放电加工 (EDM)：力学、工作原理和电路（带图）

在本文中，我们将讨论电火花加工 (EDM)：- 1. 电火花加工 (EDM) 简介 2. 电火花加工 (EDM) 的力学原理 3. 电火花加工电路和工作原理（附图表） 4. 表面光洁度和加工精度 5. 工具电极和电介质流体在 EDM 中的作用 6. EDM 对金属表面的影响 7. 特性。

内容：

1. 电火花加工 (EDM) 简介
2. 电火花加工力学
3. EDM电路及工作原理（附示意图）
4. 电火花加工的表面光洁度和加工精度
5. 工具电极和电介质流体在 EDM 中的作用
6. EDM 对金属表面的影响
7. EDM 的特性

1.电火花加工（EDM）简介 :

在开发非传统技术中使用热电能源极大地帮助实现了极低可加工性材料和高难度作业的经济加工。通过一系列电火花的受控腐蚀去除材料的过程，通常称为放电加工，最早于 1943 年左右在苏联开始。然后，研究和开发将这一过程带到了目前的水平。

当阳极和阴极的两点之间发生放电时，该区域附近产生的强烈热量会使火花区域中的材料熔化并蒸发。为了提高效率，将工件和工具浸入介电流体（碳氢化合物或矿物油）中。已经观察到，如果两个电极由相同材料制成，则连接到正极端子的电极通常以更快的速率腐蚀。为此，工件通常被制成阳极。在工具和工件表面之间保持一个合适的间隙，称为火花间隙。

用合适的源使火花以高频放电。由于火花发生在工具和工件表面最接近的位置，并且由于每次火花后该点发生变化（因为每次火花后材料去除），因此火花会在整个表面传播。这导致整个表面的材料去除均匀，最终工作面与工具表面一致。因此，该工具在工件中产生所需的压痕。

为了保持预定的火花隙，通常使用伺服控制单元。间隙是通过其两端的平均电压感测的，并将该电压与预设值进行比较。差值用于控制伺服电机。有时，使用步进电机代替伺服电机。当然，对于非常原始的操作，也可以使用螺线管控制，因此机器变得非常便宜且易于构造。

火花频率通常在 200-500,000 Hz 的范围内，火花间隙约为 0.025-0.05 毫米。跨越间隙的峰值电压保持在 30-250 伏的范围内。最大 300 mm ³ /min 可以通过这个过程获得，比功率约为 10 W / mm ³ /分钟已经发现，当提供介电流体的强制循环时，性能的效率和准确度会提高。最常用的介电流体是煤油。该工具通常由黄铜或铜合金制成。

2.电火花加工力学：

图 6.52 显示了电极表面的细节。尽管表面可能看起来很光滑，但正如所指出的（当然是以夸张的方式），粗糙和不规则始终存在。结果，局部间隙发生变化，并且在给定时刻，它在某一点（例如 A）最小。当在工具和工件（分别为阴极和阳极）之间建立合适的电压时，就会建立足够强度的静电场，从而导致从阴极在 A 处冷发射电子。

这些释放的电子向阳极加速。在获得足够的速度后，电子与介电流体的分子碰撞，将它们分解为电子和正离子。如此产生的电子也会加速，并可能最终从介电流体分子中驱逐其他电子。最终，在连接两个电极的 A 处建立了一个狭窄的电离介电流体分子柱（导致电子雪崩，因为电离柱的电导率非常大，通常被视为火花）。

由于这种火花，会产生压缩冲击波，并在电极上产生非常高的温度 (10,000-12,000°C)。这个高 温度导致电极材料熔化和汽化，熔融金属被机械风吹出，导致 A 处的两个电极上出现小坑。一旦发生这种情况，A 处的电极之间的间隙就会增加，下一个最短间隙的位置在其他地方（例如 B）。

因此，当循环重复时，下一个火花发生在 B。这样，火花在整个电极表面徘徊，最终，该过程产生均匀的间隙。因此，根据负极形状，会在另一个电极上产生印象。

通常，由于以下原因，阴极的材料去除率相对低于阳极的材料去除率：

(i) 电子流撞击阳极的动量远大于正离子流撞击阴极的动量，尽管单个电子的质量小于正离子的质量。

(ii) 介电流体（通常是碳氢化合物）的热解在阴极上产生一层碳薄膜。

(iii) 在阴极表面产生压缩力。因此，通常情况下，工具连接到直流电源的负极端子。

如果工具相对于工件是静止的，随着材料去除的进行，间隙会增加，需要增加电压来引发火花。为了避免这个问题，刀具在伺服驱动器的帮助下进给，伺服驱动器检测平均间隙的大小并保持恒定。

在下文中，我们将尝试对放电加工过程中的材料去除率进行理论确定。这样做，虽然不会得到定量的结果，但许多重要的特征会变得明显。现在，只要了解一个火花的效果就足够了。

由于单次放电而去除的材料量可以通过考虑陨石坑的直径和达到熔化温度的深度来确定。

为此，我们将做出以下假设：

(i) 火花是电极表面上均匀的圆形热源，并且该圆形源的直径 (=2a) 保持不变。

(ii) 电极表面是一个半无限区域。

(iii) 除热源部分外，电极表面是绝缘的。

(iv) 热量输入率在整个放电期间保持恒定。

(v) 电极材料的特性不随温度变化。

(vi) 忽略电极材料的蒸发。

图 6.53 显示了理想化热源的详细信息。在我们的分析中，H-热量输入量（cal），θ=温度（°C），t=时间（秒），k=热导率（cal/cm-sec-°C），α=热扩散系数（cm ² /sec), td =放电持续时间 (sec), θm =熔化温度 (°C)。

由于圆对称，任何一点的温度都取决于 r 和 z。热传导方程为 –

由于直观地可以看出，达到熔化温度的深度在中心处最大，因此我们的兴趣在于 r =0 处的解。放电结束时轴上一点的温度（假设在 t =td 处达到最高温度，因为此时热量输入停止）由 –

给出

因此，很明显，Z 表示每个火花去除的材料体积。图 6.54a 显示了作为电极材料的 Cu、Al 和 Zn 在给定火花能量和恒定火花直径下 Z 的理论值。图 6.54b 描绘了不同火花能量下火山口体积随 td 变化的实际性质。趋势非常相似。

从这些结果中可以明显看出的一个重要特征是，材料去除率在较短的放电时间内非常低，并且随着 td 增加。然后，达到一个峰值，它突然下降到零。此外，已经确定每次放电去除的材料在很大程度上取决于材料的熔点。

空化在机械去除过程中的影响也很重要。单个火花期间的 mrr 随时间绘制，如图 6.55 所示。显然，当压力低于大气压时，mrr 最大，表明空化的重要性。

为了粗略估计，已经开发了 EDM 期间材料去除率的经验关系。由于陨石坑的大小取决于火花能量（假设所有其他条件保持不变），陨石坑的深度和直径由下式给出 -

在这种关系中，我们假设了平均火花条件。

mrr 还强烈依赖于介电流体的循环。在没有强制循环的情况下，磨损颗粒会反复熔化并与电极重新团聚。图 6.56 显示了没有和有电介质强制循环的 mrr 特性的性质。

放电完成后，应让最后一个火花周围的电介质去离子。为此，间隙两端的电压必须保持低于放电电压，直到去离子完成；否则电流将再次开始流经前一次放电位置的间隙。完全去离子所需的时间取决于前一次放电释放的能量。更大的能量释放导致更长的去离子时间。

3.电火花电路及工作原理（附示意图）：

几个基本不同的电路可用于提供跨越工作工具间隙的脉动直流电。尽管操作特性不同，但在几乎所有此类电路中，电容器都用于在跨越间隙放电之前存储电荷。电路的适用性取决于加工条件和要求。

提供脉动直流的常用原理可分为以下三类：

(i) 具有恒定直流电源的阻容弛豫电路。

(ii) 旋转脉冲发生器。

(iii) 受控脉冲电路。

(i) 阻容缓和电路：

最初开发放电加工机时使用了阻容弛豫电路。图 6.57a 显示了一个简单的 RC 电路。从该图中可以清楚地看出，电容器 C（可以改变）由电压 V0 的直流电源通过可变电阻 R 充电。

间隙两端的电压（几乎与电容器两端的电压相同）V 根据关系式随时间变化，其中 t 表示从施加 V0 时刻开始的时间。

因此，如果允许的话，V 将逐渐接近 V0，如图 6.57b 所示。如果工具-工作间隙和介电流体使得当间隙两端的电压达到值 Vd（通常称为放电电压）时会产生火花，则会产生火花，每当电压通过时使电容器完全放电工具-工作间隙 (V) 达到 Vd。

放电时间比充电时间小很多（约10%），产生火花的频率（v）大约由下式给出（因为去离子所需的时间在正常情况下也很小）-

因此，为了实现最大功率传输，放电电压应为电源电压 V0 的 72%。

如果我们假设每次火花去除的材料与每次火花释放的能量成正比，则 mrr 可以表示为 –

(ii) 旋转脉冲发生器：

产生火花的弛豫电路虽然简单，但也有一定的缺点。其中，一个重要的缺点是mrr不高。为了提高去除率，脉冲发生器用于产生火花。图 6.59 显示了这样一个系统的示意图。电容器在前半周期通过二极管充电。在接下来的半个周期中，发电机和充电电容器产生的电压总和被施加到工具间隙。

工作频率是产生正弦波的频率，它取决于电机速度。尽管 mrr 较高，但这样的系统不能产生良好的表面光洁度。

(iii) 受控脉冲电路：

在我们讨论的两个系统中，当发生短路时，没有自动防止电流流动的规定。为了实现这种自动控制，使用真空管（或晶体管）作为开关器件。该系统称为受控脉冲电路。图 6.60 示意性地显示了这样一个系统。在打火花期间，流过间隙的电流来自电容器。

当电流流过间隙时，阀管（VT）偏向截止，表现为无穷大的电阻。偏置控制是通过电子控制 (EC) 完成的。一旦间隙中的电流停止，管子的电导率就会增加，允许电流流动为下一个周期的电容器充电。

如果允许电流以施加的频率循环流动，则可以简化电路并提高操作稳定性。这可以通过在振荡器的帮助下控制偏置来完成。在这种情况下，不需要电容器。图 6.61 显示了这样一个使用晶体管的电路。

4. 电火花加工的表面光洁度和加工精度：

由于 EDM 中的材料去除是通过火花形成的凹坑来实现的，很明显，大的凹坑尺寸（尤其是深度）会导致表面粗糙。因此，主要取决于能量/火花的陨石坑大小控制着表面的质量。图 6.62 显示了 Hrms（表面不平整度的均方根值）如何取决于 C 和 V0。

火山口深度 (hc) 可以用每个火花释放的能量 (E) 近似表示为 –

图 6.63 显示了表面光洁度对脉冲能量 E 的依赖性以及与传统工艺获得的表面光洁度的比较。在确定材料去除率和表面光洁度质量之间的适当关系上已经花费了大量精力。但是一个非常可靠的普遍适用关系尚未出现。然而，在正常条件下加工钢材时，mrr 和表面不平整度的关系近似为——

其中 Hrms 是表面不平整度的均方根，单位为微米，Q 是材料去除率，单位为 mm ³ /分钟

已发现电介质的强制循环通常可改善表面光洁度。在有和没有强制循环（电压 40 V，电流 0.2 A，频率 1.12 kHz）的情况下，由 EDM 生产的黄铜电极表面的横截面如图 6.64 所示。很明显，强制循环导致表面光洁度的显着改善。

5. 工具电极和电介质流体在 EDM 中的作用：

电极在 EDM 操作中起着极其重要的作用，因此应牢记工具电极的某些方面以获得更好的结果。

一个。工具电极磨损：

在 EDM 操作期间，电极（即工具），正如已经提到的，也会由于火花作用而被腐蚀。具有良好电极磨损特性的材料与一般难以加工的材料相同。用于该工具的主要材料之一是石墨，它直接进入气相而不熔化。磨损率 (rQ) 定义为从工件中去除的材料与从工具中去除的材料的比率，发现与 rθ（=工件的熔点 / 工具的熔点）相关为 –

b.电极材料：

电极材料的选择取决于：

(i) 材料去除率，

(ii) 磨损率，

(iii) 电极易于成型，

(iv) 成本。

最常用的电极材料有黄铜、铜、石墨、A1合金、铜钨合金和银钨合金。

电极的制作方法有：

(i) 常规加工（用于铜、黄铜、Cu-W 合金、Ag-W 合金和石墨），

(ii) 铸造（用于锌基压铸合金、锌锡合金和铝合金），

(iii) 金属喷涂，

(iv) 压制成型。

通常为电介质的循环提供流动孔，这些孔应尽可能大以进行粗切割，以在低压下允许大流量。

c.介电流体：

理想的介电流体的基本要求是：

(i) 低粘度，

(ii) 没有有毒蒸气，

(iii) 化学中性，

(iv) 无炎症倾向，

(v) 低成本。

普通水几乎具备所有这些特性，但由于它会导致工件和机器生锈，因此未使用。不推荐水的另一个原因如下。电极始终处于某个电位差之下，并且由于水的良好导电性，ECM 过程开始使工件变形。此外，还浪费了电力。然而，在某些情况下，使用去离子水。

最常用的流体类型是碳氢化合物（石油）油。煤油、液体石蜡和硅油也用作介电流体。

6.电火花加工对金属表面的影响：

火花产生的高温会导致金属熔化和汽化，很明显，这种高温会影响加工表面浅层（2.5-150μm）的性能。

最外层迅速冷却，因此非常坚硬。正下方的层处于某种程度的回火状态。图 6.67 显示了钢上粗加工和精加工 EDM 操作的硬度随深度的变化。很明显，在精加工中，这种硬化并不突出。但外层回火，硬度低。

在 EDM 操作期间表面层的硬化赋予了更好的耐磨特性。然而，由于冷硬过程中表层产生微裂纹，疲劳强度降低。图 6.68 显示了常规铣削和 EDM 生产的相同零件的疲劳强度比较。薄表面层的特性对拉伸强度没有太大影响。它们的结构会发生变化，并且由于火花，它们的化学成分会发生一定程度的变化。这些通常会降低耐腐蚀性。

7.电火花加工的特点：