电火花加工中放电不稳定现象产生原因及改善措施

上野

1.前言
5 k; E7 w) [( h电火花加工中放电的稳定性直接影响加工的质量、效率，是衡量整个加工过程效果的重要指标之一。因此它一直是从事电火花加工工程技术人员关注的问题，如何实现高稳定度的电火花加工也是当前电加工领域研究、探讨的热点。下面就自己多年的电火花加工经验，对加工中放电不稳定现象作阐述，分析其产生的原因，并提出一些改善的措施。
2.电火花加工放电过程机理的概述
5 u) q1 F9 m7 _6 l* I( j电火花加工是由许多微观的单脉冲放电过程组成的。正常的单脉冲放电过程包括两极间介质的电离、击穿，形成放电通道，放电通道内的瞬时高温使工作液气化、裂化，金属材料熔化、气化，瞬时高压使加工屑被抛入工作液中，随着脉冲放电的结束，两极间介质进行消电离，恢复绝缘的复杂过程。电火花加工时放电间隙内每一脉冲放电的基本状态称之为放电状态。放电状态有开路、火花放电、过渡电弧放电、电弧放电、短路五种。各种放电状态在实际加工中是交替、概率性地出现的。为了实现稳定的电火花加工，必须减少脉冲放电中异常的放电状态，使单脉冲放电过程良性循环。
3.电火花加工稳定状况的评判与其产生的影响
+ q7 q* K% w  I电火花加工中伴随有一系列派生现象，通过加工过程中的外在表现，可以了解加工的稳定性，发现加工的异常放电状态。正常加工中，观察到的火花颜色通常为蓝白色夹火红颜色，火花细小均匀。加工液面冒无烟小气泡，听到的火花声音清脆、连续。机床的电流、电压表呈有规律的摆动，伺服百分表匀速进给。加工中每次放电时间、抬刀动作有规律的持续。机床深度检测值呈稳定的递进。反之，加工中放电集中于一处，火花颜色偏红亮，液面冒白烟大气泡，火花爆炸声音低、沉闷，电流、电压表指针急剧摆动，伺服机构急剧跳动的放电不稳定现象可判断是电弧放电的可能，这种现象常使电极、工件结炭、烧伤。加工中较正常火花放电状态稍差的是过渡电弧放电。其表现为放电声音不均匀，产生的气泡较正常放电时大一些，电流、电压表有明显波动，加工中短时放电，频繁抬刀。深度检测值来回变化较大，呈回退往返。过渡电弧放电常发生于精加工中，其破坏性相对比较轻，但很容易转变成电弧放电。加工中偶尔出现空载放电（开路）和短路是允许的。空载放电时，火花间隙上有大于50V的电压，但没有电流流过，电流表无显示，短路是放电间隙直接短路相接，间隙短路时电流较大，但间隙两端的电压很小，短路很容易损坏电极，频繁的短路会使工件和电极局部形成缺陷。空载放电和短路都没有对工件起到蚀除加工作用，影响加工速度。根据加工中的稳定状况可以判定加工的放电状态，由前述可知，放电不稳定的现象破坏了正常的火花放电，易转变成异常放电状态。不稳定的放电也使加工速度明显降低，使加工表面粗糙度不均匀，甚至产生严重的表面质量问题。使电极出现表面缺陷。不稳定放电状态下无规律的火花间隙使加工尺寸无法准确控制，影响加工精度。可见保证加工中稳定的放电对加工具有重要的意义。
4 k$ J- f1 g" X) v6 ]  f& ~: \4.产生放电不稳定现象的原因及改善措施
2 i6 o) @' M" S- b1 i（1）放电性能不好的电火花机床在加工中常发生放电不稳定现象。电火花加工主要是靠机床良好的加工性能来完成加工的。高档电火花机床配备有多种脉冲输出电路，主轴具有高速性和高响应伺服特性，这些特性能满足在加工中进行高稳定加工实现高品位加工质量。如果机床加工性能不好，常在加工中发生难以控制的放电不稳定现象，严重影响加工质量。机床脉冲电源工作性能、机床伺服进给系统的异常是电火花机床本身原因造成在加工中常发生放电不稳定现象的主要原因。如机床脉冲电源波形失常是最常见的问题，使加工不能稳定进行。要实现稳定的放电加工，必须要求机床的脉冲电源能输出一系列良性的脉冲，工作稳定可靠，不受外界干扰。机床的伺服进给系统应具有高度的灵敏性，能够准确对放电状态中火花间隙进行检测，自动对异常放电作出调节，调整、滞后尽量要小，抗干扰能力强。由于机床性能异常方面的问题比较复杂，使用人员在经过确认是机床问题后，应及时与机床维修服务部联系，请专业人员维修，排除故障。
9 j' ?. L& q8 }3 q7 P7 s! K+ h（2）电参数调节不正确对放电稳定产生不良影响。电参数使用不正确是产生放电不稳定现象的主要原因。电规准主要由电流、脉冲宽度、脉冲间隙三大电参数组成。使用过大的电流，过大的脉冲宽度，过小的脉冲间隙是电参数调节不合理产生放电不稳定现象的主要原因。三者应根据加工中的稳定性和加工的工艺指标要求来具体设定选择。在放电不稳定的情况下，首先考虑增大脉冲间隙，可以使加工保证消电离，改善排屑状况，对工艺指标影响也不大。其次考虑减小脉冲宽度，过大的脉冲宽度使加工中短时内放电次数过多，加工中来不及消电离，易产生烧弧。加工中其它参数也很重要。像直接影响排屑效果的抬刀速度、放电时间、抬刀高度等参数。放电不稳定的情况下应加快抬刀速度，减少放电时间，增大抬刀高度。处理电参数时应特别注意粗加工与精加工中放电稳定性的差别。粗加工中由于放电能量大，火花间隙大，排屑效果好，往往能实现较稳定的加工，精加工则恰恰相反，容易出现放电不稳定现象。所以对精加工应特别加以监控。加工的极性应正确，如果在通常加工中误使用负极性（电极为负极）加工，也会发生放电不稳定的现象，根本无法加工下去，应将加工极性改过来。
（3）加工中液处理方式不当及加工液质量问题造成放电不稳定的现象。电火花加工是在工作液介质中进行的。工作液的绝缘性能在脉冲放电的过程中起到消电离的作用，在加工中对电极和工件起到加速冷却，使电蚀产物从放电间隙中悬浮、排泄出去的作用。在电火花加工中常使用冲、抽液的方法进行排屑，避免电弧放电，使加工稳定进行。但是不适当的液处理方式也会影响放电的稳定状况。冲、抽油压力过大，会使放电通道不易形成，产生不稳定的局部放电，尤其在精加工中很明显。可将冲、抽油压力控制在接近稳定加工的临界压力范围内。冲油方向不正确会使加工屑堆积而形成放电不稳定的现象，而且容易形成积炭。一般采用朝开口部位冲油，盲底部位采用朝下淋油的方法。冲抽油加工虽然能将加工屑很好排出，改善了放电的稳定性，但不均匀的流场，会引起集中放电和二次放电，对工件平面度、粗糙度影响很大，产生放电间隙不均匀的现象。而且强烈的冲刷会引起电极边角异常损耗。所以在精密加工中通常采用无冲液、浸油加工的液处理方式，依靠抬刀的动作来排屑实现稳定加工。这就对机床配置提出了更高的要求。像机床主轴采用很高加速度进给加工时，产生的抽吸作用，使存在于电极与工件之间的加工屑、焦油以及废气等能有效地排出。长时间的加工会使油温过高，加工部位表面如果不能很好得到冷却很容易产生放电不稳定的现象。油温应不高于35℃，必要时在加工液循环系统上油处安装冷却装置来控制。加工中工作液的质量对加工放电稳定也很重要。含加工屑过多的脏污加工液在加工中因不能及时缓解放电间隙内的污染状况，导致放电点不分散而形成有害的电弧放电。劣质的加工液因其性能差的原因也会使加工中出现放电不稳定的现象。采用的电火花加工液要求具有低粘度，高绝缘性、能疏通放电通道，流动性、渗透性好等特点。目前有很多类型的电火花加工专用工作液，而且研究出在工作液中加入相关添加剂的一些成果，能改善放电的性能，提高放电稳定性，可以被采用。
（4）选用电极材料的种类、材料的质量、不同电极材料加工电参数配对的因素对放电稳定性的影响。电极材料必须导电性良好，具有放电稳定等特点。纯铜电极加工性能很好，尤其是加工稳定性，不易发生电弧放电或过渡电弧放电，在大多数加工中能稳定放电，被广泛采用。石墨电极加工稳定性较好，最突出的特点是在很大电流的粗加工中能保持稳定的放电，并且保证电极的低损耗，但在精加工中，易发生放电不稳定现象，易产生拉弧烧伤。铜钨合金和银钨合金是很少采用的电极材料，因为材料的价格昂贵。它们在加工微细部位、深槽等难加工部位仍能很稳定的放电，电极损耗极小，在精密加工中被考虑使用。选用的电极材料必须保证质量才能在加工中放电稳定。纯铜必须是无杂质的电解铜，最好经过锻打。石墨电极材料有好几种分类，如埃米级、特细级、超细级、精细级等，可根据加工的精度、效率要求选择。石墨材料的质量应组织均匀，强度较好，在加工中不易产生剥落。使用不同的电极材料进行加工应灵活处理好电参数的配对，才能达到加工中放电稳定，加工效果良好，发挥所选材料价值的目的。现在很多电加工机床都能根据不同的加工材料组合自动配对电参数。电参数配对主要是处理电流、脉冲宽度、脉冲间隙的大小。根据电极材料的性能，选用合适的电参数发挥材料的加工优势，处理好其加工中的缺陷问题。因使用机床的不同，这里提供一组主要电参数选用关系的数据表供参考，如表1所示（参数数值为具体值）。
表1 不同电极材料主要电参数的配对关系

% `+ ^$ N6 `; _5 A（5）选用的工艺方法不合理使加工中出现放电不稳定现象。电火花加工的工艺方法是否合理可行也是实现稳定加工的重点。大多加工是：采用粗加工电极蚀除大量金属完成粗加工，然后再换半精或精加工电极完成过渡加工或精加工。这种工艺方法的关键是加工中应采用电极摇动的方法来改善排屑状况，达到稳定的加工。采用多段加工条件用自由平动的方法，随着加工深度的进给，另外两轴同时作扩大运动。加工中采用摇动的方法可使放电更稳定，减少了二次放电现象，可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，被广泛采用。摇动量的大小视加工部位形状、精度要求而决定，一般在精加工中取0.03mm左右。因摇动量小，对加工的仿形精度也不会有影响。如果在加工中不采用摇动的方法，则很难实现小间隙放电条件下的稳定加工。在精加工中很容易发现因这个原因造成的不稳定加工现象。不稳定放电形成的二次放电可能会使加工尺寸偏大，在排屑条件好的情况下也可能因实际产生火花间隙小于电极缩放量而使加工尺寸偏小，使尺寸不能准确地得到控制。采用摇动的加工方法能实现稳定的加工，能很好解决这些问题。
（6）难以加工部位不利于加工的稳定进行。有些加工部位因其加工局限性导致在加工中容易发生放电不稳定现象。像在表面部位刚开始加工时，加工清角部位，加工尖细的部位时，由于实际放电面积偏小，电流密度偏大，局部电蚀产物浓度过高，放电点不能分散转移，放电后的余热来不及扩散而累积起来，造成过热，破坏加工的稳定性。必须暂时减小电流，待实际加工面积逐步扩大，加工逐步稳定后，再逐步增大电规准。加工深孔、有斜度的部位、深腔部位时，由于排屑困难，在加工中也会发生放电不稳定现象。要求采取适当的措施改善排屑性能。斜度类电极加工一定要有很高的排渣高度。深孔、深腔类部位可以对电极选用较大的尺寸缩放量，通过平动来改善排屑。加工深的圆孔，在装有C轴，使用EROWA夹具并且同心的情况下，加工时使C轴作旋转运动，可达到非常稳定的加工。清角部位在加工可行的情况下采用3轴联动的方法，即斜向加工，避免了因加工部位面积小而发生放电不稳定的现象。还有在有些难加工部位采用横向伺服加工也可以改善放电稳定性。对电极采用避空、开排气排屑孔等也可以改善一些难加工情况下的放电不稳定现象。
（7）加工操作环节中的处理问题造成的放电不稳定现象。加工操作中一些细小环节处理不好也会发生放电不稳定的现象。小件或难以装夹的工件、电极因没有采取可靠的装夹方法，导致加工中发生松动，出现放电不稳定的现象。工件经磨床加工后会产生磁性，尤其是小工件，如果没有经过退磁处理直接用来电火花加工，会使加工屑因被吸附难以排出而导致加工中放电不稳定，因此加工前必须对工件退磁。加工部位存在杂物、锈迹、毛刺，导致开始加工时放电非常不稳定。有通孔类部位的加工在装夹中没有考虑利用孔来排屑而变成盲底加工，大大降低了加工稳定性。加工中产生“放炮”现象有可能会使工件松动，气体引燃的过程也影响了加工的稳定性。电极校正有偏差使其变成倾斜加工也会稍微影响放电的稳定。在深腔类部位的加工中，没有及时用毛刷清除加工屑积存物，会在加工中出现放电不稳定现象，使加工难以顺利进行。根据以上在操作中导致放电不稳定现象产生的原因，分别采取相对应的措施可改善加工的稳定性。
5.结束语
综合上文对电火花加工中放电不稳定现象产生原因的分析，可见加工屑的排出对电火花加工稳定性有举足轻重的作用，大多措施基本上都是通过直接或间接改善加工的排屑状况，在排屑顺畅的条件下实现稳定加工的。对电火花加工中多种干扰因素的认识和排除，是实现稳定放电加工的重要保证。通过改善电火花加工中放电不稳定的现象，可以避免异常放电产生的加工异常问题，保证加工质量，提高加工效率。
文章关键词： 电火花加工