第七章 电火花加工 (Electrical Discharge Machining) 电火花加工的基本原理与设备 电火花加工的机理 电火花加工中的基本规律 电火花加工机床 电火花加工的应用 电火花加工新技术

7.1 电火花加工的基本原理与设备 电火花加工的基本原理 电腐蚀现象 电腐蚀现象的原因 火花放电 → 产生热量 → 高温 火花放电 → 产生热量 → 高温 →金属局部熔化、气化 → 被去除

电腐蚀现象用于尺寸加工的条件 极间保持一定放电间隙 → 自动进给调节系统 间隙过大：不能击穿 间隙过小：短路接触 瞬时的脉冲放电（10-7 ~ 10-3 s）→ 脉冲电源 连续放电：电弧放电，无法控制尺寸 两电极之间必须充入介质 → 工作液循环过滤系统 工作液：煤油、皂化液、去离子水 工作液的作用 有利于火花放电 排除电蚀产物 冷却电极和工件

加工原理图 脉冲电压波形

电火花加工设备(Sodick A35R) 设备组成 自动进给调节系统 脉冲电源 工作液循环过滤系统

7. 2 电火花加工的机理 一次电火花腐蚀的微观过程（1） 极间介质的电离、击穿、形成放电通道 ＋ －

7. 2 电火花加工的机理 一次电火花腐蚀的微观过程（2） 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀 + －

7. 2 电火花加工的机理 + － 电极材料抛出 存在下面三种作用 热爆炸力 瞬时膨胀 电动力 正负离子对电极的冲击压力 流体动力 一次电火花腐蚀的微观过程（3） 电极材料抛出 存在下面三种作用 热爆炸力 瞬时膨胀 电动力 正负离子对电极的冲击压力 流体动力 蒸发、分解气体 + －

7. 2 电火花加工的机理 一次电火花腐蚀的微观过程（3） 电极材料抛出 气化区 熔化区 热影响区 无变化区

7. 2 电火花加工的机理 极间介质消电离 一次电火花腐蚀的微观过程（4） 带电离子 → 中性离子 介质恢复绝缘 － 电蚀物排除 热能排除 ＋ －

7. 2 电火花加工的机理 电火花加工表面局部放大图

7. 3 电火花加工中的基本规律 7.3.1 影响材料电蚀量的主要因素 极性效应 电参数 金属材料热学常数 工作液 其他因素

极性效应对电蚀量的影响 极性效应 产生极性效应的原因 应用 ＋ ＋ 电火花加工过程中，由于正、负极性不同而电蚀量不同的现象。 正极性加工：工件接在脉冲电源的正极 负极性加工：工件接在脉冲电源的负极 ＋ － ＋ － 电子的质量<正离子的质量 电子的惯性小 窄脉冲：正极性加工 长脉冲：负极性 加工

影响电蚀量的其他因素 电参数（单个脉冲能量WM） 工件材料热学常数 工作液 比热容、熔点、熔化热等 工作液作用：放电通道、压缩、排除产物、冷却 影响：介电性好、粘度大→压缩性好、排屑差 粗加工：机油（压缩在作用好） 半、精加工：煤油（排屑作用） 线切割：去离子水（冷却）

7.3.2 电火花加工的速度和工具损耗速度 加工速度 vw 单位时间内工件的电蚀量 损耗速度 vE 单位时间内工具的电蚀量 工具的相对损耗

7.3.3 降低工具电极损耗的方法（1） ＋ 利用极性效应 — － 工具：纯铜 工件：钢 工作液：煤油 正极性加工：工件接正极，窄脉冲、精加工 负极性加工：工件接负极，长脉冲、粗加工 ＋ — － θ 脉宽ti（μs） 正极性加工 负极性加工 工具：纯铜 工件：钢 工作液：煤油

7.3.3 降低工具电极损耗的方法（2） 利用吸附效应（碳黑膜） 加工前的电极 加工后的电极 只适用于负极性加工 对形成炭黑膜有利的因素 碳氢化合物 碳 电极金属 高温热分解 金属碳化物 微粒 碳胶粒 （带负电荷） 化学吸附碳层 （炭黑膜） 电场作用 加工前的电极 加工后的电极 只适用于负极性加工 对形成炭黑膜有利的因素 脉宽大、脉间小 工作液流动速度和压力小

7.3.3 降低工具电极损耗的方法（3－4） 利用传热效应 工具材料的导热性 ＞ 工件 控制脉冲电流增长率（di/dt） 优选电极材料（热学性能好） 采用熔点、沸点高的难加工材料 常用电极材料 铜钨、银钼：熔点高、工艺性差（精加工） 铜：熔点低、但导热性好，工艺性好（常用） 石墨：热学性能好、吸附游离碳（常用）

7.3.4 电火花加工的表面质量（1） 表面粗糙度 无方向性的小坑和硬凸边组成 一般可达到 Ra1.25~0.32 μm 影响表面粗糙度的因素 电蚀量大（WM），Ra下降 难加工材料（熔点高），相同WM下Ra小 工具表面Ra小，加工表面的Ra小

电火花加工表面粗糙度 粗加工表面 半精加工表面 精加工表面

7.3.5 电火花加工的表面质量（2） 表面变质层 显微硬度、耐磨性 残余应力 耐疲劳性 熔化凝固层：熔化但未抛出后冷却 热影响区：没熔化，但金相组织有变化，与基层无明显界限 显微裂纹：由聚冷聚热产生的拉应力引起微裂纹 显微硬度、耐磨性 表层硬度较高，类似淬火 耐磨性好，但对于滚动干摩擦，表层（熔化凝固层）易脱落 残余应力 聚冷聚热作用下产生， 取较小的WM 耐疲劳性 显微裂纹、内应力影响耐疲劳性 回火、喷丸处理，降低残余应力

电火花加工表面缺陷 加工表面微裂纹 加工变质层示意图

7. 4 电火花加工机床 机床主体 三坐标 五坐标 脉冲电源 自动进给调节系统 工作液净化循环系统

7. 5 电火花加工的应用 7.5.1 电火花加工的特点 适于难加工材料的加工（应为导电材料） 可加工特殊、复杂形状的零件 7. 5 电火花加工的应用 7.5.1 电火花加工的特点 适于难加工材料的加工（应为导电材料） 可加工特殊、复杂形状的零件 无明显的机械力，可加工低刚度件、微细件 调节电参数，可进行粗、精加工 加工效率低，0.01～10g/min 电极有损耗，影响加工精度 只能加工导电材料

7.5.2 电火花穿孔成形加工 电火花穿孔成形加工的分类： 加工方法 加工对象 应用例 穿孔加工 模具 冲模、粉末冶金模、挤压模 型孔 各种型孔、小孔、深孔 型腔加工 型腔模 锻模、塑料模 型腔零件 各种复杂曲面

冲模的电火花加工 利用电火花加工的优点 便于加工硬脆的冲模 可在淬火后加工 可采用整体式硬质合金冲模，不用镶嵌结构 配合间隙均匀、刃口耐磨 L1 SL L2

型腔模的电火花加工 型腔模加工难度大 属于盲孔加工 电蚀物不易排除 电极损耗不易补偿 加工面积大 各点的电极损耗不均匀 电极损耗不均匀

小孔的电火花加工 难点及其解决方法 孔径：φ0.05~2mm 导向装置 刚性好的电极 刚性差 导热差 导热好的材料 电极截面积小 排屑难 孔径小 电极截面积小 刚性差 导热差 排屑难 导向装置 刚性好的电极 导热好的材料 冷却 空心电极+强迫循环 电极上下震动（电磁、超声） 一般为盲孔 孔径：φ0.05~2mm

电火花小孔加工实例 实例1：在钢球中加工φ0.3~3mm孔 实例2：喷嘴上加工φ0.3~1mm孔

异型小孔的电火花加工 单片扁电极组合（利用钟表游丝） 化学纤维喷丝板的异型孔

异型小孔的电火花加工 关键问题：工具电极的制造与装夹 工具电极的制造方法 冷拔整体电极：精度低、成本低、用于大批量 线切割加工 电火花反拷贝加工 精度高、成本高

异型小孔的电火花加工 反拷加工法原理图

7.6 电火花加工新技术 7.6.1 混粉电火花大面积光泽加工 7.6 电火花加工新技术 7.6.1 混粉电火花大面积光泽加工 存在问题 两极之间产生寄生电容，WM小到一定程度时，几个脉冲充电后才能被击穿，因而减小WM 受限制。 解决方法 加入φ1～2μm的硅、铝微粉 ，降低工作液的电阻率

混粉与常规电火花加工的对比 工作液导电率变小 可增大放电间隙 放电点分散 放电通道直径变大 寄生电容变小 单个脉冲能量小 排屑好、稳定性好 散热好 放电点分散 放电通道直径变大

混粉电火花加工效果

7.6.2 电火花微细加工 分类 微细孔加工 微三维结构的加工 关键技术 微电极制作技术 微三维结构的加工技术 电极微驱动装置 微电极在线修正

微电极制作技术 线电极电火花磨削原理

微细探针的制作技术 原理图 探针加工实例 横向探针 三方向探针

微细电火花加工机床

微细孔加工实例 实例1：φ10μm孔 实例2： φ90μm孔

微三维结构的加工技术 微细三维结构应用例 微细三维结构零件

微细三维结构加工方案 成型加工 分层电火花加工 使用简单形状的电极，借鉴数控铣削方式，分层加工 微细三维结构加工实例

电极微驱动装置 驱动方式分类 蠕动式电极驱动 冲击式电极驱动 线性马达驱动机构 椭圆驱动机构

蠕动式电极驱动原理 最小进给量：0.7μm

冲击式电极驱动原理 最小进给量：0.02μm

线性马达驱动机构 最小进给量：0.2μm

椭圆驱动机构 最小进给量 ：1.2μm