淺談電火花加工的要素

摘要：電火花加工是利用軟刀具使工件材料熔化、氣化和蒸發而去除的一種特種加工方法。文章針對電火花加工的物理過程和電火花加工形成的條件進行了分析，明確了電火花加工的特征，為實際電火花加工方法的選用起到了指導作用。

關鍵詞：電火花加工；物理過程；形成條件；三要素；特種加工方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG661 文章編號：1009-2374（2015）04-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0327

1 電火花加工的定義

電火花加工是利用軟刀具（如0.2mm的鉬絲），使工件材料熔化、氣化和蒸發而去除的一種特種加工

方法。

2 電火花加工的物理過程

電火花加工是一個非常復雜的物理過程，其微觀過程是熱力、流體力、電場力、磁力和電化學等綜合作用的結果。

2.1 極間介質的電離、擊穿，形成放電通道

當工具電極和工件電極形成的電路通電時，因為兩電極間有間隙，所以形成斷路，兩者之間有一個電壓U和一個電場，電場強度E=U/d。工具電極和工件電極慢慢靠近，放電間隙慢慢減小，電極之間的電場強度瞬時達到無限大值。

當電場強度增加到105V/mm左右時，凹凸不平的兩電極間距離最近的波峰點A、B處的電子就會由陰極表面向陽極表面運動。在電場的作用下，電流從陽極向陰極運動，電子流從陰極向陽極高速運動，同時電子撞擊工作液介質中的金屬微粒雜質、碳粒子雜質和自由電子，產生碰撞電離。當電子流到達陽極時，介質被擊穿，形成了放電通道。放電通道中的工作液介質含有大量的分子或原子，分別是正離子、負離子、中性。由于放電通道橫截面很小，而因高溫產生的熱膨脹使得通道內形成的壓力很大，最高達幾十kPa。放電通道在高溫高壓作用下產生類似原子能爆炸時的爆炸波，急速向四周膨脹。電火花放電時，電效應、聲效應、光效應同時存在，所以我們觀察到的是電火花。

2.2 火花放電、電極材料的熔化和氣化、熱膨脹

工作液介質被電離、擊穿，形成電火花放電通道后，通道中的負電子向陽極高速運動，正離子向陰極高速運動，兩支方向相反的粒子流在通道里相互高速摩擦撞擊，同時轟擊陰極和陽極表面，由于能量轉換作用，動能轉換，形成了大量的熱能，使通道中心的溫度升高，瞬時達到了10000℃。電火花放電溫度達到10000℃以上，而純鐵熔點：1538℃，鋼熔點：1300℃～1400℃，鑄鐵熔點：1200℃。通道高溫足可以使正負電極表面的材料熔化甚至沸騰汽化，也使工作液介質汽化。這些汽化后的金屬蒸汽和工作液蒸汽，瞬間體積猛增，產生熱膨脹，具有爆炸性，這就是我們聽到的電火花加工獨有的爆炸聲。

2.3 電蝕產物的拋出

陰陽兩電極間產生的電火花加工，使放電通道產生瞬時的高溫高壓。通道中心的壓力最高，工作液、工件材料汽化后不斷向外膨脹，形成內外瞬間的壓力差，高壓力處的熔融金屬液體（電蝕產物）和蒸汽被瞬時、局部高壓微爆炸拋出，向四處飛濺。其中絕大部分電蝕產物被工作液冷卻凝結成細小的圓球顆粒（金屬熔滴直徑為幾μm），這就是我們觀察到的冒煙現象。還有一部分未被冷卻的高溫熔融金屬被局部的微爆炸拋離極間，就是我們觀察到的桔紅色的火花四濺。所以仔細觀察電火花加工過程，可以聽到輕微而清脆的吱吱聲和噼啪聲，可以觀察到桔紅色的火花四濺、冒煙現象、冒氣泡現象。

2.4 極間介質的消電離

隨著脈沖電壓的下降為零，脈沖電流也迅速下降為零，從短路狀態恢復到斷路狀態，這標志著一個脈沖放電的結束。放電結束后，除了在工件和電極上留下凹坑外，在工作液中還懸浮著金屬微粒（電蝕產物）、炭黑和小氣泡。在下一個脈沖來之前的這段時間間隔里，要讓電蝕產物充分排出，并使通道中的剩余帶電粒子重新成為中性粒子，工作液介質消電離，恢復兩電極間的絕緣狀態，等待著下一個脈沖的到來。

3 電火花加工的三要素

對電火花加工的物理過程進行分析后，得出電火花加工形成的條件，知道電火花加工必須滿足極小間隙、脈沖電壓、工作液介質三要素。

3.1 極小間隙

即放電間隙，加工時工具電極和工件電極之間產生電火花放電的距離。一般放電間隙為數微米至數百微米。電火花線切割加工的放電間隙（單邊mm）在0.01～0.03mm之間，電火花成型加工的放電間隙（單邊mm）在0.003～0.12mm之間。

在放電間隙內，一方面脈沖電壓可以使放電間隙不斷電離、擊穿，利用產生的熱能電火花加工工件，另一方面工作液介質可以及時消電離并排出電蝕產物。如果放電間隙過大，單個脈沖電壓能量不夠，能量不足以電離、擊穿兩電極間介質，因此沒有后續放電加工現象；如果放電間隙過小，又很容易形成短路連接，兩電極間沒有能量消耗，也不能產生電火花放電。由于放電間隙很小，且與加工規準、加工面積、工件蝕除速度等因素有關，因此很難靠人工來調節。另外，工件的蝕除速度不是固定的常數，所以電極進給速度也不能采用類似銑削的機動、等速進給，必須加以實時控制，即自動調整工具電極和工件電極的相對運動，維持一定的放電間隙，必須運用伺服進給系統，采用間隙自動調節裝置。

3.2 脈沖電壓

即脈沖電源，以脈沖方式向工具電極和工件電極的放電間隙提供放電能量的裝置。電火花放電是瞬時的脈沖放電，放電持續一段時間后，停止一段時間，形成脈沖寬度和脈沖間隔。一般放電持續時間為10-7～10-3s，放電停止時間為放電持續時間的2～3倍。放電持續時間很短，使放電時產生的熱能來不及在被加工材料的內部擴散，每次放電產生的能量僅局限在工件加工區的表面層，熱量不會擴散到工件未加工部位，從而保持火花放電的冷極特性。否則就會產生持續電弧放電，使放電點表面大量發熱、熔化并擴散到材料內部，容易造成工件燒傷或電極燒傷熔斷，無法完成加工。

脈沖電源的指標有脈沖寬度Ton（μs）、脈沖間隔Toff（μs）、峰值電流，脈沖電源具有脈沖性、間歇性，單向性、足夠的脈沖放電能量。脈沖性：即在脈沖寬度（波峰）時火花放電。間歇性：在脈沖間隔（波谷）內，使間隙介質消電離，等待下一個脈沖來臨，在兩極間擊穿放電，如果沒有脈沖間隔，會產生電弧放電。單向性：使電極和工件始終保持電極接陰極，工件接陽極或相反。單向性能最大限度地利用極性效應，減小電極損耗。足夠的脈沖放電能量：保證放電部位的金屬被熔化或被氣化，從而在被加工材料的表面形成一個加工后的痕跡，即凹痕，完成電火花加工。一般放電通道的電流密度為105～106A/cm2，維持放電通道的峰值電流不小于2A。

3.3 工作液介質

電火花加工時，工具電極和工件電極的工作液介質要有一定的絕緣性質。電火花表面強化加工時，兩極間為氣體介質?？熳呓z加工常用的工作液為乳化液，慢走絲加工常用的工作液為去離子水，成型加工常用的工作液為煤油。工作液的主要作用是冷卻、潤滑、排屑、消電離。若是電火花成型加工，工作液介質除了清潔，高絕緣外，還要有一定壓力。

3.3.1 工作液的高絕緣性質。這種性質使得工作液在加工時能夠被高能量電離擊穿形成加工，同時加工結束后能自動恢復到原始的絕緣狀態，即消電離，防止由脈沖放電轉變成持續的電弧放電，以便下一個脈沖電壓來臨時再次形成電火花放電。普通自來水的絕緣性能較差，其電阻率為103～104Ω·cm，加上電壓后容易產生電解而不能火花放電。加入礦物油、皂化鉀后制成乳化液，電阻率僅為104～105Ω·cm，適合于電火花加工。

3.3.2 工作液能夠壓縮火花放電通道，增加通道中被壓縮氣體的膨脹力和爆炸力，從而拋出更多熔化和氣化了的金屬，提高蝕除效果。

3.3.3 對工具電極和工件有冷卻作用。工作液要具有較好的吸熱、傳熱、散熱能力，這樣才能在加工過程中降低加工表面瞬時放電產生的局部高溫，避免表面因局部過熱而產生的結炭、燒傷和電弧放電。

3.3.4 及時熱膨脹拋出和排出電蝕產物。工作液在兩電極間流動，使電蝕產物比較容易地從放電間隙中懸浮、熱膨脹拋出，避免放電間隙中由于金屬顆粒過多，導致不是在每個脈沖時找到一個放電間隙最小的位置進行電火花放電，而是在所有脈沖時集中在一點或一點的附近放電，從而形成有害的電弧放電。

4 結語

本文通過分析電火花加工的物理過程，掌握了電火花加工形成的要素，指導了實際工件的電火花加工方法的

選用。

參考文獻

[1] 伍端陽.數控電火花加工實用技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 伍端陽.數控電火花加工現場應用技術精講[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 周旭光.特種加工技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

作者簡介：梁天宇（1978-），女，吉林四平人，大連職業技術學院講師，工學碩士，研究方向：沖壓模具、壓鑄模具、電加工技術等教學。

（責任編輯：黃銀芳）