新火花加工技术
前 言
本实训指导手册是学习新火花加工技术的配套实训教材，在编写本手册过程中编者结合近几年教育教学经验与工厂化实践经验深入浅出进行编写。参照高职教育的培养目标和特点，结合实践教学经验，本实训手册加强了对学生知识和技能综合训练，为了保证教师在布置实训内容时有一定的选择余地。
本手册可以作为中高级职业技术教育机电类，数控类，模具类等相关的新火花加工操作工实习教材，也可以供新火花加工培训，职高等机械类相关专业使用，还可以供技术人员使用。
本实训指导手册由阜阳职业技术学院陈囡囡、苏州新火花公司董月珠和北京迪蒙恒达公司王旭联合主编，同时得到了开乐汽车公司、阜阳轴承厂的大力支持，在此仅表示感谢。由于编者水平有限，时间仓促，不足之处，在所难免，欢迎指正。
编 者
二00八年八月
目 录
1． 学习情境一 电火花简介与安全教育 1
2． 学习情境二 电火花成形加工原理 10
3． 学习情境三 电火花成形电极材料与设计 13
4． 学习情境四 电极加工、装夹与校正 22
5． 学习情境五 电火花ZNC—EDM开机、关机与面板简介 26
6． 学习情境六 电火花ZNC—EDM手动放电操作 29
7． 学习情境七 电火花ZNC—EDM自动式执行 31
8． 学习情境八 电火花ZNC—EDM程序编辑 33
9． 学习情境九 电火花ZNC—EDM位置归零 35
10．学习情境十 电火花ZNC—EDM设定位置 37
11．学习情境十一 电火花ZNC—EDM设定位置中心 39
12．学习情境十二 电火花ZNC—EDM放电条件参数修改 40
13．学习情境十三 电火花ZNC—EDM系统参数 41
14．学习情境十四 电火花加工工艺与加工方法 43
15．学习情境十五 电火花ZNC—EDM加工电参数选择的一般规律 48
16．学习情境十六 电火花ZNC—EDM加工实例 41
17、学习情境十七 电火花ZNC—EDM加工练习题 53
学习情境一 电火花简介与安全教育
一、安全教育
1.电柜输入电源为三相交流380V，不使用交流电源中性线，机床必须可靠接地。三相交流电源的缺相故障将导致电柜工作异常，损坏电器元件等，敬请务必注意。
2.电柜上安装了4个5A的保险丝，如遇到保险丝熔断的情况，请您检查设备，排除故障后更换相同容量的保险丝，千万不可盲目将保险丝容量随意加大。
3.在操作过程中，如遇到严重异常情况，请立刻关掉电柜上总电源开关，切断输入电源；若遇到一般性异常现象 则关闭急停开关即可。
4.在需要打开电柜门的时候，请务必关闭总电源开关以保证安全。
5.操作技术人员不在现场时，不应使本机床处于加工状态。
6.操作放电加工之前请仔细检查设备的安全装置是否正常，如防火侦测及液面开关是否正常。
7.加工时应控制加工液液面高于工件上表面5-10厘米以上。
8.放电加工中，不得两手分别接触正、负电极以免遭受雷击。
9.请您在机床工作场地适当位置设置必要的消防设施。
10.易燃品不得放置于加工槽内。
11.电柜箱内风扇须保持正常运转，请您随时检查。
12.在加工时请使用电加工专用液，或工业煤油，严禁使用生活煤油。
二、电火花简介
1.电火花加工发展
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。
1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。50年代初，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。
随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。60年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。
到70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。
进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。
在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。
紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。
在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。
工具电极常用导电性良好、熔点较高、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。
按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。
电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；加工时无切削力；不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。
电火花加工的主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。
2.机床型号、规格、分类
我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1／10表示。例如D7132中，D表示电加工成型机床(若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK)； 71表示电火花成型机床：32表示机床工作台的宽度为320mm。
在中国大陆外，电火花加工机床的型号没有采用统一标准，由各个生产企业自行确定，如日本沙迪克(Sodick)公司生产的A3R、A10R，瑞士夏米尔(Charmilles)技术公司的ROBOFORM20／30／35，台湾乔懋机电工业股份有限公司的JM322／430，北京迪蒙恒达公司的HD-400等。
电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下)、中型(D7125一D7163)和大型(D7163以上)：按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步，国外已经大批生产三坐标数控电火花机床，以及带有工具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心，我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐标数控电火花加工机床。
3.电火花加工机床结构
电火花加工机床主要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图1所示。
(a)原理图 (b)实物图
图1 电火花加工机床结构
1）机床本体
机床本体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位和便于操作的作用。因为电火花加工宏观作用力极小，所以对机械系统的强度无严格要求，但为了避免变形和保证精度，要求具有必要的刚度。主轴头下面装夹的电极是自动调节系统的执行机构，其质量的好坏将影响到进给系统的灵敏度及加工过程的稳定性，进而影响工件的加工精度。
机床主轴头和工作台常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、油杯等。本节主要介绍平动头。
电火花加工时粗加工的电火花放电间隙比中加工的放电间隙要大，而中加工的电火花放电间隙比精加工的放电间隙又要大一些。当用一个电极进行粗加工时，将工件的大部分余量蚀除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得转换规准逐挡进行修整。但由于中、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的放电间隙小，若不采取措施则四周侧壁就无法修光了。平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。
平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。当用单电极加工型腔时，使用平动头可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差。
平动头的动作原理是：利用偏心机构将伺服电机的旋转运动通过平动轨迹保持机构转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线面积就形成加工横截面积，如图2所示，其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量，其大小可以由零逐渐调大，以补偿粗、中、精加工的电火花放电间隙&之差，从而达到修光型腔的目的。具体平动头的结构及原理可以参考其他书籍。
目前，机床上安装的平动头有机械式平动头和数控平动头，其外形图3所示。机械式平动头由于有平动轨迹半径的存在，它无法加工有清角要求的型腔；而数控平动头可以两轴联动，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。与一般电火花加工工艺相比较，采用平动头电火花加工有如下特点：
(1)可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放电间隙的限制。
(2)用同一尺寸的工具电极，通过轨迹半径的改变，可以实现转换电规准的修整，即采用一个电极就能由粗至精直接加工出一副型腔。
(3)在加工过程中，工具电极的轴线与工件的轴线相偏移，除了电极处于放电区域的部分外，工具电极与工件的间隙都大于放电间隙，实际上减小了同时放电的面积，这有利于电蚀产物的排除，提高加工稳定性。
(4)工具电极移动方式的改变，可使加工的表面粗糙度大有改善，特别是底平面处。
图2 加工横截面积
（a）机械平动头 （b）数控平动头
图3 平动头
2）脉冲电源
在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。
脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足如下要求：
★ 要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。
★ 火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。
★ 脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。
★ 脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。
★ 有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。
电源的好坏直接关系到电火花加工机床的性能，所以电源往往是电火花机床制造厂商的核心机密之一。从理论上讲，电源一般有如下几种。
（1）弛张式脉冲电源
弛张式脉冲电源是最早使用的电源，它是利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属的。因为电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源(如图4所示)。由于这种电源是靠电极和工件间隙中的工作液的击穿作用来恢复绝缘和切断脉冲电流的，因此间隙大小、电蚀产物的排出情况等都影响脉冲参数，使脉冲参数不稳定，所以这种电源又称为非独立式电源。
(a) 波形图 (b) 原理图
图4 RC线路脉冲电源
弛张式脉冲电源结构简单，使用维修方便，加工精度较高，粗糙度值较小，但生产率低，电能利用率低，加工稳定性差，故目前这种电源的应用已逐渐减少。
（2）闸流管脉冲电源
闸流管是一种特殊的电子管，当对其栅极通入一脉冲信号时， 便可控制管子的导通或截止，输出脉冲电流。由于这种电源的电参数与加工间隙无关，故又称为独立式电源。闸流管脉冲电源的生产率较高，加工稳定，但脉冲宽度较窄，电极损耗较大。
（3）晶体管脉冲电源
晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉冲电源，其输出功率大，电规准调节范围广，电极损耗小，故适应于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工。晶体管脉冲电源已越来越广泛地应用在电火花加工机床上。目前普及型(经济型)的电火花加工机床都采用高低压复合的晶体管脉冲电源，中、高档电火花加工机床都采用微机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准参数。例如汉川机床厂、日本沙迪克公司的电火花加工机床，这些加工规准用C代码(例如C320)表示和调用，三菱公司则用E代码表示。
3）自动进给调节系统
在电火花成型加工设备中，自动进给调节系统占有很重要的位置，它的性能直接影响加工稳定性和加工效果。
电火花成型加工的自动进给调节系统，主要包含伺服进给系统和参数控制系统。伺服进给系统主要用于控制放电间隙的大小，而参数控制系统主要用于控制电火花成型加工中的各种参数(如放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔等)，以便能够获得最佳的加工工艺指标等，其具体内容可参考第三章相关内容。
（1）伺服进给系统的作用及要求
在电火花成型加工中，电极与工件必须保持一定的放电间隙。由于工件不断被蚀除，电极也不断地损耗，故放电间隙将不断扩大。如果电极不及时进给补偿，放电过程会因间隙过大而停止。反之，间隙过小又会引起拉弧烧伤或短路，这时电极必须迅速离开工件，待短路消除后再重新调节到适宜的放电间隙。在实际生产中，放电间隙变化范围很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。这种不等速的伺服进给系统也称为自动进给调节系统。
伺服进给系统一般有如下要求：
★ 有较广的速度调节跟踪范围。在电火花加工过程中，加工规准、加工面积等条件的变化都会影响其进给速度变化，伺服进给系统应有较宽的速度调节范围，以适应各种加工的需要。
★ 有足够的灵敏度和快速性。放电加工的频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求伺服进给系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节。为此，整个系统的不灵敏区、可动部分的惯性要小，响应速度要快。
★ 有较高的稳定性和抗干扰能力。电蚀速度一般不高，所以伺服进给系统应有很好的低速性能，能均匀、稳定地进给，超调量要小，抗干扰能力要强。
伺服进给系统种类较多，下面简单介绍电液压式伺服进给系统的原理，其他的伺服进
给系统可参考其他相关资料。
（2）电液压式伺服进给系统 在电液自动进给调节系统中，液压缸、活塞是执行机构。由于传动链短及液体的基本不可压缩性，因此传动链中无间隙、刚度大、不灵敏区小；又因为加工时进给速度很低，所以正、反向惯性很小，反应迅速，特别适合于电火花加工的低速进给，故20世纪80年代前得到了广泛的应用，但它有漏油、油泵噪声大、占地面积较大等缺点。
图5所示为DYT-2型液压主轴头的喷嘴一挡板式调节系统的工作原理图。电动机4驱动叶片液压泵3从油箱中压出压力油，由溢流阀2保持恒定压力P0，经过滤油器6后分两路，一路进入下油腔，另一路经节流阀7进入上油腔。进入上油腔的压力油从喷嘴8与挡板12的间隙中流回油箱，使上油腔的压力P1随此间隙的大小而变化。
1—液压箱；2一溢流阀： 3一叶片液压泵；
4—电动机；5一压力表；6—滤油器；
7一节流阀；8一喷嘴； 9—电一机械转换器；
10—动圈；11一静圈；12—挡板；
13一压力 14一液压缸；15一活塞；
16一工具电极； 17一工件
图5 喷嘴一挡板式调节系统的工作原理图
电一机械转换器9主要由动圈(控制线圈)10与静圈(励磁线圈)11等组成。动圈处在励磁线圈的磁路中，与挡板12连成一体。改变输入动圈的电流，可使挡板随动圈动作，从而改变挡板与喷嘴间的间隙。当放电间隙短路时，动圈两端电压为零，此时动圈不受电磁力6作用，挡板受弹簧力处于最高位置a，喷嘴与挡板门开口为最大，使工作液流经喷嘴的力量为最大，上油腔的压力下降到最小值，致使上油腔压力小于下油腔压力，故活塞杆带动工具电极上升。当放电间隙开路时，动圈电压最大，挡板被磁力吸引下移到最低位置c，喷嘴被封闭，上、下油腔压强相等，但因下油腔工作面积小于上油腔工作面积，活塞上6向下作用力大于向上作用力，活塞杆下降。当放电间隙最佳时，电动力使挡板处于平衡位置b，活塞处于静止状态。
由此可见，主轴的移动是由电一机械转换器中控制线圈电流的大小来实现的。控制线圈电流的大小则由加工间隙的电压或电流信号来控制，因而实现了进给的自动调节。
4）工作液过滤和循环系统
电火花加工中的蚀除产物，一部分以气态形式抛出，其余大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中，直径一般为几微米。随着电火花加工的进行，蚀除产物越来越多，充斥在电极和工件之间，或粘连在电极和工件的表面上。蚀除产物的聚集，会与电极或工件形成二次放电。这就破坏了电火花加工的稳定性，降低了加工速度，影响了加工精度和表面粗糙度。为了改善电火花加工的条件，一种办法是使电极振动，以加强排屑作用；另一种办法是对工作液进行强迫循环过滤，以改善间隙状态。
工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。电火花加工用的工作液过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，使工作液强迫循环。图6是工作液循环系统油路图，它既能实现冲油，又能实现抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。电火花加工用的工作液过滤系统包括工作液泵、容器、过滤器及管道等，使工作液强迫循环。图6是工作液循环系统油路图，它既能实现冲油，又能实现抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过滤油器1，经单向阀2吸入油泵3，这时高压油经过不同形式的精过滤器7输向机床工作液槽，溢流安全阀5使控制系统的压力不超过400 kPa，补油阀11为快速进油用。待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀10，由阀8来控制工作液循环方式及压力。当阀10在冲油位置时，补油冲油都不通，这时油杯中油的压力由阀8控制；当阀10在抽油位置时，补油和抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管9，利用流体速度产生负压，达到实现抽油的目的。
1一粗过滤器：2一单向阀：3一油泵： 4一电极；5一安全阀：6一压力表：
7一精过滤器；8一压力调节阀； 9一射流抽吸管；10一冲油选择阀：
11一快速进油控制阀；12一冲油压力表13一抽油压力表
图6 工作液循环系统油路图
5） 数控系统
（1）数控电火花机床的类型
数控系统规定除了直线移动的X、Y、Z三个坐标轴系统外，还有三个转动的坐标系统，即绕X轴转动的A轴，绕Y轴转动的B轴，绕Z轴转动的C轴。若机床的Z轴可以连续转动但不是数控的，如电火花打孔机，则不能称为C轴，只能称为R轴。
根据机床的数控坐标轴的数目，目前常见的数控机床有三轴数控电火花机床、四轴三联动数控电火花机床、四轴联动或五轴联动甚至六轴联动电火花加工机床。三轴数控电火花加工机床的主轴Z和工作台X、Y都是数控的。从数控插补功能上讲，又将这类型机床细分为三轴两联动机床和三轴三联动机床。三轴两联动是指X、Y、Z三轴中，只有两轴(如X、Y轴)能进行插补运算和联动，电极只能在平面内走斜线和圆弧轨迹(电极在Z轴方向只能作伺服进给运动，但不是插补运动)。三轴三联动弄统的电极可在空间作X、Y、Z方向的插补联动(例如可以走空间螺旋线)。
四轴三联动数控机床增加了C轴，即主轴可以数控回转和分度。
现在部分数控电火花机床还带有工具电极库，在加工中可以根据事先编制好的程序，自动更换电极。
（2）数控电火花机床的数控系统工作原理
数控电火花机床能实现工具电极和工件之间的多种相对运动，可以用来加工多种较复杂的型腔。目前，绝大部分电火花数控机床采用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等。
三、练习题：
1.简述电火花ZNC—EDM安全注意事项？
2. 电火花加工机床主要组成？
3. 电火花加工机床分类？
学习情境二 电火花成形加工原理
一、电火花加工原理
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。1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。50年代初，改进为电阻-电感-电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。60年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。 到70年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。
电火花加工的原理如图7一1所示。工件l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(此处为液压油缸和活塞)使工具和工件间经常保持很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最弱处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面局部熔化，甚至气化蒸发而电蚀掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图7一2a所示，图7-2表示单个脉冲放电后的电蚀坑。图b表示多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过脉冲间隔时间，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。整个加工表面将由无数小凹坑所组成。这种放电循环每秒钟重复数千次到数万次，使工件表面形成许许多多非常小的凹坑，称为电蚀现象。随着工具电极不断进给，工具电极的轮廓尺寸就被精确地“复印”在工件上，达到成型加工的目的。
在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。工具电极常用导电性良好、熔点较高、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。按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。电火花加工能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件；加工时无切削力；不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。
电火花加工的主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。
二、练习题：
1.简述电火花成形加工原理？
2. 简述电火花加工的主要用于加工对象？
学习情境三 电火花成形电极材料与设计
一、电火花成形电极材料选择
从理论上讲，任何导电材料都可以做电极。不同的材料做电极对于电火花加工速度、加工质量、电极损耗、加工稳定性有重要的影响。因此，在实际加工中，应综合考虑各个方面的因素，选择最合适的材料做电极。
目前常用的电极材料有紫铜(纯铜)、黄铜、钢、石墨、铸铁、银钨合金、铜钨合金等。这些材料的性能如表3-1所示。
表3-1 电火花加工常用电极材料的性能
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电极材料 |
电加工性能 |
机加工性能 |
说 明 | |
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稳定性 |
电极损耗 | |||
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钢 |
较差 |
中等 |
好 |
在选择电规准 时注意加工稳定性 |
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铸铁 |
一般 |
中等 |
好 |
为加工冷冲模时 常用的电极材料 |
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黄铜 |
好 |
大 |
尚好 |
电极损耗太大 |
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紫铜 |
好 |
较大 |
较差 |
磨削困难，难与凸 模连接后同时加工 |
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石墨 |
尚好 |
小 |
尚好 |
机械强度较差，易崩角 |
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铜钨合金 |
好 |
小 |
尚好 |
价格贵，在深孔、直壁孔、硬质合金模具加工中使用 |
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银钨合金 |
好 |
小 |
尚好 |
价格贵，一般少用 |
1）铸铁电极的特点
(1)来源充足，价格低廉，机械加工性能好，便于采用成型磨削，因此电极的尺寸精度几何形状精度及表面粗糙度等都容易保证。
(2)电极损耗和加工稳定性均较一般，容易起弧，生产率也不及铜电极。
(3)是一种较常用的电极材料，多用于穿孔加工。
2)钢电极的特点。
(1)来源丰富，价格便宜，具有良好的机械加工性能。
(2)加工稳定性较差，电极损耗较大，生产率也较低。
(3)多用于一般的穿孔加工。
3)紫铜(纯铜)电极的特点
(1)加工过程中稳定性好，生产率高。
(2)精加工时比石墨电极损耗小。
(3)易于加工成精密、微细的花纹，采用精密加工时能达到优于1.25微米糙度。
(4)因其韧性大，故机械加工性能差，磨削加工困难。
(5)适宜于做电火花成型加工的精加工电极材料。
4)黄铜电极的特点
(1)在加工过程中稳定性好，生产率高。
(2)机械加工性能尚好，它可用仿形刨加工，也可用成型磨削加工，但其磨削性能不如钢和铸铁。
(3)电极损耗最大。
5)石墨电极的特点
(1)机加工成型容易，容易修正。
(2)加工稳定性能较好，生产率高，在长脉宽、大电流加工时电极损耗小。
(3)机械强度差，尖角处易崩裂。
(4)适用于做电火花成型加工的粗加工电极材料。因为石墨的热胀系数小，也可作为穿孔加工的大电极材料。
二、电极设计
电极设计是电火花加工中的关键点之一。在设计中，首先是详细分析产品图纸，确定电火花加工位置；第二是根据现有设备、材料、拟采用的加工工艺等具体情况确定电极的结构形式：第三是根据不同的电极损耗、放电间隙等工艺要求对照型腔尺寸进行缩放，同时要考虑工具电极各部位投入放电加工的先后顺序不同，工具电极上各点的总加工时间和损耗不同，同一电极上端角、边和面上的损耗值不同等因素来适当补偿电极。例如，图8是经过损耗预测后对电极尺寸和形状进行补偿修正的示意图。
图8 补偿修正的示意图
1)电极的结构形式
电极的结构形式可根据型孔或型腔的尺寸大小、复杂程度及电极的加工工艺性等来确定。常用的电极结构形式如下：
(1)整体电极。整体式电极由一整块材料制成。若电极尺寸较大，则在内部设置减轻孔及多个冲油孔。
对于穿孔加工，有时为了提高生产率和加工精度及降低表面粗糙度，常采用阶梯式整体电极，即在原有的电极上适当增长，而增长部分的截面尺寸均匀减小，呈阶梯形。如图9所示，L1为原有电极的长度，L2为增长部分的长度。阶梯电极在电火花加工中的加工原理是先用电极增长部分L2进行粗加工，来蚀除掉大部分金属，只留下很少余量，然后再用原有的电极进行精加工。阶梯电极的优点是：粗加工快速蚀除金属，将精加工的加工余量降低到最小值，提高了生产效率；可减少电极更换的次数，以简化操作。
图9 阶梯电极
(2)组合电极。组合电极是将若干个小电极组装在电极固定板上，可一次性同时完成多个成型表面电火花加工的电极。图10所示的加工叶轮的工具电极是由多个小电极组装而构成的。
采用组合电极加工时，生产率高，各型孔之间的位置精度也较准确。但是对组合电极来说，一定要保证各电极间的定位精度，并且每个电极的轴线要垂直于安装表面。
图10 叶轮
(3)镶拼式电极。镶拼式电极是将形状复杂而制造困难的电极分成几块来加工，然后再镶拼成整体的电极。
2)电极的尺寸
电极的尺寸包括垂直尺寸和水平尺寸，它们的公差是型腔相应部分公差的1／2～2／3。
(1)垂直尺寸。电极平行于机床主轴线方向上的尺寸称为电极的垂直尺寸。电极的垂直尺寸取决于采用的加工方法、加工工件的结构形式、加工深度、电极材料、型孔的复杂程度、装夹形式、使用次数、电极定位校直、电极制造工艺等一系列因素。在设计中，综合考虑上述各种因素后很容易确定电极的垂直尺寸，下面简单举例说明。
如图11(a)所示的凹模穿孔加工电极，L1为凹模板挖孔部分长度尺寸，在实际加工中L1部分虽然不需电火花加工，但在设计电极时必须考虑该部分长度：L3为电极加工中端面损耗部分，在设计中也要考虑。
如图11(b)所示的电极用来清角，即清除某型腔的角部圆角。加工部分电极较细，受力易变形，由于电极定位、校正的需要，在实际中应适当增加长度L1的部分。
如图11(c)所示的电火花成型加工电极，电极尺寸包括加工一个型腔的有效高度L、加工一个型腔位于另一个型腔中需增加的高度L1、加工结束时电极夹具和夹具或压板不发生碰撞而应增加的高度L2等。
图11
(2)水平尺寸。电极的水平尺寸是指与机床主轴轴线相垂直的横截面尺寸(如图12所示)
图12 电极水平截面尺寸缩放示意图
电极的水平尺寸可用下式确定：
a = A ± Kb
式中：a—电极水平方向的尺寸；
A—型腔的水平方向的尺寸：
K—与型腔尺寸标注法有关的系数：
b—电极单边缩放量，粗加工时，b = 1+ 2+ 0 (注： 1、 2、 0的意义参见图13)。
图13 电极单边缩放量原理图
a = A ± Kb中的±号和K值的具体含义如下：
(1)凡图样上型腔凸出部分，其相对应的电极凹入部分的尺寸应放大，即用“+”号；反之，凡图样上型腔凹入部分，其相对应的电极凸出部分的尺寸应缩小，即用“—”号。
(2)K值的选择原则：当图中型腔尺寸完全标注在边界上(即相当于直径方向尺寸或两边界都为定形边界)时，K取2；一端以中心线或非边界线为基准(即相当于半径方向尺寸或一端边界定形另一端边界定位)时，K取1；对于图中型腔中心线之间的位置尺寸(即两边界为定位尺寸)以及角度值和某些特殊尺寸(如图14中的a1)，电极上相对应的尺寸不增不减，K取0。对于圆弧半径，亦按上述原则确定。
根据以上叙述，在图14中，电极尺寸a与型腔尺寸A有如下关系：
al=A1，a2=A2-2b，a3=A3-b，
a4=A4，a5=A5-b，a6=A6+b
当精加工且精加工的平动量为c时，
B = 0 + C