從放電能量角度分析選擇電火花加工工藝參數

肖日增等

摘要：放電脈沖能量是影響加工速度、放電間隙、電極損耗、加工表面粗糙度、加工精度及表面質量的主要因素，從放電能量角度研究石墨工具電極電火花加工工藝參數，并以應用為目的，以文獻資料數據為依據，制作了以單個脈沖能量為自變量，以表面粗糙度、蝕除速度、單邊側面放電間隙及電極損耗為因變量的一體化的關系曲線圖，為工具電極設計與加工、電

火花放電成型加工提供一種更符合生產過程的工藝參數分析選擇方法。

關鍵詞：石墨電極；電極設計；電火花加工；電加工參數；放電間隙；電極損耗率

引言

1.脈沖能量是影響電火花加工的重要因素

電火花加工是模具行業中的關鍵技術，電火花加工的質量直接影響模具的使用性能和壽命。但電火花加工最突出的局限性是加工速度較慢和存在電極損耗[1]，加工速度較慢直接影響加工效率，電極損耗既影響加工效率，又影響模具加工質量。加工速度、電極損耗都與脈沖能量緊密相關，電子和正離子對電極表面的轟擊是影響能量分布的主要因素，而能量在兩極上的分配對兩個電極電蝕量的影響是一個極為重要的因素。[2]

脈沖能量還對表面變化層產生較大影響，由于受放電點傳來的高溫影響，使材料金相組織發生變化，從而影響模具表面質量。

2.電火花加工工藝參數選擇方法有待提高

實際生產中，電極的設計與加工時選取電火花加工工藝參數，存在很多不科學的地方，如選取單邊側面放電間隙是依經驗值，常按“粗加工電極留火花位（即單側面放電間隙）0.15mm，加工電極留火花位0.05mm”去使用，這簡單方便，但不精確。因為科學的做法要查閱很多圖表，如銅+加工鋼﹣時表面粗糙度與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關系圖、單邊側面放電間隙與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關系圖、工件蝕除速度與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關系圖、電極損耗率與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關系圖等 [2]。從這些關系曲線圖可知，電火花加工中電規準的變量及取值很多，它們相互影響，給參數的正確選擇增加了難度，選擇電火花加工工藝參數已成為模具行業中一項關鍵而復雜的技術，因此非常有必要研究一種更為簡便的工藝參數選擇方法。

3.石墨工具電極單個脈沖放電能量的分析

脈沖能量、工作液、加工面積和加工極性選擇等對電極加工性能的都有影響，但脈沖能量對電火花加工特性有重要的影響。由電火花加工時的各種放電狀態[1]可知，計算脈沖能量并不能用峰值電壓。由于擊穿后間隙上的火花維持電壓是一個與電極對材料及工作液種類有關的數值（如在煤油中用石墨加工鋼時約為25～30V）。在通常的晶體管脈沖電源中，脈沖電流近似地為一矩形波，正負極的電蝕量正比于放電電流的幅值和電流脈寬。[3]故當石墨加工鋼時的脈沖能量為

WM=（25～30）

WM單個脈沖放電能量，J； 脈沖電流幅值，A； 電流脈寬，μs

4.石墨工具電極單個脈沖放電能量與電火花加工工藝指標的關系

根據當石墨加工鋼時的脈沖能量公式WM=（25～30） ，現取擊穿后間隙上的火花維持電壓為28V，根據現有的石墨加工鋼時電火花加工的工藝參數圖表中[3]，取te電流脈寬中的短脈寬值和長脈寬值（分析工件蝕除速度與脈沖能量的關系時特別選用了蝕除速度最高的中脈寬值）， 脈沖電流幅值取不同的值進行計算，計算出 單個脈沖放電能量，使用插值算法分別求出對應的表面粗糙度、單邊側面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率等四個主要的工藝指標。

根據表面粗糙度與脈沖能量的關系，把單個脈沖放電能量的對數為自變量作為橫坐標，以表面粗糙度的對數為縱坐標，生成石墨+加工鋼-時表面粗糙度與脈沖能量的關系圖，生成乘冪趨勢線，如圖1中Wm-Ra部分所示。

石墨+、鋼-時表面粗糙度與脈沖能量的關系圖可見，在一定加工條件時，電蝕表面的粗糙度評定參數Ra隨單個脈沖能量增大而增大。要減少表面粗糙度Ra的值，則必須減少單個脈沖的能量。

根據單邊側面放電間隙與脈沖能量的關系，把單個脈沖放電能量的對數為自變量作為橫坐標，以單邊側面放電間隙為縱坐標，生成石墨+加工鋼-時單邊側面放電間隙與脈沖能量的關系圖，生成乘冪趨勢線，如圖1中Wm-SL部分所示。

電火花放電加工時，工具電極與工件之間發生脈沖放電需要保持一定的放電間隙，為使加工出的工件型孔尺寸符合設計要求，電極尺寸沿加工輪廓上要減小一個單邊側放電間隙，也稱為火花位。由圖1中Wm-SL分析可見，單邊側面放電間隙隨單個脈沖能量增大而增大，由于橫坐標為對數值，而縱坐標為非對數刻度值，增長幅度呈先緩后急的趨勢。

單邊側面放電間隙影響加工精度，對復雜形狀的加工表面影響尤其嚴重。單邊側面放電間隙和選取從工具電極、電極成形加工到放電成型加工都要使用，因此生產中必須結合實際情況統一選取。放電面積越大，脈沖能量必須增加，相應的單邊側面放電間隙也應變大。

根據工件蝕除速度與脈沖能量的關系，把單個脈沖放電能量的對數為自變量作為橫坐標，以工件蝕除速度的對數值作為縱坐標，生成石墨+、鋼-時工件蝕除速度與脈沖能量的關系圖，生成乘冪趨勢線，如圖1中Wm-Vw部分所示。

在圖1中Wm-Vw部分中，左上方的趨勢線由的短脈寬的te電流脈沖生成，中間的趨勢線由蝕除速度最高的中脈寬的te電流脈沖生成，右下方的趨勢線由長脈寬的te電流脈沖生成，從三個趨勢線分析可見，在脈沖能量1E+04～1.5E+05J區域間，相同的脈沖能量，短脈寬的te電流脈沖的工件蝕除速度反而最高，長脈寬的te電流脈沖的工件蝕除速度反而最低，因此由WM=（25～30） 可知，WM相同時， 與te成反比，工件蝕除速度與 脈沖電流幅值關系最大， 脈沖電流幅值越大，工件蝕除速度越高，電流幅值變小，加工速度下降。石墨電極與銅電極相比，因有極好的耐熱性，可加大電流值，提高生產效率。粗加工時，可以用較大電流。但是在一定加工面積條件下，有一個極限，超過這個極限，會造成加工不穩定，電極和工件會產生拉弧燒傷，生產率反而降低。但從整個關系圖分析可知，相同的脈沖電流幅值，選用中脈寬的時，工件蝕除速度最高。

對蝕除量影響的綜合作用規律可以用脈沖能量的大小和變化率來描述。無論正極或負極，都存在單個脈沖的蝕除量q′與單個脈沖能量WM在一定范圍成正比的關系。[3]在相同工藝條件下，對大型電極而言主，提高加工速度的最有效途徑在于增加單個脈沖能量WM。增加單個脈沖能量主要依靠加大脈沖電流和增加脈沖寬度。

根據電極損耗率與脈沖能量的關系，把單個脈沖放電能量的對數為自變量作為橫坐標，以電極損耗率的對數值作為縱坐標，生成石墨+加工鋼-時電極損耗率與脈沖能量的關系圖，生成乘冪趨勢線，如圖1中Wm-Ve部分所示。

電火花加工過程中，工具電極也受電腐蝕而發生損耗，電極損耗對加工精度影響很大，因而了解和掌握電極損耗規律，進而采取多種措施以盡量減少工具電極的損耗，對提高模具的加工精度具有重要意義。

在圖1中Wm-Ve部分中，左上方的趨勢線由的短脈寬的電流脈沖生成，右下方的趨勢線由的長脈寬的電流脈沖生成，可見隨著脈沖能量的增大，電極損耗率降低；長脈寬的電流脈沖與短脈寬的電流脈沖相比，電極損耗率更低，效果更明顯，脈沖寬度越大，電極損耗越小。

根據圖1脈沖能量與常用工藝參數的關系可知，隨著脈沖能量的增大，單邊側面放電間隙需要隨著增大，蝕除金屬材料也越多，產生的蝕坑越深越寬，加工速度提高，工件的表面粗糙度較大，此時的電極損耗率相對更低。因此粗加工時，脈沖寬度可以選擇大一些，減小電極損耗，提高加工速度。脈沖能量對表面粗糙度、單邊側面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率的影響是十分顯著的。不論電流峰值及脈沖寬度的選值大小，脈沖能量對表面粗糙度、單邊側面放電間隙的趨勢是明確的；脈沖能量對表面粗糙度、單邊側面放電間隙的趨勢是也明確的，但不是單值對應，而是一個范圍，電流峰值及脈沖寬度存在更多的選擇性。

5.從放電能量的角度選擇電火花加工工藝參數

把單個脈沖放電能量為主變量作為橫坐標，以表面粗糙度、單邊側面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率為因變量作為縱坐標，同在一個圖上，形成一個脈沖能量與電火花加工工藝參數的關系圖表，如圖1所示，它們都是用乘冪趨勢預測/回歸分析方法，相互影響關系一目了然，分析更加直觀，更符合生產應用的實際情況，能更加方便地選擇工藝指標和電火花加工參數規準，可以作為一種新工藝曲線圖表使用。

5.1在工具電極設計階段的工藝參數選擇

首先，根據模具型腔粗糙度的設計要求，利用此關系圖，由表面粗糙度要求初步選取單個脈沖放電能量及單邊側面放電間隙。

其次，單邊側面放電間隙是保證尺寸精度的重要因素，所以要以單邊間隙作為關鍵工藝參數，綜合考慮加工量和電極損耗，選擇其它工藝參數。利用此關系圖初步選取對應的脈沖能量。

因電火花加工后，還可以再拋光，單邊間隙過小易于短路，加工不穩定，因此一般選取偏大的單邊間隙，對應的脈沖能量較大，電極損耗更低。

也要考慮在此條件限制下，工件蝕除速度與電極損耗率對加工分段的影響，決定是否分粗加工電極、中加工電極和精加工電極。

5.2在工具電極加工階段的工藝參數選擇

電極加工編程時，按設計時決定的單邊側面放電間隙利用刀補值進行負值裕留量編程。

5.3在工具電極加工階段的工藝參數選擇

應以單邊側面放電間隙為關鍵參數，根據加工效率與電極損耗的要求，利用綜合圖表，選擇理想的脈沖能量，再利用脈沖能量的公式WM=28 ，計算并選擇合適的電流峰值及脈沖寬度，最后選擇其它的電規準，如脈間和峰值電壓等。

6.結語

通過從脈沖能量角度分析研究電火花加工工藝參數，發現了脈沖能量與表面粗糙度、單邊側面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率等四個主要工藝指標的內在關系。按照生產過程的需要制作的石墨+加工鋼-時脈沖能量與常用工藝參數的關系圖，提供了另一種更符合生產過程的工藝參數分析選擇方法，能更加方便地選擇工藝指標和電火花加工參數規準，具有較高的理論價值和應用價值。

參考文獻：

[1]劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].機械工業出版社，2005.

[2]趙萬生.電火花加工技術[M].哈爾濱工業大學出版社，2000.

[3]張建華.精密與特種加工技術[M].機械工業出版社，2003.

作者簡介：

肖日增（1969-），男，漢族，廣東電白人，畢業于華南理工大學機械工程及自動化專業，工學學士，在讀在職研究生，機械高級講師，高級數控技師，研究方向：模具設計、數控加工、電火花加工。

葉石華，男，高級工程師，畢業于華南理工大學電力系電機專業，工學學士。

李多民，男，漢族，48歲，華南理工大學工學工學博士，化工過程機械教授，碩士生導師。