提高电火花加工表面质量的研究

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提高电火花加工表面质量的研究

　　由于电火花加工可以加工难切削的材料，并且可以加工出特殊以及复杂形状的零件。因此，电火花加工技术广泛应用于机械、航空航天、电子、仪器、轻工业等部门。但是由于加工过程工艺参数较多，各工艺参数之间存在一定的影响，常常会带来一些工艺问题，直接影响加工的质量与效率。因此，对影响加工表面质量因素的分析具有重要的意义。

　　1  电火花加工表面质量分析

　　电火花加工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。电火花加工表面主要由无数个无方向性的小坑和硬凸边所组成，其表面粗糙度的计算与机械加工一样，采用微观轮廓平面度的平均算术偏差值Ra表示。由于电火花加工去除材料靠的是工具和工件之间由于放电产生的高温，在消电离阶段，由于工作液的迅速冷却，使得工件表面层发生很大的变化。在表面变质层中又分为熔融凝固层、热影响层、微观裂纹3个层次，如图1。

　　表面力学性能主要为显微硬度、残余应力、耐疲劳性能等项指标。大量实验研究证明：在电火花加工后，工件的显微硬度和耐磨性都有所提高，不同的材料，提高的程度也有所不同。由于电火花加工过程中，工件表面经历瞬时的先膨胀后收缩的作用，使工件表面形成残余应力，残余应力大部分为拉应力，在外表层中会出现较小的压应力。由于残余应力和可能存在的微观裂纹的作用，电火花加工后的工件的耐疲劳性会大大降低，因此需要采取一定的热处理，消除这一不利的影响。

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　　2  电参数对表面粗糙度的影响

　　电火花加工主要靠工具电极与工件之间的脉冲性放电产生的瞬时高温、高热去除材料的。去除材料形成的放电痕迹主要由脉冲能量决定。而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(即脉冲宽度)，其计算公式为：

　　因此，影响电火花加工表面粗糙度的电参数主要有峰值电压、峰值电流和脉冲宽度。由于在一定的加工条件下，峰值电压变化不大，通常取定值，所以，表面粗糙度主要取决于峰值电流和脉冲宽度。

　　根据实验研究，以铜为工具电极，钢为工件时，可得到表面粗糙度与峰值电流和脉冲宽度的经验公式：

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　　2.1  峰值电流对表面粗糙度的影响

　　在脉冲宽度一定时，随着峰值电流增加，单个脉冲能量也增加，使表面粗糙度值增大，如图2。因此，为获得较小的表面粗糙度值，应尽量减小峰值电流值。

　　2.2  脉冲宽度对表面粗糙度的影响

　　当峰值电流一定时，脉冲宽度大，单个脉冲能量大，放电腐蚀产生的放电痕迹大而深，表面粗糙度变差，如图3。因此，在峰值电流一定时，通常选取较小的脉冲宽度，来获得较好的表面粗糙度。

　　3  工具电极对表面粗糙度的影响

　　3.1  工具电极材料和表面粗糙度

　　在电火花加工过程中，工具电极的材料不同，电极的性能不同，在加工过程中电极的损耗不同，对工件表面粗糙度的影响也不同。材料质量差、组织不均匀、含杂质的电极会使加工出来的工件表面粗糙度值大，达不到加工的要求。通常，在粗加工规准中，脉冲宽度较大，此时紫铜电极比石墨电极的加工表面粗糙度好。在精加工规准中，脉冲宽度小，石墨电极加工表面粗糙度较好。电火花成型加工是将电极的表面复制到工件表面，电极表面粗糙度会直接影响加工表面的粗糙度，特别在精加工时，工具电极通常都要进行抛光处理。

　　3.2  加工极性的影响

　　在脉冲放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击，因此两极表面分配的能量不同。由于电子的质量和惯性较小，在放电初始阶段，就能获得较大的速度和初速度，轰击正极表面，使电极材料迅速熔化和气化。然而，正离子的质量和惯性较大，随着放电时间的持续，其获得的能量较大，对负极表面的轰击作用强。因此，在脉冲宽度较小时，应选择正极性加工;在脉冲宽度较大时，应选择负极性加工。一般来说，正极性加工的表面粗糙度要比负极性加工的表面粗糙度好，精加工时为了获得较好的表面质量都选择正极性加工。

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　　4  加工面积的影响

　　实验研究表明：在其他加工条件相同的情况下，加工面积不同，表面粗糙度相差很大。当加工面积较大时，即使很小的脉冲能量，加工工件的表面粗糙度值也很难小于0.32 μm，而且随着加工面积的增大，表面粗糙度变差。这是因为在加工过程中，工具电极和工件相当于电容器的两个极。根据平行板电容计算公式：

　　由式(3)可知，随着加工面积的增大，电火花加工中寄生电容增大，即电火花加工两极板的储能作用增强，在电规准较小的情况下，电能被此电容“吸收”。此时，只能起到“充电”作用而不会引起火花放电。往往积累多次脉冲才能产生一次放电，这使得加工出的放电凹坑较大，表面粗糙度值变大。

　　“混粉加工”新工艺的出现解决了这一问题，采用“混粉”加工技术，可以在较大的面积上加工出粗糙度值为0.05～0.1 μm的光亮面。混粉加工就是在工作液中混入一定量的硅或铝等导电粉末，使工作液的电阻率降低，潜布电容减小。同时将放电通道分割成许多小的放电通道，使放电能量大大细化，可以得到较小的表面粗糙度值。普通加工与混粉加工极间电场分布图如图4所示。

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　　5  电蚀产物对表面粗糙度的影响

　　随着加工的进行，工具电极和工件之间的电蚀产物增多，过多的电蚀产物如果来不及从极间排除、扩散出去，这不仅会使油液变脏、粘度变大，不利于带走电极与工件之间的电蚀产物，而且会改变间隙介质的成分，降低其绝缘强度，使工具和工件之间的二次放电次数增多，影响极间放电状态。使放电点集中在某一部位，破坏消电离过程，影响放电稳定性。这样，脉冲性火花放电将恶性循环转变为有害的稳定电弧放电状态，同时工作液局部高温分解后可能形成积碳现象，在该处聚集成焦粒，这都会烧伤工具电极和工件表面，使表面粗糙度值增大。另外，电蚀产物排出不充分还容易引起短路现象，降低加工速度，长时间的短路作用使电路中电流增大，影响脉冲电源的寿命。为了解决这一问题，需要经常过滤及清洁工作液，加强过滤循环，要人工清理工作液中的积存炭黑和金属微粒。在加工过程中，为了强化电蚀产物的排出，还要进行适当的工作液循环。工作液循环方式可分为冲油式和抽油式两种形式。冲油或抽油方式如图5所示。

　　从图5中可以看出，冲油方式排屑能力强，能使电蚀产物完全从极间排出。但是，在排屑过程中，电蚀产物会通过已加工区，会引起工具和工件之间的“二次放电”，从而破坏加工表面，降低表面质量。采用抽油方式，电蚀产物从待加工表面排出，虽然不会影响已加工表面的质量。但是，排屑不充分，而且加工过程分解出的可燃气体容易积聚在抽油回路的死角处，引起“放炮”现象。这不仅会引起安全性隐患，而且也会加剧电极的损耗，使电极形成锥度，影响加工的精度。因此，通常选择冲油方式强化电蚀产物的排出。

　　冲油方式的选择，引起了另一个影响表面质量因素的研究。如何避免电蚀产物从已加工区排出时引起的二次放电问题，成为人们关注的热点。尤其是在微小孔电火花加工中，工具电极与工件之间放电间隙非常小，引起二次放电的概率非常大，即使加工过程中能得到很好的表面质量，在电蚀产物排出的过程中也会被破坏。为了解决这一问题，日本学者在电极表面镀上一层薄薄的绝缘层。这种介质在加工过程中气化，附着在已加工工件表面，使工具电极和加工表面都被绝缘介质覆盖，这样就不会由于“二次放电”对已加工表面再次加工，破坏其表面质量。在工件加工完后，对工件进行冲洗，就会去除附着在加工表面的绝缘介质。目前这种介质的成分尚且不清楚，还有待材料领域专家进一步深入研究。关于防止二次放电破坏已加工表面的方案的研究，也是保证加工表面质量的必不可少的关键因素，对其研究有重要的研究价值。

　　6  结语

　　综上所述，影响电火花加工表面质量的因素很多，每个因素的解决方案都很简单。但是，在加工过程中，要综合考虑这些因素对加工质量的影响以及各因素之间的相互影响，对其进行系统的分析和科学的分配，最终找到最优的参数控制与分配，从而提高表面质量，降低表面粗糙度。