项目一 认识电火花成型加工机床 任务一 电火花成形加工的原理与特点
电火花加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining,简称EDM）,是一种利用电、热能量进行加工的方法，在20世纪40年代开始研究并逐步应用与生产。它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因放电过程可以见到火花，故称之为电火花加工，日、英、美称之为放电加工，苏联称电蚀加工。 一、 电火花成形加工的原理与特点
电火花加工是基于在绝缘的工作液中工具电极和工件电极之间的脉冲放电时的电腐蚀作用，对工件进行加工的一种工艺方法。其加工原理如图4-1所示。
加工过程中，工具电极与工件并不接触，自动进给调节装置使工具电极与工件保持给定的放电间隙，脉冲电源输出的电压加在液体介质中的工件和工具电极上。当电压升高到间隙中介质的击穿电压时，把两极间距离最小的介质击穿，形成火法放电，产生瞬时高温使工件和电极表面被蚀除，形成小凹坑。
一次脉冲放电过程可分为电离、放电、高热熔化、汽化、金属抛出和消电离几个阶段。经过多次脉冲放电，使整个被加工表面由无数小的放电凹坑构成，工具电极的轮廓形状便被复制到工件上，达到加工目的。
图4-1 电火花成形加工原理图 1-工件 2-脉冲电源 3-自动进给装置 4-工具电极 5-工作液 6-过滤器 7-泵
在脉冲放电过程中，工件和电极都受到电腐蚀，但正、负两极的蚀除速度不同, 这种现象叫做极性效应。
产生极性效应的根本原因在于：在加工时正极和负极表面分别受到电子和离子的轰击而受到瞬时高温热源的作用,它们都受到电腐蚀,但即使两电极材料相同,两个电极的蚀除量也不相同。如果两电极的材料不同,则极性效应更复杂。
通常认为放电时,电子奔向正极,由于电子质量小,加速度大,容易获得较高的运动速度;而正离子质量大,加速度小,短时间不易获得较高速度。所以当放电时间较短时,如小于30μs,电子传递给正极的能量大于正离子传递给阴极的能量,使正极蚀除量大于负极蚀除量,此时工件应接正极,工具电极应接负极,称为“正极性加工”或“正
极性接法”。反之,当放电时间足够长时,如大于300μs,正离子被加速到较高的速度,加上它的质量大,轰击负极时的动能也大,使负极蚀除量大于正极蚀除量,此时工件应接负极,工具应接正极,称为“负极性加工”或“负极性接法”。这是因为随着脉冲宽度即放电时间的加长，质量和惯性较大的正离子也逐渐获得了加速，陆续地冲击负极表面上，因此，它对负极地冲击破坏作用要比电子对正极的冲击破坏作用大。
工件和电极的蚀除量首先跟脉冲宽度有关，其次还受电极与工件材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等多种因素的综合影响。在电火花成形加工过程中，极性效应越显著越好，因此必须充分利用极性效应，合理选择加工极性，提高加工速度，减少电极的损耗。
数控电火花成形加工的特点
1．适合加工用机械方法难以加工的材料，如淬火钢、硬质合金钢、耐热合金等。
2．可加工特殊及复杂形状的零件，如型腔复杂的模具。 3．电极材料不必比工件硬。
4．直接利用电、热能进行加工，可实现加工过程自动化。
由于电火花成形加工独特的优点，加上电火花加工工艺技术水平的不断提高及数控电火花成形机床的普及，其应用领域日益扩大，其主要应用范围见表······
表······ 应用领域 模具加工 特殊材料加工 微细精密加工 各种刀具、工具加工 其他加工 冲模、锻模、塑料模等 硬且韧的高温耐热合金等 用于0.01-1mm内型空加工，如异形喷丝孔、发动机喷油嘴、电子显微镜光栅孔等 各种成形刀具、样板、工具、量具等 各种水平、锥度、多型腔加工、三维型面及螺旋面加工 应用举例
任务二 电火花成形机床的分类及结构
电火花成形机床的型号
在20世纪六七十年代，我国生产的电火花成形机分为电火花穿孔加工机床和电火花成形加工机床。20世纪80年代后，我国开始大量采用晶体管脉冲电源，电火花成形机既可以用作穿孔加工，又可以作成形加工。自1985年起我国把电火花穿孔成形机加工机床称为电火花穿孔、成形加工机床或统称为电火花成形机床。目前，电火花成形机型号是根据JB/T 7445.2—1998《特种加工机床 型号编制方法》的规定编制的，例如：型号为DK7132的电火花成型机含义如下：
“D”：机床类别代号（电火花加工机床） “K”：通用特性代号（数控）
“7”：组代号（电火花成形机床或电火花线切割机床）
“1”：系代号（电火花成形机床）
“25”：主参数（工作台横向行程250mm的1/10）
除依据国家标准规定命名的国产机床外，中外合资企业及外资企业生产的电火花成型机的型号没有采用统一标准，由各个企业自行确定。如日本沙迪克（Sodick）公司生产的A3R,A10R，瑞士夏米尔（Charmilles）技术公司ROBOFORM20/30/35，我国台湾乔懋机电工业股份有限公司的JM322,430，北京阿奇工业电子有限公司的SF100等。
电火花成型机按照数控程序分为非数控、单轴数控及三轴数控。随着科学技术的进步，国外已经大批生产三坐标数控电火花机床，以及带工具电极库能按照程序自动更换电极的电火花加工中心，我国的大部分电火花加工机床厂现在也开始研制生产三坐标数控电火花成型机。
电火花加工机床分类
一、按控制方式分
1、普通数显电火花成型机床
普通数显电火花成型机床是在普通机床上加以改进而来，它只能显示运动部件的位置，而不能控制运动。 2、单轴数控电火花成型机床
单轴数控电火花成型机床只能控制单个轴的运动，精度低，加工范围小。
3、多轴数控电火花成型机床
多轴数控电火花成型机床能同时控制多轴运动，精度高，加工范围广。
二、按机床结构分
1、固定立柱式数控电火花成型机床
固定立柱式数控电火花成型机床结构简单，一般用于中小型零件加工。 2、滑枕式
滑枕式数控电火花成型机床结构紧凑，刚性好，一般只用于小型零件加工。
3 、龙门式数控电火花成型机床
龙门式数控电火花成型机床结构较复杂，应用范围广，常用于大中型零件加工。 三、按电极交换方式分 1、手动式
即普通数控电火花成型机床，结构简单，价格低，工作效率低。 2、自动式
即电火花加工中心，结构复杂，价格高，工作效率高。 2）、电火花成型加工机床的结构组成
不同品牌的电火花成型机床的外观可能不一样，但主要都是由主机、工作液箱、数控电源柜等部分组成。如图C7-1所示。
（1）、主机
电火花成形机床的主机一般包含床身、立柱、主轴头上装有电极夹，用来装夹及调整电极装置。在装夹电极时，旋转调整螺钉，用百分表校正电极，使电极与工作台面垂直，与X或Y轴平行。 （2）、工作液箱
工作液箱在加工中用来存放工作液，目前我国的电火花加工所用的工作液主要是煤油。工作液在电火花加工中的主要作用是：使放电加工产生的熔融金属飞散；将飞散的加工中生成的粉末状电蚀产物从放电间隙中排除出去；冷却电极和工件表面；放电结束后使电极与工件之间恢复绝缘。 （3）、数控电源柜
数控电源柜由彩色CRT显示器、键盘、手控盒以及数控电器装置等部件组成。数控电源柜是控制电火花成形机床动作的装置。
①、输入装置
在机床操作过程中，操作者可以通过键盘、磁盘等装置将操作指令或程序、图形等输入并控制机械动作。如果输入内容较多，则可以直接连接外部计算机通过连线输入。
②、输出装置
通过CRT、磁盘等装置，将电火花加工方面的程序、图形等资料输送出来。 ③、脉冲电源
脉冲电源的作用是把普通交流电转变成频率较高的脉冲电源，提供电火花加工所需的放电能量。它对电火花加工的生产率、表面质量、加工过程的稳定性及工具电极的损耗等工艺指标有很大的影响。
脉冲电源应满足以下要求：（1）能输出一系列脉冲；（2）有足够的脉冲放电能量，保证能熔化或汽化工件表面金属；（3）脉冲波形基本是单向的，电火花加工原理是在极短的时间内击穿工作介质，在工具电极和工件之间进
行脉冲火花放电，通过热能熔化、气化工具材料来去除工件上多余的金属。
电火花成型机床的加工电源性能好坏直接关系到电火花加工的加工速度、表
面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标，所以电源往往是电火花加床制造厂商的核心机密之一。
④、伺服系统
在实际操作中，当电极与工件距离较远时，由于脉冲电压不能击穿电极与工件的绝缘工作液，故不会产生火花放电；当电极与工件直接直接接触时，则所供给的电流只是流过却无法加工工件。正常加工时，电极与工件之间应保持一个微小的距离（5-100μm）。
在放电加工中，电极与工件在加工中会逐渐减少。为了保持电极与工件之间有一定的间隙，以便获得正常的放电加工，因此电极必须随着工件形状的减少而逐次下降进给。伺服系统的主要作用就是随着能够保持电极与工件之间的间隙，使放电加工处于最佳效率状态。
⑤、记忆系统
一般的电火花成形加工机床的记忆系统主要记忆的文字资料有如下内容： A、加工条件
点红花加工的加工条件随着电极材料、加工工件材料变化很大，在实际操作中，凭着传统的加工经验较难获得最佳的放电加工效率。目前大部分电火花成型加工机床制造商往往广泛收集各种电极与工件之间的加工条件，并将这些加工条件存放在机器的存储器中。子加工中，操作者可以根据具体的加工情况，通过代码调用。
B、加工模式
电火花加工中，加工速度与加工质量往往相互矛盾。若采用粗加工条件加工，则加工速度较快而加工质量较差；若采用精加工条件加工，则加工质量较好而加工速度较慢。为了达到较快的加工速度并且保证加工质量，首先用粗加工条件加工到一定程度再进行精加工。这种加工模式在实际操作中广泛应用。
在实际操作中，操作者需预先设定粗加工的加工程度和精加工要达到的表面粗糙度要求。
C、程序
电火花加工用的各种程序可以预先编制好并存放在机器的存储器中。现在的电火花成形加工机床的存储器容量都较大，可以存放很多不同的加工程序，极大方便了加工。
项目二 数控电火花成形加工的应用 任务三 数控电火花成形加工机床的操作要领
电火花加工操作步骤大致如下：确定工具电极→电极装夹定位→工件装夹→电规准的选择→电火花加工→检查加工状况。
（一）工具电极的确定
在电火花成形加工中电极是专用的工具，电极的形状通过电蚀工艺精确地仿制到工件上，因此必须按照工件的材料、形状及加工要求来选择电极材料和几何形状，并应考虑电极的加工工艺性。
1．电极材料的选择 在电火花成形加工中应选择导电性能良好、损耗小、造型容易、加工过程稳定、效率高、来源丰富、价格低廉的材料作为电极。常用电极材料见表3-1。
表3-1常用电极材料及性能
电极材料 加工稳定性 电极损耗 钢 铸铁 石墨 紫铜 黄铜 铜钨合金 银钨合金 较差 一般 较好 好 好 好 好 一般 一般 较小 一般 较大 小 小 好 好 较好 较差 好 一般 一般 常用于冲压模加工，以凸模为电极 常用于加工冷冲模的电极 常用于大型模具加工用电极 磨削困难,不宜作细微加工用电极 用于加工时可进行补偿的加工场合 价格贵,用于深孔、硬质合金穿孔等 价格昂贵,多用于精密加工 机加工性能 适用 2．电极结构和尺寸 电极的结构形式应根据被加工型腔的大小与复杂程度、电极的加工工艺性等因素综合考虑来确定。常用的电极结构形式有整体式电极、组合电极、镶拼式电极等几种，见图3-5。
a)整体式电极 b）固定式电极 1-减重孔 2-固定用螺孔 1-固顶板 2-电极
图3-5电极结构形式
电极尺寸主要有长度尺寸和截面尺寸的确定。
电极长度应在满足装夹和加工需要的条件下尽量减短，以提高电极刚度和加工过程稳定性。通常电极的有效长度取工件厚度的2.5～3.5倍，当需用一个电极加工几个工件或加工一个凹模上的几个相同孔时，电极的有效长度可适当加长。
电极截面尺寸主要从工件图样得到，通常与工件截面尺寸相差一个放电间隙，即电极的凸形部分应比工件凹形部分均匀缩小一个火花间隙，电极的凹形部分则应比工件 的凸形部分均匀放大一个火花间隙。
3．电极极性选择 工具电极极性选择的一般原则如下： 铜电极对钢 选“+”极性； 铜电极对铜 选“-”极性；
铜电极对硬质合金 选“+”、“-”极性均可； 石墨电极对铜 选“-”极性； 石墨电极对硬质合金 选“-”极性；
资料卡 在电火花加工过程中,由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象称为极性效应。在加工中应充分利用极性效应，合理选择加工极性，以提高加工速度，减少电极的损耗。 石墨电极对钢 加工RMAX为15μm以下孔选“-”极性，加工RMAX为15μm以上孔选“+”极性；
钢电极对钢 选“+”极性。 （二）电极装夹定位
1．电极装夹 电极的装夹大多采用通用夹具直接将电极装在机床主轴下端。常用的电极夹具有：标准套筒、钻夹头、标准螺纹夹具等。如图3-6。
a）标准套筒装夹 1-标准套筒 2-电极
b）钻夹头装夹 1-钻夹头 2-电极
c）标准螺纹夹具装夹 1-标准螺纹夹具 2-电极 图3-6电极装夹形式
2．校正方法 电极装夹后必须进行垂直度校正，校正方法常用精密角尺和百分表两种。如图3-7所示。
a)利用百分表校正 b)角尺校正 1-电极 2-工件 3-百分表 1-电极 2-角尺 3-工件
图3-7电极垂直度校正方法
3．定位 在加工前的定位是指确定电极与工件之间的相互位置，以确保加工精度。定位方法常用划线法和量块角尺法。
划线法主要适用于定位要求不高的工件，具体步骤是：先按图样尺寸在工件表面划出型孔轮廓线，然后将已安装正确的电极垂直下降，与工件表面接触并移动工件，使电极端面轮廓与工件划出的轮廓线对正后将工件紧固即可。
量块角尺法如图3-8所示，预先在工件上磨出两个相互垂直的平面作为定位基准面，将精密直角尺与工件的两垂直平面靠紧，然后在角尺与电极之间放置所需量块，即可确定型孔的位置。此法操作简便、精度高。
图3-8量块角尺定位法
1-量块 2-角尺 3-电极 4-工件
（三）工件装夹
工件的装夹比较简单，通常工件安装在工作台上，与电极互相定位后用压板和螺钉压紧即可。安装时注意保持与电极的相互位置。
（四）电规准的选择
电火花加工中所选用的一组电脉冲参数（脉宽、间隔、峰值电流等）称为电规准。电规准应根据工件的要求、电极和工件材料、加工的工艺指标等因素来
选择。
通常在粗加工时要求是生产率高，工具损耗小，所以粗规准一般选择较大的峰值电流，较长的脉冲宽度（20～60μs）。中规准采用的脉冲宽 度（6～20μs）。精规准要求保证工件表面精度和表面粗糙度，故多采 用小的峰值电流及窄的脉冲宽度（2～6μs）。
动脑筋 电火花成形加工中，电极的装夹和校正各有哪些方法？ 资料卡 电规准分为粗、中、精三种。粗规准用于粗加工，中规准是粗、精加工间过度用，精规准用在精加工。 任务四 数控电火花成形加工工艺及基本规律
一、 电火花ZNC—EDM加工电参数
在电火花加工中，电参数的选择对加工的工艺指标起着重要作用，只有正确的选择电参数才能加工出品质优良的产品。影响电参数选择的因素主要有：电极材料、工件材料、电极体积、表面粗糙度、放电间隙、电极损耗、加工速度等。
电参数选择的一般规律：
1.脉宽（TA）：一般来说，在峰值电流一定的条件下，脉宽越大，光洁度越差，但电极损耗越小，所以一般粗加工时选150-600：精加工时逐渐减小。 2.脉间（TB）：脉间增大时，电极损耗会增大，但有利于排渣。本机设有EDM自动匹配功能，一般情况下脉间有自动匹配而定，若发现积碳严重时可将自动匹配后的脉间再加大一档。例如自动匹配后的脉间为3，就可改为4。 3.高压电流（BP）：高压脉冲的主要作用是形成先导击穿，有利于加工稳定和提高加工效率。一般加工时高压电流选为0-2，在加工大面积或深孔时可适当加大高压电流，以利于防积碳。高压电流加大时，电极损耗会稍有增加。 4.低压电流（AP）:在脉间和脉宽一定时，低压电流增大。加工速度提高，电极损耗增大。低压电流的选择应根据电极放电面积而确定，若电流密度过大，则容易产生拉弧烧伤，因此一般选择低压电流使得通过电极加工表面每平方厘米面积的电流不超过6A。
5.间隙电压：粗加工时选取较低值，以利于提高加工效率：精加工时选取选取较高值，以利于排渣，一般情况下由EDM自动匹配即可。
6.伺服敏感度，机头上升、下降时间一般由EDM自动匹配而定，在积碳严重
时，可以减少下降时间或加大上升时间来解决。 二、 电火花加工技巧：
1）适宜的排屑是保证加工稳定顺利进行的关键。一般排屑常采用在电极或工件上进行冲油（喷流）、抽油（吸流），电机与工件间侧冲油，以及利用抬刀过程进行挤压排屑等方式进行。对排屑不良的情况，如在盲孔和在电极或工件上没有冲油孔的型膛加工中，应采用定时抬刀或自适应抬刀以利于排屑。若要求表面粗糙度越小，则每分钟抬刀次数也应越多。
2）实现无损耗加工或低损耗加工，在启始加工时由于接触面积较小，应设定小电流进行加工，以保证电极不致受损，待电极与工件完全接触后，再逐步增加加工电流
3）以降低表面粗糙度为目标时，应采用分段加工的方法，即每一段一组加工参数，后一段的加工参数使得粗糙度比前一段降低1/2，直达最重要求。 4）加工极性一般采用负极性即工件接负极。 三、影响电火花成形加工因素 1）影响加工速度的因素 （1）加工速度以3 mm/min表示。
（2）增加矩形脉冲的峰值电流和脉冲宽度；减小脉间；合理选择工件材料、工作液，改善工作液循环等能提高加工速度。 2）影响加工精度的因素
工件的加工精度除受机床精度、工件的装夹精度、电极制造及装夹精度影响之外，主要受放电间隙和电极损耗的影响。
(1)电极损耗对加工精度的影响在电火花加工过程中，电极会受到电腐蚀而损耗，电极的不同部位，其损耗不同。 （2）放电间隙对加工精度的影响
①由于放电间隙的存在，使加工出的工件型孔或型腔)尺寸和电极尺寸相比，沿加工轮廓要相差一个放电间隙(单边间隙)；
②实际加工过程中放电间隙是变化的，加工精度因此受到一定程度的影响。 3）影响表面质量的因素
脉冲宽度、峰值电流大，表面粗糙度值大。
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