淺談電火花加工的要素

摘要：電火花加工是利用軟刀具使工件材料熔化、氣化和蒸發(fā)而去除的一種特種加工方法。文章針對(duì)電火花加工的物理過程和電火花加工形成的條件進(jìn)行了分析，明確了電火花加工的特征，為實(shí)際電火花加工方法的選用起到了指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：電火花加工；物理過程；形成條件；三要素；特種加工方法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG661 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0327

1 電火花加工的定義

電火花加工是利用軟刀具（如0.2mm的鉬絲），使工件材料熔化、氣化和蒸發(fā)而去除的一種特種加工

方法。

2 電火花加工的物理過程

電火花加工是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，其微觀過程是熱力、流體力、電場(chǎng)力、磁力和電化學(xué)等綜合作用的結(jié)果。

2.1 極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道

當(dāng)工具電極和工件電極形成的電路通電時(shí)，因?yàn)閮呻姌O間有間隙，所以形成斷路，兩者之間有一個(gè)電壓U和一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度E=U/d。工具電極和工件電極慢慢靠近，放電間隙慢慢減小，電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)達(dá)到無限大值。

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到105V/mm左右時(shí)，凹凸不平的兩電極間距離最近的波峰點(diǎn)A、B處的電子就會(huì)由陰極表面向陽極表面運(yùn)動(dòng)。在電場(chǎng)的作用下，電流從陽極向陰極運(yùn)動(dòng)，電子流從陰極向陽極高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子撞擊工作液介質(zhì)中的金屬微粒雜質(zhì)、碳粒子雜質(zhì)和自由電子，產(chǎn)生碰撞電離。當(dāng)電子流到達(dá)陽極時(shí)，介質(zhì)被擊穿，形成了放電通道。放電通道中的工作液介質(zhì)含有大量的分子或原子，分別是正離子、負(fù)離子、中性。由于放電通道橫截面很小，而因高溫產(chǎn)生的熱膨脹使得通道內(nèi)形成的壓力很大，最高達(dá)幾十kPa。放電通道在高溫高壓作用下產(chǎn)生類似原子能爆炸時(shí)的爆炸波，急速向四周膨脹。電火花放電時(shí)，電效應(yīng)、聲效應(yīng)、光效應(yīng)同時(shí)存在，所以我們觀察到的是電火花。

2.2 火花放電、電極材料的熔化和氣化、熱膨脹

工作液介質(zhì)被電離、擊穿，形成電火花放電通道后，通道中的負(fù)電子向陽極高速運(yùn)動(dòng)，正離子向陰極高速運(yùn)動(dòng)，兩支方向相反的粒子流在通道里相互高速摩擦撞擊，同時(shí)轟擊陰極和陽極表面，由于能量轉(zhuǎn)換作用，動(dòng)能轉(zhuǎn)換，形成了大量的熱能，使通道中心的溫度升高，瞬時(shí)達(dá)到了10000℃。電火花放電溫度達(dá)到10000℃以上，而純鐵熔點(diǎn)：1538℃，鋼熔點(diǎn)：1300℃～1400℃，鑄鐵熔點(diǎn)：1200℃。通道高溫足可以使正負(fù)電極表面的材料熔化甚至沸騰汽化，也使工作液介質(zhì)汽化。這些汽化后的金屬蒸汽和工作液蒸汽，瞬間體積猛增，產(chǎn)生熱膨脹，具有爆炸性，這就是我們聽到的電火花加工獨(dú)有的爆炸聲。

2.3 電蝕產(chǎn)物的拋出

陰陽兩電極間產(chǎn)生的電火花加工，使放電通道產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓。通道中心的壓力最高，工作液、工件材料汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間的壓力差，高壓力處的熔融金屬液體（電蝕產(chǎn)物）和蒸汽被瞬時(shí)、局部高壓微爆炸拋出，向四處飛濺。其中絕大部分電蝕產(chǎn)物被工作液冷卻凝結(jié)成細(xì)小的圓球顆粒（金屬熔滴直徑為幾μm），這就是我們觀察到的冒煙現(xiàn)象。還有一部分未被冷卻的高溫熔融金屬被局部的微爆炸拋離極間，就是我們觀察到的桔紅色的火花四濺。所以仔細(xì)觀察電火花加工過程，可以聽到輕微而清脆的吱吱聲和噼啪聲，可以觀察到桔紅色的火花四濺、冒煙現(xiàn)象、冒氣泡現(xiàn)象。

2.4 極間介質(zhì)的消電離

隨著脈沖電壓的下降為零，脈沖電流也迅速下降為零，從短路狀態(tài)恢復(fù)到斷路狀態(tài)，這標(biāo)志著一個(gè)脈沖放電的結(jié)束。放電結(jié)束后，除了在工件和電極上留下凹坑外，在工作液中還懸浮著金屬微粒（電蝕產(chǎn)物）、炭黑和小氣泡。在下一個(gè)脈沖來之前的這段時(shí)間間隔里，要讓電蝕產(chǎn)物充分排出，并使通道中的剩余帶電粒子重新成為中性粒子，工作液介質(zhì)消電離，恢復(fù)兩電極間的絕緣狀態(tài)，等待著下一個(gè)脈沖的到來。

3 電火花加工的三要素

對(duì)電火花加工的物理過程進(jìn)行分析后，得出電火花加工形成的條件，知道電火花加工必須滿足極小間隙、脈沖電壓、工作液介質(zhì)三要素。

3.1 極小間隙

即放電間隙，加工時(shí)工具電極和工件電極之間產(chǎn)生電火花放電的距離。一般放電間隙為數(shù)微米至數(shù)百微米。電火花線切割加工的放電間隙（單邊mm）在0.01～0.03mm之間，電火花成型加工的放電間隙（單邊mm）在0.003～0.12mm之間。

在放電間隙內(nèi)，一方面脈沖電壓可以使放電間隙不斷電離、擊穿，利用產(chǎn)生的熱能電火花加工工件，另一方面工作液介質(zhì)可以及時(shí)消電離并排出電蝕產(chǎn)物。如果放電間隙過大，單個(gè)脈沖電壓能量不夠，能量不足以電離、擊穿兩電極間介質(zhì)，因此沒有后續(xù)放電加工現(xiàn)象；如果放電間隙過小，又很容易形成短路連接，兩電極間沒有能量消耗，也不能產(chǎn)生電火花放電。由于放電間隙很小，且與加工規(guī)準(zhǔn)、加工面積、工件蝕除速度等因素有關(guān)，因此很難靠人工來調(diào)節(jié)。另外，工件的蝕除速度不是固定的常數(shù)，所以電極進(jìn)給速度也不能采用類似銑削的機(jī)動(dòng)、等速進(jìn)給，必須加以實(shí)時(shí)控制，即自動(dòng)調(diào)整工具電極和工件電極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，維持一定的放電間隙，必須運(yùn)用伺服進(jìn)給系統(tǒng)，采用間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。

3.2 脈沖電壓

即脈沖電源，以脈沖方式向工具電極和工件電極的放電間隙提供放電能量的裝置。電火花放電是瞬時(shí)的脈沖放電，放電持續(xù)一段時(shí)間后，停止一段時(shí)間，形成脈沖寬度和脈沖間隔。一般放電持續(xù)時(shí)間為10-7～10-3s，放電停止時(shí)間為放電持續(xù)時(shí)間的2～3倍。放電持續(xù)時(shí)間很短，使放電時(shí)產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料的內(nèi)部擴(kuò)散，每次放電產(chǎn)生的能量?jī)H局限在工件加工區(qū)的表面層，熱量不會(huì)擴(kuò)散到工件未加工部位，從而保持火花放電的冷極特性。否則就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)電弧放電，使放電點(diǎn)表面大量發(fā)熱、熔化并擴(kuò)散到材料內(nèi)部，容易造成工件燒傷或電極燒傷熔斷，無法完成加工。

脈沖電源的指標(biāo)有脈沖寬度Ton（μs）、脈沖間隔Toff（μs）、峰值電流，脈沖電源具有脈沖性、間歇性，單向性、足夠的脈沖放電能量。脈沖性：即在脈沖寬度（波峰）時(shí)火花放電。間歇性：在脈沖間隔（波谷）內(nèi)，使間隙介質(zhì)消電離，等待下一個(gè)脈沖來臨，在兩極間擊穿放電，如果沒有脈沖間隔，會(huì)產(chǎn)生電弧放電。單向性：使電極和工件始終保持電極接陰極，工件接陽極或相反。單向性能最大限度地利用極性效應(yīng)，減小電極損耗。足夠的脈沖放電能量：保證放電部位的金屬被熔化或被氣化，從而在被加工材料的表面形成一個(gè)加工后的痕跡，即凹痕，完成電火花加工。一般放電通道的電流密度為105～106A/cm2，維持放電通道的峰值電流不小于2A。

3.3 工作液介質(zhì)

電火花加工時(shí)，工具電極和工件電極的工作液介質(zhì)要有一定的絕緣性質(zhì)。電火花表面強(qiáng)化加工時(shí)，兩極間為氣體介質(zhì)?？熳呓z加工常用的工作液為乳化液，慢走絲加工常用的工作液為去離子水，成型加工常用的工作液為煤油。工作液的主要作用是冷卻、潤(rùn)滑、排屑、消電離。若是電火花成型加工，工作液介質(zhì)除了清潔，高絕緣外，還要有一定壓力。

3.3.1 工作液的高絕緣性質(zhì)。這種性質(zhì)使得工作液在加工時(shí)能夠被高能量電離擊穿形成加工，同時(shí)加工結(jié)束后能自動(dòng)恢復(fù)到原始的絕緣狀態(tài)，即消電離，防止由脈沖放電轉(zhuǎn)變成持續(xù)的電弧放電，以便下一個(gè)脈沖電壓來臨時(shí)再次形成電火花放電。普通自來水的絕緣性能較差，其電阻率為103～104Ω·cm，加上電壓后容易產(chǎn)生電解而不能火花放電。加入礦物油、皂化鉀后制成乳化液，電阻率僅為104～105Ω·cm，適合于電火花加工。

3.3.2 工作液能夠壓縮火花放電通道，增加通道中被壓縮氣體的膨脹力和爆炸力，從而拋出更多熔化和氣化了的金屬，提高蝕除效果。

3.3.3 對(duì)工具電極和工件有冷卻作用。工作液要具有較好的吸熱、傳熱、散熱能力，這樣才能在加工過程中降低加工表面瞬時(shí)放電產(chǎn)生的局部高溫，避免表面因局部過熱而產(chǎn)生的結(jié)炭、燒傷和電弧放電。

3.3.4 及時(shí)熱膨脹拋出和排出電蝕產(chǎn)物。工作液在兩電極間流動(dòng)，使電蝕產(chǎn)物比較容易地從放電間隙中懸浮、熱膨脹拋出，避免放電間隙中由于金屬顆粒過多，導(dǎo)致不是在每個(gè)脈沖時(shí)找到一個(gè)放電間隙最小的位置進(jìn)行電火花放電，而是在所有脈沖時(shí)集中在一點(diǎn)或一點(diǎn)的附近放電，從而形成有害的電弧放電。

4 結(jié)語

本文通過分析電火花加工的物理過程，掌握了電火花加工形成的要素，指導(dǎo)了實(shí)際工件的電火花加工方法的

選用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：梁天宇（1978-），女，吉林四平人，大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工學(xué)碩士，研究方向：沖壓模具、壓鑄模具、電加工技術(shù)等教學(xué)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）