任务1 电火花加工原理及特点

任务描述

根据物理知识的回忆，了解电火花加工的原理及其特点。

学习目标

（1）了解电火花加工的基本概念和特点。

（2）知道电火花线加工的分类与发展现状。

（3）掌握电火花线切割加工的基本原理。

（4）熟悉一些电火花加工的名词术语。

任务分析

任务要求对初中物理科目中的电学部分中的电流概念要有一定的理解基础，熟知电流的成因和必要条件。

完成任务

基本概念

1.电流

（1）定义：电流是指电荷在媒质中的定向运动。

（2）电流的成因：电源的电动势形成了电压，继而产生了电场力，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成了电流。

（3）电流方向：电流方向规定为与电子运动方向相反。

（4）电流形成的必要条件：①电源的电动势；②构成闭合回路的导体媒质。

2.电火花加工

电火花加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining，EMD）。它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时产生的局部、瞬时的高温将金属蚀除下来。这种利用火花放电产生的腐蚀现象对金属材料进行加工的方法称为电火花加工。

完成任务

1.电火花加工原理

电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01～0.05mm）。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10～107W/mm），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至汽化，以致形成一个小凹坑，如图1-1所示。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。

2.电火花加工的优点

（1）可以加工难以用金属切削方法加工的零件，不受材料硬度影响。

（2）由于工具电极与工件电极不直接接触，没有机械切削力。所以，在制作工具电极时不必考虑其受力特性，工具电极可以做得十分微细，能进行微细加工和复杂型面加工。

（3）电火花加工是通过脉冲放电来蚀除金属材料的，而脉冲电源的参数随时可调，因此在同一情况下，只需调整电参数即可切换粗、半精、精、超精加工。

3.电火花加工的局限性

（1）电火花加工生产效率低。

（2）被加工的工件只能是导体。

（3）存在电极损耗，这就影响了成型精度。

（4）加工表面有变质层。

（5）加工过程必须在工作液中进行。电火花加工时放电部位必须在工作液中，否则将引起异常放电。

（6）线切割加工有厚度极限。

4.电火花加工的分类与发展概况

根据目前电火花设备使用情况来分，可分为三大类：

1）电火花成型加工

采用成型工具电极进行仿形电火花加工的方法。

2）电火花线切割加工

利用金属线作为电极对工件进行切割的方法。

3）其他类型电火花加工

如电火花磨削加工、电火花回转加工、电火花研磨、珩磨、电火花打孔，以及金属电火花表面强化、刻字等。

知识链接

电火花加工的发展概况

1.国际电火花加工技术发展的五大趋势

目前电加工技术的发展趋势可归纳为五化：精密微细化、智能化、个性化、绿色环保化和高效化。

1）精密微细化

电火花微细加工主要指尺寸小于300 μm的轴孔、沟槽、型腔等的加工。

通过采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置，可以成功地加工出微细孔和微细轴。不仅可以加工圆孔，还可以加工各种异型孔。

通过微细电火花铣削技术还可以制造更小的微三维结构，进而制造更小的微型机械及微型机器人，从而体现该技术更为广泛的潜在价值和应用前景。

2）智能化

电火花成形加工智能控制系统应重点研究以下技术：①专家系统的应用；②人工神经网络技术的应用；③模糊控制技术的应用。

3）个性化

为了适应零件多品种、小批量的特点，电火花加工机床的结构和功能也呈现出个性化的发展趋势。出现了聚晶金刚石超硬材料的电火花加工专用机床、轮胎模具的电火花加工机床、航空蜂窝密封组件电火花加工机床、330 MW汽轮机高压喷嘴组零件的电火花加工机床等。

4）绿色环保化

绿色电火花加工的研究内容包括①高效节能脉冲电源的研制；②提高脉冲电源的电磁兼容性；③处理“三废”。

5）高效化

近年来在提高电火花成型加工效率方面有了新突破。利用非燃性工作液或在工作液中加入添加剂的电火花成型加工机可成倍提高加工速度。

以往直线电机主要用在加工中心上。目前，直线电机在一些EDM和WEDM机床上已广泛应用。直线电机的使用使传动机构简单，能实现高速度、高加速度移动，满足了EDM加工高速响应的特别要求。最大驱动力高达3 000 N，快进速度可达100m/min。能消除由于电蚀产物未排除而发生的集中放电，二次放电间隙不均匀性等得到极大的抑制，从而改善了加工质量，提高了加工效率。

随着国际互联网的高速发展和普及，EDM机床的通信和控制也发生了巨大的变化。FANAC公司开发了集中管理软件包。公司的总监视器通过国际互联网可很便利地监控多台远程异地WEDM机床的工作状况，并能实时诊断分析每一台机床的工作故障，及时向用户提出解决措施，实现了电火花加工过程的高效性。

此外，新型电源和机器人技术也已应用到了电火花加工机床中。例如，夏米尔公司生产的某系列电火花线切割机床，不仅使用了先进的“Clean Cut”新型脉冲电源，还配备了小型HSR-5机器人，使电火花线切割机床的加工速度和其他性能有了大幅度提高。

2.我国电火花加工的发展

20世纪50年代初期，我国开始研究和试制电火花镀敷设备，即把硬质合金用电火花工艺镀敷在高速钢金属切削刀具和冷冲模刃口上，提高金属切削刀具和模具的使用寿命。同时，我国还成功研制了电火花穿孔机，并广泛应用于柴油机喷嘴小孔的加工。

20世纪60年代初，上海科学院电工研究所成功研制了我国第一台靠模仿形电火花线切割机床。随后又出现了具有我国特色的冷冲模工艺，即直接采用凸模打凹模的方法，使凸凹模配合的均匀性得到了保证，大大简化了工艺过程。

20世纪60年代末，上海电表厂张维良工程师在阳极切割的基础上发明了我国独有的高速走丝线切割机床。上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。

70年代，随着电火花工艺装备的不断进步，电火花型腔模具成型加工工艺已经成熟。线切割工艺也从加工小型冷冲模发展到可以加工中型和较大型模具。切割厚度不断增加，加工精度也不断提高。

20世纪80年代以来，计算机技术飞速发展，电火花加工也引进了数控技术和计算机编程技术，数控系统的普及，使人们从繁重、琐碎的编程工作中解放出来，极大地提高了效率。

思考与练习

1.电火花加工为什么能不断去除材料，从而达到加工的目的？

2.你认为电火花加工最大的优点和缺点分别是什么？