浅谈电火花加工的要素

摘要：电火花加工是利用软刀具使工件材料熔化、气化和蒸发而去除的一种特种加工方法。文章针对电火花加工的物理过程和电火花加工形成的条件进行了分析，明确了电火花加工的特征，为实际电火花加工方法的选用起到了指导作用。

关键词：电火花加工；物理过程；形成条件；三要素；特种加工方法 文献标识码：A

中图分类号：TG661 文章编号：1009-2374（2015）04-0091-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0327

1 电火花加工的定义

电火花加工是利用软刀具（如0.2mm的钼丝），使工件材料熔化、气化和蒸发而去除的一种特种加工

方法。

2 电火花加工的物理过程

电火花加工是一个非常复杂的物理过程，其微观过程是热力、流体力、电场力、磁力和电化学等综合作用的结果。

2.1 极间介质的电离、击穿，形成放电通道

当工具电极和工件电极形成的电路通电时，因为两电极间有间隙，所以形成断路，两者之间有一个电压U和一个电场，电场强度E=U/d。工具电极和工件电极慢慢靠近，放电间隙慢慢减小，电极之间的电场强度瞬时达到无限大值。

当电场强度增加到105V/mm左右时，凹凸不平的两电极间距离最近的波峰点A、B处的电子就会由阴极表面向阳极表面运动。在电场的作用下，电流从阳极向阴极运动，电子流从阴极向阳极高速运动，同时电子撞击工作液介质中的金属微粒杂质、碳粒子杂质和自由电子，产生碰撞电离。当电子流到达阳极时，介质被击穿，形成了放电通道。放电通道中的工作液介质含有大量的分子或原子，分别是正离子、负离子、中性。由于放电通道横截面很小，而因高温产生的热膨胀使得通道内形成的压力很大，最高达几十kPa。放电通道在高温高压作用下产生类似原子能爆炸时的爆炸波，急速向四周膨胀。电火花放电时，电效应、声效应、光效应同时存在，所以我们观察到的是电火花。

2.2 火花放电、电极材料的熔化和气化、热膨胀

工作液介质被电离、击穿，形成电火花放电通道后，通道中的负电子向阳极高速运动，正离子向阴极高速运动，两支方向相反的粒子流在通道里相互高速摩擦撞击，同时轰击阴极和阳极表面，由于能量转换作用，动能转换，形成了大量的热能，使通道中心的温度升高，瞬时达到了10000℃。电火花放电温度达到10000℃以上，而纯铁熔点：1538℃，钢熔点：1300℃～1400℃，铸铁熔点：1200℃。通道高温足可以使正负电极表面的材料熔化甚至沸腾汽化，也使工作液介质汽化。这些汽化后的金属蒸汽和工作液蒸汽，瞬间体积猛增，产生热膨胀，具有爆炸性，这就是我们听到的电火花加工独有的爆炸声。

2.3 电蚀产物的抛出

阴阳两电极间产生的电火花加工，使放电通道产生瞬时的高温高压。通道中心的压力最高，工作液、工件材料汽化后不断向外膨胀，形成内外瞬间的压力差，高压力处的熔融金属液体（电蚀产物）和蒸汽被瞬时、局部高压微爆炸抛出，向四处飞溅。其中绝大部分电蚀产物被工作液冷却凝结成细小的圆球颗粒（金属熔滴直径为几μm），这就是我们观察到的冒烟现象。还有一部分未被冷却的高温熔融金属被局部的微爆炸抛离极间，就是我们观察到的桔红色的火花四溅。所以仔细观察电火花加工过程，可以听到轻微而清脆的吱吱声和噼啪声，可以观察到桔红色的火花四溅、冒烟现象、冒气泡现象。

2.4 极间介质的消电离

随着脉冲电压的下降为零，脉冲电流也迅速下降为零，从短路状态恢复到断路状态，这标志着一个脉冲放电的结束。放电结束后，除了在工件和电极上留下凹坑外，在工作液中还悬浮着金属微粒（电蚀产物）、炭黑和小气泡。在下一个脉冲来之前的这段时间间隔里，要让电蚀产物充分排出，并使通道中的剩余带电粒子重新成为中性粒子，工作液介质消电离，恢复两电极间的绝缘状态，等待着下一个脉冲的到来。

3 电火花加工的三要素

对电火花加工的物理过程进行分析后，得出电火花加工形成的条件，知道电火花加工必须满足极小间隙、脉冲电压、工作液介质三要素。

3.1 极小间隙

即放电间隙，加工时工具电极和工件电极之间产生电火花放电的距离。一般放电间隙为数微米至数百微米。电火花线切割加工的放电间隙（单边mm）在0.01～0.03mm之间，电火花成型加工的放电间隙（单边mm）在0.003～0.12mm之间。

在放电间隙内，一方面脉冲电压可以使放电间隙不断电离、击穿，利用产生的热能电火花加工工件，另一方面工作液介质可以及时消电离并排出电蚀产物。如果放电间隙过大，单个脉冲电压能量不够，能量不足以电离、击穿两电极间介质，因此没有后续放电加工现象；如果放电间隙过小，又很容易形成短路连接，两电极间没有能量消耗，也不能产生电火花放电。由于放电间隙很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工来调节。另外，工件的蚀除速度不是固定的常数，所以电极进给速度也不能采用类似铣削的机动、等速进给，必须加以实时控制，即自动调整工具电极和工件电极的相对运动，维持一定的放电间隙，必须运用伺服进给系统，采用间隙自动调节装置。

3.2 脉冲电压

即脉冲电源，以脉冲方式向工具电极和工件电极的放电间隙提供放电能量的装置。电火花放电是瞬时的脉冲放电，放电持续一段时间后，停止一段时间，形成脉冲宽度和脉冲间隔。一般放电持续时间为10-7～10-3s，放电停止时间为放电持续时间的2～3倍。放电持续时间很短，使放电时产生的热能来不及在被加工材料的内部扩散，每次放电产生的能量仅局限在工件加工区的表面层，热量不会扩散到工件未加工部位，从而保持火花放电的冷极特性。否则就会产生持续电弧放电，使放电点表面大量发热、熔化并扩散到材料内部，容易造成工件烧伤或电极烧伤熔断，无法完成加工。

脉冲电源的指标有脉冲宽度Ton（μs）、脉冲间隔Toff（μs）、峰值电流，脉冲电源具有脉冲性、间歇性，单向性、足够的脉冲放电能量。脉冲性：即在脉冲宽度（波峰）时火花放电。间歇性：在脉冲间隔（波谷）内，使间隙介质消电离，等待下一个脉冲来临，在两极间击穿放电，如果没有脉冲间隔，会产生电弧放电。单向性：使电极和工件始终保持电极接阴极，工件接阳极或相反。单向性能最大限度地利用极性效应，减小电极损耗。足够的脉冲放电能量：保证放电部位的金属被熔化或被气化，从而在被加工材料的表面形成一个加工后的痕迹，即凹痕，完成电火花加工。一般放电通道的电流密度为105～106A/cm2，维持放电通道的峰值电流不小于2A。

3.3 工作液介质

电火花加工时，工具电极和工件电极的工作液介质要有一定的绝缘性质。电火花表面强化加工时，两极间为气体介质。快走丝加工常用的工作液为乳化液，慢走丝加工常用的工作液为去离子水，成型加工常用的工作液为煤油。工作液的主要作用是冷却、润滑、排屑、消电离。若是电火花成型加工，工作液介质除了清洁，高绝缘外，还要有一定压力。

3.3.1 工作液的高绝缘性质。这种性质使得工作液在加工时能够被高能量电离击穿形成加工，同时加工结束后能自动恢复到原始的绝缘状态，即消电离，防止由脉冲放电转变成持续的电弧放电，以便下一个脉冲电压来临时再次形成电火花放电。普通自来水的绝缘性能较差，其电阻率为103～104Ω·cm，加上电压后容易产生电解而不能火花放电。加入矿物油、皂化钾后制成乳化液，电阻率仅为104～105Ω·cm，适合于电火花加工。

3.3.2 工作液能够压缩火花放电通道，增加通道中被压缩气体的膨胀力和爆炸力，从而抛出更多熔化和气化了的金属，提高蚀除效果。

3.3.3 对工具电极和工件有冷却作用。工作液要具有较好的吸热、传热、散热能力，这样才能在加工过程中降低加工表面瞬时放电产生的局部高温，避免表面因局部过热而产生的结炭、烧伤和电弧放电。

3.3.4 及时热膨胀抛出和排出电蚀产物。工作液在两电极间流动，使电蚀产物比较容易地从放电间隙中悬浮、热膨胀抛出，避免放电间隙中由于金属颗粒过多，导致不是在每个脉冲时找到一个放电间隙最小的位置进行电火花放电，而是在所有脉冲时集中在一点或一点的附近放电，从而形成有害的电弧放电。

4 结语

本文通过分析电火花加工的物理过程，掌握了电火花加工形成的要素，指导了实际工件的电火花加工方法的

选用。

参考文献

[1] 伍端阳.数控电火花加工实用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 伍端阳.数控电火花加工现场应用技术精讲[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 周旭光.特种加工技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

作者简介：梁天宇（1978-），女，吉林四平人，大连职业技术学院讲师，工学硕士，研究方向：冲压模具、压铸模具、电加工技术等教学。

（责任编辑：黄银芳）