电火花成形原理及工艺应用

第1章电火花成形加工原理1

1.1电火花加工的产生与发展1

1.1.1电火花加工的产生1

1.1.2电火花加工的发展2

1.1.3电火花加工常用专业名词术语3

1.2电火花加工特点与应用范围7

1.2.1电火花加工特点7

1.2.2电火花加工应用范围8

1.2.3电火花成形加工的主要应用9

1.3电火花加工物理过程概述10

1.3.1介质击穿与放电通道形成11

1.3.2能量转换、分配与传递11

1.3.3电极表面被蚀材料的抛出12

1.3.4消电离与极间介电性能的恢复12

1.4极间介质击穿规律13

1.4.1液体介质的导电机理13

1.4.2电火花加工时的极间介质击穿规律16

1.5极间放电物理状态23

1.5.1放电时的物理现象23

1.5.2放电通道磁流体模型27

1.5.3极间放电电压特性32

1.5.4放电时的电磁辐射与声辐射38

1.6电火花加工的热过程42

1.6.1极间放电时的能量转换42

1.6.2导热微分方程50

1.6.3放电时的热源模型51

1.6.4瞬时点热源的热传导模型53

1.6.5连续点热源的热传导模型55

1.6.6定半径表面热源的热传播模型56

1.6.7时变半径表面热源的热传导模型57

1.6.8存在相变时的热传导模型58

1.6.9运动热源的热传播过程59

1.7电极材料抛出机理及其表面形态63

1.7.1关于抛出力的几种学说63

1.7.2放电表面形态67

第2章电火花成形设备及数控编程71

2.1概述71

2.1.1电火花成形机工作原理71

2.1.2电火花成形机总体结构的几种类型71

2.1.3电火花成形机型号及主要参数74

2.1.4电火花成形机的主要分类75

2.2电火花成形机本体结构75

2.2.1机床各组成部分及其作用75

2.2.2工作液循环过滤系统 79

2.2.3电极装夹头80

2.2.4其他机床附件82

2.3电气控制系统86

2.3.1电气控制系统方框原理图及电控箱结构86

2.3.2自动进给机构88

2.3.3伺服控制系统的类型89

2.4脉冲电源91

2.4.1脉冲电源要求与分类91

2.4.2典型脉冲电源电路92

2.5机床精度标准及检验方法98

2.5.1机床精度标准及检验工具98

2.5.2电火花成形机床的精度检验99

2.6电火花成形机数控编程109

2.6.1程序编制的步骤与方法109

2.6.2ISO“G”代码程序格式111

2.6.3加工参数代码114

2.6.4摇（平）动加工115

2.6.5数控电火花成形加工编程技巧116

第3章电火花加工基本工艺规律119

3.1电火花加工主要工艺指标及测试方法119

3.1.1加工速度119

3.1.2加工精度120

3.1.3表面质量120

3.1.4电极损耗121

3.2影响工艺指标的主要因素121

3.2.1影响加工速度的主要因素121

3.2.2影响加工精度的主要因素123

3.2.3影响加工表面质量的主要因素125

3.2.4影响工具电极相对损耗的因素126

3.3基本工艺规律126

3.3.1脉宽、峰值电流与蚀除速度的关系126

3.3.2脉宽、峰值电流与表面粗糙度的关系127

3.3.3脉宽、峰值电流与电极损耗率的关系129

3.3.4非电参数与加工速度的关系130

3.4实现高效低损耗的几个途径132

3.4.1充分利用极性效应132

3.4.2建立炭黑保护层134

3.4.3电火花加工中的电喷镀现象136

3.4.4弱电解质中的电化学作用137

3.5电火花加工表面特性138

3.5.1电火花加工表面粗糙度138

3.5.2加工表面组织变化139

3.5.3电火花加工表面力学性能142

3.5.4电火花加工表面微观裂纹145

第4章电火花成形工艺146

4.1电火花成形加工基本工艺路线及工艺分析146

4.1.1电火花成形基本工艺路线146

4.1.2电火花成形工艺分析146

4.2电火花加工前的工艺准备146

4.2.1加工前的准备147

4.2.2电极设计与制造148

4.2.3电极和工件装夹与校正150

4.2.4加工参数设置与调整151

4.2.5工艺程序编制151

4.3电火花混粉镜面加工153

4.3.1电火花混粉镜面加工的产生153

4.3.2电火花混粉镜面加工机理154

4.3.3电火花混粉镜面加工工艺157

4.3.4电火花混粉镜面加工表面性能161

4.3.5电火花混粉镜面加工装置及应用165

4.4电火花微细加工167

4.4.1微细电火花加工的特点与实现条件167

4.4.2微小型电火花加工装置168

4.4.3微细电火花加工应用举例170

4.5电火花深小孔加工173

4.5.1深小孔电火花加工的产生174

4.5.2电火花深小孔加工工艺174

4.5.3电火花高速深小孔加工176

4.5.4深小孔的超声波电火花复合加工技术178

4.5.5气体介质中深小孔电火花加工179

4.6电火花加工中的质量问题与异常现象180

4.6.1加工精度问题180

4.6.2加工表面积炭烧伤现象183

4.6.3加工表面粗糙度不符合要求184

4.6.4加工表面微观缺陷185

4.6.5加工中的异常现象188

第5章电火花成形工艺应用190

5.1电火花型腔加工中加工余量的分配190

5.1.1电火花放电间隙的概念190

5.1.2加工余量确定及分配的基本原则192

5.2电火花穿孔加工214

5.2.1穿孔加工工艺过程214

5.2.2满足配合间隙的方法216

5.2.3SYL36孔电机转子冲模穿孔加工217

5.3单轴数控电火花加工实例219

5.3.1小机床加工大工件219

5.3.2单个工具电极直接成形220

5.4型腔电火花成形228

5.4.1型腔电火花加工特点与方法228

5.4.2大型模具电火花成形228

5.4.3螺纹电火花加工231

5.4.4风叶轮注塑模的电火花加工238

5.4.5精密注塑模电火花成形248

5.5大面积型腔电火花镜面加工253

5.5.1问题的提出及解决方案253

5.5.2对导电粉体的技术要求255

5.5.3混粉工作液的配置及浓度检测255

5.5.4混粉镜面加工在模具电火花中的应用256

第6章石墨电极在电火花成形中的应用261

6.1石墨的特性261

6.1.1石墨简介261

6.1.2人工石墨及生产流程262

6.1.3石墨的理化特性263

6.2电加工专用石墨的特点265

6.2.1电极材料的种类266

6.2.2常用电极材料的特点266

6.2.3电加工专用石墨的分类269

6.3放电加工专用石墨的应用270

6.3.1放电加工专用石墨的分类特点及选材要点270

6.3.2不同石墨材质对电火花加工工艺效果的影响272

6.4石墨电极的放电参数结构特点278

6.4.1石墨电极和铜电极在脉冲波形特征上的区别278

6.4.2石墨和铜在放电加工中的各自特点280

6.5石墨材质的电加工工艺特点283

6.5.1石墨电极的放电加工应用要点283

6.5.2影响石墨电极放电工艺效果的因素286

6.5.3出现电弧（积炭）的主要原因及防范措施295

参考文献298"

本书系统而全面地论述了电火花成形原理及其工艺应用主要包括电火花成形加工原理与物理过程、工艺特点及应用范围电火花成形设备及编程电火花成形加工工艺规律及其表面特性电火花成形加工工艺及典型应用石墨电极在电火花成形加工中的应用等内容新颖结合实际易学易懂有较高的参考价值。本书适合于从事电火花成形加工工艺研究与应用的工程技术人员和操作人员阅读也可供从事模具设计与制造的技术人员及大专院校机械制造及模具制造专业的师生学习参考。

本书分为三部分：第一部分为电火花加工工艺基础，包括第一、二、三章，主要介绍电火花加工基础知识、电火花成形加工设备、数控电火花线切割设备；第二部分为电火花成形加工，包括第四、五、六章，主要介绍电火花成形加工的基本规律和特点、电火花成形加工工艺、电火花高速小孔加工；第三部分为电火花线切割加工，包括第七、八、九、十章，主要介绍电火花线切割加工基本规律、数控电火花线切割机床操作及加工工艺、高速往复走丝电火花线切割加工经验集锦、电火花线切割技术的最新进展。

《电火花加工工艺及应用》可供从事电火花加工的工程技术人员使用，也可供机械制造、精密仪器、机电一体化、模具设计与制造、自动化等专业的本科生及研究生使用。

电火花加工工艺及应用

第一章 电火花加工基础知识……………………1

1.1 电火花加工的产生、发展及分布……………………1

1.2 电火花加工的特点……………………3

1.3 电火花加工应具备的条件……………………4

1.4 电火花加工的工艺类型及适用范围……………………5

1.5 电火花加工对材料可加工性和结构工艺性等的影响……………………6

1.6 电火花放电的微观过程……………………7

1.7 电火花加工的极性效应……………………9

1.8 影响电火花加工蚀除速度的因素……………………10

1.9 蚀除(加工)速度和电极损耗的关系……………………13

1.9.1 加工速度……………………13

1.9.2 工具电极相对损耗速度和相对损耗比……………………13

1.10 影响电火花加工精度的主要因素……………………15

1.11 电火花加工的表面质量……………………16

1.11.1 表面粗糙度……………………16

1.11.2 表面变质层……………………17

1.11.3 表面力学性能……………………17

第二章 电火花成形加工设备……………………19

2.1 电火花成形加工机床的结构及组成……………………19

2.1.1 主机……………………19

2.1.2 脉冲电源……………………25

2.1.3 放电自动进给机构……………………29

2.1.4 工作液系统……………………33

2.2 电火花成形加工数控系统……………………36

2.2.1 电火花加工单轴数控系统……………………37

2.2.2 电火花成形加工多轴数控系统……………………38

2.2.3 数控摇动加工……………………38

2.2.4 电火花加工数控编程……………………38

2.3 电火花成形加工机床常用附件……………………40

2.3.1 电极夹具……………………40

2.3.2 平动头……………………43

2.3.3 油杯……………………44

2.3.4 电极自动交换装置……………………45

2.3.5 C 轴……………………45

2.4 数控电火花成形加工机床的工作精度(加工技术指标考核)……………………45

2.5 安全防护……………………46

2.5.1 电气安全……………………46

2.5.2 火灾的防止……………………46

2.5.3 有害气体的防护……………………47

第三章 数控电火花线切割设备……………………49

3.1 电火花线切割基本原理……………………49

3.2 电火花线切割加工特点……………………50

3.3 电火花线切割加工的应用范围……………………50

3.4 电火花线切割机床分类……………………51

3.4.1 高速往复走丝电火花线切割机床……………………51

3.4.2 低速单向走丝电火花线切割机床……………………52

3.5 数控电火花线切割机床主机……………………53

3.5.1 高速往复走丝电火花线切割机床基本组成……………………53

3.5.2 低速单向走丝电火花线切割机床……………………76

3.6 数控电火花线切割机床控制系统……………………90

3.6.1 高速往复走丝电火花线切割机床控制系统……………………90

3.6.2 低速单向走丝电火花线切割机床驱动系统……………………99

3.7 数控电火花线切割加工脉冲电源……………………101

3.7.1 高速往复走丝电火花线切割加工脉冲电源……………………101

3.7.2 低速单向走丝电火花线切割加工脉冲电源……………………105

3.8 典型高速往复走丝电火花线切割机控制系统……………………108

3.9 线切割编程方法及仿形编程……………………109

3.9.1 ISO代码……………………109

3.9.2 3B程序……………………112

3.9.3 自动编程系统……………………114

3.9.4 仿形编程系统……………………114

第四章 电火花成形加工的基本规律和特点……………………117

4.1 电火花成形加工的主要工艺指标及其影响因素……………………117

4.1.1 加工速度……………………117

4.1.2 电极损耗……………………118

4.1.3 表面粗糙度……………………119

4.1.4 加工精度……………………119

4.2 电火花成形加工脉冲参数选择原则……………………119

4.3 影响电火花成形加工精度和表面质量的因素……………………121

4.3.1 影响加工精度的主要因素……………………121

4.3.2 电火花加工的表面质量……………………122

4.4 加工过程中的参数控制……………………125

4.4.1 过程控制的目的……………………125

4.4.2 过程控制的难度……………………125

4.4.3 离线控制参数……………………125

4.4.4 在线控制参数……………………126

4.4.5 出现拉弧时的补救措施……………………126

4.4.6 适应控制系统……………………126

4.5 电火花成形加工中放电不稳定现象产生原因及改善……………………127

4.5.1 机床性能产生的放电不稳定现象……………………128

4.5.2 电参数调节对放电稳定性的影响……………………128

4.5.3 工作液对放电稳定性的影响……………………129

4.5.4 电极材料的种类、质量及与加工电参数匹配对放电稳定性的影响……………………129

4.5.5 工艺方法对放电稳定性的影响……………………129

4.5.6 难加工部位对加工稳定性的影响……………………130

4.5.7 加工操作的处理对加工稳定性的影响130

第五章 电火花成形加工工艺……………………132

5.1 电火花成形加工基本工艺过程……………………132

5.1.1 加工方法的选择……………………132

5.1.2 电极的准备……………………133

5.1.3 工件的准备……………………138

5.1.4 加工参数的选择……………………138

5.2 电火花穿孔加工方法……………………139

5.2.1 直接加工法……………………139

5.2.2 间接加工法……………………139

5.2.3 混合加工法……………………140

5.3 电火花型腔加工方法……………………140

5.3.1 单电极平动加工法140

5.3.2 多电极更换加工法140

5.3.3 分解电极加工法……………………141

5.3.4 电火花铣削加工……………………141

5.4 电火花成形加工的一些综合技巧……………………142

5.4.1 穿孔电极的反拷贝修正……………………142

5.4.2 电火花加工模具的后继抛光方法……………………143

5.5 电火花成形加工工艺发展与模具制造的相关性……………………143

5.6 电火花成形加工技术在模具制造中的应用……………………145

5.6.1 注塑模加工……………………145

5.6.2 冲模电火花穿孔加工……………………145

5.6.3 精密微细加工……………………145

5.7 电火花成形加工工艺分析与操作案例……………………146

5.7.1 工艺美术品凹模型腔电火花加工实例146

5.7.2 连杆锻模电火花加工实例……………………147

5.7.3 型腔模电火花加工实例……………………148

5.7.4 塑料叶轮注塑模电火花型腔加工实例……………………149

第六章 电火花高速小孔加工……………………151

6.1 电火花高速小孔加工原理……………………152

6.1.1 电火花高速小孔加工工艺特点……………………152

6.1.2 电火花高速小孔加工工艺规律……………………153

6.1.3 高速小孔加工极间正常放电状态的维持154

6.1.4 电极旋转移动放电通道避免电极烧伤……………………154

6.2 电火花高速小孔加工机床的组成……………………155

6.2.1 床身结构……………………155

6.2.2 主轴、密封旋转系统和导向器……………………155

6.2.3 工作液髙压供液系统……………………157

6.2.4 工作液系统使用操作……………………158

6.2.5 电气系统的组成与功能……………………158

6.3 电火花小孔加工工艺及故障处理……………………160

6.3.1 加工参数选择……………………160

6.3.2 非故障的异常情况处理……………………161

6.3.3 一般故障的处理……………………161

6.3.4 维护保养和检查……………………162

第七章 电火花线切割加工基本规律……………………164

7.1 切割速度……………………164

7.1.1 电参数的影响……………………164

7.1.2 非电参数的影响……………………168

7.2 表面粗糙度……………………173

7.3 加工精度……………………177

7.4 电极丝损耗及耐用度……………………180

第八章 数控电火花线切割机床操作及加工工艺……………………183

8.1 高速往复走丝电火花线切割机床搬运与安装要求……………………183

8.1.1 搬运要求……………………183

8.1.2 安装要求……………………183

8.2 高速走丝机安全操作规程……………………183

8.3 高速走丝机加工基本操作……………………184

8.3.1 上丝……………………184

8.3.2 紧丝……………………184

8.3.3 调整线臂高度……………………185

8.3.4 校正电极丝垂直……………………185

8.4 高速走丝加工应用及工艺……………………187

8.4.1 加工基本工艺路线187

8.4.2 零件图纸工艺分析187

8.4.3 工件备料……………………189

8.4.4 穿丝孔加工……………………190

8.4.5 加工路线的确定及切入点的选择……………………191

8.4.6 工件的一般装夹……………………192

8.4.7 维护与保养……………………196

8.4.8 常见故障排除……………………198

8.5 低速单向走丝电火花线切割机床操作……………………199

8.5.1 安全注意事项……………………199

8.5.2 影响机床加工的外界因素……………………200

8.5.3 机床的调整……………………203

8.5.4 加工前的检查……………………205

8.5.5 工件的安装……………………207

8.5.6 不同类型的夹具……………………208

8.5.7 典型零件的装夹方式……………………214

8.6 低速走丝加工水压、走丝速度及张力的调整……………………216

8.6.1 水压的调整……………………216

8.6.2 走丝速度的调整……………………217

8.6.3 电极丝张力大小的调整……………………217

8.7 低速走丝加工料芯的处理及无芯切割……………………217

8.8 低速走丝加工异常的处理……………………218

8.8.1 加工精度异常……………………218

8.8.2 频繁断丝……………………220

8.8.3 切割进给速度异常222

8.8.4 加工表面线痕过多222

8.8.5 加工表面粗糙度异常……………………223

第九章 高速往复走丝电火花线切割加工经验集锦……………………224

9.1 电火花线切割加工流程图……………………224

9.2 电火花线切割加工中应注意的事项……………………224

9.3 电火花线切割操作常用工具及使用方法……………………225

9.4 线切割加工跟踪最佳点的摸索……………………226

9.5 切割X 负方向(L3)时容易断丝的原因……………………227

9.6 延长电极丝使用寿命的方法……………………227

9.7 延长导轮和导轮轴承寿命的方法……………………228

9.8 断丝原因及处理方法……………………228

9.9 避免断丝后退回原点加工的方法……………………229

9.10 断丝后原地穿丝的方法……………………230

9.11 线切割加工中短路处理方法……………………230

9.12 切割表面发黑及工作液泡沫太多的处理方法……………………230

9.13 线切割“花丝”现象分析与解决……………………231

9.14 提高电火花线切割的自动对中心精度注意的问题……………………231

9.15 线切割加工中要注意保持穿丝孔的完整性……………………232

9.16 提高断丝保护功能的可靠性的方法……………………232

9.17 电火花线切割脉冲电源参数的设置……………………232

9.18 分析电火花线切割的加工误差……………………233

9.19 运丝及走丝系统异响问题的判断……………………233

9.20 机床电气故障检修的一般方法……………………233

9.21 精密模具切割时线切割程序补偿量的确定……………………234

9.22 电极丝换向条纹的处理及表面亮泽度的提高……………………234

9.23 改善线切割加工表面粗糙度的措施……………………234

9.24 大厚度工件的切割工艺……………………235

9.25 大厚度“紫铜件”切割问题……………………235

9.26 铝合金电火花线切割加工236

9.27 对于局部淬裂或加工走错模具的修补……………………237

9.28 克服切割件变形、不易装夹、裂纹的几点措施……………………238

9.29 在线切割机床上实现接刀加工的方法……………………240

9.30 超长工件加工方法……………………242

9.31 改变工件定位方式,扩大机床加工范围……………………242

9.32 一种简易线切割夹具的设计……………………243

9.33 电火花线切割用于单件、小批的薄板加工……………………244

9.34 电火花线切割用于薄带加工……………………245

9.35 电火花线切割在凸模加工中的接痕处理……………………245

9.36 小凸模在终点产生凹痕的处理方法……………………246

9.37 线切割加工对称度要求高的零件……………………246

9.38 解决线切割加工圆柱体同心度及对称度的方法……………………247

9.39 线切割表面产生沟痕及解决方法……………………247

9.40 精密冲压模线切割加工变形影响及对策……………………248

9.41 线切割加工长条形零件的工艺……………………249

9.42 多次切割预留段切割的处理方法与技巧……………………250

9.43 易变形细长凸模的多次切割方法……………………251

9.44 电火花线切割机床精度检测标准……………………253

9.45 高速走丝电火花线切割机床选择比较……………………254

9.46 国内主要电火花加工机床的生产厂……………………255

第十章 电火花线切割技术的最新进展……………………257

10.1 高效及智能型切割……………………257

10.1.1 高效切割……………………257

10.1.2 智能型高频脉冲电源……………………261

10.2 一次切割……………………262

10.3 多次切割……………………263

10.4 高速走丝机实现多次切割的基本条件……………………264

10.5 切割精度……………………266

10.5.1 实际修整量与理论修整量关系问题266

10.5.2 基于复合工作液的切割精度提高方式……………………267

10.5.3 智能电极丝张力控制系统……………………269

10.5.4 电机内置式储丝筒运丝系统……………………269

10.6 切割表面完整性的研究……………………270

10.7 高阻半导体材料的电火花加工……………………272

10.7.1 半导体电火花线切割意义与必要性……………………272

10.7.2 半导体放电模型272

10.7.3 半导体进电特性273

10.7.4 半导体体电阻的影响……………………274

10.7.5 半导体蚀除机理275

10.7.6 半导体切割实例276

10.8 工作液改进及应用导致的线切割发展……………………278

参考文献……………………280

电火花加工是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。如图1所示工具电极4与工件1一起置于介质5（煤油或其他液体）中，并分别与脉冲电源2的负极和正极相连接。加工时，自动进给调节装置2移动工具电极使其逐渐趋近工件，当工具电极与工件之间的间隙小到一定程度时，介质被击穿，在间隙中发生脉冲放电。放电的持续时间极短，只有（