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郑州大学

机械工程学院

机械工程及其自动化专业

2000级9班

常志军

2000013905 2004-03-15 电火花加工技术（EDM）的研究及几项新改进措施

放电加工(EDM)，也叫做电火花加工.它是以两个电极上产生的电火花的电蚀效应为基础的.经过观察发现,如果两个电极采用同一材料,则阳极上的腐蚀较大.所以,为了以最小的工具电极损耗量获得最大的金属去除量,把工件接成阳极,工具接成阴极.电火花加工工艺的原理

电火花加工的必要条件（1）工件为导电体。

（2）工具电极和工件被加工表面之间保持一定的间隙。放电间隙约为0.01mm。间隙过大不能击穿介质不产生放电，间隙过小造成短路也不产生放电。（3）火花放电要在有一定绝缘性能的液体介质中进行。

（4）火花放电为瞬时的脉冲性火花放电，相邻脉冲之间有一个间隔，可使绝缘介质消电离。即使放电通道中带电粒子复合为中性粒子，以待下一个脉冲放电，也可避免热量扩散造成烧伤。

电火花加工工艺的原理可用简图表示(图1).工具装在机床主轴的卡盘里.主轴的垂直进给是由伺服电机通过减速齿轮系统控制的.工件安装在充满工作液的槽中;工作液的深度至少要保持高于工作表面50毫米(2英寸),以免发生火灾.工具和工件接在一个直流驰张电路中,由直流发电机供电.工作液在泵产生的压力作用下,通常经过工具电极内的一个孔(或几个孔)进行循环.伺服电机使火花间隙保持在大约0.025～0.05毫米(0.001～0.002英寸)之间.图1 电火花加工工艺的原理图

当接通电源时,电容器电压Vc 开始按指数规律向电源电压Vs 增长(图2).在初始化阶段火花间隔相当于开路,没有电流流过.随着电容器电压Vc的增加,达到间隙击穿电压Vg(决定间隙宽度和工作液)时,两极之间就会产生电火花,同时,周围的工作液电离,电容器放电.然后,工作液恢复到原来状态,因而又重新成为有效的绝缘介质.这个周期周而复始的进

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2000013905 2004-03-15 行,即可获得频率很高的连续火花,相邻火花之间的间隔时间大约为100微秒.每个火花都使它附近的微小区域产生集中的局部高温约为12000℃,这一热量使周围的一部分工作液汽化,同时也使两极上的金属汽化和熔化,从而在工件表面形成放电痕迹.由于火花总是发生在工具和工件彼此之间接近的部位,所以工件上的突出点逐渐被电蚀,这样,工具的形状就被复制在工件上.在这个过程中冷结而成的金属小球被流动的工作液带走.在工件被腐蚀的同时,工具通过伺服进给机构进给.伺服控制系统及影响电火花加工的重要因素

图1中所表示的是最简单的伺服机构.它包括一个可逆伺服电机,电机的一端与电容器(D)相连,另一端与可变电阻的滑动触头(B)相连.A点和C点的电位相同.如果电压Vc(图2)的平均值等于A点和B点之间的预置电压,则B点和D点的电位就相等,伺服电机就保持静止.如果电压Vc的平均值由于间隙宽度的变化而发生改变时,D点的电位将会发生改变,从而伺服电机将开始旋转,直到重新得到所需要的间隙为止.就这样,伺服系统使平均放电间隙击穿电压保持恒定(因而间隙宽度亦恒定).电机必须是可逆的,因为如果伺服机构超调或由于间隙内金属微粒的堆积而引起短路,必须把工具退回.恒定间隙的尺寸通常大约为0.025～0.05毫米(0.001～0.002英寸);调整可变电阻就可以改变间隙值.图2 放电加工中电压和电流

实际上使用的其他类型的伺服控制系统一般是通过自动检测间隙电压或者间隙电容量而工作的.工具损耗率高是电火花加工的主要难题之一.电极损耗率是指工具金属损耗量除以工件金属去除量的值.它随着所用工具和工件的材料而变化.例如,用黄铜工具和黄铜工件时,损耗率大约为0.5;用黄铜工具与淬硬的碳钢工件时,损耗率大约为1;用黄铜工具和碳化钨工件时,则损耗率可高达3.如若材料选择得当,则损耗率可低于0.1.工具损耗率高会影响加工精度,并且使费用大大增加,因为工具电极本身一般都必须精确加工.因此,人们过去就一直很重视寻求合适的工具材料.就一般用途而言,黄铜或紫铜是常用的,但如果要求最小的电极损耗量,则使用铜基石墨和碳化钨为好.钨丝经常用于钻削

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2000013905 2004-03-15 小直径的深孔,因为,由于火花放电产生的冲击波或超调情况下与工件相触,有可能弄弯工具,而钨丝则不易变弯.工具材料的熔点愈高,则损耗率愈低.因此,如果采用像铜基石墨这样的材料,就可以发现,在工具的顶端,紫铜基体迅速蚀损,而熔点很高的石墨材料能防止它进一步迅速蚀损,这时,工具上其余部分的紫铜受到了保护,从而有助于保持工具的导电能力.金属去除率主要取决于本章所讨论的各项电参数.然而,还必须指出:低的金属去除率能使表面光洁度得到改善,因而必须根据要进行粗加工还是精加工而找出照顾到两方面的折衷办法.这和普通加工工艺是相类似的,采用普通加工工艺时,要想使表面光洁度好,就得降低进给量,而且实际上切削速度总是有限的,所以这就意味着只能降低金属去除率.使用改进后的脉冲发生器,粗加工时金属去除率已达到目前为止0.09厘米³/秒(0.33英寸³/分).如电能不变,则金属去除率取决于单个火花的持续时间.已经发现,在给定的功率下,可以找到一个使每次放电去除的金属量达到最大值的最佳放电时间.然而,如果放电时间太短,工具损耗就会过大,而这过大的工具损耗会降低加工精度.一般用途

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。

电火花加工的极大优点是可以对已淬火的工具或模具进行加工,因而可以得到高精度.烧结硬质合金工具可以在最终烧结后加工,这就取消了中间的部分烧结阶段,从而进行一些加工(如钻孔)的最终烧结时所造成的误差也得以避免.加工表面有良好的贮油特性,使这种加工方法适合于精加工滑动轴承和内燃机汽油缸孔.此外,表面负方向性,无微裂纹,这可以减小疲劳破坏的可能性.这一加工工艺也已成功地用来在像内燃机喷嘴这样淬硬的零件上钻直径很小的孔.电火花加工技术的几项新改进措施

1.具有极高耐腐蚀的电极材料的开发

由科学实验证明，在黄铜电极表面涂一层较厚的高融点材料，例如W、ZRB2、TIB2能较好地提高电极使用寿命。根据这一原理，由TEXAS A & M大学新开发出在工具、工件电极之间产生的高温条件下，耐腐蚀性能极好的电极材料。这种新研制的用以制造耐腐蚀的电极材料为ZRB2/CU，属金属陶瓷。它具有熔点高、导热性好的特点。因此，能比黄铜电极和钨化铜电极的使用寿命提高3～5倍，而价格低于石墨电极。同时提高加工零件表面质量。新型电极材料ZRB2/CU由以下步骤制成：为了使其能在选型的激光烧结机床(SLS)上加工，先将纯净的ZRB2粉末涂一层聚合体；将经过涂的ZRB2粉末放入SLS机床内的模具中粘接成型后进行烧结；激光烧结后ZRB2粉末中的聚合体涂在高温下挥发；将烧结好的密度为35～70%的ZRB2置于真空炉中，渗入CU后制成。除制造电极外，ZRB2/CU还能用于其它方面，例如，制作电焊条还可以作为微电子元件表面涂和等离子喷射涂材料。

2.用气体代替加工液

由TOKYO农业大学所进行的研究发现：高压气体可以通过电极上的通油孔进入工具、工件电极接触区；纯度很高的高压气体能起到普通加工液所起不到的绝缘效果；高压气体能够清除由电极加工所产生的碎屑等杂质，并具有较好的冷却作用。因而能用于小型三维复杂零件的电火花加工，极好地代替普通加工液，可降低生产成本。

3.在加工液中添加导电粉末

由电火花加工试验表明，在加工液中增添硅粉末，可改善加工后零件表面的粗糙度。这是因为硅粉末的加入，增大了工具、工件电极间的阻抗，抑制了脉冲放电中的离散电容。随

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2000013905 2004-03-15 着离散电容的减少，使工具、工件电极间的电容减小，每次放电脉冲次数减少，因而改善了加工零件的表面粗糙度。根据同样原理与加工实践证明，使用内含悬浮其他导电粉末的加工液，也能改善加工后零件的表面粗糙度。这对精密的航空零件和模具的加工尤其重要，它可省去以往的抛光后工序加工，提高了生产效率，降低生产成本。

4.对非导电材料进行加工

通常所谓的电火花加工，必须是对导电材料。日本最近几年投入了大量的物力、人力，对良好的绝缘陶瓷材料进行了电火花加工试验研究。它们采用将导电性良好的金属材料，涂或电镀在欲加工的陶瓷零件表面上，就在普通电火花加工机床上使试验获得成功。从试验中可以看到，在电极对表面涂的金属层放电加工的同时，强大的电火花产生的高温、热能能同时融化、腐蚀掉陶瓷零件。目前，已能对各种陶瓷材料和其它绝缘材料进行加工。这一技术的改进，不仅极大地扩大加工范围，而且采用将导电性好的材料涂在普通金属材料上的方法，也能提高电火花加工速度与加工精度。

5.用简单的圆柱形旋转电极对3D复杂零件进行电火花加工

TOKYO科学技术委员会协会新开发出在电火花磨削(WEDG)机床上将两种加工过程(指电极旋转和进给运动)结合在一个系统上，进行微电极(MICRO-ELECTRODE)加工和微电火花(MICRO-EDM)加工：

(1)分层加工。采用一个小型的圆柱形旋转电极，在零件上进行往复运动，一层一层加工掉金属材料。

(2)采用一个圆柱形或多面体电极加工复杂的3D小型模具内腔(通过CNC系统控制)等。

为了更有效进行以上所述的电火花加工，新研究开发出一种能实现对工件材料的高效切除，并能对电极的损耗进行自动补偿的加工方法。它是通过CNC系统进行电极损耗的自动监控与程序修改。这一方法一般用于要求内腔形状尺寸精度高的模具加工。

通过对以上先进技术的合理使用，能进一步增加电火花加工的功能，使其成为一种更先进更具有市场竞争力的加工手段。

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