電火花銑削加工特點與影響材料放電蝕除的因素分析

張金晶

（株洲職業技術學院，湖南株洲412000）

電火花加工的研究與應用起源于20世紀40年代，是一種利用電、熱能量進行加工的方法，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、負電極)之間的脈沖性火花放電時的電腐蝕現象來蝕除多余的金屬，以達到對零件的尺寸、形狀及表面質量預定的加工要求”[1]。

1 電火花銑削加工特點

長期以來，電火花銑削加工（Edmmill）因其放電間隙與電極損耗補償問題，而一直作為常規成形加工出現困難時，采用的補充手段。但隨著復雜構件和難加工材料的不斷出現，由于傳統的機械加工方法在這方面的局限性，人們非常希望能用簡單電極（如棒狀電極）像銑刀一樣進行電火花成形加工。于是，電火花銑削加工越來越受到人們的關注[2]。與傳統電火花成形相比，電火花銑削加工的優勢是明顯的，不僅具有節省大量成形電極、縮短產品生產周期、減少加工費用、提高加工的靈活性等一系列重要意義，而且將對傳統電火花成形加工工藝產生很大影響：

（1）電火花銑削加工，可以對傳統成形加工有困難、甚至無法加工的工件進行加工，如由復雜圓弧、直線組成的又長又深的窄槽等。

（2）采用簡單標準電極加工，簡化了加工工藝；采用復雜的成形電極加工，放電間隙的電介液流場不均勻，工作狀態不一致，以及損耗不均勻等不利因素，使得加工工藝復雜多變。

（3）加工更易穩定。由于在電火花銑削加工過程中，電極高速旋轉以及相對應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定，有效避免了令人頭痛的電弧放電和短路現象。

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

2 加工的關鍵技術

雖然電火花銑削加工從工具及其成形運動形式上，類似于數控銑削加工，但是由于電火花銑削加工本質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。電火花銑削加工機床不等于機械銑削加工與電火花成型加工的簡單復合，必須解決好以下關鍵技術。

（1）電極損耗的檢測及補償。電極損耗，是影響電火花銑削加工精度的重要因素，包含兩個方面：一是電極損耗的檢測技術：二是電極損耗的在線補償方式。準確的電極損耗檢測，是正確進行電極補償的基礎。目前研究中電極損耗檢測主要采用CCD光學傳感器測量，根據實際測量值進行補償。這種方法實現簡單，但會帶來時間的損失，存在加工效率和加工精度的矛盾。現在認為，完全靠在加工中進行電極損耗檢測，依據測量值進行補償的的方法，不適合實際生產加工。未來研究發展的趨勢，是采用現代高科技手段，通過大量的工藝實驗，得到各種狀態下電極損耗規律，最終建立電極損耗預測數學模型。在實際加工中，根據該模型進行補償，從而大幅度提高加工效率。

（2）CAD/CAM技術。雖然目前具有較為成熟的數控機械銑削CAD/CAM技術，但現在尚未發現較成熟的具有電火花銑削加工自動編程功能的CAD/CAM軟件。電火花銑削加工與機械銑削加工編程的明顯區別在于：電火花加工數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，都會對加工條件代碼產生很大影響。加工條件代碼，不僅影響加工效率，還影響加工穩定性和加工精度，因而加工條件代碼的編程，還涉及到參數優化問題，還可與知識庫、專家系統以及智能學習等更高級的加工方式聯系在一起。由此可見，電火花銑削加工的自動編程，與其工藝規律有緊密的聯系，而電火花加工工藝的復雜性，也決定了加工條件代碼編程的難度。除此之外，電火花加工過程中放電間隙的存在，以及放電間隙的動態變化，也都增加了電火花銑削加工編程的復雜性，沒有一定的工藝積累，是難以勝任其編程的。

3 電火花加工中的電規準

電火花加工的電規準(或稱電參數)是指選用的電加工用量、電加工參數，主要是電脈沖的參數。電參數主要指脈沖寬度、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時間。電火花加工采用斷續的脈沖電壓波。粗加工時可用較大的脈寬，ti＞100 μs；精加工時采用較小的脈寬，ti＜ 50 μs。

（2）脈沖間隔to(μs)簡稱脈間，是兩個連續脈沖電壓之間的間隔時間。脈間過小，放電間隙來不及消電離和恢復絕緣，容易產生電弧放電，燒傷工具電極和工件；脈間過大，將降低加工效率。

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

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

4 影響材料放電蝕除的主要因素

電火花加工過程中，材料被放電蝕除的規律是十分復雜的。研究影響材料放電蝕除的因素，對于應用電火花加工方法，提高電火花加工的生產率，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。在電火花加工過程中，無論是正極還是負極，都會受到不同程度的電蝕。即使是相同材料，例如鋼加工鋼，正、負電極的電蝕量也是不同的。這種單純由于正、負極性不同而彼此電蝕量不一樣的現象，叫做極性效應。如果兩極材料不同，則極性效應更加復雜。常把工件接脈沖電源的正極（工具電極接負極)時，稱“正極性”加工；反之，工件接脈沖電源的負極(工具電極接正極)時，稱“負極性”加工。

產生極性效應的原因很復雜，對這一問題的籠統解釋是：在電火花放電過程中，正、負電極表面分別受到電子和正離子的轟擊和瞬時熱源的作用，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，對兩個電極電蝕量的影響是一個極為重要的因素，而電子和正離子對電極表面的轟擊，則是影響能量分布的主要因素。因此，電子轟擊和離子轟擊，無疑是影響極性效應的重要因素。但是，近年來的生產實踐和研究結果表明，正的電極表面，能吸附放電時分解游離出來的碳微粒，從而在正極上形成一層黑色的保護膜，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，覆蓋和鍍覆作用對極性效應的影響，在某些條件下也不可忽視。

（2）電參數對電蝕量的影響。研究結果表明，在電火花加工過程中，無論正極還是負極，都存在單個脈沖的蝕除量q與單個脈沖能量WM，在一定范圍內成正比的關系。某一段時間內的總蝕除量，約等于這段時間內各單個有效脈沖蝕除量的總和，故正、負極的蝕除速度，與單個脈沖能量、脈沖頻率成正比。用公式表示為：

其中，qa、qc為正極、負極的總蝕除量；va、vc為正極、負極的蝕除速度，亦即工件蝕除速度或工具損耗速度；WM為單個脈沖能量；f為放電頻率；t為加工時間；Ka、Kc為與電極材料、脈沖參數、工作液等有關的工藝系數；φ為有效脈沖利用率(以上符號中，角標a表示正極，c表示負極)。單個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時間，所以單個脈沖放電能量為：

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

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，是一個與電極對材料及工作液種類有關的數值。火花維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系不大，因而可以說，正負極的電蝕量，正比于平均放電電流的大小和電流脈寬；對于矩形波脈沖電流，實際上正比于放電電流的幅值。

由此可見，提高電蝕量和生產率的途徑在于：提高放電頻率f、增加單個脈沖能量WM，或者說增加平均放電電流（對矩形脈沖即為峰值電流）和脈沖寬度ti，減小脈間t0，設法提高系數Ka和Kc。當然，實際生產時要考慮到這些因素之間的相互制約關系和對其他工藝指標的影響，例如脈沖間隔時間過短，將產生電弧放電；隨著單個脈沖能量的增加，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。首先是加工過程的穩定性，加工過程不穩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，或加工型面復雜程度的增加，不利于電蝕產物的排除的因素增多，會影響到加工穩定性；降低加工速度，嚴重時將造成結碳拉弧，使加工難以進行。為了改善排屑條件，提高加工速度和防止拉弧，常采用強迫沖油和工具電極定時抬刀等措施。

如果加工面積較小，而采用的加工電流較大，也會使局部電蝕產物濃度過高，放電點不能分散轉移，放電后的余熱來不及傳播擴散而積累起來，造成過熱，形成電弧，破壞加工的穩定性。電極材料對加工穩定性也有影響，鋼電極加工鋼時不易穩定，純銅、黃銅加工鋼時則比較穩定。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，對電蝕量也有很大影響。

5 結束語

隨著科學技術的發展，產品日益向小型化、精密化方向發展，微細加工技術也越來越受到人們的重視。電火花銑削是一項很有發展前途的技術，對電火花銑削加工特點及其影響材料放電蝕除的因素進行研究與分析，仍然是擺在工程技術人員面前的一個重大課題，尚有待深入開展。

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

[2]劉光壯，楊曉冬，遲關心，等.電火花銑削加工技術及其發展狀況[J].電加工，1998，(01)：3-7.