知识目标
了解特种加工技术的产生和发展； 掌握特种加工技术的特点与分类； 理解电火花加工方法的原理、特点； 了解电火花加工方法的分类； 掌握电火花加工方法的基本工艺规律。
技能目标
熟悉电火花加工机床的组成及各部分功用； 掌握电火花加工的应用。
任务一 精密微细小孔零件的电火花加工
任务描述
图1-1-1所示为日本一公司用一根成形电极连续加工5个直径0.042 mm微孔的加工实例，工件材料为厚0.1 mm的不锈钢板（SUS304）。那么，要完成这5个微孔的加工，在加工过程中应该如何选用电极材料？电极采用什么方法制作？加工规准又应该如何选择？
图1-1-1
0.042 mm微孔的加工实例
任务分析
利用电火花进行精密、微细孔的加工是一种有效的加工手段，微细孔的应用范围很广，
如可用于化纤喷嘴模具、燃料喷嘴、光学仪器零件的微孔、喷墨打印机的模具或医疗器械的微孔加工等。
在加工精密微孔时，主要需解决两大难点，即加工装置和电极的制作。加工装置应满足一定的功能要求，电极的制作方法目前主要有机械加工法、细丝电极法和电火花成形法。根据加工要求选择合适的电极制作方法是操作者需要掌握的内容。
知识准备
一、特种加工技术概述
1.特种加工技术的产生和发展
20世纪以来，随着机械加工技术的迅速发展，为了满足在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作要求，一些装置和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件，这些零件用传统的机械加工方法难以达到要求，新型特种加工方法应运而生。
特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能、化学能及其组合，或者与机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法。为了与现有的金属切削加工相区别，特种加工也称为非传统加工（non-traditional machining，NTM）或非常规机械加工（non-conventional machining，NCM）。特种加工方法产生于20世纪40年代，当时前苏联学者B.P.拉扎连科夫妇受开关触点遭受火花放电腐蚀破坏现象的启发，发明了电火花加工，开创了特种加工的历史。
虽然特种加工方法的产生源于偶然，但特种加工的迅速发展和广泛应用却是历史必然。近年来，随着精密细小、形状复杂和结构特殊的零件的应用逐渐增加,以及计算机技术、微电子技术和控制技术的迅速发展，对特种加工技术的需求越来越广泛。目前，特种加工技术已成为零件制造的重要工艺技术手段，是现代制造技术的前沿。可以预见，随着科学技术和现代工业的发展，特种加工技术必将不断地完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，在生产中发挥越来越重要的作用。
2.特种加工技术的特点
特种加工技术应用范围非常广，与传统机械加工方法相比，有其独到之处。
（1）特种加工技术主要依靠除机械能以外的其他能量（如电能、热能、光能、声能以及化学能等）进行加工，因而不受工件力学性能的限制，能加工各种高硬度、高脆性、耐热或高熔点的金属及非金属材料，而且特种加工的切削热很少或无切削热，故可加工热敏材料。
（2）特种加工不一定需要工具，有的虽然使用工具，但与工件不接触，因此，工具硬度可低于工件硬度。因为工件不承受大的作用力，所以特种加工可加工刚度极低的零件和弹性元件。
（3）加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，易获得良好的表面质量，加工后的零件的残余应力、热应力、热影响区和冷作硬化程度等均较小。
（4）特种加工属微细加工，它突破了传统加工的零件尺寸和质量限制，可加工尺寸微小的孔或狭缝，使零件获得极高的加工精度和表面质量。
（5）各种特种加工方法易于复合形成新的工艺方法，便于推广和应用。
目前特种加工技术还存在着不少亟待解决的问题，如有些特种加工的机理还不是很清楚，工艺参数的选择还需深入研究，加工过程的稳定性有待进一步提高，环境污染问题需妥善解决，设备投资大、使用维修费高等。如何不断地完善已有的特种加工方法并开发出更新的、更先进的特种加工方法是机械制造业面临的新问题。
3.特种加工技术的分类
特种加工一般按加工时所采用的能量类型分为电火花加工、电化学加工、激光加工、超声波加工、射流加工、电子束加工、离子束加工或化学加工等基本加工方法，以及由这些基本加工方法组成的复合加工方法，特种加工的分类见表1-1-1。
表1-1-1 特种加工的分类
特种加工方法 电火花成形加工 电火花加工 电火花线切割加工 电解加工 电化学加工 电铸 涂镀 激光加工 高能束加工 电子束加工 离子束加工 超声波加工 物料刻蚀加工 射流加工 化学加工 化学铣削 机械能 化学能 气蚀 腐蚀 CHM 电能、热能 电化学能 电化学能 电化学能 光能、热能 电能、热能 电能、机械能 机械能 熔化、汽化 金属离子阳极溶解 金属离子阴极沉积 金属离子阴极沉积 熔化、汽化 熔化、汽化 原子撞击 磨料高频撞击 WEDM ECM EFM EPM LBM EBM IBM USM 能量类型 电能、热能 作用原理 熔化、汽化 英文缩写 EDM 光刻 化学抛光 光敏树脂液相固化成光能、化学能 化学能 光化学、腐蚀 腐蚀 PCM CHP SL 形 快速成形 粉末烧结成形 薄片叠加成形 熔丝堆积成形 电解磨削 电解研磨 超声电解复合加工 复合加工 电解电火花复合加工 电火花超声复合加工 超声振动切削 电化学能、电能、热能 电能、热能、机械能 机械能 阳极溶解、熔化、汽化 熔化、汽化、气蚀 切削 — — — 光能、机械能 光能、热能、机械能 电化学能、机械能 电化学能、机械能 机械能、电化学能 阳极溶解、磨削 阳极溶解、研磨 气蚀、阳极溶解 光能、化学能 增材法加工 SLS LOM FDM ECG ECH — 在特种加工范围内还有一些属于提高表面质量或改善表面性能的工艺，提高表面质量的加工如电解抛光、化学抛光、离子束抛光等，改善表面性能的加工如电火花表面强化镀覆、刻字、激光表面处理、改性、电子束曝光、离子镀等。
在特种加工发展过程中也形成了某些介于常规机械加工和特种加工之间的过渡性工艺，例如在切削过程中引入超声振动或低频振动的振动切削，或者在切削过程中通以低电压、大电流的导电切削以及加热切削和低温切削等。这些加工方法是在切削加工的基础上发展起来的，目的是改善切削的条件，基本上还属于切削加工。
各种特种加工方法的材料去除率、尺寸精度、表面粗糙度、适用材料及应用范围见表1-1-2。
表1-1-2 几种常用特种加工方法的综合比较
特种加工方法 材料去除率/（mm3/min） 平均/最高 尺寸精度/μm 平均/最高 表面粗糙度可加工 材料 Ra/ μm 平均/最高 适用范围 从微米级的孔、槽到超大型模具、工件等，如圆孔、方孔、异形电火花成形加工 30/3000 30/3 10/0.04 金属 孔、深孔、微孔、弯孔或螺纹孔以及冲模、锻模、压铸模、塑料模或拉丝模。还可进行刻字、表面强化或涂覆加工 切割各种冲模、塑料模、粉末冶电火花线切割加工 20/200 金模等二维及三维直纹面组成的模20/2 5/0.32 具及零件。可直接切割各种钢板、磁钢、硅钢片冲片。也常用于钼、钨、半导体材料或贵金属的切割 从细小零件到1t的超大型工件及模具，如仪表微型小轴、齿轮上电解加工 100/10000 100/10 1.25/0.16 的飞边，涡轮叶片、炮管膛线，螺旋花键孔、各种异形孔，锻造模、铸造模，以及抛光、去飞边等 硬质合金等难加工材料的磨削，电解磨削 1/100 20/1 1.25/0.04 如硬质合金刀具、量具、轧辊、小孔、深孔、细长杆磨削，以及超精光整研磨、珩磨等 精密加工小孔、窄缝及成形切割、刻蚀等，如金刚石拉丝模、钟激光加工 瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高 电子束加工 离子束加工 10/1 10/1.25 任何材料 10/1 10/1.25 表宝石轴承、化纤喷丝孔、不锈钢板上打小孔，切割钢板、石棉、纺织品、纸张，还可进行焊接、热处理等操作 在各种难加工材料上打微孔、切口、蚀刻、曝光以及焊接等。常用于制造中、大规模集成微电子器件 很低 /0.01 /0.01 对零件表面进行超精密、超微量加工、抛光、蚀刻、掺杂或镀覆等 加工、切割硬脆材料，如玻璃、超声波加工 1/50 30/5 0.63/0.16 硬脆材料 石英、宝石、金刚石、半导体单晶锗或硅等。可加工型孔、型腔、小孔或深孔等 水射流加工 ＞300 200/100 20/5 钢铁、石材 下料、成形切割、剪裁
4.特种加工技术对机械制造领域的影响
特种加工技术集机械技术、电子技术、信息技术、材料技术和计算机技术于一体，发展十分迅速。加工尺度的微细化、加工方法的复合化和加工过程的自动化已成为特种加工技术研究发展的热点。由于特种加工的特点以及逐渐广泛的应用，引起了机械制造工艺技术领域内的许多变革。
1）提高了材料的可加工性
一般认为金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的。采用电火花、电解、激光等多种方法进行加工，使利用金刚石、聚晶（人造）金刚石制造的刀具、工具、
拉丝模具等得到了广泛应用。材料的可加工性不再与硬度、强度、韧性、脆性等有直接关系，例如对电火花线切割加工而言，淬火钢比未淬火钢更易加工。特种加工方法使材料的可加工范围从普通材料发展到硬质合金、超硬材料和特殊材料。
2）改变了零件的典型工艺路线
在传统加工中（除磨削加工外），切削加工、成形加工等都必须安排在淬火工序之前进行，这是一切工艺人员必须遵守的工艺准则，但特种加工的出现，改变了这种一成不变的程序格式。由于特种加工基本上不受工件硬度的影响，而且为了避免加工后再进行淬火引起的变形，一般都是先淬火、后加工，最为典型的加工方法是电火花线切割加工、电火花成形加工和电解加工。
特种加工的出现还对以往工序的“分散”和“集中”产生了影响。由于特种加工过程中没有显著的机械作用力，机床、夹具、工具的强度和刚度不是主要问题，因此，即使是较大的、复杂的加工表面，往往也可使用一个复杂工具经过一次装夹、一道工序加工出来，工序比较集中。
3）缩短了新产品试制周期
试制新产品时，采用特种加工技术可以直接加工出各种标准和非标准直齿轮，微型电动机定子、转子硅钢片，各种变压器铁芯，各种复杂的、特殊的二次曲面体等零件，可以省去设计和制造相应的刀具、夹具、量具、模具以及二次工具的环节，大大缩短了试制周期。快速成形技术更是试制新产品的必要手段，改变了过去传统的产品试制模式。
4）对产品零件的结构设计产生了很大的影响
各种复杂冲模以往难以制造，一般做成镶拼式结构，在采用电火花线切割加工技术后，即使是硬质合金的模具或刀具，也可以做成整体式结构。由于电解加工的出现，喷气发动机涡轮也可以采用带冠整体结构，大大提高了发动机性能。
5）改变了对传统的结构工艺性的衡量标准
方孔、小孔、深孔、弯孔、窄缝等被认为是工艺性很差的典型，对工艺设计人员来说是非常忌讳的，有的甚至是机械结构的禁区，但是对于电火花穿孔加工、电火花线切割加工来说，加工方孔、圆孔的难易程度是一样的。喷油嘴小孔，喷丝头小异形孔，涡轮叶片上大量的小冷却深孔、窄缝，静压轴承和静压导轨的内油囊型腔等，在采用电火花加工技术以后，其工艺性都得到了改善。采用传统机械加工方法时，若在淬火工艺处理前漏掉钻定位销、铣槽等工艺，淬火处理后这种工件只能报废，现在则可以用电火花打孔、切槽等方法进行补救。而且，现在有时为了避免淬火处理产生开裂、变形等缺陷，还特意把钻孔、开槽等工艺安排
在淬火工艺处理之后，使工艺路线的安排更为灵活。
特种加工技术已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术和尖端技术，国防工业、微电子工业等现代工业的发展，都需要采用特种加工技术来制造相关的仪器、设备和产品。
我国的特种加工技术既有广大的社会需求，又有巨大的发展潜力。目前，我国特种加工的整体技术水平与发达国家还存在着较大的差距，需要我们不断地拼搏和努力，加速开展相关工作，促进我国特种加工技术的研究开发和推广应用。 二、电火花加工的基本原理及机理
20世纪40年代后期，前苏联科学家拉扎连科针对插头或电器开关在闭合与断开时经常发生电火花烧蚀这一现象，经过反复的试验研究，终于发明了电火花加工技术，把对人类有害的电火花烧蚀转化为对人类有益的一种全新工艺方法。
电火花加工又称为放电加工（electrical discharge machining，EDM），其加工过程与传统的机械加工完全不同，电火花加工是一种电能、热能加工方法。它是指加工过程中，使工具和工件之间不断地产生脉冲性的火花放电，靠放电瞬时产生的局部高温把金属蚀除下来。由于在放电过程中常伴有火花，故称为电火花加工，日本、美国、英国等国家通常称之为放电加工。
1.电火花加工的基本原理
电火花加工的原理是利用工具和工件（正、负电极）之间产生脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的加工要求。研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被蚀除掉，形成放电凹坑。要利用电腐蚀现象对金属材料进行加工应具备以下条件。
（1）工具电极和工件被加工表面之间应保持一定的放电间隙。放电间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，不会产生火花放电；放电间隙过小，容易形成短路，同样不能产生火花放电。因此，在电火花加工过程中必须具有电极自动进给调节装置，使工件与电极之间保持一定的放电间隙。放电间隙的大小与加工电压、加工介质等因素有关，一般为0.02 ~0.1 mm。
（2）火花放电必须在有一定绝缘性能的工作介质中进行。对导电材料进行加工时，两极间为液体介质；进行材料表面强化时，两极间为气体介质。
液体介质又称为工作液，如煤油、皂化液或去离子水等。它们必须具有较高的绝缘强度，以利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还能把电火花加工过程中产生的金属屑、炭黑
等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。
（3）火花放电必须是瞬时的脉冲性放电。火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，而不是持续电弧放电。放电持续一段时间（一般为10-～10-3s）后，需停歇一段时间，这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内；否则，会像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。因此，电火花加工必须采用脉冲电源。图1-1-2所示为脉冲电源的空载电压波形，图中ti为脉冲宽度，to为脉冲间隔，tp为脉冲周期，ui为脉冲峰值电压或空载电压。
7
图1.1-2 脉冲电源电压波形
以上这些问题的综合解决，是通过图1-1-3所示的电火花加工系统来实现的。工件1与工具电极4分别与脉冲电源2的两输出端相连接。自动进给调节装置3（此处为电动机及丝杠螺母机构）使工具电极4和工件1之间始终保持一个很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，产生的瞬时高温使工具电极和工件表面都蚀除一小部分金属，各自形成一个小凹坑，图1-1-4（a）表示单个脉冲放电后的电蚀坑，图1-1-4（b）表示多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间（即脉冲间隔to），使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，电蚀出一个小凹坑。这样工具电极和工件间以相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具电极的形状复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面将由无数个小凹坑组成。
图1.1-3 电火花加工系统原理示意图 1-工件；2-脉冲电源；3-自动进给调节系统； 4-工具；5-工作液；6-过滤器；7-工作液泵 图1.1-4 电火花加工表面局部放大图 1-凹坑；2-凸边
2.电火花加工的机理
电火花腐蚀的微观过程是电力、热力、磁力、流体动力等综合作用的过程，该过程大致可分为以下四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿和放电通道的形成；介质热分解、电极材料熔化、汽化和热膨胀；蚀除产物的抛出；极间介质的消电离。
1）极间介质的电离、击穿和放电通道的形成
电火花加工中工作介质的击穿状态直接影响电火花加工的规律性，因此，必须掌握工作介质击穿的规律和特性，尤其是击穿通道特性参数随击穿状态（如电参数、介质特性、电击特性及极间距离等）而变化的规律性。
图1-1-5所示为矩形波脉冲放电时的电压和电流波形。当约80 V的脉冲电压施加于工具电极与工件之间时（见图1-1-5中0~1段和1~2段），两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，即随着极间电压的升高或极间距离的减小，极间电场强度也将随之增大。由于工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，极间距离又很小，因而极
间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。
电火花加工的工艺特性决定了极间工作介质中不可避免地含有各种各样的杂质（如金属微粒、碳粒子、胶体粒子等），也有一些自由电子使介质呈现一定的电导率。在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀。当阴极表面某处的电场强度增加到105 V/mm（即100 V/μｍ）左右时，就会由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下，电子高速地向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（正离子），导致带电粒子以几何级数的方式增大，使介质击穿而形成放电通道。这种由于电场强度高而引起的电子发射形成的间隙介质击穿，称为场致发射击穿；由于负极表面温度升高，局部过热而引起大量电子发射形成的间隙介质击穿，称为热击穿。
从极间介质电离开始，到建立放电通道的过程非常迅速，一般小于0.1 μs，间隙电阻从绝缘状况迅速降低到几分之一欧，间隙电流迅速上升到最大值（几安到几百安）。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达103~104 A/mm2。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为25 V），电流则由0上升到某一峰值电流，见图1-1-5（b）中2~3段。
放电通道是由数量基本相等的带正电粒子（正离子）和带负电粒子（电子）以及中性粒子（原子或分子）组成的等离子体。带电粒子高速运动相互碰撞，产生大量的热，使通道温度升高，通道中心温度可高达10 000 ℃以上。由于电子流动形成电流而产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力，故放电开始阶段通道截面积很小，电流密度高达105~107 A/cm2，而通道内
图1.1-5 极间放电电压和电流波形 由瞬时高温热膨胀形成的初始压力可达数十兆帕。高温、高压的放电通道以及随后瞬时汽化形成的气体（以后发展成气泡）急速扩展，并产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和局部爆炸冲击波等。
2）介质热分解、电极材料熔化、汽化和热膨胀
极间介质一旦被击穿、电离，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是，在通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，温度急剧升高。放电通道在高温的作用下，首先把工作液介质汽化，进而热分解汽化（如煤油等碳氢化合物工作液），高温后裂解为H2（约占40 %）、C2H2（约占30 %）、CH4（约占15 %）、C2H4（约占10 %）和游离碳等，水基工作液则热分解为H2、O2的分子，甚至原子。正、负极表面的高温除使工作液汽化、热分解汽化外，也使金属材料熔化、直至沸腾汽化，这些汽化后的工作液和金属蒸气，瞬间体积剧增，迅速热膨胀，具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以发现放电间隙间冒出很多小气泡，工作液逐渐变黑，还可以听到轻微而清脆的爆炸声。
电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出而形成蚀除产物，相当于图1-1-5中3~4段，此时80 V的空载电压降为25 V左右的火花维持电压，由于它含有高频成分而呈锯齿状，电流则上升为锯齿状的放电峰值电流。
3）蚀除产物的抛出
通道和正、负极表面放电时产生的瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽化的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中。
实际上，金属材料的蚀除、抛出过程远比上述过程要复杂。熔融材料被抛出后，在电极表面形成放电痕，其放大图如图1-1-6所示。熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极表面，形成熔化凝固层，在四周形成稍凸起的翻边，熔化凝固层下面是热影响层，再往下是无变化的材料基体。
图1.1-6 单个脉冲放电痕剖面放大示意图 1-无变化区；2-热影响区；3-翻边凸起；4-放电通道 5-气化区；6-熔化区；7-熔化凝固层
总之，材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果，对这一复杂的抛出过程机理的认识还在不断深化中。
4）极间介质的消电离
随着脉冲电压的下降，脉冲电流也迅速下降为零（见图1-1-5中4~5段），标志着一次脉冲放电结束。此后仍应有一段时间间隔使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以免下一次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，这样可以保证在其他两极相对最近处或电阻率最小处形成下一击穿放电通道，这是电火花加工时所必需的放电点转移原则。
如果在加工过程中产生的电蚀产物（如金属微粒、碳粒子、气泡等）来不及排除、扩散出去，就会改变间隙介质的成分，降低间隙介质的绝缘强度。脉冲火花放电时产生的热量如不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的概率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道不能顺利地转移到其他部位，而始终集中在某一部位，使该处介质局部过热而破坏消电离过程，脉冲火花放电将转变为有害的稳定电弧放电，同时工作液局部高温分解后可能形成积炭，在该处聚集成焦炭粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去，并烧伤电极。
由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般都应有足够的脉冲间隔to。最小脉冲间隔的确定，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间（与脉冲能量有关），还要考虑电蚀产物排出放电区域（与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加工面积有关）的时间。
综上所述，电火花的整个加工过程如图1-1-7所示。
初始状态 （1）介质电离、击穿，形成放电通道 （2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀 （3）抛出蚀除物 （4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态） 图1.1-7 电火花加工的四个连续过程 三、电火花加工的特点及分类
1.电火花加工的特点
通过前面对电火花加工原理的分析可知，在电火花加工过程中，工件的加工性能与工件材料的力学性能（硬度、强度等）几乎无关，而是主要取决于材料的导电性及热学特性（如熔点、沸点、比热容及电阻率等）。另外电火花加工时的宏观作用力远小于传统切削加工时的切削力，所以在加工相同规格的工件时，电火花机床的刚度和主轴驱动功率要求比机械切削机床低得多。
归纳起来，电火花加工有如下特点。
（1）适用于任何难切削材料的加工，如航天、航空领域的发动机零件、蜂窝密封结构件、深窄槽及狭缝等的加工，特别适宜于加工低刚度、薄壁工件，异形孔以及形状复杂的型腔模具、弯曲孔等。
（2）加工时，工具电极与工件并不直接接触，两者之间宏观作用力极小，工具电极不必比工件材料硬，因此工具电极制造容易。
（3）可以加工特殊及复杂形状的零件或表面。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微细加工（通常可用于0.01~1 mm范围内的型孔加工）。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形状表面工件的加工，如复杂型腔模具加工等。
（4）直接利用电能进行加工，因此易于实现加工过程的自动控制及无人操作，可以减
少机械加工工序、缩短加工周期、降低劳动强度并且使用维护方便。
但是，电火花加工也有它的局限性。 （1）主要用于加工金属等导电材料。
（2）一般加工速度较慢。由于电火花加工时工件材料是靠一个个火花放电进行蚀除的，加工速度相对于切削加工而言是很低的。因此，安排工艺时多采用切削加工来去除大部分余量，然后再进行电火花加工以提高生产效率。
（3）电火花加工存在电极损耗。由于火花放电时工件与电极均会被蚀除，因此电极的损耗对加工形状及尺寸精度的影响比切削加工时刀具的影响要大。
（4）工件表面由众多放电凹坑组成，硬度较高，不易去除，影响后续工序加工。 2.电火花加工工艺的分类
按工具电极的形状、工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工大致可分为电火花穿孔成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨、电火花展成加工（同步共轭回转加工）、高速小孔加工、电火花表面强化与刻字。前五类属于电火花成形和尺寸加工，是用以改变零件形状或尺寸的加工方法；后者则属于表面加工方法，用于改善或改变工件表面性质。其中，以电火花穿孔成形加工和电火花线切割加工应用最为广泛。电火花加工工艺方法分类见表1-1-3。
表1-1-3 电火花加工工艺方法分类
类别 工艺方法 特点 用途 备注 约占电火花机床总数的电火花穿孔1 成形加工 极，一个进给运动 模、异形孔等的加工 等电火花穿孔成形机床 约占电火花机床总数的电火花线切2 割加工 极，两个进给运动 缝、下料等的加工 DK7740数控电火花线切割机床 约占电火花机床总数的3%，内孔、外圆、3 成形磨削 径向轴向进给运动 模数滚刀等的加工 内圆磨床等 4 同步共轭回均作旋转运动且精密螺纹、异形齿约占电火花机床总数的1%，相对旋转运动、精密小孔、外圆小典型机床有D6310电火花小孔工具为线状电冲模、直纹面、窄60%，典型机床有DK7725、工具为成形电型腔、冲模、挤压30%，典型机床有D7125、D7140转加工 纵向进给 轮、回转表面等的加工 典型机床有JN-2、JN-8内外螺纹加工机床 约占电火花机床总数的2%，高速小孔加5 工 细管电极旋转、穿孔速度极高 深小孔、喷嘴、穿典型机床有D703G电火花高速丝孔的加工 小孔加工机床 工具在工件上振表面强化、6 刻字 移动 动、工具相对于工件字等的加工 工具刃口强化、刻约占电火花机床总数的2%~3%，典型设备有D9105电火花强化机等 任务实施
在加工精密微孔时，主要解决两大难点，即加工装置和电极的制作。 1.加工装置
加工装置的主要功能必须满足如下要求。 （1）应具有旋转功能。
（2）应具有电极成形装置及功能。
（3）X、Y、Z各轴的分辨率应在1 μm以下。 （4）优异的伺服响应性。 （5）能设定微细电气条件。 （6）主轴旋转的动态精度要高。
（7）应使极间静电容量控制在极小限度内。 2.电极的制作
电极的制作方法目前主要有机械加工法、细丝电极法和电火花成形法。 1）机械加工法
机械加工法主要包括切削法和磨削法，两者都属于接触加工法，加工小直径的电极较困难。
2）细丝电极法
细丝电极法直接用钨丝、钼丝、黄铜丝、纯铜丝作电极。由于其存在变形或弯曲，需用导向器进行导向，很少用于精密加工。例如，在用0.05 mm的钨丝加工时，仅能加工0.07 mm的微孔。
3）电火花成形法
电火花成形法是制作精密微孔加工电极的一种有效方法。利用旋转方式能使任意直径及长度的电极在较短时间内成形。在电极成形方法中，有反拷贝式电火花磨削法（见图1-1-8）和线电极磨削法（见图1-1-9）。反拷贝式电火花磨削法是一种无需特殊装置、简单易行、成本较低的电极成形法；线电极磨削法虽然需要特殊的电极丝运行装置，但却具有成形直线度好、能成形更长电极等优点。
图1-1-8 反拷贝式电火花磨削法 图1-1-9 线电极磨削法
1-成形电极（一次电极）； 2-被成形电极（二次电极） 1-黄铜丝电极； 2-被成形电极； 3-导轮
图1-1-1所示的微孔加工实例中就是选择电火花成形法制作电极，电极材料为钨，直径为0.032 mm，长度为1.42 mm。加工规准的选择与转换及每档规准的加工深度见表1-1-4。
表1-1-4 加工规准的选择与转换及每档规准的加工深度
加工加工 条件 脉冲宽度ON 脉冲间隔OFF 峰值电流Ip 伺服基准电压SV 加工极性PL 电源电压 辅助电PP 源HP 速度 /mm C010 000 000 0000 03 — 01 082 10 003 1.3 伺服 深度注：表中未注单位的加工参数给出的数值为代码。
加工结果：每孔加工时间为46 s，每孔电极损耗量0.067 mm，加工表面粗糙度Ra为1.5 μm，5个微孔的直径最大误差为0.5 μm。
3.任务测评
根据零件图要求对加工零件进行检测，并进行质量分析，任务评测见表1-1-5。
表1-1-5 成形电极连续加工微孔的任务测评
序号 1 2 工具电极 3 4 5 6 7 工件 尺寸 电极损耗 加工时间 表面粗糙度Ra 直径最大误差 15分 15分 15分 15分 15分 项目 考核内容 制作方法 电极材料 配分 10分 15分 检测结果 得分 注：如发生重大安全事故，造成设备或人身损害直接为不合格。 拓展提高
1.HCD300K型机床简介
HCD300K型精密机床是一种中等规格的高精密特种加工机床，如图1-1-10所示。HCD300K型机床兼备国内外同类机床的特点，是以用户的实际需要为目的设计开发的一种结构新颖、性能可靠的精密电火花成形机床，具有造型美观、操作方便、附件齐全等特点。它采用纯铜、石墨、钢、铜钨合金等电极材料，能对碳素钢、工具钢、合金钢、硬质合金及其他高硬度金属材料进行放电加工，可加工冲压模（落料模、复合模等）、型腔模（精锻模、压铸模、注塑模等）以及各种零件的坐标孔及复杂的异形曲面，还可以加工φ0.1 mm以上的小孔和宽0.2 mm的窄缝，广泛应用于仪器仪表、汽车、航空航天、轻工、军工、模具制造等行业。
图1-1-10 HCD300K型机床
2.HCD300K型机床的主要规格及技术参数
HCD300K型机床的主要规格及技术参数见表1-1-6。
表1-1-6 HCD300K型机床的主要规格及技术参数
型号 长×宽 最大行程 纵向（X） 工作台 最大行程 横向（Y） 承载最大质量 内部尺寸（长×宽×高） 工作液槽 容量 主轴垂直行程（Z） 主轴端面距工作台台面最大距离 主轴 允许最大电极质量 电极连接板尺寸 坐标定位精度 容量 油箱 液泵流量 外形尺寸（长×宽×高） 最大加工电流 最大加工生产率 效率 最佳加工表面粗糙度 最佳电极损耗 电气容量 脉冲电源柜输入功率 主机外形尺寸（长×宽×高） 机床质量 整机噪声 Ra≤ 0.3 μm ≤0.3 % 7 kW 1335 mm×1110 mm×2213 mm 1600 kg ≤70 dB 50 kg 124 mm×180 mm X：0.014 mm Y：0.011 mm 330 L 60 L/mm 1120 mm×800 mm×520 mm 50 A 400 mm3/min 200 L 250 mm ≥510 mm 200 mm 300 kg 1070 mm×550 mm×340 mm 技术参数 630 mm×350 mm 300 mm
任务二 浅型腔花纹模的电火花加工
任务描述
用电火花加工的方法制作如图1-2-1所示景泰蓝用的仕女头像纪念品冲压模。工件材料选用45钢。工件形状为椭圆或圆凹鼓形，面积约20 cm2，此工件是工艺美术品模具，尺寸精度无严格要求，但要求型面清洁均匀，工艺花纹清晰。
要完成仕女头像的电火花加工，工具电极应具备怎样的功能？加工过程中所采用的工艺方法、设备、装夹方式及加工规准应该如何选择？
图1.2-1 仕女头像 任务分析
型腔模包括锻模、压铸模、胶木模、塑料模、挤压模等。型腔模的加工比较困难，主要因为均是不通孔加工，工作液循环和电蚀产物排除条件差，工具电极损耗后无法靠主轴进给补偿精度，金属蚀除量大；其次是加工面积大，加工过程中电规准的变化范围也较大，并且由于型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大。因此，对型腔模的电火花加工，既要求蚀除量大、加工速度高，又要求电极损耗低，并保证所要求的精度和表面粗糙度。
知识准备
一、电火花加工中的工艺规律
1.电火花加工的常用术语 1）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，有时简称为电极。
由于电极的材料通常是铜，因此又称为铜极。
2）放电间隙
放电间隙是放电时工具电极和工件间的距离，一般在0.01～0.5 mm之间，粗加工时放电间隙较大，精加工时放电间隙较小。
3）脉冲宽度
脉冲宽度ti简称为脉宽，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，如图1-2-2所示。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。
4）脉冲间隔
脉冲间隔to简称为脉间或间隔，它是两个电压脉冲之间的间隔时间，如图1-2-2所示。脉冲间隔过短，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；脉冲间隔过长，将降低加工生产率。加工面积、加工深度较大时，脉冲间隔应稍大些。
电压 / Vti^uitptotdtetito时间 / s电流 / A空载火花电弧过渡电弧短路ie^is时间 / s图1.2-2 脉冲参数与脉冲电压、电流波形
5）放电时间（电流脉宽）
放电时间te是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，又称为电流脉宽。电流脉宽比电压脉宽稍小，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。
6）击穿延时
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（见图1-2-2）。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。
7）脉冲周期
脉冲周期tp是指从一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之间的时间。显然
tptito（见图1-2-2）。
8）脉冲频率
脉冲频率fp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，即fp1。 tp9）有效脉冲频率
有效脉冲频率fe是单位时间内在放电间隙上发生有效放电的次数，又称为工作脉冲频率。
10）脉冲利用率
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，即λ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。
11）脉宽系数
脉宽系数τ是脉冲宽度ti与脉冲周期tp之比，其计算公式为τ12）占空比
占空比是脉冲宽度ti与脉冲间隔to之比，fefp，即单
titi。 tptitotito。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和恢复绝缘，容易引起电弧放电。
13）断路电压或峰值电压
断路电压是间隙断路和间隙击穿之前td时间内电极间的最高电压（见图1-2-2）。一般晶
体管方波脉冲电源的峰值电压为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。
14）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。
15）加工电压
加工电压U是指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，又称为间隙平均电压。加工电压是多个断路电压、火花维持电压等电压的平均值。
16）加工电流
加工电流I是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。精加工时加工电流小，粗加工时加工电流大；间隙偏断路时加工电流小，间隙合理或偏短路时加工电流则大。
17）短路电流
短路电流Is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 %。
18）峰值电流
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、美国等国家常用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是预先计算好的，选择峰值电流实际上是选择几个功率管进行加工。
19）短路峰值电流
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Is相差一个脉宽系数的倍数，即Isis
2.影响材料放电腐蚀的主要因素
电火花加工过程中，材料被放电腐蚀的规律是十分复杂的综合性问题。电火花加工时的蚀除量主要受极性效应、电参数、金属材料热学常数、工作液等因素的影响。
1）极性效应
电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀，这种由于工具和工件的正负极性不同而使得蚀除量不一样的现象，称为极性效应。通常将工件接脉冲电源的阳极，工具电极接阴极，称为正极性加工；工件接脉冲电源的阴极，工具电极接阳极，称为
负极性加工或反极性加工。一般不加说明时，都指正极性加工。
产生极性效应的原因很复杂，对这一问题的笼统解释是：在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到电子和正离子的撞击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而熔化和汽化的蚀除量也不一样。这是因为电子的质量和惯性较小，容易获得很高的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递到正极表面，使电极材料迅速熔化和汽化；而正离子则由于质量和惯性较大，启动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面，致使负极材料熔化和汽化的速度较慢。所以在用窄脉冲（即放电持续时间较短）加工时，电子的撞击作用大于正离子的撞击作用，正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度，这时工件应接正极。当采用长脉冲（即放电持续时间较长）加工时，质量和惯性大的正离子将有足够的时间加速，到达并撞击负极表面的正离子数量将随放电时间的延长而增多；由于正离子的质量大，对负极表面的撞击破坏作用强，同时自由电子挣脱负极时要从负极获取逸出功，而正离子到达负极后与电子结合释放位能，故负极的蚀除速度将大于正极，这时工件应接负极。因此，当采用窄脉冲（例如纯铜电极加工钢时，ti＜10 μs）精加工时，应选用正极性加工；当采用长脉冲（例如纯铜电极加工钢时，
ti＞10 μs）粗加工时，应采用负极性加工，以便得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。
近年来的生产实践和研究结果表明，电极表面的吸附、覆盖和镀覆作用也是产生极性效应的原因。例如，纯铜电极加工钢工件，粗加工纯铜电极接正极时，纯铜表面明显地存在着吸附的炭黑膜，保护了正极，使负极蚀除速度大于正极。保护膜的形成要满足一定条件：合适的电极表面温度；足够多的形成保护膜的热解产物；足够长的成膜时间。
极性效应是一个较为复杂的问题。除了脉宽、脉间的影响外，还有脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极的材料等都会影响到极性效应。
从提高加工生产率和减少工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好，加工中必须充分利用极性效应，最大限度地降低工具电极的损耗，并合理选用工具电极的材料，根据电极对材料的物理性能和加工要求制定最佳的电规准，正确地选用加工极性，达到工件的蚀除速度最高、工具损耗尽可能小的目的。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗。因此，电火花加工一般都采用单向脉冲电源。
2）电参数
电参数主要指电压脉冲宽度、电流脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、峰值电流、峰值电压和极性等。
在电火花加工过程中，无论正极性加工或负极性加工，都存在单个脉冲的蚀除量与单个脉冲能量在一定范围内成正比的关系。某一段时间内的总蚀除量约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和，所以正、负极的蚀除速度，与单个脉冲能量、脉冲频率成正比。用公式表示为
qKWft （1-2-1）
qKWf （1-2-2） t式中，q为在时间t内的总蚀除量（g或mm3）；v为蚀除速度（g/min或mm3/min），即工件
v生产率或工具损耗速度；W为单个脉冲放电能量（J）；f为脉冲频率（Hz）；t为加工时间（s）；K为电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺系数；为有效脉冲利用率。
单个脉冲放电所释放的能量取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间，所以单个脉冲放电能量为
Wte0u(t)i(t)dt （1-2-3）
式中，te为单个脉冲实际放电时间（s）；u(t)为放电间隙中随时间而变化的电压（V）；i(t)为放电间隙中随时间而变化的电流（A）；WM为单个脉冲放电能量（J）。
由于火花放电间隙的电阻的非线性特性，击穿后间隙上的火花维持电压是一个与电极对材料及工作液种类有关的数值（如在煤油中用纯铜电极加工钢时约为25 V，用石墨电极加工钢时约为30 V）。火花维持电压与脉冲电压幅值、极间距离以及放电电流大小等的关系不大，因而正负极的蚀除量与平均放电电流的大小和电流脉宽成正比；对于矩形波脉冲电流，实际上与放电电流的幅值成正比。在通常的晶体管脉冲电源中，脉冲电流近似地为一矩形波，故当纯铜电极加工钢时的单个脉冲放电能量为
W(20~25)iete （1-2-4） 式中，ie为脉冲电流幅值（A）；te为电流脉宽（μs）。
因此，提高蚀除量和生产率的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲的能量或者增加平均放电电流（对矩形脉冲即为峰值电流）和脉冲宽度；减小脉冲间隔并提高有关的工艺参数。当然，实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其他工艺指标的影响，例如脉冲间隔过短，将产生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度值也随之增大等。
3）金属材料热学常数
所谓热学常数，是指熔点、沸点（汽化点）、热导率、比热容、熔化热、汽化热等，常见材料的热学常数可查相应手册。每次脉冲放电时，通道内及正、负电极放电点都瞬时获得大量热能。而正、负电极放电点所获得的热能，除一部分由于热传导散失到电极其他部分和工作液中外，其余部分将依次消耗在以下方面。
（1）使局部金属材料温度升高直至达到熔点，而每克金属材料升高1 ℃（或1 K）所需的热量即为该金属材料的比热容。
（2）每熔化1 g材料所需的热量即为该金属的熔化热。
（3）使熔化的金属液体继续升温至沸点，每克材料升高1 ℃所需的热量即为该熔融金属的比热容。
（4）使熔融金属汽化，每汽化1 g材料所需的热量称为该金属的汽化热。
（5）使金属蒸气继续加热成过热蒸气，每克金属蒸气升高1 ℃所需的热量为该金属蒸气的比热容。
显然，当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，蚀除量将越少，越难加工；另一方面，热导率较大的金属，会将瞬时产生的热量传导到其他部位，因而降低了本身的蚀除量。而且当单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值越小，脉冲宽度越长，散失的热量也越多，从而使蚀除量减少；相反，若脉冲宽度越短，脉冲电流幅值越大，由于热量过于集中而来不及传导扩散，虽然散失的热量减少，但抛出的金属中汽化部分比例增大，多耗用了汽化热，蚀除量也会降低。因此，电极的蚀除量与电极材料的热导率以及其他热学常数、放电持续时间、单个脉冲能量等有密切关系。
4）工作液
电火花加工一般在液体介质中进行，介质面通常高出加工工件几十毫米。液体介质通常称为工作液，工作液的作用如下。
（1）形成火花击穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态。
（2）对放电通道产生压缩作用，并限制其扩展，使放电能量高度集中在极小的区域内，既加强了蚀除的效果，又提高了放电仿形的精确性。
（3）帮助电蚀产物的抛出和排除。 （4）对工具和工件具有冷却作用。
工作液性能对加工质量的影响很大。介电性能好、密度和黏度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应，但工作液黏度过大不利于电蚀产
物的排出，影响正常放电。常用工作液的种类及特点见表1-2-1。
表1-2-1 常用工作液的种类及特点
种类 特点 应用范围 电火花成形加工多用油类作黏度大、燃点高，作为工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效果，但黏度油类有机化合物 大，不利于电蚀产物的排出，影响正常放电； 煤油黏度低，流动性好，但排屑条件较差； 油类工作液还存在有味、容易燃烧、在大能量粗加工时工作液高温分解产生的烟气很大等缺陷 为工作液； 在粗加工时，要求速度快，放电能量大，放电间隙大，故常选用机油等黏度大的工作液；在半精加工和精加工时，放电间隙小，往往采用煤油等黏度小的工作液 优点是成本低，配置简便，也有补偿工具电极损耗的乳化液 作用，且不腐蚀机床和零件 目前只在某些大能量粗加工优点是流动性好、散热性好，不易起弧，不燃、无味中采用； 且价格低廉； 水 但水是弱导电液，会产生离子导电的电解过程，这是孔的机床上，已广泛使用蒸馏水很不利的 或自来水作为工作液 在电火花高速加工小孔、深多用于电火花线切割加工
5）其他因素
影响蚀除量的还有其他一些因素。首先是加工过程的稳定性，加工过程不稳定将干扰以致破坏正常的火花放电，使有效脉冲利用率降低。随着加工深度、加工面积的增加或加工型面复杂程度的增加，都将不利于电蚀产物的排出，影响加工稳定性和降低加工速度，严重时将造成积炭断弧，使加工难以进行。为了改善排屑条件、提高加工速度并防止断弧，常采用强迫冲油和工具电极定时抬刀等措施。
电极材料对加工的稳定性也有影响。用钢电极加工钢时不易稳定，用纯铜、黄铜电极加工钢时则比较稳定。脉冲电源的波形及其前后沿陡度影响着输入能量的集中或分散程度，对蚀除量也有很大的影响。
电火花加工过程中电极材料瞬时熔化或汽化而抛出，如果抛出速度很高，就会冲击另一
电极表面而使其蚀除量增大；如果抛出速度较低，则当喷射到另一电极表面时，会反粘和涂覆在电极表面，减少其蚀除量。此外，正极上炭黑膜的形成将起“保护”作用，大大降低正电极的蚀除量（损耗量）。如果工作液是以水溶液为基础的，如去离子水、乳化液等，还会产生电化学阳极溶解和阴极电镀沉积现象，影响电极的蚀除量。
3.电火花加工速度的影响因素
电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀，单位时间内工件的蚀除量称为加工速度，即生产率；单位时间内工具的蚀除量称为损耗速度，它们是一个问题的两个方面。
加工速度是指在一定电规准下，单位时间内工件被蚀除的体积V或质量m。一般常用体积加工速度vwVt（单位为mm3/min）来表示。有时为了测量方便，也用质量加工速
度vmm（单位为g/min）表示。
t加工速度的提高可从多方面考虑，它们既有各自的特性又相互制约。提高脉冲频率，可通过减小脉冲停歇时间实现，但脉冲停歇时间过短，会使加工区工作液来不及消电离和排除电蚀产物及气泡，阻碍恢复其介电性能，以致形成破坏性的稳定电弧放电，使电火花加工过程不能正常进行。
增加单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度实现。单个脉冲能量的增加可以提高加工速度，但同时会使表面质量变差、降低加工精度，因此一般只用于粗加工和半精加工的场合。
合理选用电极材料、电参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等可以提高有效脉冲利用率，达到提高工艺系数的目的来提高加工速度。另外，工件的加工面积、加工极性、排屑条件等都将对加工速度有一定的影响。
在电火花成形加工中，粗加工（表面粗糙度Ra10~20 μm）时加工速度可达200~1 000 mm3/min，半精加工（表面粗糙度Ra2.5~10 μm）时加工速度降低到20~100 mm3/min，精加工（Ra为0.32~2.5 μm）时加工速度一般都在10 mm3/min以下。由此可见，随着表面粗糙度值的减小，加工速度会显著下降。
4.影响工具相对损耗的主要因素
加工中的工具相对损耗是产生加工误差的主要原因之一。在生产实际中用来衡量工具电极是否耐损耗，不只是看工具损耗速度vE，还要看同时能达到的加工速度vw，因此，采用相对损耗（或称损耗比）作为衡量工具电极耐损耗的指标。即
vvw100% （1-2-5） 式（1-2-5）中的加工速度和损耗速度若以mm3/min为单位计算，则为体积相对损耗；若以g/min为单位计算，则为质量相对损耗；若以工具电极损耗长度与工件加工深度之比来表示，则为长度相对损耗L。在加工中采用长度相对损耗比较直观，测量较为方便，如图1-2-3所示。但由于电极部位不同，损耗不同，因此长度相对损耗还分为端面损耗、边损耗、角损耗。在加工中，同一电极的长度相对损耗大小顺序为角损耗>边损耗>端面损耗。
hj-角部损耗长度 hj—角部损耗长度h—侧面损耗长度hcc-侧面损耗长度 hd—端面损耗长度hjhchd-端面损耗长度 hd
电火花加工中，当电极的相对损耗小于1 %时，称为低损耗电火花加工。低损耗电火花加工能最大限度地保证加工精度，所需电极的数目也可减至最小，因而简化了电极的制造，加工工件的表面粗糙度Ra可达3.2 μm以下。除了充分利用电火花加工的极性效应、覆盖效应及选择合适的工具电极材料外，还可从改善工作液方面着手实现电火花的低损耗加工。
在电火花加工过程中，降低工具电极的损耗一直是人们努力追求的目标。为了降低工具电极的相对损耗，要正确处理好电火花加工过程中的各种效应，主要包括极性效应、吸附效应、传热效应等。
1）极性效应
由前所述，一般在短脉冲精加工时采用正极性加工（工件接电源正极），长脉冲粗加工时则采用负极性加工。
在下列试验条件下：工具电极为6 mm的纯铜，加工工件为钢，工作液为煤油，矩形波脉冲电源，加工电流峰值为10 A，得出了图1-2-4所示的试验曲线。由图1-2-4可见，当峰值电流一定时，无论是正极性加工还是负极性加工，随着脉冲宽度的增加电极相对损耗都在下降。负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少，当脉冲宽度大于
图1.2-3 电极损耗长度说明图 120 μs后，电极相对损耗将小于1 %，可以实现低损耗加工。如果采用正极性加工，不论采用哪一挡脉冲宽度，电极的相对损耗都难低于10 %。然而在脉宽小于15 μs的窄脉宽范围内，正极性加工的工具电极相对损耗比负极性加工小。但当电极材料不同，情况也不同。如工具电极为钢、加工件材料也为钢时，无论脉宽大小，均需采用负极性加工，电极损耗才能小。
图1.2-4 脉冲宽度和极性与电极相对损耗的关系
2）吸附效应
当采用煤油等碳氢化合物作为工作液时，在放电过程中将发生热分解而产生大量的碳，碳可和金属结合形成金属碳化物的微粒——胶团。中性的胶团在电场作用下可能与其可动层（胶团的外层）脱离，而成为带电荷的碳胶粒。电火花加工中的碳胶粒一般带负电荷，因此，在电场作用下会向正极移动，并吸附在正极表面。如果电极表面瞬时温度约为400 ℃，且能保持一定时间，即能形成一定强度和厚度的化学吸附层，通常称之为炭黑膜，由于其熔点和汽化点很高，可对电极起到保护和补偿作用，从而实现“低损耗”加工。
由于炭黑膜只能在正极表面形成，因此，要利用炭黑膜的补偿作用来实现电极的低损耗，必须采用负极性加工。为了保持合适的温度场，保证吸附炭黑有足够的时间，增加脉冲宽度是有利的。试验表明，当峰值电流和脉冲间隔一定时，炭黑膜厚度随脉宽的增加而增厚；而当峰值电流和脉冲宽度一定时，炭黑膜厚度随脉冲间隔的增大而减薄。这是由于脉冲间隔加大，电极为正的时间相对变短，引起放电间隙中介质消电离作用增强，放电通道分散，电极表面温度降低，使“吸附效应”减少；反之，随着脉冲间隔的减小，电极损耗随之降低，但过小的脉冲间隔将使放电间隙来不及消电离和使电蚀产物扩散，会造成电弧烧伤。
影响“吸附效应”的除上述电参数外，还有冲、抽油的影响。采用强迫冲、抽油，有利于放电间隙内电蚀产物的排除，使加工过程稳定；但强迫冲、抽油使吸附、镀覆效应减弱，因而增加了电极的损耗。因此，在加工过程中采用冲、抽油时其压力、流速不宜过大。
3）传热效应
对电极表面温度场分布的研究表明，电极表面放电点的瞬时温度与瞬时放电的总热量（与放电能量成正比）、放电通道的截面面积、电极材料的导热性有关。因此，在放电初期限制脉冲电流的增长率，可使电流密度的增速不致太高，也就使电极表面温度不致过高，这将有利于降低电极损耗。脉冲电流增长率过高时，对在热冲击波作用下易脆裂的工具电极（如石墨）损耗的影响尤为显著。因此，一般采用导热性比工件好的工具电极，配合使用较大的脉冲宽度和较小的脉冲电流进行加工，使工具电极表面温度较低而损耗小，工件表面温度较高而蚀除速度快。
4）材料的选择
在电火花加工过程中，为了减少工具电极的损耗，必须正确地选用工具材料，一般应考虑经济成本、加工性能、耐蚀性、导电性等几方面的因素。
钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性不好，价格又贵，所以除电火花线切割加工外很少采用；铜的熔点虽较低，但其导热性好，因此损耗也较少，又比较容易制成各种精密、复杂电极，常用作中、小型腔加工用的工具电极；石墨电极不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗，所以相对损耗很低，目前已广泛用作型腔加工的电极；铜碳、铜钨、银钨合金等复合材料，不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小，但由于其价格较贵，制造成形比较困难，因而一般只在精密电火花加工时采用。损耗的大致顺序如下：银钨合金<铜钨合金<石墨（粗规准）<纯铜<钢<铸铁<黄铜<铝。
影响电极损耗的因素较多，主要影响因素见表1-2-2。
表1-2-2 影响电极损耗的因素
因素 脉冲宽度 峰值电流 加工面积 说明 脉冲宽度愈大，损耗愈小，至一定数值后，损耗可降低至1 % 峰值电流增大，电极损耗增加 影响不大 影响很大。应根据不同电源、不同电规准、不同工极性 作液、不同电极材料、不同工件材料，选择合适的极性 常用电极材料中黄铜损耗最大，纯铜、铸铁、钢其电极材料 次，石墨和铜钨、银钨合金较小。纯铜在一定的电规准和工艺条件下，也可以达到低损耗加工 工件材料 工作液 加工硬质合金时电极损耗比钢工件大 用高压脉冲加工或用水作工作液，在一定条件下可降低损耗 常用的煤油、机油获得低损耗加工需具备一定的工 石墨做粗加工电极，纯铜做精加工电极 减小峰值电流 大于最小加工面积 一般脉宽大时用正极性，小时用负极性，钢电极用负极性 减少损耗条件 脉宽足够大 艺条件；水和水溶液在一定条件下容易实现低损耗加工，如硬质合金工件的低损耗加工，黄铜和钢电极的低损耗加工 排屑条件和二次放电 采用损耗较小的规准加工时，排屑条件愈好则损耗采用损耗较大的规准加工时，二次放电会使损耗增加 在许可条件下，最好不采用强愈大，如纯铜。有些电极材料则对此不敏感，如石墨。迫冲、抽油 5.影响加工精度的主要因素
与传统的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到电火花加工的精度。这里重点探讨与电火花加工工艺有关的因素。与电火花加工工艺有关的主要因素是放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗和二次放电等。
1）放电间隙的大小及其一致性
电火花加工中，工具电极与工件间存在着放电间隙，因此工件的尺寸、形状与工具并不一致。如果加工过程中放电间隙是常数，根据工件加工表面的尺寸、形状可以预先对工具尺寸、形状进行修正。但放电间隙是随电参数、电极材料、工作液的绝缘性能等因素变化而变化的，放电间隙的大小影响了加工精度。
除了放电间隙能否保持一致外，其大小对加工精度也有影响，尤其是对复杂形状的加工表面，间隙越大，影响越严重。实际加工中，电极上的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角，电极的尖角很难精确地复制在工件上。因此，为了减少加工误差，提高仿形精度，应采用较小的电参数，缩小放电间隙；另外，还必须使加工过程稳定。目前，电火花加工的精度为0.01~0.05 mm。
2）工具电极的损耗
工具电极的损耗对工件尺寸精度和形状精度都有影响。在电火花加工中，随着加工深度的不断增加，工具电极进入放电区域的时间是从端部向上逐渐减少的。实际上，工件侧壁主要是靠工具电极底部端面的周边加工出来的。因此，电极的损耗也必然从端面底部向上逐渐减少，从而形成了损耗锥度，如图1-2-5所示。工具电极的损耗锥度反映到工件上就是加工斜度。
电火花穿孔加工时，电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗，型孔加工时则无法采用这一方法，精密型腔加工时可采用更换电极的方法。
极工工具电极具电工件工件 图1.2-5 工具斜度
3）二次放电
二次放电是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而二次进行的一种非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱边棱角变钝等方面，从而影响电火花加工的形状精度。
产生加工斜度的情况如图1-2-6所示，由于电极下端部加工时间长，绝对损耗大；而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，二次放电几率大，放电间隙扩大，因而产生了加工斜度。应从工艺上采取措施，及时排除电蚀产物，减少二次放电，使加工斜度减小。
图1.2-6 电火花加工时的加工斜度 1-工件实际轮廓线；2-工件理论轮廓线； 3-电极无损耗时的轮廓线
6.电火花加工表面质量及其影响因素
电火花加工的表面质量主要包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三个方面。
1）表面粗糙度
电火花加工表面粗糙度的形成与切削加工不同，它由无方向性的无数电蚀小凹坑所组成，有利于保存润滑油；而机械加工表面则存在着切削或磨削刀痕，具有方向性。在相同的表面粗糙度和有润滑油的情况下，电火花加工表面的润滑性和耐磨损性均比机械加工表面好。
影响电火花加工表面粗糙度的因素有脉冲能量、工件材料熔点、工具电极表面质量等。 在一定的加工条件下，脉冲宽度和电流峰值增大使单个脉冲能量增大，电蚀凹坑的断面尺寸也增大，所以表面粗糙度主要取决于单个脉冲能量，单个脉冲能量越大，表面越粗糙。要使表面粗糙度值减小，必须减小单个脉冲能量，但加工速度要下降许多。
工件材料熔点对表面粗糙度的影响：熔点高的材料，在相同能量下加工的表面粗糙度值要比熔点低的材料低，但加工速度会相应下降。
精加工时，工具电极的表面粗糙度直接影响工件的表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨电极加工的表面粗糙度值较高。
2）表面变质层
在电火花加工过程中，由于受瞬时高温作用和工作液的冷却作用，材料的表面层发生了很大的变化，可粗略地把它分为熔化凝固层和热影响层，如图1-2-7所示。
图1.2-7 放电凹坑剖面 1-无变化区；2-热影响层；3-翻边凸起；4-熔化凝固层； 5-放电通道；6-气化区；7-熔化区
（1）熔化凝固层。熔化凝固层位于工件表面最上层，是工件表层材料在脉冲放电的瞬时高温作用下熔化后未能抛去，在脉冲放电结束后迅速冷却、凝固而保留下来的金属层，其晶粒非常细小，有很强的抗腐蚀能力。对于碳钢来说，熔化凝固层在金相照片上呈现白色，故又称为白层，它与基体金属完全不同，是一种树枝状的淬火铸造组织，与内层的结合也不
甚牢固。熔化层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，为（1~2）Rmax，但一般不超过0.1 mm。
（2）热影响层。热影响层介于熔化层和基体之间，热影响层的金属材料并没有熔化，只是该层金属受到放电点的高温影响，使材料的金相组织发生了变化，它与基体材料并没有明显的界限。
由于所采用的电参数、冷却条件、工件材料及原来的热处理状况不同，表面变质层的金相组织结构、性能和厚度等是不同的。单个脉冲能量及脉冲宽度越大，表面变质层就越厚；工作液的冷却速度越快，黏度越小，表面变质层也越厚。
3）表面力学性能
（1）显微硬度及耐磨性。电火花加工后表面层的硬度一般比较高，但对某些淬火钢，也可能稍低于基体硬度。对未淬火钢，特别是原来含碳量低的钢，热影响层的硬度都比基体材料高；对淬火钢，热影响层中的再淬火区硬度稍高或接近于基体硬度，而回火区的硬度比基体低，高温回火区又比低温回火区的硬度低。因此，一般来说，电火花加工表面最外层的硬度比较高，耐磨性好。对于滚动摩擦，由于是交变载荷，尤其是干摩擦，则因熔化凝固层和基体的结合不牢固，产生疲劳破坏，容易剥落而磨损。
（2）残余应力。电火花加工表面存在着瞬时先热后冷作用而形成的残余应力，而且大部分表现为拉应力。残余应力的大小和分布主要和材料在加工前的热处理状态及加工时的脉冲能量有关。因此，对表面层要求质量较高的工件，应注意工件预备热处理的质量，并尽量避免使用较大的加工规准。
（3）耐疲劳性能。电火花加工后，表面存在着较大的拉应力，还可能存在显微裂纹，因此其耐疲劳性能比机械加工表面低许多倍。采用回火处理、喷丸处理等，有助于降低残余应力或使残余拉应力转变为压应力，从而提高其耐疲劳性能。
实验表明，当表面粗糙度Ra为0.08~0.32 μm时，电火花加工表面的耐疲劳性能将与机械加工表面相近，这是因为电火花精微加工表面所使用的加工规准很小，熔化凝固层和热影响层均非常薄，不会出现显微裂纹，而且表面残余拉应力也较小。 二、电火花加工机床
1.电火花加工机床型号、规格、分类
按国标规定，电火花成形机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示。例如D7132中，D表示电加工成形机床（若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK）；71表示电火花成形机床；32表示机床工作台的宽度为320 mm。
电火花加工工艺及机床设备的类型较多，但按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途等来分，大致可以分为六大类，其中应用最广、数量较多的是电火花穿孔成形加工机床和电火花线切割机床。
电火花加工机床按其大小可分为小型（D7125以下）、中型（D7125～D7163）和大型（D7163以上）；按数控程度分为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步，已经大批生产三轴数控电火花机床，以及带有工具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心。
目前我国生产的数控电火花机床，有单轴数控（主轴Z向，为垂直方向）、三轴数控（主轴Z向、水平轴X、Y向）和四轴数控（主轴能数控回转及分度，称为C轴），如果在工作台上加双轴数控回转台附件（绕X轴转动的称为A轴，绕Y轴转动的称为B轴），称为六轴数控机床。图1-2-8所示为苏州电加工机床研究所研制出的8轴（X、Y、C、A、Z、
W、B、S、R）数控叶片小孔高速电火花加工专用设备。
图1-2-8 8轴数控叶片小孔高速电火花加工专用设备
电火花加工机床主要由机床主体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图1-2-9所示。
（a）原理图 （b）实物图 图1.2-9 电火花加工机床
2.电火花加工机床主体 1）结构形式
电火花成形机床结构有多种形式，根据不同的加工对象，通用机床的结构形式有立柱式、龙门式、滑枕式、悬臂式、台式、便携式等，如图1-2-10所示。
图1.2-10 电火花加工机床结构示意图
2）机床主体组成
机床主体主要由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用以实现工件和工具电极的装夹固定和运动的机械系统。
床身、立柱、工作台是电火花机床的骨架，起着支撑、定位和便于操作的作用。因为电火花加工宏观作用力极小，所以对机械系统的强度无严格要求，但为了避免变形和保证精度，要求机械系统具有必要的刚度。
主轴头是电火花成形机床中最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构，对加工工艺指标的影响极大。对主轴头的要求是结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定载荷的要求。主轴头主要由进给系统、上下移动导向和水平面内防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。随着步进电动机、力矩电动机和数控直流、交流伺服电动机的出现和技术进步，电火花机床中已越来越多地采用电-机械式主轴头。
主轴头下面装夹的电极是自动调节系统的执行机构，其质量的好坏将影响到进给系统的
灵敏度及加工过程的稳定性，进而影响工件的加工精度。机床主轴头和工作台常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、油杯等。下面主要介绍平动头。
电火花加工时粗加工的电火花放电间隙比中加工的放电间隙要大，而中加工的电火花放电间隙比精加工的放电间隙又要大一些。当用一个电极进行粗加工时，将工件的大部分余量蚀除后，其底面和侧壁四周的表面质量很差，为了将其修光，就得转换规准逐挡进行修整。但由于中、精加工规准的放电间隙比粗加工规准的放电间隙小，若不采取措施则四周侧壁就无法修光。平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。
平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。当用单电极加工型腔时，使用平动头可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差。
平动头的动作原理是利用偏心机构将伺服电动机的旋转运动通过平动轨迹保持机构转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线面积就形成加工横截面积，如图1-2-11所示，其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量，其大小可以由零逐渐调大，以补偿粗、中、精加工的电火花放电间隙的差别，从而达到修光型腔的目的。
电极(a) 电极在最左(b) 电极在最上(c) 电极在最右(d) 电极在最下(e) 电极平动后的轨迹 图1.2-11 平动头扩大间隙原理图
目前，机床上安装的平动头有机械式平动头和数控平动头，其外形如图1-2-12所示。机械式平动头由于有平动轨迹半径的存在，无法加工有清角要求的型腔；而数控平动头可以两轴联动，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。
（a）机械式平动头 （b）数控平动头 图1.2-12 平动头外形
与一般电火花加工工艺相比较，采用平动头电火花加工有如下特点。
（1）可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放电间隙的限制。
（2）用同一尺寸的工具电极，通过轨迹半径的改变，可以实现转换电规准的修整，即采用一个电极就能由粗至精直接加工出一副型腔。
（3）在加工过程中，工具电极的轴线与工件的轴线相偏移，除了电极处于放电区域的部分外，工具电极与工件的间隙都大于放电间隙，实际上减小了同时放电的面积，这有利于电蚀产物的排除，提高加工稳定性。
（4）工具电极移动方式的改变可使加工的表面质量大有改善，特别是底平面处。 3.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50 Hz、220 V或380 V的交流工频电流转换为电火花加工所需要的频率较高的单向电脉冲，提供极间产生火花放电的能量。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。其输出应满足如下要求。
（1）要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属汽化。
（2）火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高加工成形性和加工精度。
（3）脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应、提高加工速度和降低工具电极损耗。 （4）脉冲波形的主要参数（峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等）有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。
（5）有适当的脉冲间隔，使放电介质有足够的时间消电离并除去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。
关于电火花加工用脉冲电源的分类，目前尚无统一的规定。按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，电火花加工用脉冲电源分类见表1-2-3。
表1-2-3 电火花加工用脉冲电源分类
按主回路中主要元件种类 按输出脉冲波形 按间隙状态对脉冲参数的影响 按工作回路数目 RC线路驰张式、晶体管式、大功率集成器件式 矩形波、舒张波分组脉冲、阶梯波、高低压复合脉冲 非独立式、独立式 单回路、多回路 1）驰张式脉冲电源
弛张式脉冲电源是最早使用的电源，这类脉冲电源的具体线路形式很多，但其工作原理都是利用电容器充电储存电能，然后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属的。因为电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故称弛张式脉冲电源。由于这种电源是靠电极和工件间隙中的工作液的击穿作用来恢复绝缘和切断脉冲电流的，因此间隙大小、电蚀产物的排除情况等都影响脉冲参数，使脉冲参数不稳定，所以这种电源又称为非独立式电源。
（1）RC线路脉冲电源。RC线路脉冲电源是弛张式脉冲电源中最简单最基本的一种，图1-2-13所示为其工作原理图。它由两个回路组成：一个是充电回路，由直流电源E、充电电阻R（可调节充电速度，同时限流以防电流过大及转变为电弧放电，故又称为限流电阻）和电容器C（储能元件）所组成；另一个回路是放电回路，由电容器C、工具电极和工件及二者间的放电间隙所组成。
图1.2-13 RC线路脉冲电源 1-工具电极；2-工件电极
如图1-2-14所示，当直流电源接通后，电流经充电电阻R向电容C充电，电容C两端的电压按指数曲线上升，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C两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压Ud时，放电间隙就被击
穿，此时电阻变得很小，电容器上储存的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流ie。电容上的能量释放后，电压下降到接近于零，放电间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态，完成一次循环。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uc按指数曲线上升到直流电源电压U。
图1.2-14 RC线路脉冲电压电流波形图
RC线路脉冲电源的优点如下。
①结构简单，工作可靠，成本低。
②在小功率时可以获得很窄的脉宽（小于0.1 μs）和很小的单个脉冲能量，可用作光整加工和精微加工。
RC线路脉冲电源的缺点如下。
①电能利用效率很低，最大不超过36 %，因为大部分电能经过电阻R时转化为热能损失掉了，这在大功率加工时是很不经济的。
②生产效率低，因为电容器的充电时间tc比放电时间te长50倍以上（见图1-2-14），脉冲间隔系数大。
③工艺参数不稳定，因为这类电源本身并不“独立”形成和发生脉冲，而是靠电极间隙中工作液的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断，所以间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度及排除情况等都影响脉冲参数，因此脉冲频率、宽度、单个脉冲能量都不稳定，而且放电间隙经过充电电阻始终和直流电源直接联通，没有开关元件使之隔离开来，所以随时都有放电的可能，并容易转为电弧放电。
RC线路脉冲电源主要用于小功率的精微加工或简式电火花加工机床中。
（2）RLC线路脉冲电源。RLC线路脉冲电源如图1-2-15所示。RLC线路脉冲电源的原理是在充电回路中接入电感L，由于电感对直流的阻抗很小，而对交流或脉冲电流的阻抗大，所以电阻R可以减小，而由电感L分担限流作用，且不消耗电能。因此，RLC线路脉冲电源的电能利用率要比RC线路高。一般实际应用中将电感L做成固定值，靠调节R与C的大小来实现规准的转换，扩大了RC线路的应用范围。
图1.2-15 RLC线路脉冲电源 1-工具电极；2-工件
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，可以大大减少电极间隙物理状态参数变化的影响。为区别于弛张式脉冲电源，称为独立式脉冲电源，包括晶闸管式脉冲电源和晶体管式脉冲电源，最常用的为晶体管式脉冲电源。
（1）晶闸管式脉冲电源。晶闸管式脉冲电源是利用晶闸管作为开关元件而获得单向脉冲的。由于晶闸管的功率较大，脉冲电源所采用的功率管数目可大大减少，因此，脉冲电流为100 A以上的大功率粗加工脉冲电源，一般采用晶闸管式脉冲电源。
（2）晶体管式脉冲电源。晶体管式脉冲电源是利用功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。它具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点，所以应用非常广泛，特别在中、小型脉冲电源中，都采用晶体管式脉冲电源。目前晶体管的功率都还较小，每管导通时的电流常选在5 A左右，因此在晶体管脉冲电源中，都采用多管分组并联输出的方法来提高输出功率。
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，衍生出高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源、等脉冲电源、自适应控制脉冲电源以及多功能电源等。
目前普及型（经济型）的电火花加工机床都采用高低压复合的晶体管脉冲电源，中、高档电火花加工机床都采用微机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准。
4.电火花加工的自动进给调节系统 1）自动进给调节系统的功用、特点
在电火花成形加工设备中，自动进给调节系统占有很重要的位置，它的性能直接影响加工稳定性和加工效果。
在电火花加工过程中，工具与工件必须保持一定的间隙。由于工件上的材料不断被蚀除，电极也有一定的损耗，间隙将不断扩大。这就要求工具不但要随着工件材料的不断蚀除而进给，形成工件要求的尺寸和形状，而且还要不断地调节进给速度，有时甚至要停止进给或回退以保持恰当的放电间隙。这是因为瞬时蚀除量和放电间隙的物理状态是变化的，间隙过大不能产生火花放电，间隙过小则会引起电弧烧伤或短路。一旦发生电弧烧伤或短路，工具电极必须迅速离开工件，待短路消除后再重新调节到适宜的放电间隙。
在实际生产中，放电间隙变化范围很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工进给，也不能像钻、削那样采用“机动”、等速进给，而必须采用伺服进给系统。这种不等速的伺服进给系统也称为自动进给调节系统。
自动进给调节系统的任务是通过改变、调节主轴头（电极）进给速度，使进给速度接近并等于蚀除速度，以维持一定的“平均”放电间隙，保证电火花加工正常而稳定进行，以获得较好的加工效果。
自动进给调节系统的一般要求如下。
（1）有较广的速度调节跟踪范围。在电火花加工过程中，加工规准、加工面积等条件的变化，都会影响其进给速度，调节系统应有较宽的调节范围，以适应不同加工的需要。
（2）有足够的灵敏度和快速性。放电加工的脉冲频率很高，放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应地快速调节。为此整个系统的不灵敏区、时间常数、可动部分的质量惯性要求要小，放大倍数应足够，过渡过程应短。
（3）有必要的稳定性。调节系统应有很好的低速性能，均匀、稳定的进给，避免低速爬行，超调量要小，传动刚度应高，传动链中不得有明显间隙，抗干扰能力要强。
（4）自动进给调节装置还要求体积小，结构简单可靠及维修操作方便等。 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、比较环节、放大驱动环节、执行机构和调节对象等几个主要部分组成，如图1-2-16所示。
图1.2-16 自动进给调节系统的基本组成框图
（1）测量环节。直接测量电极间隙及其变化是很困难的，因此都是采用测量与放电间隙成比例关系的电参数来间接反映放电间隙的大小。因为当间隙较大、断路时，间隙电压最大或接近脉冲电源的峰值电压；当间隙为零、短路时，间隙电压为零，虽不成正比，但有一定的相关性。
（2）比较环节。比较环节用以根据“设定值”（伺服参考电压）来调节进给速度，以适应粗、中、精不同的加工规准。实质上是把从测量环节得来的信号和“给定值”的信号进行比较，再按此差值来控制加工过程。大多数比较环节包含或合并在测量环节之中。
（3）放大驱动环节。由测量环节获得的信号，一般都很小，难于驱动执行元件，必须要有一个放大环节，通常称它为放大器。为了获得足够的驱动功率，放大器要有一定的放大倍数。然而，放大倍数过高也不好，它将会使系统产生过大的超调量，即出现自激现象，使工具电极时进时退，调节不稳定。
常用的放大器主要是各类晶体管放大器件。以前液压主轴头的电液压放大器现在虽仍有应用，但已不再生产。
（4）执行环节。执行环节也称为执行机构，常采用不同类型的伺服电动机，它能根据控制信号的大小及时地调节工具电极的进给速度，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正常进行。由于执行机构对自动调节系统有很大影响，通常要求它的机电时间常数尽可能小，以便能够快速地反映间隙状态变化；机械传动间隙和摩擦力应当尽量小，以减少系统的不灵敏区；具有较宽的调速范围，以适应各种加工规准和工艺条件的变化。
3）自动进给条件系统的种类
目前电火花加工用的自动进给调节系统的种类很多，按执行元件的种类不同，大致可分为以下几种。
（1）电液压式（喷嘴-挡板式）。企业中仍有应用，但已停止生产。
（2）步进电动机。价廉、调速性能稍差，用于中小型电火花机床及数控线切割机床。 （3）宽调速力矩电动机。价高、调速性能好，用于高性能电火花机床。
（4）直流伺服电动机。用于大多数电火花成形加工机床。
（5）交流伺服电动机。无电刷、力矩大、寿命长，用于大、中型电火花成形加工机床。 （6）直线电动机。近年来才用于电火花加工机床，无需丝杠螺母副，直接带动主轴或工作台做直线运动，速度快、惯性小、伺服性能好，但价格高。
5.工作液循环过滤系统
电火花加工中的蚀除产物，一部分以气态形式抛出，其余大部分是以球状固体微粒分散地悬浮在工作液中，直径一般为几微米。随着电火花加工的进行，蚀除产物越来越多，充斥在电极和工件之间或粘连在电极和工件的表面上。蚀除产物的聚集，会与电极或工件形成二次放电。这就破坏了电火花加工的稳定性，降低了加工速度，影响了零件的加工精度和表面粗糙度。
放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散、定期抬刀以及使工具电极附加振动等方式排除外，常采用强迫循环的办法排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工的侧表面间二次放电，影响加工精度，此外也可带走一部分热量。图1-2-17所示为工作液强迫循环的两种方式。图1-2-17 （a）、（b）为冲油式，较易实现，排屑冲刷能力强，一般常采用这种方式，但是电蚀产物仍通过已加工区，会影响加工精度；图1-2-17 （c）、（d）为抽油式，在加工过程中，分解出来的气体（H2、C2H2等）易积聚在抽油回路的死角处，遇电火花引燃会爆炸“放炮”，因此一般用得较少，常用于要求小间隙、精加工的场合。
图1.2-17 工作液强迫循环方式
12764～321图1.2-18工作液循环系统油路图 1-粗过滤器；2-单向阀；3-油泵；4-电极；5-安全阀；6-压力表；7-精过滤器；8-压力调节阀； 9-射流抽吸管；10-冲油选择阀；11-快速进油控制阀；12-冲油压力表；13-抽油压力表 8补油111310抽油9冲油51—粗过滤器；2—单向4—电极；5—安全阀；7—精过滤器；8—压力9—射流抽吸管；10—11—快速进油控制阀；13—抽油压力表
目前生产上应用的循环系统形式很多，图1-2-18为一种常用的循环过滤系统方式。它可以冲油，也可以抽油。其工作过程如下：储油箱的工作液首先经过粗过滤器l，经单向阀2吸入油泵3，这时高压油经过不同形式的精过滤器7输向机床工作液槽，溢流安全阀5使控制系统的压力不超过400 kPa，补油阀11为快速进油用。待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀10，由压力调节阀8来控制工作液循环方式及压力。当冲油选择阀10在冲油位置时，补油和抽油两路都不通，这时油杯中油的压力由压力调节阀8控制；当冲油选择阀10在抽油位置时，补油和抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管9，利用流体速度产生负压，达到抽油的目的。
电火花加工过程中的电蚀产物会不断进入工作液中，为了不影响加工性能，必须加以净化、过滤。其具体方法有以下几种。
（1）自然沉淀法。自然沉淀法速度慢、周期长，只用于单件小用量或精微加工。 （2）介质过滤法。介质过滤法常用黄砂、木屑、棉纱头、过滤纸、硅藻土、活性炭等作为过滤介质。这些介质各有优缺点，对于中小型工件且加工用量不大时，一般都能满足过滤要求，可就地取材。其中以过滤纸效率较高，性能较好，已有专用纸过滤装置生产供应。
（3）高压静电过滤法、离心过滤法等。这些方法技术上比较复杂，应用较少。 6.工具电极
在电火花成形加工过程中，电极是十分重要的部件，对工艺影响甚大。从理论上讲，任何导电材料都可以做电极，但由于不同的材料做电极对于电火花加工速度、加工质量、电极
损耗、加工稳定性有重要的影响。因此，在实际加工中，应综合考虑各个方面的因素，选择最合适的材料做电极。
1）工具电极材料
常用工具电极材料有纯铜、黄铜、钢、石墨、铸铁、银钨合金、铜钨合金等，最常用的是纯铜和石墨。有些材料如银等，虽然性能良好，但是由于价格昂贵却不常用。电火花加工常用电极材料的性能见表1-2-4。
表1-2-4 电火花加工常用电极材料的性能
电加工性能 电极材料 稳定性 钢 铸铁 黄铜 紫铜 石墨 铜钨合金 银钨合金 较差 一般 好 好 尚好 好 好 电极损耗 中等 中等 大 较大 小 小 小 机加工 性 能 好 好 尚好 较差 尚好 尚好 尚好
说 明 在选择电规准时注意加工稳定性 为加工冷冲模时常用的电极材料 电极损耗太大 磨削困难，难与凸模连接后同时加工 机械强度较差，易崩角 价格贵，在深孔、直壁孔、硬质合金模具加工中使用 价格贵，一般少用 钢电极的特点是来源丰富，价格便宜，具有良好的机械加工性能；加工稳定性较差，电极损耗较大，生产率也较低，多用于一般的穿孔加工。
铸铁电极的特点是来源充足，价格低廉，机械加工性能好，便于采用成形磨削，因此电极的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度等都容易保证；电极损耗和加工稳定性均一般，容易起弧，生产率也不及铜电极，是一种较常用的电极材料，多用于穿孔加工。
黄铜电极的特点是在加工过程中稳定性好，生产率高；机械加工性能好，它可用仿形刨加工，也可用成形磨削加工，但其磨削性能不如钢和铸铁；电极损耗最大。
纯铜电极的特点是加工过程中稳定性好，生产率高；精加工时比石墨电极损耗小；易于加工成精密、微细的花纹，采用精密加工时表面粗糙度能达到Ra 1.25 μm；因其韧性大，故机械加工性能差，磨削加工困难，适宜于做电火花成形加工的精加工电极材料。
石墨电极的特点是机加工成形容易，容易修正；加工稳定性能较好，生产率高，在长脉宽、大电流加工时电极损耗小；机械强度差，尖角处易崩裂；适用于做电火花成形加工的粗加工电极材料。因为石墨的热膨胀系数小，也可作为穿孔加工的大电极材料。
2）电极结构
电极的结构形式可根据型孔或型腔的尺寸大小、复杂程度及电极的加工工艺性等来确定。常用的电极结构可分为整体式电极、组合式电极和镶拼式电极三种。
（1）整体式电极。整体式电极由一整块材料制成，是最常用的结构形式。对于穿孔加工，有时为了提高生产率和加工精度及降低表面粗糙度，常采用阶梯式整体电极，即在原有的电极上适当增长，增长部分的截面尺寸均匀减小，呈阶梯形。如图1-2-19所示，L1为原有电极的长度，L2为增长部分的长度。阶梯式整体电极在电火花加工中的加工原理是先用电极增长部分L2进行粗加工，来蚀除大部分金属，只留下很少余量，然后再用原有的电极进行精加工。阶梯式整体电极的优点：粗加工快速蚀除金属，将精加工的加工余量降低到最小值，提高了生产效率；可减少电极更换的次数，以简化操作。
L2L1 （a）阶梯电极 （b）粗加工 （c）精加工 (a) 阶梯电极(b) 粗加工(c) 精加工图1.2-19 阶梯电极
（2）组合式电极。组合式电极是将若干个小电极组装在电极固定板上，可一次性同时完成多个成型表面电火花加工的电极，如图1-2-20所示。采用组合式电极加工时，生产率高，各型孔之间的位置精度也较准确，但是对组合式电极来说，一定要保证各电极间的定位精度，并且每个电极的轴线要垂直于安装表面。
2 图1.2-20 组合式电极
（3）镶拼式电极。镶拼式电极是将形状复杂而制造困难的电极分成几块来加工，然后再镶拼成整体的电极。如图1-2-21所示，将电极分成三块，加工完毕后再镶拼成整体。这样既可保证电极的制造精度，得到尖锐的凹角，而且简化了电极的加工，节约了材料，降低了制造成本，但在制造中应保证各电极分块之间的位置准确，配合要紧密牢固。
电极拼块 定位销固定螺钉 图1.2-21 镶拼式电极
3）电极尺寸
电极的长度取决于被加工零件的结构形式、型孔或型腔的复杂程度、加工深度、电极使用次数、装夹形式及电极工艺等一系列因素。加工凹模型孔时电极长度L可按图1-2-22进行计算，即
LKthl(0.4~0.8)(n1)Kt （1-2-6） 式中，K为与电极材料损耗、型孔复杂程度等因素有关的系数，一般选用经验数据：纯铜为2~2.5，黄铜为3~3.5，石墨为1.7~2，铸铁为2.5~3，钢为3~3.5。当电极损耗小、型孔简单、电极轮廓无尖角时，K取小值；反之，K取大值。
图1.2-22 电极长度
加工型腔时电极长度h可按图1-2-23进行计算，即
hh1h2h1H1C1H1C2Sj （1-2-7）
式中，h为电极垂直方向的总高度（mm）；h1为电极垂直方向的有效工作尺寸（mm）；h2为电极增加的高度（为避免加工结束时电极固定板和模板相撞且同一电极能多次使用而设定），一般为5~20 mm；H1为型腔垂直方向的尺寸（型腔深度）（mm）；C1为粗规准加工时电极端面相对磨损率，其值小于1 %，C1H1只适用于未预加工的型腔；C2为中、精规准加工时电极端面相对损耗率，其值一般为20 %~25 %；S为中、精规准加工时端面总进给量，一般为0.4~0.5 mm；j为最后一挡精规准加工时端面的放电间隙，一般为0.02~0.03 mm，可忽略不计。
图1.2-23 电极垂直方向尺寸 1-电极固定板；2-电极；3-工件
任务实施
1.工具电极的准备及工件的预处理
工件在电火花加工之前应进行预处理。
（1）下料。刨、铣外形，注意上、下表面应留余量。 （2）磨削上、下表面。
工具电极材料选择纯铜，形状为凸鼓形，面积约20 cm2。在电火花加工前工具电极按照下料—线切割—钳焊加工的工艺路线进行加工，具体为如下操作。
（1）下料。刨、铣外形，留线切割夹持余量； （2）线切割。编制数控程序，切割出圆或椭圆外形；
（3）钳焊加工。雕刻花纹图案，并用焊锡在电极背面焊装电极柄。 2.工艺方法及使用设备的选择
工艺方法选择单电极直接成形法，使用设备为D7130型电火花成形机床和NHP-NC-50A单轴数控机脉冲电源。
3.装夹、校正、固定 1）工具电极
以花纹平面周边的上平行面为基准，在X和Y两个方向校成水平，然后予以固定。 2）工件
将工件平置于工作台平面，与工具电极对正，然后予以固定。 4.加工规准
工件采用计算机控制的脉冲电源加工，是电火花加工领域中较为先进的技术。计算机内存中有典型工艺参数的数据库，脉冲参数可以调出使用。调用的方法是借助脉冲电源装置配置的显示器进行人机对话，由操作者将加工工艺美术花纹的典型数据和加工程序调出，然后根据典型参数进行加工。
NHP-NC-50A脉冲电源输出的加工规准见表1-2-5。
表1-2-5 工艺美术花纹典型加工规准 功放管数 脉宽/μs 间隔/μs 高压 250 150 50 16 100 80 50 40 2 2 2 2 低压 6 4 4 4 电流/A 8 3 1.2 0.8 度/mm 0.9 1.1 1.2 1.23 度Ra/μm 8 6 3.5~4 2~2.5 负 负 负 负 平均加工总进给深表面粗糙极性 2 30 2 2 0.5 1.26 1.6 负 5. 任务测评
根据零件图要求对加工零件进行检测，并进行质量分析，见表1-2-6。
表1-2-6 仕女头像电火花加工的任务测评
序号 1 工具电极 2 3 4 5 6 工件 工艺流程 预处理工艺 装夹、校正、固定情况 表面粗糙度Ra 表面花纹 其他 35分 25分 12分 10分 8分 项目 考核内容 材料选择 配分 10分 检测结果 得分 评分标准：（1）加工表面粗糙度Ra为1~1.6 μm，表面洁白均匀，符合设计要求。表面粗糙度值增值不得分。
（2）花纹清晰，基本看不出有任何损失、模糊的表面。
（3）如发生重大安全事故，造成设备或人身损害直接为不合格。
拓展提高
常用自动进给调节系统有电-液自动控制系统和电-机械式自动进给调节系统。 1.电-液自动控制系统
在电-液自动进给调节系统中，执行元件是液压缸与活塞，通常它已和机床主轴连成一体。由于传动链短及液体的不可压缩性，所以传动链中无间隙、刚度大、不灵敏区小；又因为加工时进给速度很低，所以正、反向惯性很小，反应迅速，特别适合于低速进给（电火花加工等），从20世纪80年代起得到了广泛的应用，但随着技术的发展，目前已逐渐被电-机械式的各种交、直流伺服电动机所取代。
图1-2-24所示为DYT-2型液压主轴头的喷嘴—挡板式调节系统的工作原理图。电动机4驱动叶片液压泵3从油箱中抽出压力油，由溢流阀2保持恒定压力P0，经过滤油器6后分两路，一路进入下油腔，另一路经节流阀7进入上油腔。进入上油腔的压力油从喷嘴8与挡板12的间隙中流回油箱，使上油腔的压力P1随此间隙的大小而变化。
电-液转换器9主要由动圈（控制线圈）10与静圈（励磁线圈）11等组成。动圈处在励
磁线圈的磁路中，与挡板12连成一体。改变输入动圈的电流，可使挡板随动圈动作，从而改变挡板与喷嘴的间隙。当放电间隙短路时，动圈两端电压为零，此时动圈不受电磁力的作用，挡板受弹簧力处于最高位置Ⅰ，喷嘴与挡板门开口为最大，使工作液流经喷嘴的流量为最大，上油腔的压力下降到最小值，致使上油腔压力小于下油腔压力，故活塞杆带动工具电极上升。当放电间隙断路时，动圈电压最大，挡板被磁力吸引下移到最低位置Ⅲ，喷嘴被封闭，上、下油腔压力相等，但因下油腔工作面积小于上油腔工作面积，活塞上的向下作用力大于向上作用力，活塞杆下降。当放电间隙最佳时，电动力使挡板处于平衡位置Ⅱ，活塞处于静止状态。由此可见，主轴的移动是由电-机械转换器中控制线圈电流的大小来实现的。控制线圈电流的大小则由加工间隙的电压或电流信号来控制，因而实现了进给的自动调节。
9ⅠⅡⅢ1011125432P0678Pt131415A2A111617 图1.2-24 喷嘴—挡板式电液压自动调节器工作原理 1—液压箱；2—4—电动机；5—7—节流阀；8—10—动圈；11—14—液压缸；1517—工件1-液压箱；2-溢流阀；3-叶片液压泵；4-电动机；5，13-压力表；6-滤油器；7-节流阀；8-喷嘴 9-电-机械转换器；10-动圈；11-静圈；12-挡板；14-液压缸；15-活塞；16-工具电极；17-工件
2）电-机械式自动进给调节系统
自20世纪80年代以来，电-机械式自动调节系统主要采用步进电动机和力矩电动机的自动调节系统。由于它们的低速性能好，可直接带动丝杠进退，因而传动链短、灵敏度高、
体积小、结构简单，而且惯性小，有利于实现加工过程的自动控制和数字程序控制，因而在中、小型电火花机床中得到了越来越广泛的应用。
步进电动机自动进给调节装置的执行元件是步进电动机，图1-2-25所示为步进电动机自动调节系统的原理框图。检测电路对放电间隙进行检测并按比例衰减后，输出一个反映间隙大小的电压信号（短路为0 V，断路为10 V）。变频电路为电压-频率（Vf）转换器，将该电压信号放大并转换成0~1 000Hz不同频率的脉冲串，送至进给与门1准备为环形分配器提供进给触发脉冲。同时，多谐振荡器发出每秒2 000次（2 kHz）以上恒频率的回退触发脉冲，送至回退与门2准备为环形分配器提供回退触发脉冲。根据放电间隙平均电压的大小，两种触发脉冲由判别电路通过双稳电路选其一种送至环形分配器，决定进给或是回退。当极间放电状态正常时，判别电路通过双稳电路打开进给与门1；当极间放电状态异常（短路或形成有害的电弧）时，则判别电路通过双稳电路打开回退与门2，分别驱动环形分配器正向或反向的相序，使步进电动机正向或反向转动，使主轴进给或退回。
近年来，随着数控技术的发展，国内外的高档电火花加工机床均采用了高性能直流或交流伺服电动机，并采用直接拖动丝杠的传动方式，再配以光电码盘、光栅、磁尺等作为位置检测环节，因而大大提高了机床的进给精度、性能和自动化程度。
图1.2-25 步进电动机自动调节系统的原理框图 任务三 E形封口环模具的电火花加工
任务描述
图1-3-1所示为某公司封口环模具的加工示意图，要求在同一基础上连续加工48件封口环，且内径、外径及深度的尺寸精度及直线度均小于2 μm。
A B
图1-3-1 利用成形电极进行高精度连续加工
任务分析
电火花反拷成形法是国外在微精及微细电火花加工中的新成果。电火花反拷成形法是用一块块状电极（通常为铜钨或银钨合金材料，俗称反拷块）作为一次电极，通过火花放电方式制造出二次电极，即电火花加工用的工具电极，再用其加工工件的方法。
知识准备
电火花成形加工是用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法，主要分为穿孔加工和型腔加工两大类。
一、电火花穿孔成形加工
电火花穿孔成形加工是利用火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法。其应用又分为冲模（包括凸凹模及卸料板、固定板）、粉末冶金模、挤压模（型孔）、型孔零件、小孔（0.01~3 mm小圆孔和异形孔）、深孔等。
1.冲模的电火花加工
冲模是生产上应用较多的一种模具，由于形状复杂和尺寸精度要求高，所以它的制造已成为生产上的关键技术之一。特别是凹模，应用一般的机械加工是很困难的，在某些情况下甚至不可能，而靠钳工加工则工作量大，质量不易保证，还常因淬火变形而报废，采用电火
花加工或线切割加工能较好地解决这些问题。
对一副凹模来说，主要质量指标是尺寸精度、冲头与凹模的配合间隙p、刃口斜度和落料角，如图1-3-3所示。根据模具的使用要求，凹模的材料一般为T10A、T8A、Cr12、GCr15等，其中Cr12应用较多。
图1.3-3 凹模基本参数
1）工艺方法
凹模的尺寸精度主要靠工具电极来保证，对工具电极的精度和表面粗糙度都应有一定的要求。如凹模的尺寸为L2，工具电极相应的尺寸为L1，如图1-3-4所示，单面火花间隙值为SL，则
L2L12SL （1-3-1） 其中，单面火花间隙值SL主要决定于脉冲参数与机床的精度，如果加工规准选择恰当，并能保证加工过程的稳定性，火花间隙值SL的误差是很小的。因此，只要工具电极的尺寸精确，用它加工出的凹模也是比较精确的。
图1.3-4 凹模电火花加工
对于冲模，配合间隙是一个很重要的质量指标，它的大小与均匀性都直接影响冲模的质量及模具的寿命，在加工中必须予以保证。达到配合间隙的方法有很多种，电火花穿孔加工常用“钢打钢”的直接配合法。
此法是用加长的钢凸模作为电极直接加工凹模，加工后把电极损耗部分切除。加工时将凹模刃口端朝下形成向上的“喇叭口”，加工后将工件翻过来使“喇叭口”（此“喇叭口”有利于冲模落料）向下作为凹模。配合间隙靠调节脉冲参数、控制火花放电间隙来保证。这样，电火花加工后的凹模就可以不经任何修正而直接与凸模（冲头）配合。这种方法可以获得均匀的配合间隙，具有模具质量高、电极制造方便以及钳工工作量少等优点。
2）工具电极
凸模一般选优质高碳钢T8A、T10A或铬钢Cr12、GCr15，硬质合金等。应注意凸、凹模不要选用同一种钢材型号，否则电火花加工时不易稳定。
工具电极的尺寸精度应该比凹模精度高一级，一般不低于IT7，表面粗糙度值也应该比凹模的数值小，直线度和平行度在100 mm内不超过0.01 mm。
工具电极应有足够的长度。在加工硬质合金时，由于电极损耗较大，电极还应该适当加长。工具电极的截面轮廓尺寸除考虑配合间隙外，还要比预定加工的型孔尺寸均匀地缩小一个火花放电间隙。
冲模电极的制造，一般先经过普通机械加工，然后采用成形磨削。一些不易磨削加工的材料，可在机械加工后，由钳工精修。直接用电火花线切割加工冲模电极目前已获得广泛应用。
3）工件的准备
电火花加工前，工件（凹模）型孔部分要加工预孔，并留适当的电火花加工余量。加工余量的大小应能补偿电火花加工的定位、找正误差及机械加工误差。一般情况下，单边余量为0.3~1.5 mm为宜，并力求均匀。对形状复杂的型孔，加工余量要适当加大。
4）电规准的选择及转换
电规准是指电火花加工过程中的一组电参数，如极性、电压、电流、脉冲宽度、脉冲间隔等。电规准的选择应根据工件的要求、电极和工件的材料、加工工艺指标和经济效果等因素来确定，并在加工过程中及时地转换。
冲模加工中，常选择粗、中、精三种规准，每一种又可分几挡。粗规准用于粗加工，对粗规准的要求是生产率高（不低于50 mm3/min），工具电极的损耗小（＜10 %）。转换中规准之前的表面粗糙度Ra应小于10 μm，否则将增加中、精加工的加工余量与加工时间。
所以，粗规准主要采用较大的电流，较长的脉冲宽度（t1=50~500 μs），采用铜或石墨电极时电极相对损耗应低于1 %。
中规准用于过渡性加工，以减少精加工时的加工余量，提高加工速度，中规准采用的脉冲宽度一般为10~100 μs。
精规准用来最终保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度、刃口斜度等质量指标，并在此前提下尽可能地提高其生产率。故应采用小的电流、高的频率、短的脉冲宽度（一般为2~6 μs）。
2.小孔的电火花加工
对于硬质合金、耐热合金等特殊材料的小孔加工，采用电火花加工是首选的加工方法。小孔电火花加工适用于深径比（小孔深度与直径的比）小于20、直径大于0.01 mm的小孔。还适用于精密零件的各种型孔（包括异形孔）的单件和小批生产。
小孔加工由于工具电极截面积小，容易变形；不易散热，排屑又困难，电极损耗大，这将使端面变形大而影响加工精度。因此，小孔电火花加工的电极材料应选择消耗小、杂质少、刚度高、容易矫直和加工稳定的金属丝，如黄铜丝、铜钨合金丝、钨丝、钼丝等。加工时为避免电极弯曲变形，还需设置工具电极的导向装置。
为了改善小孔加工时的排屑条件，使加工过程稳定，常采用电磁振动头，使工具电极丝沿轴向振动；或采用超声波振动头，使工具电极端面产生轴向高频振动，进行电火花超声波复合加工，可以大大提高生产率。如果所加工的小孔直径较大，允许采用空心电极（如空心不锈钢管或铜管），则可以用较高的压力强迫冲油，加工速度将会显著提高。
电火花高速小孔加工是近年来发展起来的加工工艺，其工作原理的要点有三个：采用中空的管状电极；管中通高压工作液冲走电蚀产物；加工时电极做回转运动，可使端面损耗均匀，不致受高压、高速工作液的反作用力而偏斜。
高压流动的工作液在小孔孔壁按螺旋线轨迹流出孔外，和静压轴承一样，使工具电极管“悬浮”在孔心，不易产生短路，可加工出直线度和圆柱度很好的小深孔。
用一般空心管状电极加工小孔，容易在工件上留下飞边、料芯，阻碍工作液的高速流通，且电极过长过细时会歪斜，以致引起短路。因此，电火花高速加工小深孔时采用特殊冷拔的双孔管状电极，其截面上有两个半月形的孔，如图1-3-5中A—A放大断面图所示，加工中电极转动时，工件孔中不会留下飞边、料芯。加工时工具电极做轴向进给运动，管电极中通入1~5 MPa的高压工作液（自来水、去离子水、蒸馏水、乳化液或煤油等），如图1-3-5所
示。由于高压工作液能迅速将电极产物排除，且能强化火花放电的蚀除作用，因此这一加工方法的最大特点是加工速度高，一般小孔加工速度可达20~60 mm/min，比普通钻削小孔的速度还要快。
图1.3-5 电火花高速小孔加工原理示意图 1-管电极；2-导向器；3-工件
3.异形小孔的加工
电火花加工不但能加工圆形小孔，而且能加工多种异形小孔。图1-3-6所示为化纤喷丝板常用的Y形、十字形、米字形等各种异形小孔的孔形。
加工微细而又复杂的异形小孔，加工情况与圆形小孔加工基本一样，关键是异形电极的制造，其次是异形电极的装夹，另外要求机床自动控制系统更加灵敏。
制造异形小孔电极，主要有下面几种方法。 1）冷拔整体电极法
采用电火花线切割加工工艺并配合钳工修磨制成异形电极的硬质合金拉丝模，然后用该模具拉制成Y形、十字形等异形截面的电极。这种方法效率高，用于较大批量生产。
2）电火花线切割加工整体电极法
利用精密电火花线切割加工制成整体异形电极。这种方法的制造周期短、精度和刚度较
图1.3-6 各种异形小孔的孔型 高，适用于单件、小批量试制。
3）电火花反拷加工整体电极法
用这种方法制造的电极，定位、装夹均方便且误差小，但生产效率较低。图1-3-7所示为电火花反拷加工制造异形电极的示意图。
图1.3-7 电火花反拷加工制造异形电极示意图
2.型腔模的加工 1）加工工艺
型腔模电火花加工主要有单电极平动法、多电极更换法和分解电极加工法等。 （1）单电极平动法。单电极平动法在型腔模电火花加工中应用最广泛。它是采用一个电极完成型腔的粗、中、精加工的。单电极平动法的最大优点是只需一个电极、一次装夹定位，便可达到±0.05 mm的加工精度，并利于排除电蚀产物；它的缺点是难以获得高精度的型腔模，特别是难以加工出清棱、清角的型腔。
（2）多电极更换法。多电极更换法是用几个形状相同但尺寸各异的电极依次更换加工同一个型腔。由于每次加工中因电极损耗、二次放电造成的侧面斜度及棱角半径过大等加工误差都将在更换电极后的下一次加工中除去，因此，一般用两个电极进行粗、精加工即可满足要求。当型腔模的精度和表面质量要求高时，才采用三个或更多个电极进行加工。多电极加工的仿形精度高，尤其适用于尖角、窄缝多的型腔模加工；其缺点是需制造多个电极，且对电极的重复制造精度要求很高，电极的依次更换对重复定位精度要求也很高。因此，这种方法一般只适用于精密型腔加工，例如盒式磁带、收录机、电视机等机壳的模具，都是用多个电极加工出来的。
（3）分解电极加工法。此方法是单电极平动加工法和多电极更换法的综合应用。根据
型腔的几何形状，将电极分解成主型腔电极和副型腔电极分别制造。加工时先加工出主型腔，后用副型腔电极加工尖角、狭缝等部位。此法的优点是可以根据主、副型腔不同的加工条件选择不同的加工规准，还可以简化电极制造；缺点是更换主、副电极时的定位精度要求高。
2）工具电极
目前在型腔加工中电极材料多采用纯铜和石墨两种。它们的共同特点是损耗小、生产率高、加工稳定性好。纯铜电极的尺寸精度较好，不会崩刃塌角，能制成薄片或其他复杂形状，且加工过程中不易拉弧，被加工表面粗糙度值小。石墨电极易于成形和修整、重量轻，但加工出的工件表面质量差且精加工时损耗大，不易做成薄片和尖棱。铜钨、银钨电极的耐损耗性能好，但价格贵，仅在加工高精度型腔模时才使用。
型腔加工中常用的工具电极结构形式有整体式、镶拼式、组合式等几种。在型腔加工中，排屑、排气都比较困难，因此往往要在工具电极上安排冲油孔或排气孔。冲油孔应设在难于排屑的位置，如拐角、窄缝等处；排气孔应设在蚀除面积大和电极端部有凹陷的位置。用平动法加工时，冲油孔和排气孔的直径应小于工具的平动量，否则加工后会残留凸起物而不易清除。当孔距在20~40 mm时，孔要适当错开。由于电极的损耗会影响到型腔模的加工精度，因此，对于形状复杂、细小的精密型腔，一般不允许在电极上开孔，加工时可采用抬动电极和侧面冲油的方法来解决排屑、排气问题。
3）电规准
电规准的选择与转换主要是根据模具要求和加工方法而定。粗加工时，要求生产率高和工具损耗小，应首先选择宽脉冲，其次选择大电流。脉宽一般应大于400 μs，选择电流时，要考虑加工过程中工具与工件“接触”面积大小的变化，加工刚开始接触面积小，电流不宜过大，随着加工面积增大，可逐步加大电流，如用石墨加工钢时一般最高电流密度为3~5 A/cm2，用纯铜加工钢时还可稍大些。半精加工时，要考虑利用平动运动来补偿前后两个加工规准间的放电间隙和表面粗糙度的差值，脉宽一般为200~400 μs，电流峰值为10~25 A，表面粗糙度Ra＜10 μm，留给精加工的单边余量为0.1~0.2 mm。精加工通常是指表面粗糙度值Ra＜2.5 μm的加工，脉宽一般为2~20 μs，电流峰值为10 A左右。
加工电规准转换挡位，应根据所加工型腔的精度、形状复杂程度、尺寸大小等具体确定。在半精和精加工中，有时还要适当转换几挡参数。当加工表面达到本档规准应具有的表面粗糙度值时就及时转换规准，这样既可达到不断修光的目的又可使每挡的金属蚀除量小，从而得到高加工速度和低工具损耗。
半精加工的平动量，一般为总平动量的75 %~80 %，也就是说半精加工后，表面粗糙度
与上一挡的加工间隙差值已基本得到修正，精加工只是做修光工作。
任务实施
1. 电极反拷成形法
电极反拷成形法是用一块块状电极（通常为铜钨或银钨合金材料，俗称反拷块）作为一次电极，通过火花放电方式制造出二次电极即电火花加工用的工具电极，再用二次电极加工工件的方法。反拷电极法是较新型的加工方法，下面用一实例介绍一下反拷电极的加工过程。
如图1-3-8所示，用一块长约50 mm、厚约5 mm的CuW80块，用小压板固定在座板上，座板的A、C、D三面己经过精磨。使用前，先将铜钨合金块连同座板一起放在平面磨床上，以A 面为基准面精磨出B 面，再将座板压紧在电火花机床的工作台上，用杠杆表找正B 面，使其与机床的一个坐标方向（通常为Y向）平行（精度在2 μm内）。待加工的电极装在机床的主轴上，随主轴做上下伺服运动并旋转，移动主轴使反拷块与电极产生放电，通过二者损耗量不同使主轴上的电极成为被加工件。这时，用X轴进给量控制电极的直径尺寸，用Z轴进给量控制电极的成形长度，同时Y轴也做均匀而缓慢的移动，用以补偿反拷块的损耗，也可以将Z轴伺服电气锁定进行反拷加工。在制作径向跳动量大的较长电极时，可分段用主轴电气锁定法反拷。在消除径向跳动后，再用主轴伺服反拷，否则加工不易稳定，甚至会形成椭圆形电极截面。
图1-3-8 电极的反拷加工
2. 加工顺序
从图1-3-1所示工件的加工工艺流程上可以看出，借助于银钨靠模电极的沟槽，对被加工电极实施成形。然后，将所测出的尺寸误差，通过NC程序进行补偿。只要确定了电极的
尺寸，就可进行半自动加工，可按照以下顺序进行加工。
（1）在银钨合金（AgW）反拷块上制作成形铜电极，用沟槽A成形圆柱电极外径，用圆柱B成形圆柱电极内径。
（2）加工厚0. 3 mm的样件。
（3）用工具显微镜测量样件尺寸误差。
（4）通过数控程序修正电极外径及内径加工尺寸。
（5）在银钨合金（AgW）反拷块上修正加工电极外径及内径后，进行封口零件加工。 以往用人工操作方式需制作60根电极，现采用了机上成形的方式，只用2根电极。表面粗糙度值达Ra 0.3 μm。
3. 任务测评
任务测评见表1-3-1。
表1-3-1 成形电极进行高精度连续加工的任务测评
序号 1 2 3 粗加工 4 加工 5 工艺 6 7 8 9 工件 精加工 电源电压 峰值电流 放电间隙 表面粗糙度 10分 10分 10分 15分 放电间隙 10分 脉冲宽度 10分 项目 电路 考核内容 极性效应 电源电压 峰值电流 配分 15分 10分 10分 结果 得分 注：如发生重大安全事故，造成设备或人身损害直接为不合格。
拓展提高
1．伺服电动机电控失灵
伺服电动机电控失灵主要表现在电动机停转、电动机单方向运行和加工状态不稳定三个方面。
1）电动机停转
如果电动机不运行，请检查以下环节。
（1）间隙电压的有无及大小。 （2）信号转接点是否有脱线。
（3）直流电源是否供电，+12 V、-12 V、+40 V的电压是否正常，保险丝是否烧断。 （4）继电器是否吸合，接点是否可靠。 （5）其他线路转接点有无故障。
（6）控制板元件有无损坏，如集成芯片放大器等。
（7）电动机故障、碳刷卡壳、碳粉过多形成短路、磁钢脱落、绕组断路、轴承损坏、转子不同心、接线脱落及电流过大烧坏保险，造成电动机停转。
2）电动机单方向运行
故障现象是电动机只能一个方向运转，主轴只能向上或只能向下运动。原因是功率及桥式驱动电路单臂功率管击穿断路，使电动机只能单向通电，因而只能单向运行，这时只能通过更换功率管排除故障；也有可能是前级推动管损坏，造成功率及桥式驱动电路中单臂导通，这时则要检查前级板上相应的晶体管是否烧断或短路。
3）加工状态不稳定
加工状态不稳定的原因可能是由于控制信号、工作点发生偏移或者各控制点电压发生变化。这种故障应由专业维修人员进行调试。
2.排除主轴头电控失灵的一般方法 1）元器件损坏性故障
如果有明显的元器件损坏，要观察有无放电火花烧毛的痕迹、冒烟、烧糊烧焦的气味等，可根据现象直接发现故障部位。在元件排列很密集的印制电路板上，如果用放大镜观察，常能发现焊点断路或搭接形成短路等异常现象。
2）注意指示器件与仪表的工作状态
有时元器件无明显损坏，但某些功能失常，怀疑某元件可能已损坏，这类故障不应急于动手拆件，要细心观察有关指示灯、电压表和电流表等的指示是否正常。如“对刀”无电压，且没有报警声，这很可能24 V直流电源有问题。对电路了解得越清楚，观察越深入细致，则故障排除越及时、越准确。
3）电压追踪检查
如果故障没有外在征兆，则要根据原理图与接线图、安装装配图，逐点查找各级正常电压值，从而发现电压失压部位及损坏的部件。这种方法比较科学合理，但是前提是必须看懂电路原理图，才能找出故障的所在点。
4）电阻检查
如果故障范围基本确定，可最后用万用表电阻挡测量故障点的直流电阻来判断故障部位是否准确，是否存在与原理图有矛盾的“断路”与“短路”点，这样就能确切找出故障部分的位置。一旦发现故障，例如晶体管损坏，只要更换新的晶体管就能排除故障。如有可能，应准备一份备用印制电路板，随时对比、更换，以做到生产、维修两不误。
3. 电火花加工中的不正常现象
电火花加工中的不正常现象主要表现在电极损耗过大及加工极不稳定，其可能原因如下。
1）电极损耗过大
（1）正、负极性接反。粗加工时工件应接负极，精加工时一般应接正极。 （2）冲油压力过大、流速过大，应降低。
（3）脉冲宽度、峰值电流参数选择不当，应合理选择。 2）加工极不稳定，火花颜色异常，冒白烟
（1）个别功率管击穿而导通，实际输出的是直流电，应更换损坏的功率管。 （2）主振级参数变化失调（电阻、电容器变质或脱焊）使脉冲间隙过小或脉冲宽度过大，相似于用直流电加工，可用示波器观察波形，更换损坏的原件。
3）加工过程不稳定
加工过程不稳定，反复断路、短路，生产率很低，甚至出现拉弧现象，可能原因如下。 （1）电参数选择不当，如峰值电流过大、脉冲间隔过小、加工面积过小等，应合理选择电参数。
（2）加工面积过大，冲油、排屑不良，应增加定期抬刀次数和幅度，加大冲油压力。
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