数控特种加工技术CNC Special processing technology高等教育出版社第2章 数控电火花加工 主编：丛文龙 张祥兰数控特种加工技术学习目标与要求：1了解数控电火花加工的原理、特点； 2熟悉数控电火花加工机床的组成及各部分功用； 3了解数控电火花加工基本工艺规律； 4掌握数控电火花加工的应用。 电火花加工（Electrical Discharge Machining，简记为EDM）是利用 浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特 种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。 电火花加工于1943年由苏联学者 .拉扎连科夫妇研究发明后，随 着脉冲电源和控制系统的改进而迅速发展起来。目前这一工艺技术已 广泛应用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料； 用于加工模具等具有复杂表面和有特殊要求的零部件，在民用和国防 工业中获得越来越多的应用。数控特种加工技术2.1 电火花加工的原理、特点及应用范围一、电火花加工的原理 电火花加工原理如图2-1所示。工件1和工具电极（简称为电极）4分 别接脉冲电源2的两极，并均浸泡在工作液中，电极在自动进给调节 装置的驱动下，与工件间保持一定的放电间隙。电极的表面（微观） 是凹凸不平的，当脉冲电压加到两极上时，某一相对间隙最小处或绝 缘强度最低处的工作液将最先被电离为负电子和正离子而被击穿，形 成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工 件和工具表面都蚀除掉一小部分金属。单个脉冲经过上述过程，完成 了一次脉冲放电，而在工件表面留下一个带有凸边的小凹坑，如图2- 2b所示。这样以很高频率连续不断地重复放电，工具电极不断向工件 进给，工件材料不断被蚀除，最后使工件整个被加工表面形成无数个 小放电凹坑。这样，电极的轮廓形状便被复制到工件上，加工出所需 要的零件。 数控特种加工技术图2-1 电火花加工原理示意图 1工件 2脉冲电源 3自动进给调节装置 4工具电极 5工作液 6过滤器 7液压泵数控特种加工技术图2-2 放电间隙状况示意图(a) 放电间隙状况 (b) 放电后的表面1阳极 2阳极上抛出金属的区域 3熔化的金属微粒 4工作液 5凝固的金属微粒6阴极上抛出金属的区域 7阴极 8气泡 9放电通道 10翻边凸起 11-凹坑数控特种加工技术电火花加工应具备以下条件： （1）工件与电极之间应保持一定的放电间隙。放电间隙不 能过大或过小，间隙过大，极间电压不能击穿极间介质， 无法产生电火花；间隙过小，容易形成短路接触，同样不 能产生电火花。为此，在电火花加工过程中必须具有电极 自动进给和调节装置，使工件与电极之间保持一定放电间 隙。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关， 一般为0.010.1mm左右。 （2）工件与电极之间应充满有一定绝缘性能的工作液，以 利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还应能将电蚀 产物从放电间隙中排除出去，并对电极和工件表面进行很 好的冷却。 （3）火花放电必须为瞬时的脉冲性放电，而不是持续电弧 放电。这样才能使所产生的热量来不及传导扩散到其它部 分，从而只在极小范围内使金属熔化、气化蚀除。否则， 像持续电弧放电那样，会使工件表面烧伤而无法用作尺寸 加工。数控特种加工技术二、电火花加工的特点电火花加工具有如下特点： （1）便于加工用机械加工难以加工或无法加工的材料，如淬火钢、 硬质合金、耐热合金等。 （2）由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适 用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。由于加工中 工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此，适宜于 加工低刚度工件及作微细加工。 （3）电极材料不必比工件材料硬。 （4）可进行微细精加工。通常可用于0.011mm范围内的型孔加工。 （5）可加工各种成形工具和量具。 （6）直接利用电、热能进行加工，便于实现加工过程的自动控制。数控特种加工技术三、电火花加工的应用范围由于电火花加工有其独特的优越性，再加上数控水平和工艺技术的不断提高，其应用领域日益扩大 。目前已广泛应用于机械（特别是模具制造）、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪 表、汽车拖拉机、轻工等行业，用以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到 小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。 （1）高硬度零件加工。对于某些硬度较高的模具，或者是硬度特别高的滑块、顶块等零件，热处 理后表面硬度高达50HRC以上，采用机械加工方式将很困难，而采用电火花加工则可以不受材料硬 度的影响。 （2）型腔尖角部位加工。如锻模、热固性和热塑性塑料模、压铸模、挤压模、橡皮模等各种模具 的型腔常存在着一些尖角部位，在常规切削加工中由于存在刀具半径而无法加工到位，使用电火花 加工可以完全成形。 （3）模具上的筋加工。在压铸件或者塑料件上，常有各种窄长的加强筋或者散热片，这种筋在模 具上表现为下凹的深而窄的槽，用机械加工的方法很难将其加工成形，而使用电火花可以很便利地 进行加工。 （4）深腔部位的加工。由于机械加工时，没有足够长度的刀具，或者刀具缺乏足够的刚性，不能 加工具有足够精度的零件，此时可以用电火花进行加工。 （5）小孔加工。对各种圆形小孔、异形孔的加工，如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等，对于长深 比非常大的深孔，很难采用钻孔方法加工，而采用电火花或者专用的高速小孔加工机可以完成各种 深度的小孔加工。 （6）表面处理。如刻制文字、花纹，对金属表面的渗碳和涂覆特殊材料的电火花强化等。另外通 过合理选择加工参数，也可以直接用电火花加工出一定形状的表面蚀纹。 电火花加工存在着加工效率低、有电极损耗、只能加工金属等导电材料等缺陷，这使电火花加工的 应用受到了一定限制。为了提高电火花加工的生产率，通常安排工艺时多先采用切削加工来去除大 部分余量，然后再进行电火花加工。数控特种加工技术 和普通电火花加工机床相比，数控电火花 加工机床的加工精度、加工自动化程度、 加工工艺的适应性、多样性大为提高，在 生产中得到广泛应用。数控电火花成形加 工机床主要由机床本体、脉冲电源和机床 电气系统、自动进给调节系统、数控系统 、工作液循环过滤系统及工具电极等部分 组成。图2-3所示为SC400型数控电火花成 形加工机床的外观，图2-4所示为数控电火 花成形加工机床组成示意图。数控特种加工技术图2-3 SC400型数控电火花成形加工机床 1机床垫铁 2油箱 3底座 4滑枕 5数控电源柜 6主轴箱 7控制台 8工作液槽 9床身数控特种加工技术图2-4 数控电火花成形加工机床的组成数控特种加工技术一、机床本体及附件 机床本体是指构成机床的机械实体，主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统 等部分组成。附件包括用以实现工件和电极的装夹、固定和调整其相对位置的机械装 置、电极自动交换装置（ATC或AEC）等。 床身和立柱是机床的基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相对位置。其结 构应合理，有较高刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性，还应能减 小温度变化引起的变形。主轴头是数控电火花成形加工机床的关键部件，它由伺服进 给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成，电极即安装在其上，主轴头通过自 动进给调节系统带动在立柱上作升降移动，改变电极和工件之间的间隙。 工作台是用来支承和安装工件的，上面装有工作液槽，工作台可作纵向和横向进给运 动，分别由直流或交流伺服电动机经滚珠丝杠驱动。运动轨迹是靠数控系统通过数控 程序控制实现的。 机床的附件主要有可调节工具电极角度的夹头和平动头。装夹在主轴头下的电极，在 加工前需要调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需要在水平面内调节 、转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工的工件型孔或型腔预定位置一致。 平动头是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的，其运动半径通过调节可由零逐 步扩大，以补偿粗、中、精加工的火花放电间隙之差，从而达到修整型腔的目的。其 每一个质点运动轨迹的半径就称为平动量。 与数控加工中心的自动换刀装置相似，电极自动交换装置具有在多电极加工时自动选 择、交换电极的功能。数控特种加工技术 二、脉冲电源 脉冲电源是电火花成形加工机床的重要组成部分 ，其作用是将工频交流电转变成一定频率的定向 脉冲电流，提供电火花成形加工所需能量。 脉冲电源提供的脉冲电流波形如图2-5所示。放电 延续时间称为脉冲宽度，应小于10，这样才能使 金属在极小范围内微量蚀除。相邻脉冲之间的间 隔时间称为脉冲间隔，它使放电介质有足够的时 间恢复绝缘状态（称为消电离），以免引起持续 电弧放电烧伤工件表面而无法用作尺寸加工。为 脉冲周期，为脉冲峰值电压或空载电压。数控特种加工技术图2-5 脉冲电源电压波形数控特种加工技术 脉冲电源的性能直接影响电火花成形加工 的生产效率、加工稳定性、电极损耗、加 工精度和表面粗糙度，因此要求具备高效 低损耗、大面积小粗糙度表面稳定加工的 能力。目前常用的脉冲电源有张弛式、独 立式及由独立式派生出的各种派生电源。数控特种加工技术1张弛式脉冲电源 最简单最基本的张弛式脉冲电源是线路脉冲电源，如图2- 6所示。它是利用电容器充电储存电能，而后瞬时放出， 形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电，时而放 电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源。 线路脉冲电源的工作原理是：当直流电源接通后，电流经 限流电阻向电容充电，电容两端的电压按指数曲线逐步上 升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的 电压，因此当电容两端的电压上升到等于工具电极和工件 间隙的击穿电压时，间隙就被击穿，电阻变得很小，电容 器上储存的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流。电容上 的能量释放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液又 迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又重复前述过 程。如果间隙过大，则电容器上的电压按指数曲线上升到 直流电源电压。数控特种加工技术图2-6 线路脉冲电源 1工具电极 2工件数控特种加工技术图2-7 自振式晶体管脉冲电源数控特种加工技术2独立式脉冲电源 独立式脉冲电源的放电间隙和直流电源各 自独立、互相隔离，能独立形成和发生脉 冲，可大大减少电极间隙物理状态参数变 化的影响。最常用的独立式脉冲电源为晶 体管式脉冲电源，它是利用功率晶体管作 为开关元件而获得单向脉冲的。数控特种加工技术3派生脉冲电源 近年来随着电火花加工技术的发展，为进 一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低 耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸 管式或晶体管式脉冲电源的基础上，派生 出不少新型电源，如高低压复合脉冲电源 、多回路脉冲电源、等脉冲电源、高频分 组脉冲、梳形波脉冲电源以及自选加工规 准电源和智能化、自适应控制电源等。这 些电源的出现提高了电火花加工的生产率 及加工质量，拓展了电火花加工的应用领 域。数控特种加工技术三、自动进给调节系统 1自动进给调节系统的功用及特点 正常电火花加工时，工具电极和工件间有一放电间隙，见 图2-8。过大，脉冲电压不能击穿间隙间的绝缘工作液， 不会产生火花放电，必须使工具电极向下进给，直到间隙 等于、小于某一值，才能击穿和火花放电。在正常的电火 花加工时，工件以的速度不断被蚀除，间隙将逐渐扩大， 必须使工具电极以速度补偿送给，以维持所需的放电间隙 。如进给量大于工件的蚀除速度，则间隙将逐渐变小，当 间隙过小时，必须减小进给速度。如果工具工件间发生短 路（0），则必须使工具以较大的速度反向快速回退， 消除短路状态。随后再重新向下进给，调节到所需的放电 间隙。这是正常电火花加工所必须解决的问题。数控特种加工技术图2-8 放电间隙、蚀除速度和进给速度数控特种加工技术 2自动进给调节系统的组成 自动进给调节系统由测量环节、比较