电火花加工技术概述
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《先进制造技术》课程学习报告
题目：电火花加工技术概述
专业：
机
械
类
姓名：
喻
娇
艳
年级：
2013 级
班级：
机械类1306班
学号：
201303164193
武汉科技大学 机械自动化学院
2016年 6月 10日
电火花加工技术概述
喻娇艳
（武汉科技大学 机械自动化学院, 湖北,武汉） （13级机械类专业,学号201303164193）
摘要：电火花加工（Electrospark Machining）在日本和欧美又称为放电加工（Electrical Discharge Machining,简称EDM）,是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺,本文从电火花加工的研究现状、基本原理、发展前景等三方面加以论述.关键词：电火花加工的研究现状
基本原理
发展前景
Summarize of Electrospark Machining Technique
YU Jiao-yan (College of Machinery and Automation, WuHan University of Science and Technology, HuBei
WuHan 430074) Abstract: Electrospark Machining Technique is also called Electrical Discharge Machining(EDM) in Japan and Occident,it’s a new technology of machining using electrical and heat energy directly.This article discues it in addition in three aspects including it’s research status,fundamental principle,future prospects,etc.
Keywords: Research status;Fundamental principle; Future prospects
1、前言
从前苏联科学院拉扎连柯夫妇在1943年研制出世界上第一台实用化电火花加工装置以来,电火花加工已有70多年的历史,发展速度是惊人的,目前已广泛应用于机械、宇航、航空、电子、电机、仪器仪表、汽车、轻工等行业,它不仅是一种有效的机械加工手段,而且已经成为在某些场合不可替代的加工方法.例如,在解决难、硬材料及复杂零件的加工问题时,应用电火花加工技术十分有效.据统计,目前电火花加工机床的市场占有率已占世界机床市场的6%以上.而且随着科学技术的不断发展,现代制造技术极其相关技术为电火花技术的发展提供了良好机遇.柔性制造、人工智能技术、网络技术、敏捷制造、虚拟制造和绿色制造等现代制造技术正逐渐渗透到电火花加工技术中来,给电火花加工技术的发展带来了新的生机.近年来,国内外很多研究机构对电火花加工技术进行了大量的研究,并且在许多方面取得了显著进展[1-5].
2、电火花加工技术的研究现状
经过60多年的发展,电火花加工技术已日趋完善.2011年第十二届中国国际展览会上,40余家国内外特种设备生产商携机参展.在高速铣削技术日趋成熟且飞速发展的今天,包括电火花加工在内的特种加工技术的市场定位越来越清晰,向高速、微细、精密领域发展成了放电加工领域主要突破方向.适合超精密加工的智能化电源技术得到了实质性应用,瑞士的AgieCharmilles公司开发的ISPG智能脉冲电源在加工表面质量、电极损耗、生产效率等方面都达到了新的高度,采用SF模块进行精密加工,表面粗糙度可以达到0.05微米Ra的水平,电极损耗大幅下降,和以往电源相比生产效率提高近30%;日本MAKINO公司开发的EDAF2型机床配备的智能脉冲电源,其超级放电技术(SST),具有放电量自动调节(AFT)、节能、低损耗、超精面加工等功能.国内放电加工技术同时也得到长足的进步.在国家科技重大专项展品方面,苏州电加工研究所有限公司研制的D7132五轴联动电火花加工机和北京市电加工研究所所研发的N850五轴电火花成形机都配置了智能化脉冲电源及高精加工电路,可稳定实现0.1-0.15微米Ra的精密加工.随着趋于微米加工的需求,对电火花加工设备的热稳定要求越来越高,事实上,热稳定指标已成为一种独立的系统广泛应用于机床的生产领域,Charmilles的FDRM3000机床的温度恒定系统是通过具有恒定温度介质冷却各运动轴的直线光栅系统,作为温度补偿系统的一个稳定参照.相比之下,我国在这方个面的的研究和应用与国外先进水平相比还存在较大差距,随着数控电火花技术逐步向精密、微细方向发展,行业内已认识到热变形现象对加工精度影响的重要性并启动了这方面的研究工作,相信不久的将来一定会有突破性发展 [6].
3电火花加工技术的基本原理
电火花加工是利用侵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方法,又称放电加工或电蚀加工,英文简称EDM.我们可以把整个过程分成彼此独立又相互联系的三个阶段：电离准备阶段、放电热蚀阶段和削离抛出阶段[6].原理图依次如下图所示.
模型图
进行电火花加工时,工具电极和工件分别接脉冲电源的两极,并浸入工作液中,或将工作液充入放电间隙.通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给,当两极间的间隙达到一定距离时,两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿,产生火花放电.实现电火花加工的条件: 1.工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离.在该距离范围内,既可以满足脉冲电压不断击穿介质,产生火花放电,又可以适应在火花通道熄灭后介质消电离以及排出蚀除产物的要求.
2.两电极之间必须充入介质.在进行材料电火花尺寸加工时,两极间为液体介质（专用工作液或工业煤油）;在进行材料电火花表面强化,两极间为气体介质.
3.输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大.在火花通道形成后,脉冲电压变化不大.因此,通道的电流密度可以表征通道的能量密度.能量密度足够大,才可以使被加工材料局部熔化或汽化,从而在被加工材料表面形成一个腐蚀痕（凹坑）,实现电火花加工.4.放电必须是短时间的脉冲放电.放电持续时间一般为10-7-10-3s.由于放电时间短,使放电时产生的热能来不及在被加工材料内部扩散,从而把能量作用局限在很小范围内,保持火花放电的冷极特性.
5.脉冲放电需重复多次进行,并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的.其一时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道;其二,若在一定时间范围内脉冲放电集中发生在某一区域,则在另一段时间内,脉冲放电应转移到另一区域.
6.脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外,使重复性放电顺利进行.一方面,火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性;蚀除物以外的其余放电产物（如介质的汽化物）亦可以促进上述过程;另一方面,还必须利用一些人为的辅助工艺措施.电火花加工主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件;加工各种硬、脆材料,如硬质合金和淬火钢等;加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等;加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具;加工稀有贵重金属及特殊零件,以及多品种、多规格的新产品试件零件的加工[7].4 电火花加工技术的发展趋势
电火花加工技术是一项历史比较悠久的技工技术,在航空航天和模具的加工行业被广泛地应用,其能够对那些硬度比较大的复合材料进行加工,而且这项技术的优势还是比较明显的,是材料加工的重要方法.现在,科学技术实现了高速的发展,能够根据生产的需要进行不同类型的加工,其加工的方向朝着柔性的方向发展,而且在材料加工过程中能够节省大量的时间.所以,应该在电火花加工技术原有的优势的基础上,提高其加工的精密程度,实现环保型的加工,完善加工的方法,使电火花加工技术能够在更加广阔的范围中使用[5].
1 电火花加工技术朝着精密化的方向发展
电火花加工技术越来越精密,在材料的尺寸选择上,其实现了高度的精密化,而且在材料的表面质量是比较精确的.在对电火花进行加工的过程中,能够对放电的间隙进行合理的处理,这就使材料加工的精度非常高.加工的间隙在处理的过程中是非常平均的,这就提高了这项加工技术的稳定性.电火花加工技术中,放电间隙是比较小的,而且能够根据材料的不同,分成不同类型的间隙,能够将放电状态进行精确化的检测.电火花加工技术在运行时,由于受到外部因素的影响,所以其效果也是不同的,要强化加工间隙的处理就必须提高伺服控制,还要对其加工的状态进行检测,确保电源是稳定的.在运用电火花进行精密化加工的过程中,需要制定一定的标准,如尺寸标准等,从而能够使材料的表面精度提高.但是,在进行电火花加工时,电极的损耗程度受到外界的影响,尽管工作人员可以对电源和工作介质进行控制,能够尽量减少电极损耗,但是,在进行电火花精确化加工的过程中,还是存在着大量的电极损耗的问题,这就使材料在加工时尺寸存在一定的误差,所以,要根据材料尺寸的要求对材料进行反复地加工,会浪费很多的时间.所以,在进行电火花加工的过程中,要减少电极的损耗.在电火花加工技术中,提高其表面质量的准确度也是重点问题,电火花加工的表面是由一个个微小的凹坑构成的,在加工后表面上会形成一个个的裂纹,这时就需要对表面进行抛光,使表面变得平整,这就使材料加工的成本上升,而且会导致电火花加工技术的效率下降,而且还不能够采用自动化的加工方法.所以,在进行电火花加工的过程中,要实现其表面质量的精密度是相当重要的,可以运用低速的走丝切割技术,在表面形成一个变质层,能够对表面进行保护,防止表面出现凹凸不平的问题.
2 电火花加工技术的微细化方向
在材料的实际生产的过程中,微机电系统得到了较为广泛的应用,而且材料的加工越来越朝着微细化的方向发展,在电火花加工技术中要实现微细化的发展,其能够体现出电火花加工技术的特征,在加工的过程中,材料与材料之间是不能形成宏观的作用力的,而且加工不会受到材料硬度的影响,从而能够使材料在加工的过程中朝着微细化的方向发展.电火花磨削技术使电火花加工技术更加得细致,所以,微细化的发展是今后电火花技术发展的一个重要的趋势.提供少量的能量电源也是今后电火花技术发展的重点,所以,维系电火花技术能够完善材料加工的速度,能够在一定程度上实现多元化的加工.现在,微细多孔电火花加工技术还是比较完善的,其能够形成阵列式的孔隙,能够形成两个不同线路的磨削系统,然后对材料实现粗加工,在粗加工的基础上,能够采用微细电极,对材料的尺寸进行微细化的加工,结合超声振动的方法,能够在一定程度上完善微细电火花加工技术.
3 电火花加工的高速高效化方向
电火花技术与传统的切削加工对比,其性能还是比较优越的,电火花技术加工材料的效率非常高,能够提高材料生产率.按照对电火花加工技术的相关原理来说,其能够提高材料的加工速度,主要在于其使用了节能的电源,能够在一定程度上使加工时的电力更加得充足,从而能够提高电火花加工技术的用电效率,在传统的材料加工过程中,电能的利用率还不到30%,很多电能都通过大量的电阻消耗,所以在电火花加工中采用新型的电源,能够完善电火花加工的用电率,使电能损耗能够减少.电火花加工技术是运用了铣削技术的,在材料的形状比较复杂时,电火花铣削加工技术能够结合复杂的电极,从而能够节省电极在制作过程中消耗的大量的时间,电火花铣削加工技术要分析电极消耗的电能,分析其补偿问题,而且还会受到外界因素的影响,所以,在对电极损耗进行分析时,尽量采用在线分析的方法,从而能够在一定程度上完善加工的效率.在气体的介质中进行电火花铣削加工技术,其可以运用自动化的手段,使加工的效率能够显著的提高,而且能够结合伺服系统,节省了一半的时间.而且其能够借助直线电机加工的方法,这种方法在材料加工时性能更加得稳定,使材料的性能更加得完善,即使在对深小孔进行加工,也能够在一定程度上借助电磁式的驱动程序,使电火花的加工效率提高.运用了先进的技术手段,借助了与电火花加工技术配套的机床技术,从而能够实现对加工的控制,建立模型,从而实现电火花加工技术的高效发展.
4 绿色环保的电火花加工和复合加工方法
在采用电火花加工技术对材料进行加工时,不用使用液体冷却的方法,在材料加工时采用的是气体作为介质的,这符合可持续发展的加工模式.在实际的应用中,电火花加工中会产生大量的工作液,这些工作液会造成很严重的污染,在这些工作液中含有大量的碳氢化合物,这些化合物能够在空气中挥发,从而导致空气污染.而且在电火花加工时,在高温的条件下,会形成大量的烟气,这些烟气中含有大量的二氧化碳和一氧化碳,直接会对人体不利.这些气体还会对机床产生腐蚀作用,在加工的过程中形成电解质的废物,对水资源和土地资源造成极大的污染.在现在的电火花加工技术中,逐渐实现了采用气体介质的方式,这样就不会产生大量的废气和废水,从而能够实现环保型的加工,而且其加工的成本是比较低的,在加工的过程只需要采用空气就能够完善材料的加工.现在,气中电火花加工技术还不太成熟,还在研发的过程中,但是在不久的将来,其一定可以得到很好的应用.电火花加工技术也可以结合超声进行加工,这样能够提高加工的速度.
5 新研发的电火花加工工艺
要使电火花加工技术能够走得更加得长远,就必须不断研发新技术,从而能够为材料的加工提供动力.现在,在电火花加工技术中,主要是对绝缘陶瓷加工技术进行研究,这种加工方法实现了新的突破,能够在一定程度上使电火花加工技术的内容加以扩宽,使其研究方向更加得广泛.在对传统的电火花加工技术进行研究的过程中,其局限性在于只能运用液体介质,所以还是会产生一定的污染.在使用绝缘陶瓷技术进行材料的加工时,其能够突破导电材料自身的限制,能够通过在陶瓷的表面覆盖电极的,从而能够实现对电极区域的加工.然后将产生的一氧化碳和二氧化碳气体去除.现在,新型的电火花加工技术,如立式旋转电火花切割加工工艺实现了长足的发展,能够实现连续的切割,防止了断丝的发生,而且在材料的加工中具有较强的稳定性,能够减少材料表面的粗糙度.这项技术在原理方面呈现出很多优点,其能够分析材料的加工机理,能够从加工的动力学角度去完善加工的效率,但是,这项技术才开始投入使用,所以还需要进一步的完善,而且相关的设备也需要完善,应该建立起配套的设备.
5 结语
现在,电火花加工技术已经在各个行业得到了广泛的使用,其发展前景还是比较好的,所以,在运用电火花技术进行材料的加工时,尽量提高其效率,减少污染,使材料的加工朝着精细化和微细化发展,结合超声技术,使材料的加工效率更高.
参考文献
[1] 任福君,李小海.电火花加工技术的新发展[ J ]电加工与模具,2003（3）：1-3.[2] 李文卓,赵万生,王振龙.我国微小型电火花加工装置最新研究与进展[ J ] 电加工与模具,2001（2）：5-9.[3] 白基成等.特种加工[M].北京：机械工业出版社,2013.5.[4]花国然,刘志东主编.特种加工技术[M].北京：电子工业出版社,2012.3.[5]李旭.电火花加工技术研究的发展方向分析[ J ] 电加工与模具,2015（8）：1-2 [6] 曹凤国主编.电火花加工[M].北京：化学工业出版社,2014.6.[7]杨晓欣,郭长宁,裴景玉.电火花成形原理及工艺应用[M].北京：国防工业出版社,2015.2.
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