電火花銑削加工特點(diǎn)與影響材料放電蝕除的因素分析

張金晶

（株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412000）

電火花加工的研究與應(yīng)用起源于20世紀(jì)40年代，是一種利用電、熱能量進(jìn)行加工的方法，故又稱為放電加工。電火花加工的原理是“基于工具和工件(正、負(fù)電極)之間的脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求”[1]。

1 電火花銑削加工特點(diǎn)

長(zhǎng)期以來(lái)，電火花銑削加工（Edmmill）因其放電間隙與電極損耗補(bǔ)償問(wèn)題，而一直作為常規(guī)成形加工出現(xiàn)困難時(shí)，采用的補(bǔ)充手段。但隨著復(fù)雜構(gòu)件和難加工材料的不斷出現(xiàn)，由于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法在這方面的局限性，人們非常希望能用簡(jiǎn)單電極（如棒狀電極）像銑刀一樣進(jìn)行電火花成形加工。于是，電火花銑削加工越來(lái)越受到人們的關(guān)注[2]。與傳統(tǒng)電火花成形相比，電火花銑削加工的優(yōu)勢(shì)是明顯的，不僅具有節(jié)省大量成形電極、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、減少加工費(fèi)用、提高加工的靈活性等一系列重要意義，而且將對(duì)傳統(tǒng)電火花成形加工工藝產(chǎn)生很大影響：

（1）電火花銑削加工，可以對(duì)傳統(tǒng)成形加工有困難、甚至無(wú)法加工的工件進(jìn)行加工，如由復(fù)雜圓弧、直線組成的又長(zhǎng)又深的窄槽等。

（2）采用簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)電極加工，簡(jiǎn)化了加工工藝；采用復(fù)雜的成形電極加工，放電間隙的電介液流場(chǎng)不均勻，工作狀態(tài)不一致，以及損耗不均勻等不利因素，使得加工工藝復(fù)雜多變。

（3）加工更易穩(wěn)定。由于在電火花銑削加工過(guò)程中，電極高速旋轉(zhuǎn)以及相對(duì)應(yīng)放電位置的不斷改變等，都大大改善了放電條件，從而使得加工更加穩(wěn)定，有效避免了令人頭痛的電弧放電和短路現(xiàn)象。

（4）采用簡(jiǎn)單電極，可在保持相對(duì)加工面積較小的情況下進(jìn)行加工，從而有效減小電容效應(yīng)，獲得更低的表面粗糙度。

2 加工的關(guān)鍵技術(shù)

雖然電火花銑削加工從工具及其成形運(yùn)動(dòng)形式上，類(lèi)似于數(shù)控銑削加工，但是由于電火花銑削加工本質(zhì)上仍然是電火花加工，具有電火花加工的共性，如加工中工具電極存在較大的損耗，工具與工件之間存在加工間隙等。電火花銑削加工機(jī)床不等于機(jī)械銑削加工與電火花成型加工的簡(jiǎn)單復(fù)合，必須解決好以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）電極損耗的檢測(cè)及補(bǔ)償。電極損耗，是影響電火花銑削加工精度的重要因素，包含兩個(gè)方面：一是電極損耗的檢測(cè)技術(shù)：二是電極損耗的在線補(bǔ)償方式。準(zhǔn)確的電極損耗檢測(cè)，是正確進(jìn)行電極補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。目前研究中電極損耗檢測(cè)主要采用CCD光學(xué)傳感器測(cè)量，根據(jù)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但會(huì)帶來(lái)時(shí)間的損失，存在加工效率和加工精度的矛盾?，F(xiàn)在認(rèn)為，完全靠在加工中進(jìn)行電極損耗檢測(cè)，依據(jù)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡姆椒?，不適合實(shí)際生產(chǎn)加工。未來(lái)研究發(fā)展的趨勢(shì)，是采用現(xiàn)代高科技手段，通過(guò)大量的工藝實(shí)驗(yàn)，得到各種狀態(tài)下電極損耗規(guī)律，最終建立電極損耗預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際加工中，根據(jù)該模型進(jìn)行補(bǔ)償，從而大幅度提高加工效率。

（2）CAD/CAM技術(shù)。雖然目前具有較為成熟的數(shù)控機(jī)械銑削CAD/CAM技術(shù)，但現(xiàn)在尚未發(fā)現(xiàn)較成熟的具有電火花銑削加工自動(dòng)編程功能的CAD/CAM軟件。電火花銑削加工與機(jī)械銑削加工編程的明顯區(qū)別在于：電火花加工數(shù)控代碼中除了有通用的G、M、T等代碼外，還有電火花加工工藝所必需的加工條件代碼。不同的加工階段、加工余量、加工材料及加工極性等，都會(huì)對(duì)加工條件代碼產(chǎn)生很大影響。加工條件代碼，不僅影響加工效率，還影響加工穩(wěn)定性和加工精度，因而加工條件代碼的編程，還涉及到參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，還可與知識(shí)庫(kù)、專(zhuān)家系統(tǒng)以及智能學(xué)習(xí)等更高級(jí)的加工方式聯(lián)系在一起。由此可見(jiàn)，電火花銑削加工的自動(dòng)編程，與其工藝規(guī)律有緊密的聯(lián)系，而電火花加工工藝的復(fù)雜性，也決定了加工條件代碼編程的難度。除此之外，電火花加工過(guò)程中放電間隙的存在，以及放電間隙的動(dòng)態(tài)變化，也都增加了電火花銑削加工編程的復(fù)雜性，沒(méi)有一定的工藝積累，是難以勝任其編程的。

3 電火花加工中的電規(guī)準(zhǔn)

電火花加工的電規(guī)準(zhǔn)(或稱電參數(shù))是指選用的電加工用量、電加工參數(shù)，主要是電脈沖的參數(shù)。電參數(shù)主要指脈沖寬度、脈沖間隔、放電頻率、峰值電流、峰值電壓、極性等。

（1）脈沖寬度ti(μs)簡(jiǎn)稱脈寬，是加到工具和工件上放電間隙兩端的電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間。電火花加工采用斷續(xù)的脈沖電壓波。粗加工時(shí)可用較大的脈寬，ti＞100 μs；精加工時(shí)采用較小的脈寬，ti＜ 50 μs。

（2）脈沖間隔to(μs)簡(jiǎn)稱脈間，是兩個(gè)連續(xù)脈沖電壓之間的間隔時(shí)間。脈間過(guò)小，放電間隙來(lái)不及消電離和恢復(fù)絕緣，容易產(chǎn)生電弧放電，燒傷工具電極和工件；脈間過(guò)大，將降低加工效率。

（3）峰值電壓，是間隙開(kāi)路時(shí)電極間最高電壓，等于電源的直流電壓。峰值電壓高時(shí)，放電間隙大，生產(chǎn)率高，但加工成型精度稍差。

（4）峰值電流，是間隙火花放電時(shí)脈沖電流的最大值(瞬間值)，它是影響生產(chǎn)率、表面粗糙度等指標(biāo)的重要參數(shù)。

4 影響材料放電蝕除的主要因素

電火花加工過(guò)程中，材料被放電蝕除的規(guī)律是十分復(fù)雜的。研究影響材料放電蝕除的因素，對(duì)于應(yīng)用電火花加工方法，提高電火花加工的生產(chǎn)率，降低工具電極的損耗是極其重要的。影響材料放電蝕除的主要因素：

（1）極性效應(yīng)。在電火花加工過(guò)程中，無(wú)論是正極還是負(fù)極，都會(huì)受到不同程度的電蝕。即使是相同材料，例如鋼加工鋼，正、負(fù)電極的電蝕量也是不同的。這種單純由于正、負(fù)極性不同而彼此電蝕量不一樣的現(xiàn)象，叫做極性效應(yīng)。如果兩極材料不同，則極性效應(yīng)更加復(fù)雜。常把工件接脈沖電源的正極（工具電極接負(fù)極)時(shí)，稱“正極性”加工；反之，工件接脈沖電源的負(fù)極(工具電極接正極)時(shí)，稱“負(fù)極性”加工。

產(chǎn)生極性效應(yīng)的原因很復(fù)雜，對(duì)這一問(wèn)題的籠統(tǒng)解釋是：在電火花放電過(guò)程中，正、負(fù)電極表面分別受到電子和正離子的轟擊和瞬時(shí)熱源的作用，在兩極表面所分配到的能量不一樣，因而熔化、汽化拋出的電蝕量也不一樣。能量在兩極上的分配，對(duì)兩個(gè)電極電蝕量的影響是一個(gè)極為重要的因素，而電子和正離子對(duì)電極表面的轟擊，則是影響能量分布的主要因素。因此，電子轟擊和離子轟擊，無(wú)疑是影響極性效應(yīng)的重要因素。但是，近年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐和研究結(jié)果表明，正的電極表面，能吸附放電時(shí)分解游離出來(lái)的碳微粒，從而在正極上形成一層黑色的保護(hù)膜，俗稱“碳黑膜”或“黑膜”。由于碳黑膜的存在，減小了電極損耗。此外，覆蓋和鍍覆作用對(duì)極性效應(yīng)的影響，在某些條件下也不可忽視。

（2）電參數(shù)對(duì)電蝕量的影響。研究結(jié)果表明，在電火花加工過(guò)程中，無(wú)論正極還是負(fù)極，都存在單個(gè)脈沖的蝕除量q與單個(gè)脈沖能量WM，在一定范圍內(nèi)成正比的關(guān)系。某一段時(shí)間內(nèi)的總蝕除量，約等于這段時(shí)間內(nèi)各單個(gè)有效脈沖蝕除量的總和，故正、負(fù)極的蝕除速度，與單個(gè)脈沖能量、脈沖頻率成正比。用公式表示為：

其中，qa、qc為正極、負(fù)極的總蝕除量；va、vc為正極、負(fù)極的蝕除速度，亦即工件蝕除速度或工具損耗速度；WM為單個(gè)脈沖能量；f為放電頻率；t為加工時(shí)間；Ka、Kc為與電極材料、脈沖參數(shù)、工作液等有關(guān)的工藝系數(shù)；φ為有效脈沖利用率(以上符號(hào)中，角標(biāo)a表示正極，c表示負(fù)極)。單個(gè)脈沖放電所釋放的能量，取決于極間放電電壓、放電電流和放電持續(xù)時(shí)間，所以單個(gè)脈沖放電能量為：

其中，t0為單個(gè)脈沖實(shí)際放電時(shí)間；u(t)為放電間隙中隨時(shí)間而變化的電壓；i(t)為放電間隙中隨時(shí)間而變化的電流；WM為單個(gè)脈沖放電能量。

由于火花放電間隙的阻抗的非線性特征，擊穿后間隙上的火花維持電壓，是一個(gè)與電極對(duì)材料及工作液種類(lèi)有關(guān)的數(shù)值?；鸹ňS持電壓與脈沖電壓幅值，極間距離以及放電電流大小等的關(guān)系不大，因而可以說(shuō)，正負(fù)極的電蝕量，正比于平均放電電流的大小和電流脈寬；對(duì)于矩形波脈沖電流，實(shí)際上正比于放電電流的幅值。

由此可見(jiàn)，提高電蝕量和生產(chǎn)率的途徑在于：提高放電頻率f、增加單個(gè)脈沖能量WM，或者說(shuō)增加平均放電電流（對(duì)矩形脈沖即為峰值電流）和脈沖寬度ti，減小脈間t0，設(shè)法提高系數(shù)Ka和Kc。當(dāng)然，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)要考慮到這些因素之間的相互制約關(guān)系和對(duì)其他工藝指標(biāo)的影響，例如脈沖間隔時(shí)間過(guò)短，將產(chǎn)生電弧放電；隨著單個(gè)脈沖能量的增加，加工表面粗糙度值也隨之增大等等。

（3）影響電蝕量的其他一些因素。首先是加工過(guò)程的穩(wěn)定性，加工過(guò)程不穩(wěn)定將干擾破壞正常的火花放電，使有效脈沖利用率降低。隨著加工深度、加工面積的增加，或加工型面復(fù)雜程度的增加，不利于電蝕產(chǎn)物的排除的因素增多，會(huì)影響到加工穩(wěn)定性；降低加工速度，嚴(yán)重時(shí)將造成結(jié)碳拉弧，使加工難以進(jìn)行。為了改善排屑條件，提高加工速度和防止拉弧，常采用強(qiáng)迫沖油和工具電極定時(shí)抬刀等措施。

如果加工面積較小，而采用的加工電流較大，也會(huì)使局部電蝕產(chǎn)物濃度過(guò)高，放電點(diǎn)不能分散轉(zhuǎn)移，放電后的余熱來(lái)不及傳播擴(kuò)散而積累起來(lái)，造成過(guò)熱，形成電弧，破壞加工的穩(wěn)定性。電極材料對(duì)加工穩(wěn)定性也有影響，鋼電極加工鋼時(shí)不易穩(wěn)定，純銅、黃銅加工鋼時(shí)則比較穩(wěn)定。脈沖電源的波形及其前后沿陡度，影響著輸入能量的集中或分散程度，對(duì)電蝕量也有很大影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品日益向小型化、精密化方向發(fā)展，微細(xì)加工技術(shù)也越來(lái)越受到人們的重視。電火花銑削是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的技術(shù)，對(duì)電火花銑削加工特點(diǎn)及其影響材料放電蝕除的因素進(jìn)行研究與分析，仍然是擺在工程技術(shù)人員面前的一個(gè)重大課題，尚有待深入開(kāi)展。

[1]沈 洪.電火花加工技術(shù)發(fā)展的里程碑──電火花銑床[J].電加工，1995，(04)：37-38.

[2]劉光壯，楊曉冬，遲關(guān)心，等.電火花銑削加工技術(shù)及其發(fā)展?fàn)顩r[J].電加工，1998，(01)：3-7.