提高電火花加工表面質量的研究*

白 羽 趙亞軍

(長春工業大學機電工程學院，吉林 長春130012)

由于電火花加工可以加工難切削的材料，并且可以加工出特殊以及復雜形狀的零件。因此，電火花加工技術廣泛應用于機械、航空航天、電子、儀器、輕工業等部門。但是由于加工過程工藝參數較多，各工藝參數之間存在一定的影響，常常會帶來一些工藝問題，直接影響加工的質量與效率。因此，對影響加工表面質量因素的分析具有重要的意義。

1 電火花加工表面質量分析

電火花加工表面質量主要包括表面粗糙度、表面變質層和表面力學性能［1］。電火花加工表面主要由無數個無方向性的小坑和硬凸邊所組成，其表面粗糙度的計算與機械加工一樣，采用微觀輪廓平面度的平均算術偏差值Ra表示。由于電火花加工去除材料靠的是工具和工件之間由于放電產生的高溫，在消電離階段，由于工作液的迅速冷卻，使得工件表面層發生很大的變化。在表面變質層中又分為熔融凝固層、熱影響層、微觀裂紋3 個層次，如圖1。

表面力學性能主要為顯微硬度、殘余應力、耐疲勞性能等項指標。大量實驗研究證明:在電火花加工后，工件的顯微硬度和耐磨性都有所提高，不同的材料，提高的程度也有所不同。由于電火花加工過程中，工件表面經歷瞬時的先膨脹后收縮的作用，使工件表面形成殘余應力［2］，殘余應力大部分為拉應力，在外表層中會出現較小的壓應力。由于殘余應力和可能存在的微觀裂紋的作用，電火花加工后的工件的耐疲勞性會大大降低，因此需要采取一定的熱處理，消除這一不利的影響。

2 電參數對表面粗糙度的影響

電火花加工主要靠工具電極與工件之間的脈沖性放電產生的瞬時高溫、高熱去除材料的。去除材料形成的放電痕跡主要由脈沖能量決定［3］。而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(即脈沖寬度)，其計算公式為:

式中:WM為脈沖能量，J;u(t)為放電間隙電壓，V;i(t)為放電間隙電流，A;te為脈沖寬度，μs。

因此，影響電火花加工表面粗糙度的電參數主要有峰值電壓、峰值電流和脈沖寬度。由于在一定的加工條件下，峰值電壓變化不大，通常取定值，所以，表面粗糙度主要取決于峰值電流和脈沖寬度。

根據實驗研究，以銅為工具電極，鋼為工件時，可得到表面粗糙度與峰值電流和脈沖寬度的經驗公式:

式中:Ra為表面粗糙度，μm;KR為常數，KR=2.3;te為脈沖寬度，μs;ie為峰值電流，A。

2.1 峰值電流對表面粗糙度的影響

在脈沖寬度一定時，隨著峰值電流增加，單個脈沖能量也增加，使表面粗糙度值增大，如圖2。因此，為獲得較小的表面粗糙度值，應盡量減小峰值電流值。

2.2 脈沖寬度對表面粗糙度的影響

當峰值電流一定時，脈沖寬度大，單個脈沖能量大，放電腐蝕產生的放電痕跡大而深，表面粗糙度變差，如圖3。因此，在峰值電流一定時，通常選取較小的脈沖寬度，來獲得較好的表面粗糙度。

3 工具電極對表面粗糙度的影響

3.1 工具電極材料和表面粗糙度

在電火花加工過程中，工具電極的材料不同，電極的性能不同，在加工過程中電極的損耗不同，對工件表面粗糙度的影響也不同。材料質量差、組織不均勻、含雜質的電極會使加工出來的工件表面粗糙度值大，達不到加工的要求。通常，在粗加工規準中，脈沖寬度較大，此時紫銅電極比石墨電極的加工表面粗糙度好。在精加工規準中，脈沖寬度小，石墨電極加工表面粗糙度較好。電火花成型加工是將電極的表面復制到工件表面，電極表面粗糙度會直接影響加工表面的粗糙度，特別在精加工時，工具電極通常都要進行拋光處理。

3.2 加工極性的影響

在脈沖放電過程中，正、負電極表面分別受到負電子和正離子的轟擊，因此兩極表面分配的能量不同。由于電子的質量和慣性較小，在放電初始階段，就能獲得較大的速度和初速度，轟擊正極表面，使電極材料迅速熔化和氣化。然而，正離子的質量和慣性較大，隨著放電時間的持續，其獲得的能量較大，對負極表面的轟擊作用強。因此，在脈沖寬度較小時，應選擇正極性加工;在脈沖寬度較大時，應選擇負極性加工。一般來說，正極性加工的表面粗糙度要比負極性加工的表面粗糙度好，精加工時為了獲得較好的表面質量都選擇正極性加工。

4 加工面積的影響

實驗研究表明:在其他加工條件相同的情況下，加工面積不同，表面粗糙度相差很大。當加工面積較大時，即使很小的脈沖能量，加工工件的表面粗糙度值也很難小于0.32 μm，而且隨著加工面積的增大，表面粗糙度變差。這是因為在加工過程中，工具電極和工件相當于電容器的兩個極。根據平行板電容計算公式［4］:

式中:C為電容器的電容;εr為相對介電常數;S為電容器面積;δ 為電容器極板之間的距離。

由式(3)可知，隨著加工面積的增大，電火花加工中寄生電容增大，即電火花加工兩極板的儲能作用增強，在電規準較小的情況下，電能被此電容“吸收”。此時，只能起到“充電”作用而不會引起火花放電。往往積累多次脈沖才能產生一次放電，這使得加工出的放電凹坑較大，表面粗糙度值變大。

“混粉加工”新工藝的出現解決了這一問題，采用“混粉”加工技術，可以在較大的面積上加工出粗糙度值為0.05～0.1 μm 的光亮面。混粉加工就是在工作液中混入一定量的硅或鋁等導電粉末，使工作液的電阻率降低，潛布電容減小。同時將放電通道分割成許多小的放電通道，使放電能量大大細化，可以得到較小的表面粗糙度值［5］。普通加工與混粉加工極間電場分布圖如圖4 所示。

5 電蝕產物對表面粗糙度的影響

隨著加工的進行，工具電極和工件之間的電蝕產物增多，過多的電蝕產物如果來不及從極間排除、擴散出去，這不僅會使油液變臟、粘度變大，不利于帶走電極與工件之間的電蝕產物，而且會改變間隙介質的成分，降低其絕緣強度，使工具和工件之間的二次放電次數增多，影響極間放電狀態。使放電點集中在某一部位，破壞消電離過程，影響放電穩定性。這樣，脈沖性火花放電將惡性循環轉變為有害的穩定電弧放電狀態，同時工作液局部高溫分解后可能形成積碳現象，在該處聚集成焦粒，這都會燒傷工具電極和工件表面，使表面粗糙度值增大。另外，電蝕產物排出不充分還容易引起短路現象，降低加工速度，長時間的短路作用使電路中電流增大，影響脈沖電源的壽命。為了解決這一問題，需要經常過濾及清潔工作液，加強過濾循環［6］，要人工清理工作液中的積存炭黑和金屬微粒。在加工過程中，為了強化電蝕產物的排出，還要進行適當的工作液循環。工作液循環方式可分為沖油式和抽油式兩種形式［7］。沖油或抽油方式如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，沖油方式排屑能力強，能使電蝕產物完全從極間排出。但是，在排屑過程中，電蝕產物會通過已加工區，會引起工具和工件之間的“二次放電”，從而破壞加工表面，降低表面質量。采用抽油方式，電蝕產物從待加工表面排出，雖然不會影響已加工表面的質量。但是，排屑不充分，而且加工過程分解出的可燃氣體容易積聚在抽油回路的死角處，引起“放炮”現象。這不僅會引起安全性隱患，而且也會加劇電極的損耗，使電極形成錐度，影響加工的精度。因此，通常選擇沖油方式強化電蝕產物的排出。

沖油方式的選擇，引起了另一個影響表面質量因素的研究。如何避免電蝕產物從已加工區排出時引起的二次放電問題，成為人們關注的熱點。尤其是在微小孔電火花加工中，工具電極與工件之間放電間隙非常小，引起二次放電的概率非常大，即使加工過程中能得到很好的表面質量，在電蝕產物排出的過程中也會被破壞。為了解決這一問題，日本學者在電極表面鍍上一層薄薄的絕緣層。這種介質在加工過程中氣化，附著在已加工工件表面，使工具電極和加工表面都被絕緣介質覆蓋，這樣就不會由于“二次放電”對已加工表面再次加工，破壞其表面質量。在工件加工完后，對工件進行沖洗，就會去除附著在加工表面的絕緣介質。目前這種介質的成分尚且不清楚，還有待材料領域專家進一步深入研究。關于防止二次放電破壞已加工表面的方案的研究，也是保證加工表面質量的必不可少的關鍵因素，對其研究有重要的研究價值。

6 結語

綜上所述，影響電火花加工表面質量的因素很多，每個因素的解決方案都很簡單。但是，在加工過程中，要綜合考慮這些因素對加工質量的影響以及各因素之間的相互影響，對其進行系統的分析和科學的分配，最終找到最優的參數控制與分配，從而提高表面質量，降低表面粗糙度。

［1］李小飛. 電火花加工的表面質量［J］. 機械與電子，2010(13):78-79.

［2］夏勁武，徐家文，趙建社. 電火花加工表面質量的研究及進展［J］.電加工與模具，2008(6):11 -15.

［3］劉哲. 電火花加工技術［M］. 北京:國防工業出版社，2010:18 -19.

［

4］龐海峰. 混粉電火花加工表面特性分析［D］. 大連:大連理工大學，2008:24.

［5］孟慶國，趙萬生，趙新通. 大面積混粉電火花加工機理探索［J］. 中國機械工程，2002，13(11):904 -909.

［6］鮑中美. 電火花成形加工常見工藝問題分析和對策研究［J］. 機械設計與制造，2007(9):200 -202.

［7］劉志東，高長水. 電火花加工工藝及應用［M］. 北京:國防工業出版社，2011:35.