25 V左右，不可能再击穿别处形成第二个通道。

图8－1　极间放电电压和电流波形

a）电压波形　（b）电流波形

2.介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀

极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，分别达到很高的温度。通道高温首先把工作液介质气化，进而热裂分解气化（如煤油等碳氢化合物工作液，高温后裂解为H2（约占40%）、C₂H2（约占30%）、CH4（约占15%）、C₂H4（约占10%）和游离碳等，水基工作液则热分解为H2、O₂的分子甚至原子等）。正负极表面的高温除使工作液气化、热分解气化外，也使金属材料熔化、直至沸腾气化。这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬时间体积猛增，迅速热膨胀，就像火药、爆竹点燃后那样具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以见到放电间隙间冒出很多小气泡，工作液逐渐变黑，听到轻微而清脆的爆炸声。

靠此热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出、蚀除，相当于图8－1中3～4段，此时80 V的空载电压降为25 V左右的火花维持电压，由于它含有高频成分而呈锯齿状；电流则上升为锯齿状的放电峰值电流。

3.电极材料的抛出

通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使气化了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中。

表面张力和内聚力的作用使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒（直径约0.1～300μm，随脉冲能量而异）。图8－2（a）、（b）、（c）、（d）所示为放电过程中4个阶段放电间隙状态的示意图。

图8－2　放电间隙状态示意图

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—翻边凸起；8—在工作液中凝固的微粒；9—工作液；10—放电形成的凹坑

实际上熔化和气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收缩成小颗粒外，有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。

半裸在空气中的电火花加工时，可以见到橙红色甚至蓝白色的火花四溅，它们就是被抛出的金属高温熔滴和微屑。

观察铜打钢电火花加工后的电极表面，可以看到钢上粘有铜，铜上粘有钢的痕迹。如果进一步分析电加工后的产物，在显微镜下可以看到除了游离碳粒，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、互相飞溅包容的颗粒，此外还有少数由气态金属冷凝成的中心带有空泡的空心球状颗粒产物。

实际上金属材料的蚀除、抛出过程远比上述的要复杂。放电过程中工作液不断气化，正极受电子撞击、负极受正离子撞击，电极材料不断熔化、气泡不断扩大。当放电结束后，气泡温度不再升高，但由于液体介质惯性作用使气泡继续扩展，致使气泡内压力急剧降低，甚至降到大气压以下，形成局部真空，使在高压下溶解、在熔化和过热材料中的气体析出，以及材料本身在低压下再沸腾。由于压力的骤降，使熔融金属材料及其蒸气从小坑中再次爆沸飞溅而被抛出。

图8－3　单个脉冲放电痕剖面放大示意图

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

熔融材料抛出后，在电极表面形成单个脉冲的放电痕，其放大示意图如图8－3所示。熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极表面，形成熔化凝固层，在四周形成稍凸起的翻边。熔化凝固层下面是热影响层，再往下才是无变化的材料基体。

总之，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，对这一复杂的抛出原理的认识还在不断深化中。

正极、负极分别受电子、正离子撞击的能量、热量不同；不同电极材料的熔点、气化点不同；脉冲宽度、脉冲电流大小不同，正、负电极上被抛出材料的数量也不会相同，目前还无法定量计算。

4.极间介质的消电离

随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，如图8－1所示4～5段，标志着一次脉冲放电结束。但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证在两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道。

在加工过程中产生的电蚀产物（如金属微粒、碳粒子、气泡等）如果来不及排除、扩散出去，就会改变间隙介质的成分和降低绝缘强度。脉冲火花放电时产生的热量如不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的概率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道不能顺利地转移到其他部位，而始终集中在某一部位，使该处介质局部过热而破坏消电离过程，脉冲火花放电将会恶性循环转，变为有害的稳定电弧放电，同时工作液局部高温分解后可能积碳，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去，并烧伤电极对。

由此可见，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t₀，这一脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间（与脉冲能量有关），还要考虑电蚀产物排离出放电区域的难易程度（与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加工面积有关）。

因此，要达到电火花加工的目的，必须创造条件，解决下列问题。

（1）必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，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，因而不会产生火花放电；如果间隙过小，很容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。为此，在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置，使工具电极和工件保持某一放电间隙。

（2）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为11　000μs。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电蚀除点分别局限在很小的范围内；否则，像持续电弧放电那样，会使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。图8－4所示为脉冲电源的空载电压波形，图中t_i为脉冲宽度，t_o为脉冲间隔，t_p为脉冲周期，︵u_i为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，例如煤油、皂化液或去离子水等。液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度（10³～10⁷Ω·cm），以有利于产生脉冲性的火花放电。同时，液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、炭黑等电蚀产物在放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。

以上这些问题的综合解决，是通过图8－5所示的电火花加工系统来实现的。工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相连接。自动进给调节装置3（此处为电动机及丝杆螺母机构）使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间时，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图8－6所示。其中图8－6（a）所示为单个脉冲放电后的电蚀坑，图8－6（b）所示为多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔t_o），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样随着相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。

图8－4　脉冲电源电压波形

图8－5　电火花加工原理示意图

—工件；2—脉冲电源；3—自动进给调节装置；—工具；5—工作液；6—过滤器；7—工作液泵

图8－6　电火花加工表面局部放大图

到目前为止，人们对于电火花加工微观过程的了解还是很不够的，诸如工作液成分作用、间隙介质的击穿、放电间隙内的状况、正负电极间能量的转换与分配、材料的抛出，以及电火花加工过程中热场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡等，都还需要进一步研究。

8.1.2　电火花加工工艺

按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，大致可分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类。前五类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。以上以电火花穿孔成形加工和电火花线切割应用最为广泛。表8－1所列为总的分类情况及各类加工方法的主要特点和用途。

表8－1　各类加工方法的主要特点和用途

续表