電火花加工放電過程機(jī)理和改善措施

簡述了電火花加工放電過程的機(jī)理，介紹了加工中放電狀態(tài)的判斷方法，重點(diǎn)分析了放電不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并根據(jù)相對應(yīng)的原因提出了改善的措施，對電火花加工具有一定指導(dǎo)作用。
　　一、前言
　　電火花加工中放電的穩(wěn)定性直接影響加工的質(zhì)量、效率，是衡量整個(gè)加工過程效果的重要指標(biāo)之一。因此它一直是從事電火花加工工程技術(shù)人員關(guān)注的問題，如何實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的電火花加工也是當(dāng)前電加工領(lǐng)域研究、探討的熱點(diǎn)。下面就自己多年的電火花加工經(jīng)驗(yàn)，對加工中放電不穩(wěn)定現(xiàn)象作闡述，分析其產(chǎn)生的原因，并提出一些改善的措施。
　　二、電火花加工放電過程機(jī)理的概述
　　電火花加工是由許多微觀的單脈沖放電過程組成的。正常的單脈沖放電過程包括兩極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道，放電通道內(nèi)的瞬時(shí)高溫使工作液氣化、裂化，金屬材料熔化、氣化，瞬時(shí)高壓使加工屑被拋入工作液中，隨著脈沖放電的結(jié)束，兩極間介質(zhì)進(jìn)行消電離，恢復(fù)絕緣的復(fù)雜過程。電火花加工時(shí)放電間隙內(nèi)每一脈沖放電的基本狀態(tài)稱之為放電狀態(tài)。放電狀態(tài)有開路、火花放電、過渡電弧放電、電弧放電、短路五種。各種放電狀態(tài)在實(shí)際加工中是交替、概率性地出現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電火花加工，必須減少脈沖放電中異常的放電狀態(tài)，使單脈沖放電過程良性循環(huán)。
　　三、電火花加工穩(wěn)定狀況的評判與其產(chǎn)生的影響
　　電火花加工中伴隨有一系列派生現(xiàn)象，通過加工過程中的外在表現(xiàn)，可以了解加工的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)加工的異常放電狀態(tài)。正常加工中，觀察到的火花顏色通常為藍(lán)白色夾火紅顏色，火花細(xì)小均勻。加工液面冒無煙小氣泡，聽到的火花聲音清脆、連續(xù)。機(jī)床的電流、電壓表呈有規(guī)律的擺動，伺服百分表勻速進(jìn)給。加工中每次放電時(shí)間、抬刀動作有規(guī)律的持續(xù)。機(jī)床深度檢測值呈穩(wěn)定的遞進(jìn)。
　　反之，加工中放電集中于一處，火花顏色偏紅亮，液面冒白煙大氣泡，火花爆炸聲音低、沉悶，電流、電壓表指針急劇擺動，伺服機(jī)構(gòu)急劇跳動的放電不穩(wěn)定現(xiàn)象可判斷是電弧放電的可能，這種現(xiàn)象常使電極、工件結(jié)炭、燒傷。加工中較正常火花放電狀態(tài)稍差的是過渡電弧放電。其表現(xiàn)為放電聲音不均勻，產(chǎn)生的氣泡較正常放電時(shí)大一些，電流、電壓表有明顯波動，加工中短時(shí)放電，頻繁抬刀。深度檢測值來回變化較大，呈回退往返。過渡電弧放電常發(fā)生于精加工中，其破壞性相對比較輕，但很容易轉(zhuǎn)變成電弧放電。
　　加工中偶爾出現(xiàn)空載放電（開路）和短路是允許的�？蛰d放電時(shí)，火花間隙上有大于50V的電壓，但沒有電流流過，電流表無顯示，短路是放電間隙直接短路相接，間隙短路時(shí)電流較大，但間隙兩端的電壓很小，短路很容易損壞電極，頻繁的短路會使工件和電極局部形成缺陷�？蛰d放電和短路都沒有對工件起到蝕除加工作用，影響加工速度。根據(jù)加工中的穩(wěn)定狀況可以判定加工的放電狀態(tài)，由前述可知，放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象破壞了正常的火花放電，易轉(zhuǎn)變成異常放電狀態(tài)。不穩(wěn)定的放電也使加工速度明顯降低，使加工表面粗糙度不均勻，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的表面質(zhì)量問題。使電極出現(xiàn)表面缺陷。不穩(wěn)定放電狀態(tài)下無規(guī)律的火花間隙使加工尺寸無法準(zhǔn)確控制，影響加工精度�？梢姳ＷC加工中穩(wěn)定的放電對加工具有重要的意義。
　　四、產(chǎn)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因及改善措施
　�。�1）放電性能不好的電火花機(jī)床在加工中常發(fā)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。電火花加工主要是靠機(jī)床良好的加工性能來完成加工的。高檔電火花機(jī)床配備有多種脈沖輸出電路，主軸具有高速性和高響應(yīng)伺服特性，這些特性能滿足在加工中進(jìn)行高穩(wěn)定加工實(shí)現(xiàn)高品位加工質(zhì)量。如果機(jī)床加工性能不好，常在加工中發(fā)生難以控制的放電不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。機(jī)床脈沖電源工作性能、機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的異常是電火花機(jī)床本身原因造成在加工中常發(fā)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。
　　如機(jī)床脈沖電源波形失常是最常見的問題，使加工不能穩(wěn)定進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放電加工，必須要求機(jī)床的脈沖電源能輸出一系列良性的脈沖，工作穩(wěn)定可靠，不受外界干擾。機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)具有高度的靈敏性，能夠準(zhǔn)確對放電狀態(tài)中火花間隙進(jìn)行檢測，自動對異常放電作出調(diào)節(jié)，調(diào)整、滯后盡量要小，抗干擾能力強(qiáng)。由于機(jī)床性能異常方面的問題比較復(fù)雜，使用人員在經(jīng)過確認(rèn)是機(jī)床問題后，應(yīng)及時(shí)與機(jī)床維修服務(wù)部聯(lián)系，請專業(yè)人員維修，排除故障。
　�。�2）電參數(shù)調(diào)節(jié)不正確對放電穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。電參數(shù)使用不正確是產(chǎn)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。電規(guī)準(zhǔn)主要由電流、脈沖寬度、脈沖間隙三大電參數(shù)組成。使用過大的電流，過大的脈沖寬度，過小的脈沖間隙是電參數(shù)調(diào)節(jié)不合理產(chǎn)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。三者應(yīng)根據(jù)加工中的穩(wěn)定性和加工的工藝指標(biāo)要求來具體設(shè)定選擇。
　　在放電不穩(wěn)定的情況下，首先考慮增大脈沖間隙，可以使加工保證消電離，改善排屑狀況，對工藝指標(biāo)影響也不大。其次考慮減小脈沖寬度，過大的脈沖寬度使加工中短時(shí)內(nèi)放電次數(shù)過多，加工中來不及消電離，易產(chǎn)生燒弧。加工中其它參數(shù)也很重要。像直接影響排屑效果的抬刀速度、放電時(shí)間、抬刀高度等參數(shù)。
　　放電不穩(wěn)定的情況下應(yīng)加快抬刀速度，減少放電時(shí)間，增大抬刀高度。處理電參數(shù)時(shí)應(yīng)特別注意粗加工與精加工中放電穩(wěn)定性的差別。粗加工中由于放電能量大，火花間隙大，排屑效果好，往往能實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的加工，精加工則恰恰相反，容易出現(xiàn)放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。所以對精加工應(yīng)特別加以監(jiān)控。加工的極性應(yīng)正確，如果在通常加工中誤使用負(fù)極性（電極為負(fù)極）加工，也會發(fā)生放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象，根本無法加工下去，應(yīng)將加工極性改過來。
　�。�3）加工中液處理方式不當(dāng)及加工液質(zhì)量問題造成放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。電火花加工是在工作液介質(zhì)中進(jìn)行的。工作液的絕緣性能在脈沖放電的過程中起到消電離的作用，在加工中對電極和工件起到加速冷卻，使電蝕產(chǎn)物從放電間隙中懸浮、排泄出去的作用。在電火花加工中常使用沖、抽液的方法進(jìn)行排屑，避免電弧放電，使加工穩(wěn)定進(jìn)行。但是不適當(dāng)?shù)囊禾幚矸绞揭矔�影響放電的穩(wěn)定狀況。沖、抽油壓力過大，會使放電通道不易形成，產(chǎn)生不穩(wěn)定的局部放電，尤其在精加工中很明顯。可將沖、抽油壓力控制在接近穩(wěn)定加工的臨界壓力范圍內(nèi)。
　　沖油方向不正確會使加工屑堆積而形成放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而且容易形成積炭。一般采用朝開口部位沖油，盲底部位采用朝下淋油的方法。沖抽油加工雖然能將加工屑很好排出，改善了放電的穩(wěn)定性，但不均勻的流場，會引起集中放電和二次放電，對工件平面度、粗糙度影響很大，產(chǎn)生放電間隙不均勻的現(xiàn)象。而且強(qiáng)烈的沖刷會引起電極邊角異常損耗。所以在精密加工中通常采用無沖液、浸油加工的液處理方式，依靠抬刀的動作來排屑實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。這就對機(jī)床配置提出了更高的要求。
　　像機(jī)床主軸采用很高加速度進(jìn)給加工時(shí)，產(chǎn)生的抽吸作用，使存在于電極與工件之間的加工屑、焦油以及廢氣等能有效地排出。長時(shí)間的加工會使油溫過高，加工部位表面如果不能很好得到冷卻很容易產(chǎn)生放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。油溫應(yīng)不高于35℃，必要時(shí)在加工液循環(huán)系統(tǒng)上油處安裝冷卻裝置來控制。加工中工作液的質(zhì)量對加工放電穩(wěn)定也很重要。含加工屑過多的臟污加工液在加工中因不能及時(shí)緩解放電間隙內(nèi)的污染狀況，導(dǎo)致放電點(diǎn)不分散而形成有害的電弧放電。
　　劣質(zhì)的加工液因其性能差的原因也會使加工中出現(xiàn)放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。采用的電火花加工液要求具有低粘度，高絕緣性、能疏通放電通道，流動性、滲透性好等特點(diǎn)。目前有很多類型的電火花加工專用工作液，而且研究出在工作液中加入相關(guān)添加劑的一些成果，能改善放電的性能，提高放電穩(wěn)定性，可以被采用。
　�。�4）選用電極材料的種類、材料的質(zhì)量、不同電極材料加工電參數(shù)配對的因素對放電穩(wěn)定性的影響。電極材料必須導(dǎo)電性良好，具有放電穩(wěn)定等特點(diǎn)。純銅電極加工性能很好，尤其是加工穩(wěn)定性，不易發(fā)生電弧放電或過渡電弧放電，在大多數(shù)加工中能穩(wěn)定放電，被廣泛采用。石墨電極加工穩(wěn)定性較好，最突出的特點(diǎn)是在很大電流的粗加工中能保持穩(wěn)定的放電，并且保證電極的低損耗，但在精加工中，易發(fā)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象，易產(chǎn)生拉弧燒傷。
　　銅鎢合金和銀鎢合金是很少采用的電極材料，因?yàn)椴牧系膬r(jià)格昂貴。它們在加工微細(xì)部位、深槽等難加工部位仍能很穩(wěn)定的放電，電極損耗極小，在精密加工中被考慮使用。選用的電極材料必須保證質(zhì)量才能在加工中放電穩(wěn)定。純銅必須是無雜質(zhì)的電解銅，最好經(jīng)過鍛打。石墨電極材料有好幾種分類，如埃米級、特細(xì)級、超細(xì)級、精細(xì)級等，可根據(jù)加工的精度、效率要求選擇。
　　石墨材料的質(zhì)量應(yīng)組織均勻，強(qiáng)度較好，在加工中不易產(chǎn)生剝落。使用不同的電極材料進(jìn)行加工應(yīng)靈活處理好電參數(shù)的配對，才能達(dá)到加工中放電穩(wěn)定，加工效果良好，發(fā)揮所選材料價(jià)值的目的�，F(xiàn)在很多電加工機(jī)床都能根據(jù)不同的加工材料組合自動配對電參數(shù)。電參數(shù)配對主要是處理電流、脈沖寬度、脈沖間隙的大小。
　　根據(jù)電極材料的性能，選用合適的電參數(shù)發(fā)揮材料的加工優(yōu)勢，處理好其加工中的缺陷問題。因使用機(jī)床的不同，這里提供一組主要電參數(shù)選用關(guān)系的數(shù)據(jù)表供參考.
　　（5）選用的工藝方法不合理使加工中出現(xiàn)放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。電火花加工的工藝方法是否合理可行也是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工的重點(diǎn)。大多加工是：采用粗加工電極蝕除大量金屬完成粗加工，然后再換半精或精加工電極完成過渡加工或精加工。這種工藝方法的關(guān)鍵是加工中應(yīng)采用電極搖動的方法來改善排屑狀況，達(dá)到穩(wěn)定的加工。采用多段加工條件用自由平動的方法，隨著加工深度的進(jìn)給，另外兩軸同時(shí)作擴(kuò)大運(yùn)動。
加工中采用搖動的方法可使放電更穩(wěn)定，減少了二次放電現(xiàn)象，可獲得側(cè)面與底面更均勻的表面粗糙度，被廣泛采用。搖動量的大小視加工部位形狀、精度要求而決定，一般在精加工中取0.03mm左右。因搖動量小，對加工的仿形精度也不會有影響。如果在加工中不采用搖動的方法，則很難實(shí)現(xiàn)小間隙放電條件下的穩(wěn)定加工。在精加工中很容易發(fā)現(xiàn)因這個(gè)原因造成的不穩(wěn)定加工現(xiàn)象。不穩(wěn)定放電形成的二次放電可能會使加工尺寸偏大，在排屑條件好的情況下也可能因?qū)嶋H產(chǎn)生火花間隙小于電極縮放量而使加工尺寸偏小，使尺寸不能準(zhǔn)確地得到控制。采用搖動的加工方法能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加工，能很好解決這些問題。
　　（6）難以加工部位不利于加工的穩(wěn)定進(jìn)行。有些加工部位因其加工局限性導(dǎo)致在加工中容易發(fā)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。像在表面部位剛開始加工時(shí)，加工清角部位，加工尖細(xì)的部位時(shí)，由于實(shí)際放電面積偏小，電流密度偏大，局部電蝕產(chǎn)物濃度過高，放電點(diǎn)不能分散轉(zhuǎn)移，放電后的余熱來不及擴(kuò)散而累積起來，造成過熱，破壞加工的穩(wěn)定性。必須暫時(shí)減小電流，待實(shí)際加工面積逐步擴(kuò)大，加工逐步穩(wěn)定后，再逐步增大電規(guī)準(zhǔn)。加工深孔、有斜度的部位、深腔部位時(shí)，由于排屑困難，在加工中也會發(fā)生放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。
要求采取適當(dāng)?shù)拇胧└纳婆判夹阅堋Ｐ倍阮愲姌O加工一定要有很高的排渣高度。深孔、深腔類部位可以對電極選用較大的尺寸縮放量，通過平動來改善排屑。加工深的圓孔，在裝有C軸，使用EROWA夾具并且同心的情況下，加工時(shí)使C軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，可達(dá)到非常穩(wěn)定的加工。清角部位在加工可行的情況下采用3軸聯(lián)動的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面積小而發(fā)生放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。還有在有些難加工部位采用橫向伺服加工也可以改善放電穩(wěn)定性。對電極采用避空、開排氣排屑孔等也可以改善一些難加工情況下的放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。
　�。�7）加工操作環(huán)節(jié)中的處理問題造成的放電不穩(wěn)定現(xiàn)象。加工操作中一些細(xì)小環(huán)節(jié)處理不好也會發(fā)生放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。小件或難以裝夾的工件、電極因沒有采取可靠的裝夾方法，導(dǎo)致加工中發(fā)生松動，出現(xiàn)放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象。工件經(jīng)磨床加工后會產(chǎn)生磁性，尤其是小工件，如果沒有經(jīng)過退磁處理直接用來電火花加工，會使加工屑因被吸附難以排出而導(dǎo)致加工中放電不穩(wěn)定，因此加工前必須對工件退磁。加工部位存在雜物、銹跡、毛刺，導(dǎo)致開始加工時(shí)放電非常不穩(wěn)定。
　　有通孔類部位的加工在裝夾中沒有考慮利用孔來排屑而變成盲底加工，大大降低了加工穩(wěn)定性。加工中產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象有可能會使工件松動，氣體引燃的過程也影響了加工的穩(wěn)定性。電極校正有偏差使其變成傾斜加工也會稍微影響放電的穩(wěn)定。在深腔類部位的加工中，沒有及時(shí)用毛刷清除加工屑積存物，會在加工中出現(xiàn)放電不穩(wěn)定現(xiàn)象，使加工難以順利進(jìn)行。根據(jù)以上在操作中導(dǎo)致放電不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，分別采取相對應(yīng)的措施可改善加工的穩(wěn)定性。
　　五、結(jié)束語
　　綜合上文對電火花加工中放電不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生原因的分析，可見加工屑的排出對電火花加工穩(wěn)定性有舉足輕重的作用，大多措施基本上都是通過直接或間接改善加工的排屑狀況，在排屑順暢的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工的。對電火花加工中多種干擾因素的認(rèn)識和排除，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放電加工的重要保證。通過改善電火花加工中放電不穩(wěn)定的現(xiàn)象，可以避免異常放電產(chǎn)生的加工異常問題，保證加工質(zhì)量，提高加工效率。