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電火花成形加工的基本原理
閱讀：7048 發(fā)布時間：2016-4-1
電火花加工是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的，機(jī)床的自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置使工件和工具電極之間保持適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，當(dāng)工具電極和工件之間施加很強(qiáng)的脈沖電壓（達(dá)到間隙中介質(zhì)的擊穿電壓）時，會擊穿介質(zhì)絕緣強(qiáng)度zui低處。由于放電區(qū)域很小，放電時間較短，所以，能量高度集中，使放電區(qū)的溫度瞬間高達(dá)200%">℃，工件表面和工具電極表面的金屬局部熔化、甚至汽化蒸發(fā)。局部熔化和汽化的金屬在爆破力的作用下投入工作液中，并被冷卻成為金屬小顆粒，然后被工作液迅速沖離工作區(qū)，從而使工件表面形成一個微小的凹坑。一次放電后，介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)等待下一次放電。如此反復(fù)使工件表面不斷被蝕除，并在工件上復(fù)制出工具電極的形狀，從而達(dá)到成型加工的目的。
電火花加工是不斷放電蝕除金屬的過程。雖然一次脈沖放電的時間較短，但它是電磁學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)等綜合作用的過程，是比較復(fù)雜的。綜合起來，一次脈沖放電的過程可分為以下幾個階段：
（1）極間介質(zhì)的電離、擊穿及放電通道的形成
當(dāng)脈沖電壓施加于工具電極與工件兩者之間時，兩極之間即刻形成一個電場。電場強(qiáng)度與電壓成正比，與距離成反比，隨著極間電壓的升高或是極間距離的減小，極間電場強(qiáng)度也將隨著增大。由于工具電極和工件的微觀表面是凸凹不平的，極間距離又很小，因而極間電場強(qiáng)度是非常不均勻的，兩極間離得zui近的突出點(diǎn)或處的電場強(qiáng)度一般為zui大。當(dāng)電場強(qiáng)度增大到一定數(shù)量時，介質(zhì)被擊穿，放電間隙電阻從絕緣狀態(tài)迅速降低到幾分之一歐姆，間隙電流迅速上升到zui大值。由于通道直徑很小，所以通道中的電流密度很高。間隙電壓則由擊穿電壓迅速下降到火花維持電壓（一般約為20~30V），電流則由0上升到某一峰值電流。
（2）介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、汽化熱膨脹
極間介質(zhì)一旦被電離、擊穿，形成放電通道后，脈沖電源使通道間的電子高速奔向正極，正離子奔向負(fù)極。電能變成動能，動能通過碰撞又轉(zhuǎn)變成熱能。于是在通道內(nèi)正極和負(fù)極表面分別成為瞬間熱源，達(dá)到較高的溫度。通道高溫將工作液介質(zhì)汽化，進(jìn)而熱裂分解汽化。這些汽化后的工作液和金屬蒸汽，瞬間體積猛增，在放電間隙內(nèi)成為氣泡，迅速熱膨脹并具有爆破的特性。觀察電火花加工過程，可以看到放電間隙間冒出氣泡，工作液逐漸變黑，并聽到輕微而清脆的爆破聲。電火花加工主要靠熱膨脹和局部微爆破，使熔化、汽化了的電極材料拋出蝕除。
（3）電極材料的拋出
通道和正負(fù)極表面放電點(diǎn)瞬時高溫使工作液汽化和金屬材料熔化、汽化，熱膨脹產(chǎn)生較高的瞬間壓力。通道中心的壓力zui高，使汽化了的氣體不斷向外膨脹，壓力高處的熔融金屬液體和蒸汽，就被排擠、拋出而進(jìn)入工作液中。由于表面張力和內(nèi)聚力的作用，使拋出的材料具有zui小的表面積，冷凝時凝聚成細(xì)小的圓球顆粒。
熔化和汽化了的金屬在拋離電極表面時，向四處飛濺，除絕大部分拋入工作液中并收縮成小顆粒外，還有一小部分飛濺、鍍覆、吸附在對面的電極表面上。這種互相飛濺、鍍覆以及吸附的現(xiàn)象，在某些條件下可以用來減少或補(bǔ)償工具電極在加工過程中的損耗。
實(shí)際上，金屬材料的蝕除、拋出過程比較復(fù)雜的，目前，人們對這一復(fù)雜的機(jī)理的認(rèn)識還在不斷深化中。
（4）極間介質(zhì)的消電離
隨著脈沖電壓的結(jié)束，脈沖電流也迅速降為零，但此后仍應(yīng)有一段間隔時間，使間隙介質(zhì)消電離，即放電通道中的帶電粒子復(fù)合為中性粒子，恢復(fù)本次放電通道處介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，以及降低電極表面溫度等，以免下次總是重復(fù)在同一地方發(fā)生放電而導(dǎo)致電弧放電，從而保證在兩極間zui近處或電阻率zui小處形成下一次擊穿放電通道。
由此可見，為了保證電火花加工過程正常地進(jìn)行，在兩次脈沖放電之間一般要有足夠的脈沖間隔時間。此外，還應(yīng)留有余地，使擊穿、放電點(diǎn)分散、轉(zhuǎn)移，否則僅僅在一點(diǎn)附近放電，易形成電弧。
電火花加工是不斷放電蝕除金屬的過程。雖然一次脈沖放電的時間較短，但它是電磁學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)等綜合作用的過程，是比較復(fù)雜的。綜合起來，一次脈沖放電的過程可分為以下幾個階段：
（1）極間介質(zhì)的電離、擊穿及放電通道的形成
當(dāng)脈沖電壓施加于工具電極與工件兩者之間時，兩極之間即刻形成一個電場。電場強(qiáng)度與電壓成正比，與距離成反比，隨著極間電壓的升高或是極間距離的減小，極間電場強(qiáng)度也將隨著增大。由于工具電極和工件的微觀表面是凸凹不平的，極間距離又很小，因而極間電場強(qiáng)度是非常不均勻的，兩極間離得zui近的突出點(diǎn)或處的電場強(qiáng)度一般為zui大。當(dāng)電場強(qiáng)度增大到一定數(shù)量時，介質(zhì)被擊穿，放電間隙電阻從絕緣狀態(tài)迅速降低到幾分之一歐姆，間隙電流迅速上升到zui大值。由于通道直徑很小，所以通道中的電流密度很高。間隙電壓則由擊穿電壓迅速下降到火花維持電壓（一般約為20~30V），電流則由0上升到某一峰值電流。
（2）介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、汽化熱膨脹
極間介質(zhì)一旦被電離、擊穿，形成放電通道后，脈沖電源使通道間的電子高速奔向正極，正離子奔向負(fù)極。電能變成動能，動能通過碰撞又轉(zhuǎn)變成熱能。于是在通道內(nèi)正極和負(fù)極表面分別成為瞬間熱源，達(dá)到較高的溫度。通道高溫將工作液介質(zhì)汽化，進(jìn)而熱裂分解汽化。這些汽化后的工作液和金屬蒸汽，瞬間體積猛增，在放電間隙內(nèi)成為氣泡，迅速熱膨脹并具有爆破的特性。觀察電火花加工過程，可以看到放電間隙間冒出氣泡，工作液逐漸變黑，并聽到輕微而清脆的爆破聲。電火花加工主要靠熱膨脹和局部微爆破，使熔化、汽化了的電極材料拋出蝕除。
（3）電極材料的拋出
通道和正負(fù)極表面放電點(diǎn)瞬時高溫使工作液汽化和金屬材料熔化、汽化，熱膨脹產(chǎn)生較高的瞬間壓力。通道中心的壓力zui高，使汽化了的氣體不斷向外膨脹，壓力高處的熔融金屬液體和蒸汽，就被排擠、拋出而進(jìn)入工作液中。由于表面張力和內(nèi)聚力的作用，使拋出的材料具有zui小的表面積，冷凝時凝聚成細(xì)小的圓球顆粒。
熔化和汽化了的金屬在拋離電極表面時，向四處飛濺，除絕大部分拋入工作液中并收縮成小顆粒外，還有一小部分飛濺、鍍覆、吸附在對面的電極表面上。這種互相飛濺、鍍覆以及吸附的現(xiàn)象，在某些條件下可以用來減少或補(bǔ)償工具電極在加工過程中的損耗。
實(shí)際上，金屬材料的蝕除、拋出過程比較復(fù)雜的，目前，人們對這一復(fù)雜的機(jī)理的認(rèn)識還在不斷深化中。
（4）極間介質(zhì)的消電離
隨著脈沖電壓的結(jié)束，脈沖電流也迅速降為零，但此后仍應(yīng)有一段間隔時間，使間隙介質(zhì)消電離，即放電通道中的帶電粒子復(fù)合為中性粒子，恢復(fù)本次放電通道處介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，以及降低電極表面溫度等，以免下次總是重復(fù)在同一地方發(fā)生放電而導(dǎo)致電弧放電，從而保證在兩極間zui近處或電阻率zui小處形成下一次擊穿放電通道。
由此可見，為了保證電火花加工過程正常地進(jìn)行，在兩次脈沖放電之間一般要有足夠的脈沖間隔時間。此外，還應(yīng)留有余地，使擊穿、放電點(diǎn)分散、轉(zhuǎn)移，否則僅僅在一點(diǎn)附近放電，易形成電弧。