探秘电火花加工技术：原理与非标零部件应用

一、电火花加工技术概述

（一）起源

电火花加工的起源可以追溯到 1770 年，当时英国科学家约瑟夫・普里斯特利发现了放电的侵蚀效应。又过了 173 年，才有人提出利用放电的破坏性效应开发一种加工导电材料的受控工艺的想法。1943 年，苏联的拉扎连科夫妇在尝试减少钨电极的腐蚀时，发现将电极浸没在电介质中可以控制放电造成的腐蚀，这一发现催生了世界上第一台电火花加工机床的开发。

（二）发展历程

电火花加工在 20 世纪 40 年代后期发展起来，70 年代中期开始商业化发展，80 年代中期被转移到机床上，使得加工比传统工艺更为广泛。从技术发展过程来看，经历了手动电火花加工、液压伺服、直流电机、步进电机、交流伺服电机等一系列过程，控制系统也从单轴数控发展到多轴联动。例如，20 世纪 90 年代初期，3 轴电火花机在国内还是空白，直到 90 年代中期，北京市电加工研究所才和日本沙迪克公司合作开始制造 3 轴电火花加工机。

（三）基本原理

电火花加工原理是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除金属工件材料。通过在工具和工件之间产生快速和重复的火花放电来控制导电材料的侵蚀，火花放电之间的间隔约为 0.01 到 0.5 毫米。间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，在直流脉冲的作用下，间隙中的电介质流体被电离，两极间的工作液被击穿，产生脉冲放电，从而使火花放电在工具和工件之间通过。电弧的温度可以达到 10000 摄氏度左右，每次脉冲从工件上去除一个小的磨损颗粒，这样就能在工件上加工出需要的形状。

（四）重要地位

电火花加工技术在现代制造业中占有重要地位，是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效方法。它不受限于工件材质等因素，工具与工件之间无明显的机械切削力，受到的温度影响很小，适合对难加工材料进行加工。已被大量用于汽车、航空、航天等领域，其中应用最广泛的有钻孔、型腔加工和微细电火花加工等。

二、电火花加工技术的系统组成

（一）电源

在电火花加工中，电源起着至关重要的作用。首先，电源通过传统的固态整流将输入的交流电源转换为直流电源。电火花加工技术在高功率和低频率下去除大部分工件材料，即粗加工操作，然后在低功率和高频率下去除剩余的少量材料，即精加工操作。通过改变晶体管的开关占空比，电源能够改变脉冲宽度和重复频率，从而满足不同加工阶段的需求。此外，感应电极和工件之间的电压也是电源的一项重要功能。由于电压与电极间隙之间存在直接关系，电极和工件之间的间隙随着金属的去除而增大，而电火花加工电源电压取决于火花间隙，这需要不断保持。通过伺服控制的电极馈电装置，电源能够连续地感知火花间隙并移动工具电极，使其能够在整个过程中保持恒定的间隙距离。

（二）伺服系统

伺服系统在电火花加工过程中效率作用显著。电火花加工过程的效率与电极与工件之间的间隙距离密切相关。在切割操作中，连续供给电极的伺服系统必须通过控制电极的进给来保持最佳间隙距离，以精确匹配材料的去除速率。电极进给所需的间隙距离是根据一定的间隙电压设置的，在此过程中，持续监测实际间隙电压。设定间隙电压和实际间隙电压之间的差值（称为误差电压）被送入伺服放大器，伺服放大器反过来控制伺服阀，从而通过与工作头相连的活塞杆控制液压油流向油缸，实现对电极进给的精确控制。

（三）介质流体

介质流体在电火花加工中具有三大重要作用。一是作为电火花导体，电介质流体应具有足够和稳定的电介质强度，以保持工具和工件之间的绝缘，直至达到击穿电压。二是起到冷却剂的作用，一旦发生放电，应迅速熄灭火花，同时，介质流体应具有低粘度和良好的润湿能力，以提供有效的冷却机制。三是作为冲洗介质，从加工间隙中去除切屑颗粒。大量的流体满足这一要求，并被用作电介质流体，其中最常用的是碳氢化合物液体、硅基油和去离子水，例如煤油和含乙二醇的水。

（四）电极

电极在电火花加工中至关重要。在电火花加工过程中，电极的形状以互补的形式印在工件上，因此电极的形状和精度对加工工件的最终精度起着非常关键的作用。不同的电极材料会影响电火花加工的性能，如材料去除率、工具损耗率、工件表面质量等。正确选择电极材料对于电火花加工至关重要，电极材料应满足高熔点、低热胀系数、良好的导电导热性能和力学性能等基本要求。

三、电火花加工技术的特点与适用范围

（一）特点

1. 不接触加工，加工过程中无宏观切削力。

• 电火花加工过程中，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。这使得电火花加工可以在轻薄工件上执行精细的操作，而不会对工件产生机械应力和振动问题。例如，在加工一些电子元件的微小零件时，电火花加工可以精确地去除材料，而不会损坏周围的结构。
• 由于无宏观切削力，电火花加工可以加工各种低刚度工件，如薄壁零件、细长轴等。同时，对于一些容易变形的材料，电火花加工也能保证加工精度。

1. 易于实现加工过程自动化。

• 电火花加工可以通过数控系统实现自动化加工。数控系统可以精确控制工具电极的运动轨迹和加工参数，从而实现复杂形状零件的加工。例如，在模具制造中，通过编程可以实现模具型腔的自动加工，大大提高了生产效率和加工精度。
• 自动化加工还可以减少人为因素对加工质量的影响，提高加工的一致性和可靠性。

1. 可加工难切削材料、特殊零件和复杂形状零件，还能改进结构设计。

• 电火花加工适合于任何难切削导电材料的加工，如高熔点、高硬度、高强度、高韧性的材料。这是因为加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及热学特性，而几乎与其力学性能无关。例如，可以加工聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。
• 可以加工特殊及复杂形状的表面和零件。由于工具电极的形状可以复制到工件上，因此特别适用于表面形状复杂的工件的加工，如复杂型腔模具的加工等。同时，数控技术的采用使得用简单的电极加工形状复杂的零件也成为可能。此外，电火花加工还可以改进工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。

（二）适用范围

1. 适合加工高熔点、高硬度、高强度、高韧性的材料及形状复杂的零部件。

• 电火花加工在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。例如，在航空发动机叶片的制造中，由于叶片材料通常具有高熔点、高硬度等特点，传统的机械加工方法难以加工，而电火花加工可以有效地去除材料，实现叶片的高精度加工。
• 在汽车制造中，电火花加工可以用于加工发动机缸体、变速器壳体等复杂零件。这些零件通常具有复杂的形状和高的精度要求，电火花加工可以满足这些要求。

1. 可加工精密的销孔、平底孔、异形腔、窄缝等。

• 在模具制造中，电火花加工可以加工精密的销孔、平底孔等。这些孔的尺寸精度和表面质量要求很高，传统的机械加工方法难以达到要求。而电火花加工可以通过控制放电参数和电极形状，实现高精度的孔加工。
• 对于异形腔和窄缝的加工，电火花加工也具有独特的优势。例如，在电子元件的制造中，需要加工一些微小的异形腔和窄缝，电火花加工可以精确地去除材料，实现这些结构的加工。

四、电火花加工技术在非标零部件中的应用

（一）模具、工具等硬度高、热处理过的材料

电火花加工技术在加工模具、工具等硬度高、热处理过的非标零部件方面具有显著的优势。首先，电火花加工是一种非接触式加工方法，在加工过程中工具电极与工件之间不直接接触，避免了机械切削力对工件的影响，特别适用于加工硬度高、热处理过的材料。例如，在加工模具时，模具材料通常经过淬火等热处理工艺，硬度较高，传统的机械加工方法难以加工，而电火花加工可以有效地去除材料，实现模具的高精度加工。

其次，电火花加工可以加工复杂形状的非标零部件。由于电极的形状可以复制到工件上，因此特别适用于表面形状复杂的工件的加工，如复杂型腔模具的加工等。同时，数控技术的采用使得用简单的电极加工形状复杂的零件也成为可能。例如，在加工一些特殊形状的工具时，电火花加工可以根据工具的形状设计电极，实现高精度的加工。

此外，电火花加工具有高精度、高表面质量的特点。在加工过程中，通过控制放电参数和电极形状，可以实现高精度的加工，加工后的工件表面质量高，粗糙度低。例如，在加工一些精密模具时，电火花加工可以实现微米级的加工精度，满足模具的高精度要求。

（二）微小精密非标件

以不锈钢螺钉为例，分析电火花多工位放电加工在微小精密非标件中的精度控制方法至关重要。对于微小精密非标件如不锈钢螺钉，市场上通常难以购买到符合要求的产品，因此需要采用电火花加工进行定制。在加工完螺纹之后，需要放电加工内六角，由于零件本身比较小，精度要求较高，加工深度为 1.5±0.03mm，六角要求 S=1.5+0.03mm，这给加工带来了很大的挑战。

首先，由于没有定位基准，夹持外螺纹容易夹偏，放电时易导致内六角加工偏。为了解决这个问题，可以采用多工位定位装夹的方法。通过精确设计定位装置，确保零件在加工过程中的稳定性和准确性。例如，可以使用专用的夹具，将零件固定在特定的位置，避免夹持力不均衡导致的加工偏差。

其次，夹持力的控制也是关键。夹持力依靠人的感觉和经验控制，往往由于夹持力不均衡，夹持力过大会使零件外螺纹夹伤，夹持力过小放电时会把零件外表面螺纹电腐蚀，导致零件外表面有电火花放电痕迹，使零件报废。可以采用自动化的夹持装置，通过传感器实时监测夹持力，确保夹持力在合适的范围内。同时，还可以对夹持装置进行优化设计，提高夹持的稳定性和可靠性。

此外，电极的设计和损耗也是需要考虑的问题。由于零件放电加工时该放电部位较小，当脉冲电压放电能量施加工件与电极之间时，两极形成的放电能量主要集中在六个小棱边，导致棱边的放电能量增大，从而会产生的热量较多，电极的棱边损耗较大。为了减少电极损耗，可以采用优化电极形状、选择合适的电极材料等方法。例如，选择具有高导电性、高热稳定性和低损耗的电极材料，如铜、石墨等，以提高加工精度和效率。同时，还可以通过控制放电参数，降低电极的损耗，提高电极的使用寿命。