|
我们知道，传统的车，铣，磨，钻等加工方法，都是刀具比工件硬，加工的本质是用较硬的东西去切较软的东西，有点像用刀切菜，削水果。
铣削加工。
车削加工。 但是电火花加工（Electrical Discharge Machining=EDM）有点不同。 它可以用较软的刀具，比如铜，去切割较硬的零件，比如工具钢，硬质合金钢等。 那么电火花加工的原理是什么？为什么可以用软东西加工硬东西？ 我们来看一张图。
电火花加工原理示意图。 原来，电火花加工中，刀具和工件是不接触的，也就是不存在传统加工中的相互作用力。 如上图，刀具做电极（Electrode），和工件（Work-Piece）之间有个间隙，叫火花间隙（Spark-Gap）。 这个间隙一般是在0.005-0.3mm之间，有时可能达到0.5mm甚至更大。 一般地，刀具作为阴极，和直流脉冲电源的负极相连，而工件作为阳极，和脉冲电源正极相连，刀具和工件之间充满了介电液体（Dielectric Fluid）。 当刀具靠近工件，会在这个间隙之间产生火花，火花会在火花隙产生极高的电热，温度达8000-12000摄氏度，并导致工件表面的一部分材料熔化和蒸发，因此电火花加工其实是电热腐蚀加工。 微观层面来看，熔化掉的材料，会被液体冷凝冲走。
电火花加工原理。 这里，还有几个问题，需要澄清。 1.电火花是如何产生的？ 随着电极接近工件，在某一点，火花隙区域的电场强度超过了介电流体的介电强度，流体被击穿，变成导体，并允许电流以火花的形式从电极（刀具）传递到工件。 2.什么是介电强度？什么是击穿？ 我们知道物体分为导体，绝缘体还有半导体。 导体在一般情况下可以导电，因为其内部有足够多的可自由移动的带电粒子（载流子），只要外部给一点电压（电场），载流子就可以流动形成电流。 绝缘体通常情况下不能导电，因为其内载流子无法自由流动，但是当外部电场足够强大时，绝缘体中的载流子也可以自由流动，变成导体。 所谓介电强度，就是绝缘体保持绝缘状态的最大电压强度。
特富龙的介电强度为24KV/mm，简单理解就是：一毫米可以承受24KV，当1mm厚度或者间距的压差不超过24KV，仍然是不导电的，超过后就导电。 如果外电压足够大，使得绝缘体变成导体，这时就叫击穿。通俗理解就是电压太高了，绝缘体中“绝缘层”被打通了。 一般固体击穿无法恢复绝缘性能，击穿后无法继续使用。而液体和气体击穿后可以恢复，变回绝缘体。 对于电火花加工，当脉冲通电时，介电流液被击穿，变成导体，电流导通，并以火花形式释放出来，当脉冲断电时，介电流液又变回绝缘体。 3.为什么需要高频电流？ 因为电极和工件都需要冷却。 短时间通电，使得火花时间很短，热量不足以传导到电极和工件深处，起到微量加工和保护电极的作用。 同时，断电期间，也方便流液冲走腐蚀掉的材料，并用新流液填充火花间隙。 但这个过程非常迅速，电极与工件之间的火花数超过每秒数千次，甚至到万次。 4.电火花加工有哪些常见类型？ 三种类型：电火花线切割，电火花钻孔，电火花成型加工。
线切割原理示意图（后续再开一篇单讲）。线切割机中的细线（材料为黄铜或镀锌黄铜，钨丝，直径0.18毫米或者0.25毫米等）代表电极，而介电流体使用去离子水（去离子使其绝缘）。
线切割加工零件示意图。
电火花钻孔的原理：窄喷枪[1]靠近工件时，间歇性火花放电，导致工件熔化和汽化。介电流体[2]通过喷枪的中心空腔，有助于冷却，并在喷枪下降时带走去除的材料。火花隙[3]允许产生的孔直径略大于喷枪[4]的直径。
电火花钻孔示意图：该过程使用振动的圆柱形电极进行加工。电极由铜或石墨材料构成，电极在去除材料的同时，更进一步地深入工件。与传统的钻孔工艺不同，电火花钻孔工艺可以制作出小而深的孔。
电火花加工螺纹孔。
电火花成型加工原理示意图。为了最大限度地减少电极的腐蚀，并保持较好的加工表面光洁度，电极一般采用铜、黄铜、石墨、钨、铜钨、碳化物、铜石墨等制成。
电火花成型加工：可用铜或石墨做电极，特制刀具形状，加工复杂的零件。左图由于金属太硬，导致钻头折断。中图加工不够精确，无法用作模具。右图采用电火花成型加工方法，一次性加工出想要的高精度模具。 5.电火花用来加工哪些材料？ 理论上，电火花可以用于加工任何导电材料。 但是，由于与传统机床相比，电火花加工的材料去除速度较慢，因此电火花工艺最适合加工硬化工具钢、钛、硬质合金、碳化钨，铬镍铁合金等，这些材料很难通过传统方法加工。
电火花加工零件。 6.电火花加工精度能到多少？ 加工精度高，比如线切割可达±2.5um的加工精度，粗糙度也可可达0.15-0.2uRa。 电火花成型加工，也可达到±0.05mm到±0.004mm的加工精度，CNC表面光洁度也可达到0.29µRa，小型机床更可达0.8µRa。 7.电火花加工有什么优缺点？ 优点： 加工材料广泛：可以加工任何导电材料，无论其韧性、硬度和微观结构如何。 适合加工硬材料：可以加工传统方法无法加工的极硬导电材料。 工件无形变：刀具和工件之间没有物理接触，因此工件上没有切削力，不会产生加工形变。 可加工复杂轮廓：通过成型电火花方法，可以把精确轮廓复制到工件表面上。 加工精度高：可获得相当好的表面光洁度、精度公差等。 加工不留痕：不会在工件表面留下任何毛刺或刀痕。 缺点： 不能用于非导电材料。 材料去除速度慢，与传统的加工工艺不同，EDM机床的材料去除速度非常慢，因此，制造时间的增加会影响总成本。 比传统铣削或车削更昂贵，由于电力需求高，EDM方法比传统铣削更昂贵。
电火花加工系统示意图，再来一张。 由于电火花加工直接利用电能和热能来去除金属材料，与工件材料的强度和硬度等关系不大，因此可以用软的工具电极加工硬的工件，实现“以柔克刚”。 —END— |
|
|
