混粉電火花加工應用技術探討

陳建麗

（廣東科學技術職業學院，廣東珠海 519090）

電火花加工中，影響加工表面粗糙度的主要是單個脈沖能量大小，也就是峰值電流ie與脈沖時間te乘積。但實踐中發現，在電極面積較大時，即使使用很小的電規準，Ra也難低于0.32 μm[1]，為改善這種狀況，近幾年來國內外出現了“混粉加工”新工藝，在工作液中加入鋁、硅等導電微粉，以獲得大面積的光亮表面。

1 混粉電火花加工機理

電火花加工速度較機械加工要慢，其獲得廣泛應用在于其能加工任何導電材料及加工質量優于傳統機械加工。其中表面粗糙度是考查加工質量的重要方面，根據實驗公式，表面粗糙度與脈沖能量之間的關系表達如下[1]：

式（1）中：Rmax——表面粗糙度（μm）；

KR——與工件材料和電極材料有關的常數，銅對鋼時取2.3；

te——脈沖放電時間（μs）；

從式（1）可看出，影響加工表面粗糙度值的加工工藝因素主要是脈沖放電時間和峰值電流乘積大小，即單個脈沖能量大小。采用較短的脈沖放電時間和較小峰值電流加工，即單個脈沖能量較小時，理應獲得較低的表面粗糙度值。但在實踐中發現，即使單個脈沖能量很小，當電極面積較大時，Rmax亦很難低于2 μm，并且加工面積越大，所能達到的表面粗糙度值越高。其原因在于加工時，在工作液中，加工工件與電極相當于電容的兩極，具有“寄生電容”，相當于在放電間隙并聯了一個電容。采用小的單個脈沖能量精加工時，每次脈沖并不能將放電間隙擊穿，而是對“寄生電容”起了“充電”作用，待進行了幾個周期的“充電”，電壓值足夠擊穿放電間隙時，才進行放電加工，此時，已積累了較多的脈沖能量，形成較大蝕坑，惡化表面粗糙度。

混粉電火花加工是指在工作液中加入鋁、硅等導電微粉的電火花加工工藝。它能有效降低工作液電阻率，放電間隙可成倍擴大，寄生電容成倍減小，不會發生上述多個脈沖能量積累，達到很大脈沖能量才能擊穿放電間隙，進而進行放電的情況；混入的導電微粉對放電火花通道起分割作用，將每次放電火花通道分割成數個小通道，同時對脈沖能量也進行相應分解，使落在工件表面的單個脈沖能量成倍減小，相應的放電蝕坑也較小，以獲得大面積光亮表面。

2 混粉電火花加工的實施要求[2]

2.1 混粉電火花工藝對加工機床的要求

混粉加工通常用于加工面積較大的精加工中，因此應用混粉電火花加工工藝的機床應具有精加工功能。主要在于機床加工電路，具有納秒級脈沖放電時間和較低脈沖電流，使單個脈沖能量很小，并能在小脈沖能量下持續穩定放電，以滿足小規準精加工要求。鋁、硅等導電微粉密度大于工作液密度，要順利進行混粉電火花加工，機床必須具備防止粉末沉淀功能，應用攪拌或循環噴射技術，使導電微粉均勻分布在工作液中。

2.2 混粉電火花對加工工件的要求

混粉電火花加工適合于加工面積大而要求表面粗糙度值低的工件，在加工前應對工件進行判斷是否適合用該工藝進行加工。對于微細型腔和有尖角存在的工件，因容易在窄縫中積留微粉且該工藝放電間隙大，而難以達到預定要求。較大面積的型腔如手機外殼模具則適合用混粉電火花加工工藝。工件在進行混粉電火花加工前應留適當加工余量。加工余量太少，精加工不能將上一次放電痕跡去除，無法達到要求表面粗糙度；加工余量太多，則影響加工效率。

2.3 混粉電火花對加工工藝的要求

混粉電火花加工較常規電火花加工工藝，較大的電規準也能獲得同樣的表面粗糙度值，因此其加工效率較常規電火花加工高。在文章上述對加工機床要求中提過，混粉電火花加工機床具有更好的精加工電路，更高的持續、穩定放電性能，因此在混粉加工參數選擇與常規加工有所不現，要求更高的放電時間和更短的抬刀高度，以獲得穩定小能量電蝕過程。目前應用于混粉電火花加工機床都還有成套參數，操作者可輸入加工面積，要求表面粗糙度等條件，系統自動適配加工參數，當然在實際生產中要獲得最佳加工效果，則需操作者根據實際經驗優化加工參數。

3 混粉電火花加工對表面質量的影響

3.1 表面力學性能[3]

電火花加工時工件表面受到瞬時高溫并迅速油冷，類似于熱處理中的淬火工藝，因此經電火花加工后的工件表面硬度一般比較高，只有某些淬火鋼可能稍低于基體硬度。且硬度隨含碳量增大而升高，耐磨性也相應提高。但表面熔化凝固層與基體結合不牢，容易剝落，有些要求高的模具需把表面熔化凝固層研磨掉再進行后續加工。

混粉電火花加工，與常規電火花加工相同，工件表面受瞬時高溫而熔化，又在工作液中迅速冷卻。上海交通大學高緒寶等人對混粉電火花加工表面做了能譜分析，發現鋁、硅等微粉在熔化凝固層占有一定比重[3]。鋁、硅粉的混入對熔化凝固層起了強化作用，工件表面層硬度較高，耐磨性好。可以做為最終表面使用。混粉電火花加工表面由于受到瞬時高溫作用并迅速冷卻收縮而產生拉應力，易出現顯微裂紋。大連理工大學對混粉加工表面微裂紋進行了研究，發現對微裂紋影響最大的是脈沖放電時間，時間越長，微裂紋越大，且分布越密。

3.2 表面粗糙度[4]

混粉電火花加工與常規電火花加工的最大區別在于微粉的存在能提高工作液導電性，加工中可用更小的電規準，單個脈沖能量更小；導電性能增加，放電間隙增大，寄生電容減小，減少常規電火花精加中的單個能量“累積”現象；微粉的存在能分割火花放電通道，將單個脈沖能量分割成幾個小能量，每個放電通道蝕除凹坑更小，以達到更好表面粗糙度。

4 小結

采用混粉電火花加工工藝加工面積大、表面粗糙度要求高的工作是非常有效的。在使用中應注意機床選擇與加工工藝參數確定。

機床應具有持續、穩定鏡面精加工電路；鋁、硅等微粉密度大于工作液密度，機床應能有效防止微粉沉淀。

混粉電火花加工工藝適合于大面積精加工表面，而對于微細型腔及清角，會由于放電間隙增大及導電微粉積存無法有效工作，加工余量留取應適當，達到較好表面質量，較高加工速度。

工藝參數如峰值電流、脈沖寬度、峰值電壓的選擇對加工速度與加工質量影響較大，目前機床一般具備多套可供選擇參數，生產實踐中需根據經驗合理調整。

本文通過對混粉電火花加工工藝原理分析，解析其使用要求及對表面質量改善狀況，希望對企業吸收與利用當前先進的混粉電火花加工工藝提供一點幫助。

［1］劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［2］張宗才，伍端陽.混粉電火花加工在型腔模中的應用［J］.電加工與模具，2010（5）：69-72.

［3］高緒寶，顧琳，趙萬生，等.混粉電火花加工工件表面質量影響因素分析［J］.制造業自動化，2009（3）：1-4.

［4］段雷，常云朋.基于混粉加工的電火花成型銑削［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（1）：96-98.