电火花加工中放电间隙影响因素的分析

№．５　陕西科技大学学报　０Ｃｔ．２００６　・９６・　ＪＯＵＲＮＡＩ　ＯＦ　ＳＨＡＡＮＸＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ（）Ｌ０ＧＹ　ＶＯ１．２４　文章编号：ｉ０００－－５８１１（２００６）０５－－００９６－－０４　电火花加工中放电间隙影响因素的分析　张晓燕，梁　荣　（陕西科技大学机电工程学院，陕西咸阳　７１２０８１）　摘　要：从工作液质量、加工参数、复杂形状加工表面以及非加工参数等方面分析了电火花加　工中各种干扰因素对放电间隙稳定性和加工质量的影响，针对这些影响因素提出了相应措施，　对进一步改善加工方法提高加工质量具有积极的参考作用。　关键词：电火花加工；放电间隙；加工质量　中图分类号：ＴＧ６６９　文献标识码：Ａ　０弓ｌ言　在电火花加工中，放电间隙是指加工时工具电极和工件之间产生火花放电的一层距离间隙（Ｓ），如图　１所示，在加工过程中称之为加工间隙，该间隙粗加工时较大，精加工时较小，加工间隙大小的一致性和稳　定性直接影响到电火花成形加工质量。在电火花的实际加工中观察到，影响放电间隙状态变化的因素很　多，本文对这些因素做了深入地分析和探讨。　１工作液质量的影响　１．１　电蚀产物聚集较多　在电火花成形加工中，工作液具有一定的介电能力，它有助于产生脉冲　式火花放电，形成放电通道，放电结束后又能恢复极问绝缘状态，帮助电蚀产　物的抛出和排除，冷却工具与工件。为了提高电火花加工的工艺效果，常使　用电火花专用煤油，它是以轻质矿物油为基础，加上一定的重质矿物油和其　它添加剂混合而成，无色、无味，燃点较好，介电性能好。体积质量和粘度大　的工作液有利于压缩放电通道，提高放电能量密度，强化电蚀产物的抛出，但　不利于电蚀产物的排除，影响正常工作，加上放电过程中电蚀产物不断被蚀　图ｌ　放电间隙、蚀除　除，若工作液循环不好，蚀除物（金属微粒、热分解形成的汽泡、碳粒等）大量　速度和进给速度　增加，会使介质处于液相与气相混杂状态，间隙过热，放电在间隙空间分布较　一加工间隙栅一工件件蚀除速集中，使间隙状态恶化，产生二次放电和拉弧现象，从而增加电极回升次数，　度，Ｖｄ一电极进给速度　影响加工速度。由于放电间隙的大小除了与放电参数有关外，还与工作液的　抗击穿能力有关，所以如果在工作液中加入“硅”、“铝”等导电微粉，将使工作　液电阻率降低，而放电间隙将成倍增加，使得每次从电极到工件表面的放电通道被“微粒粉颗粒”分割形成　多个小的火花放电通道，达到工件表面的脉冲能量分散很小，使放电痕变小，从而形成大面积的光整表面。　１．２工作液体积质量的影响　工作液的体积质量对电火花加工有很大的影响，当工作液变得稠密时，金属粒悬浮在工作液中停留很　长时间而不易沉降，工作液混浊，间隙状态恶化，产生拉弧和“二次放电”，使得加工中稳定性降低，影响加　工质量，同时也增加了电极运动阻力，使得主轴调节系统不能有效调节放电间隙。所以，在电火花加工过　＊收稿日期：２００６—０５—１０　作者简介：张晓燕（１９６２一），女，陕西省咸阳市人，工程师，研究方向：特种加工、材料成形及控制工程　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　张晓燕等：电火花加工中放电间隙影响因素的分析　・９７・　程中，工作液的体积质量应控制在０．６５　ｇ・ｍＬ　左右，要保持工作液的“低粘度”，以利于放电间隙中工作　液的流动，将蚀除物及加工产生的热量带走，使加工间隙及时恢复正常状态，一般工作液粘度应保持在２．　７～３．６　ｍ　・Ｓ　（４０℃），此时表面加工质量较好。　２加工参数对放电间隙的影响　在电火花加工中，影响加工精度的一个重要因素是放电间隙大小的一致性和稳定性，同时放电参数的　合理选取也制约着放电间隙大小的改变。例如，在脉冲宽度不变的情况下，为了提高排屑力度，可将脉间　增大，但是随着脉间值的增大，必将引起放电间隙中介质消电离状态发生变化，加速电极上“覆盖效应”的　降低，从而使电极损耗也随之增大。当脉间值减小时，放电在空间上的分布趋向于集中的概率增大，此时　间隙介质处于一定的连续热状态，有利于电极覆盖的生成，此时加工速度提高，电极相对损耗值降低。当　脉间值减小到一定数值后，放电间隙来不及消电离造成加工表面的拉弧烧伤。所以，在脉冲宽度一定时，　在最大限度提高加工速度和加工稳定性的同时，应尽量降低脉间值，以保持放电间隙大小的一致性和稳定　性。粗加工时一般放电间隙为０．５　ｍｍ左右，精加工时放电间隙为０．０１　ｒａｍ（单面）。为确保表面加工质　量，保持稳定的放电间隙，在粗加工中脉宽与脉间之比即占空比值叫一　应在１０：１～２：１范围内选取；　０　精加工中叫一　值应在１：１～１：１０范围内选取，否则，放电间隙来不及消电离恢复绝缘而引起拉弧放　０　电。　３非电参数对放电间隙的影响　３．１　加工面积较小的影响　对电火花加工而言，放电间隙的大小取决于放电参数，一般小面积加工时，若采用精规准加工，放电间　隙则小，但是若加工面积小到一临界面积时，则在单位面积上脉冲放电过分集中，致使放电间歇的电蚀产　物排除不畅，间隙介质混浊，加工表面易引发拉弧、短路，加工稳定性差，加工速度降低。所以，小面积加工　时，为保证加工质量，在精规准的小间隙加工中应减小精加工余量，调节好抬刀频率、平动方式和平动量大　小，方能实现小面积的放电加工。　３．２　大面积精规准加工的影响　在常规加工中，当大面积粗加工时，可以选取较大的加工参数，此时放电间隙较大。当小面积加工时，可选　取较小的加工参数，放电间隙则较小。但是大面积精规准加工也常常在电火花加工中出现，由于加工面积　较大，放电间隙较小，使得工作液在放电间隙中的流动阻力受到较大的影响，电火花加工中电极总是保持　上、下运动状态，当电极向下运动时放电间隙逐渐减小，电极将放电间隙中的工作液向外挤出。由于放电　间隙变小，使工作液在放电间隙中的流动阻力增大，相应在放电间隙中产生了较大的压差，使电极受到较　大的运动阻力，造成了电极、电极夹头、进给丝杠和螺母等产生相应变形，从而严重影响了机床对放电间隙　的伺服调节，使短路和开路过程增加，电火花加工过程中稳定性降低，甚至使加工无法进行。所以，在大面　积精规准加工条件下，应具体根据加工件材料的特殊性能合理选配加工参数和非加工参数（调节抬刀次　数、增大脉冲间隔）以获得较好的加工质量。　３．３加工稳定性改变的影响　在电火花加工中，加工稳定性不好，则电极回升次数频繁，“二次放电”现象增加，加工间隙要比同一参　数下的正常加工间隙大，尤其在主轴精度不高，工作液脏时更为明显，为此加工中，一定要确保工作液循环　系统畅通，提高排屑力度，从而保证加工质量。　３．４二次放电的影响　电火花在加工中由于工具电极下端部加工时间较长，绝对损耗大，而电极入口处的放电间隙则由于电　维普资讯 http://www.cqvip.com

・９８・　陕西科技大学学报　第２４卷　蚀产物的存在，使“二次放电”的概率增大，放电间隙扩大，因而造成了加工斜度，俗称“喇叭口”，如图２所　示。为此，工具电极在使用较长时间后，应对其工作端面进行修磨，从而保证加工精度　３．５　冲油压力调节不当的影响　由于电火花加工过程中有大量的气体、金属屑和炭黑产生，如不及时排除，加工则很难稳定进行，而且　会使脉冲利用率降低及加工速度降低。为了促进排屑，一般都采用强迫冲油以提高加工速度，但是冲油压　力超过某一数值，则会干扰放电间隙的液体动力过程，使加工速度降低，尤其对复杂形状的型孔、型腔进　行加工时，采用冲油后放电间隙介质的工作液由于降温介质常数增大，消电离加快，使“覆盖效应”减小，反　而增大了电极损耗。这主要是由于电极损耗是随冲液流量（压力）的增大而增大。所以，在精规准加工中，　冲油压力调节要适当，以降低电极损耗，提高表面加工质量。　２　１　：　２　ｌ　（旦）　图３　电火花加工时的加工斜度　图２　电火花加工时尖角变圆　ｉ一电极无损耗时的工具轮廓线　ｉ一工件，２一工具　２一电极有损耗而不考虑二次放电时的工件轮廓线　４复杂形状对加工间隙的影响　４．１复杂形状加工表面的影响　放电间隙大小及其稳定性在电火花加工中对电极损耗影响很大，尤其在仿形精度加工中，间隙大小的　变化对加工精度的影响相当大。对于复杂形状的加工表面，由于棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，　则影响越严重，所以，为了减小加工误差，应该采用较弱的加工规准，缩小放电间隙，这样不但能提高仿形　精度，而且放电间隙愈小，可能产生的间隙变化量也愈小。　４．２　电火花加工时工具尖角变圆的影响　电火花加工中，工具的尖角或凹角很难精确地复制在工件上，主要是当工具为凹角时，工件上对应的　尖角处放电蚀除的概率大，容易遭受腐蚀而成为圆角，如图３（ａ）、（ｂ）所示。当工具为尖角时，由于放电间　隙的等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心、放电间隙Ｓ为半径的圆弧；而工具上的尖角本身因尖　端放电蚀除概率大而损耗圆角，如图３ｂ所示。所以，若采用高频窄脉冲精加工，放电间隙则小，圆角半径　可以明显减少，从而提高仿形精度，获得圆角半径小于０．０１　ｍｍ的尖棱，这对加工精密的小模数齿轮等冲　模是很重要的。　下面是不同加工参数和非电参数对放电间隙以及加工质量影响的实验数据：　实验条件：Ｅ６４Ｐ电火花成型机１台；工具电极：紫铜电极乒ｌ１．２　８　ＩＴＩＩＩＩ￣加工极性：正极精加工；加工　材料：未经淬火４５钢，厚２５　ｍｍ；工作液体：电火花成型机床专用煤油；加工型腔深度：０．２　ｍｍ。　一组：加工电极ｊ５ｌ１．２８　ｍｍ，加工电流４．５　Ａ，脉冲宽度９Ｏ　ｓ，脉冲间隔５　Ｓ，ＵＰ／ＤＮ为１／２。　（１）当不开时，加工时间为１６分钟１７秒，加工表面光亮，颗粒细腻，有少量烟，火花较小，有汽　泡，粗糙度Ｒ　值为４．５　ｍ。　（２）当开１只时，加工时间为１Ｏ分钟２Ｏ秒，加工表面光亮，无烟，可见少量火花，粗糙度Ｒ。值为　５．６　ｐｍ；冲油压力为０．３　ｋｇ・ｃｍ。　（３）当增开２只时，加工时间为８分钟２秒，有少量烟，可见火花，表面光亮，粗糙度Ｒ　值为５．８　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　张晓燕等：电火花加工中放电间隙影响因素的分析　・９９・　ｍ；冲油压力为０．５　ｋｇ・ｃｍ＿。。　二组：加工电极　１１．２８　ｍｍ，加工电流３０Ａ，脉冲宽度９Ｏ　ｓ，脉冲间隔９　ｓ，ＵＰ／ＤＮ为１／３。　（１）当不开时，加工时间为２分钟５９秒，表面颗粒均匀细腻，有烟，火花较大，有汽泡，粗糙度Ｒ　值为８．０　ｍ。　（２）当开一只时，加工时间为３分钟３５秒，加工表面颗粒较粗，烟较大，火花较大，粗糙度Ｒ。值　为１２．５　ｍ，冲油压力为０．２５　ｋｇ・ｃｍ＿。。　（３）当增开２只时，加工时间为３分钟２９秒，有少量烟，火花较大，表面颗粒较粗，粗糙度Ｒ。值　为１２．５　ｍ，冲油压力为０．４５　ｋｇ・ｃｍ　ｕ。。　从第一组实验数据分析得知：在精加工中，放电间隙较小，若增大冲油压力，则加大了放电间隙中介质　的循环，相应提高了加工速度，但同时工作液在放电间隙中的流动会受到较大阻力，而且电极受到这种较　大的运动阻力会使电极、进给丝杠和螺母等产生相应变形，从而造成伺服调节系统的稳定状态降低。随着　冲油压力的增大，熔融飞溅的电蚀产物颗粒迅速冷凝，并被高速流动的工作液冲到放电间隙之外，减弱了　电极上的“覆盖效应”，同时由于间隙中的工作液降温而提高了介电系数，使间隙消电离加快，增大了电极　损耗，影响加工质量。所以，精加工中，为了提高加工质量，在考虑调节冲油压力大小的同时，还应兼顾电　极的损耗程度，最好采用脉动冲油，这样要比一般的冲油电极损耗小而且均匀。　从第二组实验数据分析得知：当增大工作电流和脉冲间隔时，放电间隙相应增大，总体来说加工速度　比第一组加工参数值工作时的加工速度大，且加工表面粗糙度也增大，尤其在冲油压力增大的情况下加工　表面质量更差。由此可以看出，加工参数和冲油压力大小的改变对放电间隙的变化以及加工的稳定性具　有显著的影响。　５　结束语　对电火花加工中影响放电间隙状态变化的因素作了详细地分析和探讨，并用具体实验数据作了对比　分析，给出了维持放电间隙大小一致性的相应措施，对进一步改善电火花加工质量具有重要意义。　参考文献　［１］曹凤国．电火花加工技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．８．　［２］刘晋春，赵家齐，赵万生．特种加工［Ｍ］．第３版．北京：机械工业出版社，１９９８　［３］黄毅宏，李明辉．模具制造工艺（Ｍ３．北京：机械工业出版社，１９９９．　［４］罗学科，李跃中．数控电加工机床［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．　ＴＨＥ　ＩＮＦＬＵＥＮＣＥ　ｏＦ　ＴＨＥ　ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ　ＧＡＰ　ＵＰｏＮ　ＴＨＥ　ＭＡＣＨＩＮＩＮＧ　ＱＵＡＬＩＴＹ　ＦｏＲ　ＥＤＭ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙａｎ，ＬＩＡＮＧ　Ｒｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｙａｎｇ　７１２０８１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ　ｍｕｓｔ　ｌｏｗｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＥＤＭ　ａｎｄ　ｉｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｔａｂｌｅｌｙ．Ｓｏ　ｔｈｉｓ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｏ　ｄｏ　ｓｏｍｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｏｆ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｇａｐ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｈａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｄｉｓ—　ｃｈａｒｇｅ　ｇａｐ．Ｗｅ　ｂｅｌｉｅｖｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍｃｈｉｎｉｎｇ　ｑａｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ＥＤＭ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＥＤＭ；ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｇａｐ；ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ