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电火花加工的发展、特点及应用
摘要:电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。
关键字:电火花加工的发展史；优势与局限；难加工材料；应用；
The development of electric spark machining, characteristics and
applications
Abstract: Electrical discharge machining is and mechancal proceing completely different is a new technology.With the development of the industrial production and the progre of science and technology, has the high melting point, high hardne, high strength, high brittlene, high viscosity and high purity properties of the new material appear constantly.With all kinds of complicated structure and special proce requirements of the workpiece is more and more, this makes the traditional mechanical proceing method can't proceing or difficult to machining.Therefore, people in addition to further develop and perfect mechanical proceing method, but also to seek for the new proceing method.Electrical discharge machining method can adapt to the needs of the development of production, and in the application of shows a lot of excellent performance, therefore, obtained the rapid development and wide application.Key words: The history of the development of the EDM；superiority and limitations；Difficult to machine materials；Application 1.引言: 电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。电火花加工也是一种电加热加工过程。它是将工具电板和工件置于绝缘的工作液中, 工件和工具分别接直流脉冲电源正极和负极, 加上电压,因电极之间的放电效应产生火花放电, 对金属产生腐蚀来进行加工。由于电极之间工件材料的微小体积上可集中很高的能量, 足使材料熔化和蒸发, 总能量的一部分释放到工具电极上造成工具磨损加工。因此, 工具电极磨损和加工精度低是电火花加工的重要问题,也是研究工作的主攻方向[1]。由此, 微细电火花加工就应运而生。而在加工用途
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上, 现代电火花加工的发展趋势将朝着大力发展计算机数控(CNC)电火花加工技术, 积极开展适应控制和加工过程最佳化技术的应用研究, 开发适应行星式电火花加工技术[2-3]。2.电火花加工的发展
电火花加工中的电视现象早在20世纪初就被人们发现，如插头、开关的启闭所产生的电火花对接触表面的损害。但真正将电蚀现象运用到实际生产加工中的是：20世纪中期前苏联的拉扎林科夫妇俩在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬间高温使局部金属熔化、气化而被蚀除掉，从而开创和发明了电火花加工方法，并于1943年利用电蚀原理研制出世界上
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易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。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。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。3.电火花加工的特点: 电火花加工又称放电加工，是一种电加热加工工过程。原理是基于工具电极和工件置于绝缘的工作液 中,工件和工具分别接直流脉冲电源的正极和负极,加上电压,因电极之间的放电效应,产生火花放电对金属产生腐蚀来进行加工。由于总能量的一部分也释放到工具电极上造成工具磨损,为此,工具电极磨损及加工精度较低是电火花加工的重要问题,也是研究发展工作的主攻方向。每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、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。电火花加工的主要优点：
3.1适合于难切削材料的加工, 它可以实现用软的工具加工硬韧的工件,甚至可以加工像聚晶金石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨,因为此工具电极极易加工。材料的可加工性主要取决于材料的导电性及导热性。拥有高度的脉冲放电能量、可以制作出前所未有的高难度的由特殊材料制作的复杂形状的工件。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。3.2因为电极和工件在制作过程中接触不到，从而导致可以加工并制作出小孔、深孔、窄缝零件。运用电能、热能直接进行制作，可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。加工中材料的去除是靠放电时的电、热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。由于加工中工具电极和工件不自接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工对加工过程的自动控制而言就更容易实现。3.3可以加工特殊及复杂形状的零件，底刚度微细加工它适宜加工低刚度工件及微细加工。由于，可以简单地将工具电极的形状复制到工件上,因此特别适合于复杂表面形状工件的加工,如复杂型腔模具加工等。NC技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件也成为可能。特别是数控技术的采用，使得用简单的电极加工复杂形状零件成为现实。同时它也有许多局限性：
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3.4主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可加工半导体和非导体材料。
3.5通常加工速度较慢，放电间隙在更大程度上影响其复杂形状的表面制作，由于其棱角部位电场强度分布不平衡。这便导致出现两者之间的反比关系，间隙大，对其制作表面的干扰就严重。相反，间隙小，更易导致短路接触且火花放电也不易产生。精加工和粗加工的放电间隙分别是： 0.01mm 和 0.5mm 左右，需要限制最小角部半径： 电火花制作一般能出现的最小角部半径和加工间隙（应该是 0.02~0.03mm）相等。
3.6存在电极损耗,影响成形精度。在工具电极的损耗方面其尺寸及形状精度都受到干扰。点火花穿孔加工时，电极可以穿透型孔来增加其消耗，但型腔在制作时却无法运用此手段。
但由于电火花加工具有许多传统切削加工无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大。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成型孔加工、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、电火花表面强化于刻字六大类。影响加工精度的因素和通常的机械加工一样，机床本身的各种误差，以及工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到加工精度，另外放电间隙的大小及其一致性、工具电极损耗及其稳定性也是影响加工精度的主要因素。所以在电火花加工过程中要想办法降低工具电极的相对消耗。4.电火花加工的应用：
电火花加工技术在制造业中占有很重要地位, 是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效方法, 被广泛应用于各种金属模具制造、产品的模型制造以及硬质材料产品加工、特殊型腔及型体加工等。目前 电火花加工已广泛应用于模具制造、航天航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车、轻工等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工 问题,加工范围已达到小至几微米的小孔、轴、缝,大到几米的超大型模具和零件。现代电火花加工的发展趋势是大力发展CNC电火花加工技术,积极开展适应控制和加工过程最佳化技术的应用研究,开发应用行星式电火花加工技术。电火花加工的主要用途有：制造冲模 塑料模 锻模和压铸模，加工小孔 畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹、螺孔，在金属板材上切割出零件，加工窄缝，磨削平面和圆面，其他如强化金属表面取出折断的工具在淬火件上穿孔 直接加工型面复杂的零件等。4.1 电火花表面强化和刻字加工
电火花表面强化是直接利用电能的高能量密度对金属表面进行强化的工艺, 采用硬质合金、石墨、合金钢等导电材料作为工具电极, 在空气中或特殊气体中,西安工业大学北方信息工程学院
使电极与被强化的金属工件间产生火花放电, 利用放电时释放出的能量, 使电极材料熔渗到金属工件表层, 从而形成表面强化层, 改善工件表面的物理, 化学性能和力学性能, 提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性等, 延长工件的使用寿命。例如: 采用 WC、TiC 等硬质合金电极材料强化高速钢和合金工具钢材料的工件, 强化表面能形成显微硬度 1500 HM 以上的耐磨、耐蚀和有红硬性的强化层, 使工件的使用寿命明显提高。电火花强化工艺方法简单、经济、效果好, 该工艺在国内外广泛应用于模具、刃具、量具、凸轮等易磨损件的表面强化, 显著提高刃具、模具、易磨损件的使用寿命。电火花表面强化的原理也可用于在产品上刻字、打印记。以前都是通过涂蜡及仿形铣在产品上刻字, 然后用硫酸等酸洗腐蚀, 有的是用钢印打字。不仅工序多, 生产效率低, 而且劳动环境差。目前国内外采用电火花刻字技术在刃具、量具、模具、夹具、轴承等产品上刻字、打印记, 得到了一致好评。电火花刻字技术是利用电火花原理在金属表面刻出发黑或发白标识。工具电极钨丝接负极, 工件接正极, 可以刻出黑色字迹,如果工件是发黑或表面发蓝处理过的, 可把工件接负极, 钨丝接正极, 可以刻出银白色的字迹。根据被刻字的材料(如钢、铜或铝), 工具电极还可选用铜、铝等不同材料。电火花刻字技术能在金属表面刻划黑白 2 种不同颜色的图纹或字母符号, 同时也能在夹具制造中划线条及图纹的尺寸, 其宽度和深浅度能任意调节,从而获得字迹清晰, 线条匀称的理想效果。电火花刻字技术能在任何导电的金属表面刻字, 还能够对超高硬度的材质进行刻印, 而且不影响工件平整度。采用市场上的电火花刻字笔进行操作, 灵活简便、使用可靠, 而且被刻工件不会变形损伤。4.2电火花磨削
电火花磨削分为电火花成形磨削、电火花小孔内圆磨削、电火花铲磨、电火花刃磨和电火花螺纹磨削等几种加工方法。这里只介绍电火花小孔内圆磨削。对于精度和表面粗糙度要求较高, 而工件材料(如磁钢、硬质合金、耐热合金等)的力学加工性能又很差的深小孔加工, 采用研磨方法加工时生产率太低, 采用内圆磨床磨削由于砂轮轴比较细、刚度差,磨出的孔会呈喇叭形而且砂轮的转速难以满足, 从而导致磨削效率下降, 表面粗糙度较大, 而采用电火花磨削加工则是比较有效的加工工艺。小孔电火花磨削是用电火花加工原理与机械磨削运动相结合的方式达到工件尺寸要求的一种加工方法。要实现小孔的电火花磨削加工, 必须具备被加工工件与工具电极之间的相对磨削运动和进给运动[4]将电极丝水平放置或垂直放置, 工件作旋转运动, 并沿电极丝作往复运动, 同时电极丝向工件(或工件向电极丝)作进给运动,其加工特点是用金属丝做工具电极, 不一定要求工具电极的硬度要比工件的硬度高, 此外电火花磨削工具电极与工件不接触, 因此无切削力, 工件不会因受到切削力而产生变形, 但其缺点是生产效率相对来
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说还较低[5]。电极丝通常用紫铜制作, 直径一般为 0.5~ 2 mm, 电火花小孔磨削的精度一般为0.002~ 0.005 mm。小孔电火花磨削适用于磨削直径为 5 mm 以下的深小孔和锥孔, 可用于加工微型轴承、组合夹具、弹簧夹头、钻套、模具和阀体等零件的小孔。4.3深小孔高速电火花加工
微小孔的加工方法按照加工原理不同可以分为机械加工和特种加工 2 种, 通常采用的方法有机械钻削、磨、超声、激光、电解、电火花等加工技术。其中电火花技术在切削金属材料小孔的加工中, 有着成本低、切削力小、加工形状不受限制等优势。
电火花加工深小孔的主要困难是加工中的蚀除产物和热量不易排除。随着加工深度的增加, 不仅加工稳定性变差而且加工速度下降, 这些都给加工带来困难。同时有大量的蚀除金属颗粒沉积在孔的底部, 工具电极与金属沉积层之间放电, 加快电极损耗, 所以要保证小孔的正常加工, 就要用不断流动的工作液将蚀除的产物排除, 同时还要保持高电流密度, 连续正常放电。采用高压泵将工作液(自来水、去离子水、蒸馏水、乳化液或煤油)注入电极管的孔中。加工时电极做回转运动和轴向进给运动,作回转运动可使端面损耗比较均匀, 不会因受高压、高速工作液的反作用力而偏斜。管电极中的高压工作液通过电极内的毛细管直接注入到加工区, 使火花放电间隙中的电蚀产物被高速流动的工作液迅速冲走, 这样就不会出现排屑困难的问题。这种加工方法加工速度高, 一般可达 20~ 60 mm/ min 左右, 最适合加工直径为 0.3~ 3 mm 左右的小孔, 深径比可超过 100, 有的甚至可达 1 000。
高速加工深小孔所采用的管状电极为特殊冷拔的双孔管状电极, 截面为 2 个半月形的孔, 这样就避免了用一般空心管状电极加工小孔时在工件上留下毛刺料心。要加工出表面质量好、精度高的小孔, 所采用的工艺条件有很多, 如水质工作液、管状电极、强迫排屑、导向器装置、机床的运动精度、刚度好、小峰值电流、小脉冲能量等。这些参数必须要根据实际加工孔径的大小、深度等因素确定。目前国内关于高速加工深小孔的研究方向很多, 对不同材料加工深小孔的主要参数进行试验优选、研制新的电极加工方法、开发专用电火花加工设备、高速电火花深小孔加工的孔内自导向、电火花深小孔的夹具设计等。4.4电火花线切割加工
该方法是利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。按金属丝电极移动的速度大小分为高速走丝和低速走丝线切割。我国普通采用高速走丝线切割，近年来正在发展低速走丝线切割，高速走丝时，金属丝电极是直径为φ0.02～φ0.3mm的高强度钼丝，往复运动速度为
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8～10m／s。低速走丝时，多采用铜丝，线电极以小于0.2m/s的速度作单方向低速运动。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达 0.0lmm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1.6 或更小。国内外数控电火花线切割机床都采用了不同水平的微机数控系统，实现了电火花线切割数控化。目前电火花线切割广泛用于加工各种冲裁模（冲孔和落料用）、样板以及各种形状复杂型孔、型面和窄缝等。
总结: 电火花加工由于自身加工的优势, 被广泛应用于各种金属模具制造、产品的模型制造主要是伴随着高硬度、高强度、高韧性、高脆性等难切削材料 的出现,以及制造精密细小、形状复杂和结构特殊的零件的需要而产生的,具有其他常规加工技术无法比拟的优点,以及硬质材料产品加工、特殊型腔及型体加工等。现代电火花加工的发展趋势是大力发展CNC电火花加工技术,积极开展适应控制和加工过程最佳化技术的应用研究,开发应用行星式电火花加工技术。目前 电火花加工已广泛应用于模具制造、航天航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车、轻工等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工 问题,加工范围已达到小至几微米的小孔、轴、缝,大到几米的超大型模具和零件。
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参考文献
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