隴東學院機械工程學院(甘肅 慶陽 745000）寇元哲

一、電火花成形加工的基本原理

電火花成形加工的基本原理，如圖1所示，被加工的工件作工件電極，石墨或者純銅作工具電極。脈沖電源發(fā)出一連串的脈沖電壓，加到工件電極和工具電極上，此時工具電極和工件均淹沒于具有一定絕緣性能的工作液中。在自動進給調節(jié)裝置的控制下，當工具電極與工件的距離小到一定程度時，在脈沖電壓的作用下，兩極間最近處的工作液被擊穿，工具電極與工件之間形成瞬時放電通道，產(chǎn)生瞬時高溫，使金屬局部熔化甚至氣化而被蝕除下來，形成局部的電蝕凹坑。這樣隨著相當高的頻率，連續(xù)不斷地重復放電，工具電極不斷地向工件進給，就可以將工具電極的形狀復制到工件上，加工出所需要的和工具形狀陰陽相反的零件。

圖1 電火花成形加工原理圖

二、模具制造電火花加工的工藝分析

模具制造電火花加工包括多個工藝環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)直接影響模具加工的質量。這里按照電火花加工的操作順序介紹其工藝流程，分析主要的工藝要點。

1.工件、工具電極的裝夾與校正

(1)工件的裝夾與校正 由于電火花加工中工具電極與工件并不接觸，宏觀作用力很小，所以工件裝夾一般都比較簡單。一般將工件安裝于工作臺，并對工件進行校正。通常用永磁吸盤來裝夾工件，為了適應各種不同工件加工的需求，還可使用其他工具來進行裝夾，如平口鉗、導磁塊、正弦磁臺及角度導磁塊等。工件裝夾后要對其進行校正，以保證工件的坐標系方向與機床的坐標系方向一致。在實際生產(chǎn)中，使用百分表校表來校正工件是最廣泛的校正方法。

(2)工具電極的裝夾與校正 電極安裝在機床主軸上，應使電極軸線與主軸軸線方向一致，保證電極與工件在垂直的情況下進行加工。電極的裝夾方式有自動裝夾和手動裝夾兩種。自動裝夾電極是先進數(shù)控電火花機床的一項自動功能。它是通過機床的電極自動交換裝置 (ATC)和配套使用電極專用夾具 (EROWA、3R)來完成電極換裝的，使用電極專用夾具可實現(xiàn)電極的自然校正，無需對電極進行校正或調整，能夠保證電極與機床的正確位置關系，大大減少了電火花加工過程中裝夾、重復調整的時間。

手動裝夾電極是指使用通用的電極夾具，通過可調節(jié)電極角度的夾頭來校正電極，由人工完成電極裝夾、校正操作。找準電極與工件間正確的相對位置，以保證模具的制造精度。而定位就是將電極和工件間找正后的位置確定下來，保證定位精度。

電極的找正方法有:角尺法和千分表法，分別如圖2、圖3和圖4所示。兩種方法都是找正電極對工作臺的垂直度。角尺找正要在兩個互相垂直的方向進行，圖2中畫出了角尺找正的兩個方向。

圖2 精密角尺找正法

圖3 千分表法找正穿孔電極

圖4 千分表法找正型腔電極

2.電參數(shù)的配置

在完成校正、定位等基本操作以后，就要根據(jù)加工要求選擇合理的電參數(shù)。電參數(shù) (放電電壓、放電電流、脈寬、脈間等)選擇的好壞，直接影響加工的各項工藝指標。選用電參數(shù)最終目的是為了達到預定的加工尺寸和表面粗糙度要求。

(1)脈沖寬度對加工的影響 (見圖5）在電流一定時，脈沖寬度越大，脈沖能量也越大，材料蝕除量也大，因此，加工速度快。但是，也不是脈沖寬度可以無限度的增加，當脈沖寬度增加到某一數(shù)值時，加工速度最高，但此時如果繼續(xù)增加脈沖寬度，單個脈沖能量雖然增加，而卻有較大部分的熱能為電極與工件所吸收，不利于蝕除模具上的金屬;同時，由于蝕除的金屬量增多，使得排氣條件惡化，來不及消電離，引起拉弧現(xiàn)象，破壞加工穩(wěn)定性，反而降低加工速度。

圖5 脈沖寬度與加工速度關系曲線

一般說來，在峰值電流不變的前提下，脈沖寬度越小，電極損耗越大，精加工時電極損耗比粗加工損耗大。因而在寬脈沖時，容易實現(xiàn)電極的低損耗。這主要原因是:①脈沖寬度加大，單位時間內脈沖放電次數(shù)減少，使放電擊穿引起電極損耗的影響減少;同時，工件承受正離子轟擊的機會增多，正離子加速的時間也長，極性效應明顯。②脈沖寬度加大后，電極易于生成具有“覆蓋效應”的黑膜，保護電極表面，使電極損耗降低;在電參數(shù)非常合理的理想情況下，利用“覆蓋效應”生成的黑膜可以實現(xiàn)“無損耗”加工。

圖6 脈沖間隙與加工速度關系曲線

(2)脈沖間隙的選擇 (見圖6）在脈沖寬度一定的條件下，脈沖間隙越小，脈沖頻率就越高，加工速度高;反之，加大脈沖間隙，加工速度會降低。但是過分不合理的減小脈沖間隙，會使放電間隙來不及消電離，破壞加工的穩(wěn)定性，同樣使加工速度降低。因此，在確定電參數(shù)時，應注意脈沖間隙與脈沖寬度的合理匹配，保證加工的穩(wěn)定性。

在脈沖寬度不變的情況下，脈沖間隙增加，電極損耗也會加大，這主要是因為加大脈沖間隙后，電極表面溫度降低，黑膜“覆蓋效應”減弱，使電極表面得不到損耗補償;反之，如果將脈沖間隙減小到超過限度，放電來不及消電離，就會造成拉弧燒傷，破壞加工穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)效率。在實踐生產(chǎn)中，脈沖間隙可以在一個較大的范圍內調節(jié)，可以在同一臺機床上連續(xù)進行粗、半精及精加工。精加工時精度一般為0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.63～1.25μm;微精加工時精度可達0.002～0.004mm，表面粗糙度值Ra=0.04～0.16μm。

(3)峰值電流對的選擇 (見圖7）一般說來，在加工面積一定的情況下，峰值電流越大，加工速度就越快。但有一個極限，超過這個極限，加工穩(wěn)定性就被破壞，電極和工件產(chǎn)生拉弧燒傷，加工速度反而降低;在要求加工速度高時，一般根據(jù)加工面積來選擇加工電流，其經(jīng)驗值是3～6A/cm2。

圖7 峰值電流與加工速度的關系

如附表所示，對于一定的脈沖寬度，加工時的電流峰值不同，電極損耗也不同。峰值電流大小與損耗關系很大，在銅—鋼的粗、精加工時，要想得到低損耗，在脈沖寬度一定的情況下，應減少功率管的數(shù)量，降低峰值電流;但在石墨—鋼中，當脈沖寬度一定時，隨著電流的增加，電極損耗反而降低。因此，在實際加工中應充分認識和利用這一不同的影響。電流的大小，直接影響加工速度和電極損耗，在粗加工時，一般不考慮電極的損耗，但為兼顧二者，最大電流最好為:銅—鋼取4A/cm2，石墨—鋼取3A/cm2，如果電流大于該值，電極損耗就會更大 (加工條件:電極為純銅，工件為CrWMn;負極性加工)。

改變峰值電流的試驗結果表

(4)極性效應對加工的影響 電火花加工時，相同材料兩電極的被腐蝕量是不同的。其中一個電極比另一個電極的蝕除量大，這種現(xiàn)象叫做極性效應。如果兩電極材料不同，則極性效應更加明顯。在加工過程中，極性效應愈顯著愈好，通過充分利用極性效應，合理選擇加工極性，以提高加工速度，減少電極損耗。極性的選擇主要靠試驗確定。

在生產(chǎn)中，考慮到極性效應，通常把工件接脈沖電源的正極，工具電極接負極，稱為“正極性”加工;反之，稱為“負極性”加工。如果兩電極的材料不同，極性效應就更復雜，電火花加工正是利用這一效應來對工件進行加工。

3.工具電極損耗與沖抽油方式的選擇

在電火花成形加工中，工具電極損耗直接影響仿形精度，特別是對于型腔加工，電極損耗這一工藝指標較加工速度更為重要。電極損耗分為絕對損耗和相對損耗。絕對損耗最常用的是體積損耗Ve和長度損耗Veh兩種方式，它們分別表示在單位時間內，工具電極被蝕除的體積和長度。在電火花成形加工中，工具電極的不同部位，其損耗速度也不相同。在精加工時，一般電規(guī)準選取較小，放電間隙太小，通道太窄，蝕除物在爆炸與工作液作用下，對電極表面不斷撞擊，加速了電極損耗，因此，如能適當增大電間隙，改善通道狀況，即可降低電極損耗。

從電極損耗來看，電火花成形加工過程中產(chǎn)生的加工切屑、加工液燃燒分解生成的碳化物及氣體的排出是否順暢，直接影響加工質量、加工效率。因而需用沖抽油的方式排出蝕除物，以利于穩(wěn)定加工。然而，沖抽油雖然有利于排屑，但由于它的冷卻作用降低了“覆蓋效應”黑膜的生成，從而加劇了電極的損耗。因此，我們在加工過程中應盡量采用弱沖油的原則，即在保證加工穩(wěn)定性的前提下，沖抽油壓力應小一些為好。沖抽油方式如圖8所示。

圖8 沖抽油方式

4.加工過程的監(jiān)控

電火花加工一切準備就緒時，就可以起動機床開始進行加工。在加工的過程中，要隨時監(jiān)控加工狀態(tài)。對加工中不正常的放電狀態(tài)及時采取相應的處理方法，保證加工的順利進行。主要是防止發(fā)生拉弧現(xiàn)象，一般可通過修改抬刀參數(shù)、清理電極和工件、調整電規(guī)準參數(shù)等措施來改善放電狀況。

目前數(shù)控電火花機床的加工性能已經(jīng)有了很大的提高，一些先進數(shù)控電火花機床的智能化控制技術幾乎可以代替人工監(jiān)控。加工中由計算機監(jiān)測、判斷電火花加工間隙的狀態(tài)，在保持穩(wěn)定電弧的范圍內自動選擇使加工效率達到最高的加工條件。但機床的智能控制技術不是萬能的，還是不能忽視人工監(jiān)控的作用。尤其像在深孔加工、大錐度加工、大面積加工等一些比較特殊的加工場合，人工監(jiān)控就有其意義了。