大伟金属制品之电火花加工的特点及微观过程

　   电火花加工中，加工材料的去除是靠放电时的热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材斜的导电特性及其热学特性，如熔点、沸点(汽化点)、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度)无关，因此适合于加工难以切削加工的材料。

　　放电加工中，加工工具电极和工件不直接接触，没有机械加工中的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状的加工。

　　电火花加工是直接利用电能进行加工，而电能、电参数较机械量易于数字控制、智能控制和无人化操作。

　　由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械(特别是模具制造)、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围可小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。

　　电火花加工的局限性在于：主要用于导电材料的加工;一般加工速度较慢;存在电极损耗。

　　了解放电加工的机理，即金属材料蚀除的微观过程，有助于掌握电火花加工中各种基本规律，并能对脉冲电源、机床设备等提出合理的要求。

　　由于放电时间很短，放电间隙很小，所以放电加工的机理相当复杂。实验结果表明，电火花加工的微观过程是电力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的结果。这一过程大致可分为以下几个连续的阶段：极间介质的击穿与放电;能量的转换、分布与传递;电极材料的抛出;极间介质的消电离。

　　由于工具电极和工件的微观表面是凹凸不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极之间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当阴极表面某处的场强增加到105V/mm以上时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下负电子高速向阳极运动并撞击工作液介质中的分子或中性原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子(主要是电子)和带正电的粒子(正离子)，导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而放电。从雪崩电离开始到建立放电通道的过程非常迅速，一般小于0.1μs，间隙电阻从绝缘状况迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值(几安到几百安)。由于放电通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达105～106A/cm。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压一般为(25V)，电流则由0上升到某一峰值电流。图4.1.4所示为矩形波脉冲放电时的电压和电流波形。

　　放电通道是由数量大体相等的带正电(正离子)和带负电粒子(电子)以及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体。带电粒子高速运动时相互碰撞，产生大量的热，使通道温度相当高，但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可高达10000℃以上。由于放电时电流产生磁场，磁场反过来对电子流产生向心的磁压缩效应。由于受到放电时的磁压缩效应和周围介质动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力，放电开始阶段通道截面很小，其初始压力可达数十甚至上百兆帕。高压放电通道以及瞬时形成的气体分子团(以后发展成气泡)急速扩展，并产生强烈的冲击波向四周传播。在放电过程中，同时还伴随着一系列派生现象，其中有热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁波辐射和爆炸冲击波等。