[科普中国]-电火花加工机床

简介

电火花加工机床是一种利用电火花放电，对金属表面进行电蚀的原理来加工金属零件的机床设备。由于电火花加工原理和普通金属切削原理不同，所以电火花加工机床就和普通金属切削机床在结构上有所不同。首先它有 一个能量很大的脉冲电源装置，来为产生电火花提供能量，主要作用是在工具电极和工件电极上产生重复的高强度电脉冲，以产生放电电火花; 其次由于在电火花加工时，工具和工件无直接接触，没有明显的切削力，所以电火花加工机床就没有装备强度很高的主传动系统，但它为了能保证电极间的几微米到几百微米的放电间隙，采用了一个灵敏度很高的间隙自动调整装置，它能随时自动地对间隙进行测量和调整。1

结构组成及作用它的机床本体包括床身、立柱、轴头和工作台，主要是用来实现对工具和工件的装夹、调整等。机床本体要求有足够的刚度，以防在加工过程中，由于机床本身的变形造成放电间隙的改变，使加工无法进行。在电火花加工过程中，工具电极和工件都是被浸在工作液中的。工作液的主要作用就是在放电时压缩火花通道，使电流能集中在局部的小部位;；在放电后要能及时消除电离，恢复绝缘状态，以防产生电弧，工作液还可对工具和工件进行冷却。为了把电蚀产物及时地从电极间隙间排出去，电火花加工机床还装备了工作液循环系统，利用工作液的强制循环，来完成这一工作。1

床身和立柱

床身和立柱是一个基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相互位置。它们精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，加工精度也难以保证。因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应能减小温度变化引起的变形，经过时效处理消除内应力，使其日久不会变形。1

工作台

工作台主要用来支承和装夹工件。在实际加工中，通过转动纵横向丝杆来改变电极与工作的相对位置。工作台上身还装有工作液箱，用以容纳工作液，使电极和被加工件浸泡在工作液里，起到冷却、排屑作用。工作台是操作者在装夹找正时经常移动的部件，通过两个手轮来移动上下拖板，改变纵横向位置，达到电极与被加工件间所要求的相对位置。工作台的种类可分为：普通工作台、精密工作台。1

主轴头

主轴头是电火花穿孔成形加工机床的一个关键部件，它的结构是由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。它控制工件与工具电极之间的放电间隙。主轴头的好坏直接影响加工的工艺指标，如生产率、几何精度以及表面粗糙度，因此对主轴头除结构上不同外，还应具备以下条件：

①有一定的轴向和侧向刚度及精度；②有足够的进给和回升速度；③主轴运动的直线性和防扭转性能好；④灵敏度要高，无爬行现象；⑤不同的机床要具备合理的承载电极质量的能力。1

类型电火花加工机床大致可分为四大类： 第1类为主要用来加工各种模具、型腔、型孔的电火花成型加工机床，这一类机床占全部电火花加工机床的80%左右；第2类为电火花线切割机床，被用来切割零件和加工冲模；第3类为工具电极相对于工件既有直线进给运动又有旋转运动的电火花镗、磨螺纹等加工机床；第4类为可对工件进行表面处理的电火花加工机床，如电火花刻字等。

随着电火花加工工艺的改进，电火花加工机床也有了很大的发展，如在广泛地采用矩形波脉冲电源的同时，又发展了各种迭加波形的脉冲电源和各种矩形波派生电源。在间隙自动调节方面，也由只对电极间隙进行测量、控制，向对多参数进行自适应控制的方向发展等。所有这一系列的改进和发展，已使电火花加工进入了一个新阶段。1

电火花加工的常用术语工具电极

电火花加工用的工具是电火花放电时的电极之一，故称为工具电极，有时简称电极。由于电极的材料常常是铜，因此又称为铜公

放电间隙

放电间隙是放电时工具电极和工件间的距离，它的大小一般在0.01～0.5 mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。

脉冲宽度ti(μs)

脉冲宽度简称脉宽(也常用ON、TON等符号表示)，是加到电极和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间。为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲电压波。一般来说，粗加工时可用较大的脉宽，精加工时只能用较小的脉宽。

脉冲间隔to(μs)

脉冲间隔简称脉间或间隔(也常用OFF、TOFF表示)，它是两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤电极和工件；脉间选得过长，将降低加工生产率。加工面积、加工深度较大时，脉间也应稍大。

放电时间(电流脉宽)te(μs)

放电时间是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，即电流脉宽，它比电压脉宽稍小，二者相差一个击穿延时td。ti和te对电火花加工的生产率、表面粗糙度和电极损耗有很大影响，但实际起作用的是电流脉宽te。

击穿延时td(μs)

从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过一小段延续时间td，工作液介质才能被击穿放电，这一小段时间td称为击穿延时。击穿延时td与平均放电间隙的大小有关，工具欠进给时，平均放电间隙变大，平均击穿延时td就大；反之，工具过进给时，放电间隙变小，td也就小。

脉冲周期tP(μs)

一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之间的时间称为脉冲周期，显然tP=ti+to

脉冲频率fP(Hz)

脉冲频率是指单位时间内电源发出的脉冲个数。显然，它与脉冲周期tP互为倒数。

有效脉冲频率fe(HZ)

有效脉冲频率是单位时间内在放电间隙上发生有效放电的次数，又称工作脉冲频率。

脉冲利用率λ

脉冲利用率λ是有效脉冲频率fe与脉冲频率fp之比，又称频率比，

亦即单位时间内有效火花脉冲个数与该单位时间内的总脉冲个数之比。

脉宽系数τ

脉宽系数是脉冲宽度ti与脉冲周期tp之比。

占空比ψ

占空比是脉冲宽度ti与脉冲间隔to之比，ψ=ti/to。粗加工时占空比一般较大，精加工时占空比应较小， 否则放电间隙来不及消电离恢复绝缘，容易引起电弧放电。

开路电压或峰值电压(V)

开路电压是间隙开路和间隙击穿之前td时间内电极间的最高电压。一般晶体管方波脉冲电源的峰值电压=60～80 V，高低压复合脉冲电源的高压峰值电压为175～300 V。峰值电压高时，放电间隙大，生产率高，但成形复制精度较差。

火花维持电压

火花维持电压是每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25 V左右，但它实际是一个高频振荡的电压。

加工电压或间隙平均电压U(V)

加工电压或间隙平均电压是指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间隔等电压的平均值。

加工电流I(A)

加工电流是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时小，粗加工时大，间隙偏开路时小，间隙合理或偏短路时则大。

短路电流Is(A)

短路电流是放电间隙短路时电流表上指示的平均电流。它比正常加工时的平均电流要大20%～40%。

峰值电流(A)

峰值电流是间隙火花放电时脉冲电流的最大值(瞬时)，在日本、英国、美国常用Ip表示。虽然峰值电流不易测量，但它是影响加工速度、表面质量等的重要参数。在设计制造脉冲电源时，每一功率放大管的峰值电流时预先计算好的，选择峰值电流实际是选择几个功率管进行加工。

短路峰值电流(A)

短路峰值电流是间隙短路时脉冲电流的最大值，它比峰值电流要大20%～40%，与短路电流相差一个脉宽系数的倍数。

随着数字控制技术的发展 ，电火花加工机床已数控化，并采用微型电子计算机进行控制。机床功能更加完善，自动化程度大为提高，实现了电极和工件的自动定位、加工条件的自动转换、电极的自动交换、工作台的自动进给、平动头的多方向伺服控制等。低损耗电源、微精加工电源、适应控制技术和完善的夹具系统的采用，显著提高了加工速度、加工精度和加工稳定性，扩大了应用范围。电火花加工机床不仅向小型 、精密和专用方向发展 ，而且向能加工汽车车身、大型冲压模的超大型方向发展。2

机床加工工艺（1）电火花加工机床加工工艺单电极法用单个电极加工工件，一般用于形状简单、精度要求不高的工件。单电极加工也可用平动头摇动实现工件的粗、中、精加工。

（2）电火花加工机床加工工艺多电极法

同一个工件加工用多个电极，一般分为粗、中、细三次依次进行加工，用于精密型加工。

（3）电火花加工机床加工工艺分解电极法

根据工件的几何形状，把电极分解成若干个，用主型腔电极加工型腔主要部分，再用副型腔电极加工出尖角、窄缝型腔等部位。

（4）电火花加工机床加工规准

粗加工，一般采用较大的电流，较大的on time。

中加工，一般采用中等的电流，中等on time。

精加工，一般采用较小的电流，高频及较小的on time。1