安虎平，孟 刚
（兰州师范高等专科学校，甘肃兰州 730070）
摘 要：阐述电蚀加工的基本原理，并分析影响实际加工过程的主要因素，明确提出了保证电蚀加工质量的基本条件。关键词：电蚀加工原理；脉冲电源；工具电极；工件电极；工作介质 中图分类号：TG701 文献标识码：B 文章编号：1007-4414（2006）01-0008-03
Exploration on the principle and basic law of electronic processing
about metallic parts during model manufacturing
An Hu -ping ，Meng Gang
（Lanzhou techer's college ，Lanzhou Gansu 730070，china ）
Abstract ：The articie systematicaiiy describes the principie about eiectronic erosion processing of metaiiic parts and anaiyzes the main factors which affects the practicai processing.Finaiiy ，the basic c
播放路onditions of confirming the guaiity of parts through eiec-tronic eroding have been definiteiy given.
Key words ：principie of eiectronic erosion ；puise power ；tooi poie ；piece poie ；working iiguid 作为特殊工艺装备的模具是规模生产的产物。模具制造技术已成为现代规模生产的关键技术，模具的使用能达到高质量、高效率、低成本及大规模生产的效果。随着电子技术的发展，模具制造的新技术，电蚀加工是其中最重要一种。它将工具电极靠近工件电极至一定间隙，并在工具电极与工件电极间施加电脉冲，使两极间不断发生脉冲性火花放电，从而产生局部、瞬时的高温使材料逐步熔化蚀除的加工方法。电蚀加工越来越广泛地应用于模具成型零件的表面加工，电火花成型加工和线切割加工就是电蚀加工原理的具体应用。笔者从电蚀加工原理出发，分析生产实践中影响加工精度的主要因素，进一步探明保证加工精度的基本条件。 1 电蚀加工原理和基本过程
1.1 电蚀加工原理
电蚀加工采用脉冲电源，主要由工具电极和工件电极组成，通过两电极火花放电达到对工件电极进行非接触腐蚀加工的目的。电火花加工原理如图1所示。电火花加工时，工具电极接脉冲电源的一极，工件接另一极，并将两电极置于液体介质中。当接通脉冲电源，工具电极移近工件，使两极间达到一定距离（该距离称为放电间隙）时，极间液体介质就被击穿而发生脉冲放电，工件被蚀出一个小凹坑，
同时工具电极自身也会出现损耗。放电后的电蚀产物由液体介质抛离至放电间隙之外，经短暂的时间间隔，使极间恢复绝缘（这个过程为消电离）而完成1次脉冲放电腐蚀。然后又进行下1次脉冲放电，工件被周期性地进行放电腐蚀，工具电极不断向工件移近，保持适当的放电间隙，于是就在工件上加工出与工具电极形状相似的形面。由此可见，1次脉冲放电由放电和消电离2个过程组成，这2个过程的交替重复进行就使得电蚀加工不断进行。
1.工件
2.脉冲电源
3.自动进给调整装置
4.工具电极
5.工作液
6.过滤装置
7.液压泵
图1 电蚀成型加工原理图
1.2 电蚀加工的微观过程
实验证明，每次电火花腐蚀的过程是由电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程可划分为4个阶段。
（1）介质击穿阶段 当脉冲电压施加在工具和工件电极之间时，两极间立即形成一个电场。根据电场强度公式E =IU /i ，电场强度与极间电压成正比，与间隙成反比。随着极间电压的升高或间隙的缩小，极间电场强度随之增大。由于电极和工件的微观表面是凹凸不平的，因此两极间的电场不均匀，其间离得最近的突出处或尖端处的电场强度最大。两极间液体介质中的导电粒子在电场作用下向电场较强的地方聚集，从而引起极间电场畸变。间隙最小处的电场强度最大，超过极间介质的介电强度，发生雪崩式的碰撞电离，击穿两极间的工作介质，形成放电通道，如图2所示。
放电通道是由数量大体相等分别来自于两级的正、负粒子及中性粒子组成的等离子体。由于放电通道受到周围液体介质强有力的压缩效应及通道自身磁场的箍缩效应，致使通
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8·Voi 19 No 12006-02 机械研究与应用MECHANICAL RESEARCH &APPLICATION
第19卷 第1期
2006年2月
＊收稿日期：
2005-08-22作者简介：安虎平（1965-），男，陕西凤翔人，硕士，副教授，
现从事机电产品的研究及相关专业的教学工作。
道成为一个十分细小的狭窄通路。通路内正、负带电粒子做相反方向的运动并相互碰撞，产生大量的热，通道中电流密度高达（105~106）A/cm2，中心处的高温则高达10000C以上。在此过程中还伴随着通道等离子体振荡、气泡振荡及光辐射、射频辐射、声频辐射、声辐射等一系列复杂的物理现象。
1.阳极
2.阳极被蚀金属区
3.熔化金属微粒
4.工作液
5.工作液中凝固的金属微粒
6.阴极熔化金属区
7.阴极
8.气泡9.放电通道10.熔化形成的凸起点11.被蚀凹坑
图2 放电通道及周围状况示意图
（2）两极被蚀阶段极间介质一旦被电离击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，对正极表面进行高速轰击；同时通道内的正离子则奔向负极对负极表面进行高速轰击。通过高速轰击，通道内大部分动能转换为热能，于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源并达到很高温度，使两极放电点的金属局部熔化乃至汽化，两极表面的材料因此被蚀出。
（3）材料的蚀出抛离阶段由于放电点金属熔化过程极为短促，具有微小的爆炸性，爆炸冲击力把熔化的被蚀材料抛离电极表面，并在电极表面留下小坑。图3为被蚀材料抛离后放电坑的剖面示意图。被蚀材料抛离时，向四处飞溅，其中一部分吸附于对面的电极表面。这种飞溅、吸附现象在某些情况下可用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。实际上被蚀材料的抛离是热爆炸力、电动力、工作介质流动力综合作用的结果。
图3 电蚀影响区剖面示意图
（4）介质消电离阶段一个脉冲放电结束后，周围未电离介质迅速补充，极间电场急速减小到零，此后有一段脉冲间隔时间。在这段时间内，两极间隙内的介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，即恢复本次放电通道处间隙内介质的绝缘强度并降低两极表面温度，避免同一处发生连续的电弧放电，保证下次放电在别处按两极间相对最近或电阻率最小处形成下一个击穿通道。
!"电蚀加工的基本规律［#］
电蚀加工的规律由影响加工的各种因素决定，下面按影响因素分析作用规律。!.#"影响工具电极损耗的因素
电蚀加工中，在工件表面被蚀除的同时，工具电极本身也
被腐蚀而损耗。通常用相对损耗来表示，即单位时间内工具电极损耗的体积与工件蚀除体积之百分比来评价。影响工具电极损耗的因素主要有：
（1）极性效应电火花放电过程中，阴、阳两极分别受到离子和电子的轰击而产生瞬时高温，工具电极和工件电极表面都将遭到蚀除，但两极的蚀除速度并不一样，这种现象称为极性效应。当阳极蚀除速度大于阴极时，称为正极性效应；反之称为负极性效应。
产生极性效应的原因是：电离放电时，由于电子质量小惯性也小，启动较快，容易获得高加速度和速度；而正离子则因质量大惯性也大，加速度低启动较慢。所以在脉冲放电的初始阶段，电子率先到达阳极对其表面进行高速轰击，同时脉冲放电时间较短，大部分正离子还来不及到达阴极表面实施冲击时，放电已结束。因此，采用放电时间小于50!s的窄脉冲电源时，工件接阳极，工具接阴极，即采用正极性加工对降低工具消耗是有利的。反之，采用脉冲宽度大于100!s时，正离子有足够的时间到达阴极表面，而正离子质量较大，其轰击阴极表面的能量也大于电子轰击阳极的能量，阴极的蚀除速度就大于阳极，这时工件应接阴极，即采用负极性加工对降低工具消耗是有利的。
（2）覆盖效应放电蚀除过程中，一个电极的电蚀产物转移到另一个电极表面上，形成一定厚度的覆盖层，这种现象称为覆盖效应。合理利用覆盖效应有利于降低工具电极的损耗。
（3）电极材料选用加工稳定性好、损耗小的工具电极材料有利于降低电极的相对损耗和电极本身的制作。紫铜、石墨、铸铁等材料导热性好，损耗小便于加工；铜钨合金、银钨合金都是性能极好的电极材料，但价格较贵。
!.!"影响电蚀加工速度的因素
电火花加工速度是指在一定电规准下，单位时间内工件被蚀除的体积!或质量"。
（1）电规准对加工速度的影响所谓电规准是指电火花加工时选用的电加工参数，主要有脉冲宽度#
on
（!s）、脉冲间
隙#
off
（!s）、峰值电压!
p
及峰值电流$
p
，如图4所示。
图4 脉冲电源波形及其电规准参数
"脉冲宽度#on（!s）脉冲宽度#on（!s）简称脉宽，是加到工具和工件电极上放电间隙两端电压脉冲的延续时间。电火花加工采用断断续续的脉冲电压，可避免连续电弧烧伤。粗加
工可用较大脉宽，一般#
on
>100!s有利于提高加工速度；精加
工时只能用较小的脉宽#
on
<50!s，确保加工精度和质量。
#脉冲间隙#off（!s）脉冲间隔简称脉间，是指2个脉冲电压之间的间隔时间。脉间短，有利于提高生产率，但过短的
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第19卷第1期2006年2月
机械研究与应用
MECHANICAL RESEARCH&APPLICATI N
VoI19 No1
2006-02
脉间来不及消电离和恢复绝缘，易产生电弧放电而烧伤工具电极和工件表面；脉间过长，将降低加工速度。加工面积和深度较大时，脉间应稍大。
!峰值电压峰值电压是施加在两极间的最高电压，也等于电源的直流电压。峰值电压高时，放电间隙大，加工速度快，但成型复制精度稍差。
"峰值电流!p峰值电流是间隙火花放电时脉冲电流的最大值，它影响加工生产率和工件表面粗糙度。峰值电流愈大，加工速度愈快。但为安全，峰值电流不宜过大，一般每个功率放大管的选定峰值电流为2~3A，粗加工、半精加工和精加工的峰值电流可照此选定。
（2）热学常数的影响当脉冲放电能量相同时，工件材料的热学常数如熔点、汽化点、比热容、熔化热等愈高，电蚀除量愈少，加工速度愈慢；另一方面，导热系数大的金属，由于热传导散失的热量较多，也会降低蚀除量。
（3）工作介质的影响一方面介电性能好、密度和黏度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物抛离能量，加快加工速度；另一方面，工作液黏度，电蚀产物从两极间排除阻力也随之增大，影响正常放电，有导致加工速度减慢的趋势。目前，粗加工时，因加工间隙较大，爆炸排屑力较强，所以选用介电性能好、黏度较大的机油；而在半精加工和精加工时，因放电间隙小，排屑较困难，一般选用黏度小、流动性好的煤油作为工作液。
（4）排屑条件的影响电蚀加工中产生的各种蚀除产物应及时排除，以免影响加工稳定性。例如像盲孔类成型表面的加工中，排屑条件随加工深度的增加而变差，加工速度随之降低，甚至出现短路和电弧放电，影响加工的继续进行，应采用适当冲洗方式和电极定时抬升措施加以改善。
!."#影响加工精度的因素
与通常的机械加工相比，除了机床本身的各种误差、工件和工具电极的定位安装误差外，电火花加工中的放电间隙、电规准、工具电极的损耗及工件本身的结构形状等都会影响加工精度。
（1）放电间隙及电规准的影响电火花加工时，工具电极与工件之间发生放电所需保持的间隙称为放电间隙。放电间隙愈大，加工出的工件尺寸形状与工具电极相差愈大，会直接导致加工误差。试验证明，采用较小的峰值电流、较窄脉宽的电规准及较小放电间隙的加工方法有利于减小此误差。精加工时放电间隙最好采用0.01mm；粗加工时则采用较大峰值电流、较大脉宽，放电间隙取为0.5mm。
放电间隙分布不均匀也会影响电蚀加工的质量。如图5所示，用工具电极加工型腔成型面时，由于型腔的侧面上下放电时间长短不一，上部放电最早、时间最长，被蚀除材料也最多，还因底部排除的蚀除物改变了侧面的实际放电间隙，使上面侧部与电极间发生“二次放电”，导致侧壁产生斜度，所以还必须控制工具电极与工件间放电间隙的均匀性。
半轴螺栓
（2）工具电极损耗的影响在图5中，工具电极在加工型腔成型面时，本身也被逐渐蚀除。其中工具电极头部被蚀除时间长、蚀除量大，型腔深度愈大，工具电极侧面的斜度也愈大，产生的加工误差也愈大。因此，与常规机械加工粗加工、半精加工及精加工阶段类似，逐渐改变电规准、分阶段将工件逐步加工成型，确保加工精度。
1.工具电极
2.被蚀除物
3.工件
图5 电火花加工时的侧面斜度
（3）工件结构形状的影响如图6（a）所示，当工具电极为凹尖的内角时，工件上对应尖角处放电蚀除概率大，易被蚀除而成圆角；而图6（b）所示，当工具电极为凸尖的外角时，根据火花放电间隙的等距性，工件上只能加工出以尖角顶尖为圆心，放电间隙!为半径的圆弧；同时工具电极上的尖角本身因尖端处放电蚀除率最大而损耗成圆角。以上三方面的原因导致工件上有尖角或凹角要求时，即使工具电极尺寸形状准确，也很难精确复制成型，从而产生加工误差。
图6 电火花加工尖角示意图
图7 电蚀加工表面变质层组织结构示意图
!.$#影响表面质量的因素
零件表面质量主要包括表面粗糙度和表面变质层的质量2个方面。
（1）影响表面粗糙度的因素电火花加工表面是由无数个放电小凹坑组成，适当的小凹坑使工件具有较好的润滑性和耐磨性能。但单个脉冲的放电能量愈大，放电小坑就愈大愈深，使表面粗糙度恶化；表面粗糙度降低，加工速度下降。
工件材料对加工表面粗糙度有影响。在相同的脉冲能量下，材料熔点愈高，电蚀加工的表面粗糙度愈小。精加工时，工具电极表面粗糙使对应的加工工件表面粗糙度增大。
（2）表面变质层对表面质量的影响由于电火花放电的瞬时高温和液体介质的急冷作用，使工件表面产生一层与原来材料不同的变质层。如图7所示，在表面组织层中，存在金
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Soiid Edge就是基于Parasoiid开发的，充分利用Windows的OLE技术，简化和改进了Pro/Engineering的用户界面；而MDT 和Inventor是基于ACIS开发的；CATIA、UG和Pro/Engineering 则使用自己的几何引擎。
3 二维、三维CAD软件各自的局限性
就目前情况看，不管是二维CAD软件，还是三维CAD软件在实际应用中都存在着一些无法克服的缺点。
（1）二维CAD软件的局限性：复杂的投影线生成问题；漏标尺寸、漏画图线问题；机构的几何关系和运动关系的分析讨论问题；设计的更新与修改问题；设计工程管理问题。
（2）三维CAD软件的局限性：前期投入较大；技术准备时间长；对设计人员要求较高，企业在人员培训方面的投入增加；不能很好利用过去积累的二维设计资产源。
4 中小企业目前的选择
从目前我国中小企业的实际发展状况来看，二维CAD系统和三维CAD系统在很长时间内将共存。虽然
三维CAD软件正在普及，但完全基于三维模型的设计表达还不现实。原因在于：T推广应用CAD技术是从二维绘图开始的，不少企业在二维软件上积累了大量的设计资料；＠在三维模型（尤其是对曲面、加厚曲面形成的实体）进行尺寸、技术要求标注不如二维图形方便；＠设计人员受使用习惯、不同软件的熟练程度影响，如二维软件Auto CAD仍是工程设计中应用最广泛的。因此在相当一段时间内，二维与三维将并存。我们只能根据具体的应用场合，来选择CAD软件系统。一般的制造过程，选用二维CAD系统就可以满足要求；在汽车外形设计和一些需要表达复杂曲面的场合选用三维CAD系统，这样才能发挥出各种不同CAD系统的作用，达到一个完美的平衡。
四轴机械臂当前采用1组视图与1组三维模型的表达方法较普遍。例如目前CAD技术在国内重点型腔模具企业的一般使用情况如下：在三维软件中完成制品的三维模型，然后基于产品形状初步设计出型芯（凸模）、型腔（凹模）和滑块等主要成型件形状，运用三维模型和二维的联动功能转化出这些零件的基本视图，保存成Auto CAD或其它二维绘图软件的格式，最后在二维软件中完成这些主要成型件和其它零件的图纸设计。
表2是在发达国家CAD软件应用的一组数据［3］，从中可
清晰地看到在工业化程度相对较高的美国越高，2D+3D应用比例更高一些。
表2 美国、德国CAD软件应用的一组数据
仅用2D2D+3D仅用3D 美国55.0%40.0% 5.0%
德国65.5%27.6% 6.9%
中小企业在生产过程中，对于成熟的产品设计可尽量使用二维CAD系统，当需要必要的复杂空间结构、复杂的机构运动时，可直接利用二维图形快速生成三维模型，能保证这些结构、机构的正确性；同时在这个从二维到三维转换的过程中逐渐掌握三维技术，为今后完整过渡到三维奠定基础。
二维、三维CAD系统通过完整合理的结合，形成共同的数据核心，简化设计过程适应用户的不同需求，充分发挥设计人员的想象力，让设计人员从繁重的绘图过程中解脱出来，专注于产品的设计工作。相互整合，不但可将二维图形方便地转化为三维模型，充分利用企业的原有资源，实现企业的二维数据资产源继承，使本来非常痛苦的转换过程变得更加简单、高效，且可降低人员和训练时间，让设计人员轻松快捷地实现到三维的过渡，大大提高了工作效率和质量。
5 结论
中小企业在信息化进程中面对众多CAD系统软件，不能盲目跟风，而应该根据自身的实际需要来选择，并对其进行二次开发，使其更适合自身特点，提升自身的竞争力。
参考文献：
［1］面向CAD/SAM/CAE的机械制图教学研究与实践［J］.中国制造业信息化，2005（2）：107-109.
［2］叶修梓，彭维，唐荣锡.国际CAD产业的发展历史回顾与几点经验教训［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（10）：
1185-1193
［3］肖鹏.现阶段CAD软件应用探讨［J］.中国制造业信息化，2003（4）：103-104.
（上接第10页）
节能燃烧器
光纤法兰相晶粒组织的变化，像渗碳、渗金属、显微组织裂纹、气孔和疏松等现象。采用较强的电规准加工时，工件表面会产生淬火层和回火层，其硬度高达!"#60以上。一般来说，表面变质层厚度与单个脉冲的能量有关，粗规准和半精规准加工的变质层厚度约为0.1~0.5mm，精规准加工后，约为0.01~0.05mm。
建筑防水剂表面变质层的形成一方面可以提高成型表面硬度、耐磨性和使用寿命；另一方面，由于表面变质层的金相组织发生变化引起残余应力，使其抗疲劳强度降低。必要时可安排热处理工序去除应力或采用磨削等方法去除变质层。
3 总结
为保证电蚀加工的质量，整个加工过程进行应具备以下条件：T工具电极和工件表面之间必须保持适当的放电间隙，
通常在几百微米以内。间隙过大，不能击穿极间介质而产生火花放电；间隙太小会产生短路，也不能产生火花放电。＠电蚀火花放电必须是瞬时性的脉冲放电。即放电延续一段时间（一般为10-7~10-3）后，停歇一段时间，使放电所产生的热量来不及传散到其余部分。＠火花放电必须在具有较高绝缘强度（通常为103~107f·cm）的液体介质中进行。该液体介质有消电离作用、排除电蚀产物作用、冷却电极的作用。＠工作液必须经常清洁，保证绝缘强度。通常采用工作液循环过滤系统使液体介质得到清洁。＠粗加工时，电极应采用定时抬刀或适当的冲油方式使被蚀废料及时抛离。
参考文献：
［1］张铮.模具制造技术［M］.北京：电子工业出版社，2002.
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模具零件电蚀加工原理及其规律的探悉
作者：安虎平， 孟刚， An Hu-ping， Meng Gang
作者单位：兰州师范高等专科学校，甘肃，兰州,730070
刊名：
机械研究与应用
英文刊名：MECHANICAL RESEARCH & APPLICATION
年，卷(期)：2006,19(1)
1.张铮模具制造技术 2002
本文链接：d.g.wanfangdata/Periodical_jxyjyyy200601004.aspx
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