火花機放電加工研究

王鑫陽

摘 要：機械制造業(yè)是重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，其生產(chǎn)能力與技術(shù)水平體現(xiàn)一個國家國民經(jīng)濟的現(xiàn)代化程度，而機械制造業(yè)的生產(chǎn)水平取決于機械制造裝備的先進程度，產(chǎn)品的性能與質(zhì)量的好壞取決于制造過程中工藝水平的高低。電火花放電加工是機械制造工藝的重要組成部分，火花機（電火花放電加工機床，又稱EDM機床）是一種利用電能和熱能進行加工的新工藝。相比傳統(tǒng)的機械加工，火花機放電加工具有獨特的加工性能，可以滿足很多工件的加工需求。火花機放電加工主要用于加工金屬等導電材料，但在一定條件下也可以加工半導體和非導體材料。火花機放電加工具有許多傳統(tǒng)切削加工工藝所無法比擬的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。本文首先論述了火花機放電加工的發(fā)展歷程、基本原理和特點，然后分析了影響加工成型的因素、參數(shù)選擇與技術(shù)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：機械制造;火花機;放電加工;加工性能

中圖分類號：TG661文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0060-03

Research on Electrical Discharge Machining （EDM）

WAMG Xinyang

（Henan Key Laboratory of Medical Polymer Materials Technology and Application， Henan Tuoren Research Institute of Medical Device Co.， Ltd.，Changyuan Henan 453400）

Abstract： The machinery manufacturing industry is one of the important basic industries， and its production capacity and technical level reflect the modernization of a country's national economy， the production level of the machinery manufacturing industry depends on the advanced degree of machinery manufacturing equipment， and the performance and quality of the products depend on the level of craftsmanship in the manufacturing process. Electrical discharge machining is an important part of the mechanical manufacturing process， and the spark machine （electric discharge machining machine tool， also known as EDM machine） is a new process that uses electrical energy and heat to process. Compared with traditional machining， EDM has unique machining performance and can meet the machining needs of many workpieces. EDM is mainly used to process conductive materials such as metals， but under certain conditions it can also process semiconductors and non-conductor materials. EDM has many advantages that are unmatched by traditional cutting processes， so its application fields are expanding day by day. This paper first discussed the development process， basic principles and characteristics of EDM， and then analyzed the factors that affected the machining shaping， parameter selection and technology development trends.

Keywords： machinery manufacturing;EDM machine;electrical discharge machining;machining performance

電火花放電加工是一種新型的加工方法，與傳統(tǒng)的加工工藝不同。隨著科技的不斷發(fā)展，人們的生活水平日益提高，所使用的產(chǎn)品也越來越復雜，精密程度與性能水平越來越高，因此對模具也有了各種各樣的要求，而傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)滿足不了人們的需求，在這種情況下，火花機放電加工技術(shù)應(yīng)運而生。

隨著人類進入信息化時代，電火花加工技術(shù)迅速發(fā)展，可控性、數(shù)字化等方面都有了提高。電火花加工工藝經(jīng)歷了一系列的手動火花加工過程，如液壓服務(wù)、進步型電機和交流服務(wù)電機，加工精率和加工效率不斷提高，控制系統(tǒng)從單軸到多軸連動，變得更加復雜。電火花技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用較晚，而且電火花技術(shù)創(chuàng)新比較困難。20世紀90年代初，國內(nèi)3軸火花機大多由日本和瑞士引進，到20世紀90年代末，北京電加工研究所與日本沙迪克合作開發(fā)生產(chǎn)3軸重型火花機，后來又自主研發(fā)了4軸火花機[1]。

1 電火花加工

1.1 電火花加工原理

電火花放電加工工件是一種利用電火花腐蝕（電極和其工件接觸產(chǎn)生強脈沖性電火花，形成一種局部的、瞬間的高溫，對工件接觸面結(jié)構(gòu)造成破壞），去除多余部分，這種技術(shù)被簡稱為EDM[2]。

工件和工具將兩個極性不同的電極連接在脈沖電源上。當兩個電極與脈沖電源相通時，工件與電極之間保持一定距離，二者之間形成一個放電通道。放電通道產(chǎn)生瞬間的高溫，使工件表面材料熔化甚至氣化。工件表面的部分材料已被蝕去，形成小型電蝕坑。脈沖電源重復作用在工件和電極，使其加工到人們想要的形狀?；鸹C放電加工工作原理如圖1所示。

1.2 火花機加工的特點

1.2.1 硬度較高的工件放電加工。在模具中，考慮產(chǎn)品的性能，某些零部件可能需要進行熱處理，熱處理后，零部件的硬度很高，而火花機放電加工依靠放電時的電與熱作用去除工件的多余部分，與材料的硬度與強度無關(guān)。其可以實現(xiàn)以柔克剛，用軟的工具來加工硬度較高的工件，甚至可以加工立方氮化硼和工程陶瓷等超硬材料。目前，電極材料多用石墨與銅，表面比較容易加工[3]。

1.2.2 沒有宏觀作用力?；鸹C放電加工時，局部、瞬間的作用力很小，這種力很難引起工件的變形與位移[4]。

1.2.3 模具的清角。在機加工中，模具有很多部位是無法加工到的，如尖角，可以利用火花機放電加工對模具進行清角。

1.2.4 加強筋的加工。塑料件加工模具常有各種窄長的加強筋，這種筋在模具上是一個寬度很短同時深度很大的凹槽，用機加工的方法很難加工出來，而用火花機放電加工可以直接加工到位。

1.2.5 小孔的加工。各種圓孔、異孔等小洞（如線割穿絲孔、噴絲板形孔等）以及深度較大的長孔很難用銑床或者深孔鉆加工出來，但火花機放電、專用高速孔等可完成各種小孔加工。

1.2.6 表面處理。由于產(chǎn)品的需要，有時需要模具膠位部分的紋路，其可以直接用火花機加工出來。

1.2.7 復雜表面的加工?；鸹C放電類似于復制，就是將電極的形狀復制到工件上，很適用于復雜型腔模具的加工，將一個整體電極拆分為多個簡單的電極，運用數(shù)控技術(shù)加工簡單的電極，讓火花機放電加工可以很容易加工出復雜形狀的模具。

1.3 火花機放電加工參數(shù)的選擇

參數(shù)選擇的好壞直接影響放電加工過程中的各種工藝指標。選擇參數(shù)就是為了滿足加工大小和表面粗糙度的要求。加工時，要考慮電極數(shù)目、電極損耗、工件工藝要求、加工面積和深度等。粗加工電極縮放的尺寸通常比較大。精加工參數(shù)的選擇主要以最終表面粗糙度為基礎(chǔ)，選用多組參數(shù)，利用放電能量進行平動加工，使其達到工件要求的表面粗糙度和加工尺寸。數(shù)控電火花放電加工機床可以自動選擇配置參數(shù);只要編輯一定的程序輸入所加工工件的要求，就可以自動設(shè)置參數(shù)。數(shù)控機床的參數(shù)基本能滿足工藝要求，并且操作簡便，可以避免人為外力干預機床加工。而傳統(tǒng)的火花機操作機床要求操作技術(shù)人員具有豐富的工作經(jīng)驗，能夠按工件的工藝要求靈活、正確地選擇各種火花機放電參數(shù)。

2 影響電火花加工成型的因素

影響電火花加工質(zhì)量的因素有很多，如電極材料選擇、電極加工、電極損耗、工件與電極的裝夾、加工參數(shù)和操作方法等。為了確保工件質(zhì)量，人們應(yīng)注意以下幾點。

在型腔放電加工過程中，應(yīng)選擇合適的電極材料，從加工性、成本等方面來看，通常選用銅作為電極材料。但是，用到大型電極時，多選用石墨作為電極材料。石墨電極需要專門的加工機器，消耗大，并且表面粗糙度不能保證。銅鎢合金由于耐熱性好、消耗少等特點，通常用于超硬合金的加工，但是其導電性能不好，導致加工效率低，加上本身是顆粒狀粉末材料，會對表面粗糙度有很大影響。

要加工電極，精準地把控電極縮放的大小。根據(jù)圖紙的要求，縮放電極的加工是關(guān)鍵的一步，而所加工的電極尺寸決定著能否順利加工。一般電極都偏小。如果放電間隙留小，電極就做得大，加工出來的尺寸比圖紙上的尺寸大，就會使工件燒焊再放電或者工件直接報廢。如果電極偏小，就可以調(diào)節(jié)加工參數(shù)來確保工件尺寸滿足要求。

工件在校正緊固時可能會移動，從而導致所加工出來的工件不合格。因此，緊固后需要重新檢查，在電極剛對工件放電時，停止加工，抬起電極觀察加工位置是否正確。在加工過程中，工件松動會使工件報廢，輔助夾具的松動會導致加工深度產(chǎn)生誤差。在工件二次加工時，加工參數(shù)相同，但深度產(chǎn)生誤差，可能是加工時電極發(fā)熱，導致夾具松動。

電極一定要完好，可拿細砂紙去掉電極上的毛刺，特別注意電極的利角是否清晰、圓角是否圓滑，并注意通過表面是否存在缺陷，防止電極缺陷作用到工件上。在對大面積工件放電加工鏡面時，應(yīng)特別注意電極表面的粗糙度，否則放電完成后工件會變得凹凸不平。

加工帶有斜度的型腔或斜孔時，除電極本身的技術(shù)要求斜度外，電極在加工時會有損耗而形成錐度，進而形成加工斜度。工作液越不純凈，越容易產(chǎn)生“二次放電”。這兩種情況將使加工斜度增大。因此，在放電加工時，要將電極的損耗與二次放電都考慮在內(nèi)。加工前，應(yīng)檢查電極的表面是否有缺陷，防止銅材表面的缺陷作用到工件上。

操作人員要正確使用加工規(guī)范，了解和掌握脈沖、電流、電壓、表面粗糙程度、跳動幅度和跳動周期等工藝參數(shù)。在不同情況下，靈活地選擇合適的工藝參數(shù)，在加工過程中發(fā)現(xiàn)問題，及時調(diào)整參數(shù)，以避免工件報廢，保證加工出來的工件達到加工要求。

3 電火花技術(shù)的發(fā)展

隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代制造技術(shù)為電火花放電加工技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。人工智能技術(shù)、虛擬生產(chǎn)技術(shù)和綠色生產(chǎn)技術(shù)等現(xiàn)代制造技術(shù)逐漸被應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)中。近年來，火花機放電加工技術(shù)發(fā)展迅速。

在混粉工作液電火花加工技術(shù)中，混粉加工機理如下：工作液加入導電微粒，使自身電阻大大降低，放電間隙變大，放電通道充分延伸，而導電粉末和放電間隙變大，在放電加工時使電容減少、脈沖電流減小，使得放電加工表面的放電坑分布均勻，從而使工件表面粗糙度降低[5]。混粉工作液電火花放電加工中，粉末濃度與特性、工件材料都會影響放電加工效果。其間應(yīng)根據(jù)實際情況，合理調(diào)整參數(shù)與條件。

微細火花加工具有普通火花機放電加工沒有的優(yōu)點，如電極和工件之間的宏觀作用小、可控性強等，因此該技術(shù)在微細機械制造領(lǐng)域已成為重要的制造工藝。目前，航空航天、微電子、醫(yī)學光學和模具等方面已有許多部件采用這種技術(shù)。常規(guī)機床很難或者根本不能應(yīng)對微細加工的情況，如加工空間狹小、微細孔等，而小型火花加工設(shè)備可以獲得令人滿意的效果。

在用電火花加工金屬與絕緣陶瓷的結(jié)合面時，金屬面與絕緣陶瓷面都會被電蝕，因此人們發(fā)明了絕緣陶瓷輔助電極火花加工技術(shù)，其常用于陶瓷等非導電材料的加工。該技術(shù)以火花放電的工作液為基礎(chǔ)，將輔助電極裝在非導電陶瓷（工件）上，利用火花機放電加工的碳化導電現(xiàn)象，將非導電陶瓷蝕除。近年來，電火花加工已逐步用于聚晶金剛石、立方氮化硼和工程陶瓷等非導電超硬材料的加工。

4 結(jié)論

電火花技術(shù)作為一種先進的加工技術(shù)，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴大，但是火花機放電加工具有加工緩慢、加工質(zhì)量受電極的影響較大、加工質(zhì)量不穩(wěn)定以及無法批量生產(chǎn)等缺點。隨著社會的迅速發(fā)展，模具開發(fā)周期在新產(chǎn)品的開發(fā)周期中占比變大，因此提高火花機放電加工效率很重要，電火花放電加工具有很大的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]姜志兵.電火花技術(shù)存在的問題分析及解決對策[J].硅谷，2010（22）：144.

[2]趙汝嘉.先進制造系統(tǒng)導論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：22-23.

[3]蔡建國.現(xiàn)代制造技術(shù)導論[M].上海：上海交通大學出版社，2002：45-46.

[4]蔣軍.提高電火花加工效率的方法研究[J].中國科技博覽，2013（13）：195-196.

[5]王先逵.機械制造工業(yè)學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：62-63.