电火花加工原理
电火花加工时一种非接触式的、宏观加工力很小的加工方法，这使得其在微细加工、精加工方面发挥了极大的作用。

而电火花加工机理则是准确预测电极损耗、提高加工精度的重要理论支持和有力手段。

尤其是对复杂零件的精加工，准确模拟电极损耗是决定零件最终形状精度的关键技术。

但由于缺乏研究手段以及放电过程本身的复杂性、随机性，使得目前电火花加工机理的研究还相对滞后，这在一定程度上制约了电火花加工技术的进一步发展，也使电火花加工本身存在的一些基本矛盾变得更加突出，同时也使人们认识到有必要在理论上对电火花加工机理展开进一步的研究。

1 电火花加工的基本原理
图1.1电火花加工基本原理[2]
1-工件；2-脉冲电源；3-自动进给调节装置；4-工具；5-工作液；6-过滤器；7-工作液泵
如图1.1所示，工件1和工具4分别与脉冲电源2的两输入端相连接。

自动进给调节装置3（此处为电动机及丝杠螺母机构）使工具和工件经常保持一个很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间时，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温时工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑，如图1.2所示。

其中1.2（a）是单个脉冲放电后的电蚀坑，图1.2（b）是多次脉冲放电后的电极表面。

脉冲放电结束后，经过一段间隔时间，使工作液恢复绝缘后第二个脉冲电压又加到两极上，又会在当时机间距离相对最近处或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。

这样以相当高的频率，连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可以将工具的形状反向复制在工件上，加工出所需要的零件，整个加工表面是由无数个小凹坑所组成的。

图1.2（a）图1.2(b)
2 加工过程中的能量分配
在电火花加工中，极间介质一旦被击穿，放电通道就瞬时释放能量，把电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能以及电磁波辐射等，放电过程中，能量的消耗转化如图1.3 所示
图2.1放电过程能量的消耗过程
在脉冲放电过程中，放电通道等离子区压降一般都较小，所以这个区域释放的能量只占极间释放能量的15%~40%，且绝大多数由高速运动的带电粒子传递给电极表面，在周围介质中散失的仅仅是一小部分。

在介质中损耗的主要是初始放电时加热放电通道、周围介质的气化分解的能量以及放电结束时高温通道中的热量在介质中的传散，因而分配在电极对上的能量占总能量的绝大部分。

有关焊接热过程的能量分配表明，在气中放电时，分配在工件上的能量约为70%~85%，而在焊剂层下放电时，由于对流传散热量的减少，分配在工件上的能量可达80%~95%。

电火花加工是在液体介质中进行的，不仅极间距离小，而且也有类同焊剂中放电的传热条件，虽然液体介质中还会有一定的热量传散，但是分配在电极对上的
热量还是很可观的。

但要准确计算出能量在工具、工件和极间工作液三者之间的分配关系却非常困难。

3 放电通道的变化
3.1 放电通道的形成
脉冲放电期问，极问所形成的放电通道中除阴极和阳极的表面分别为一层极薄的电子和正离子外，其余绝大部分都是由数量大致相等的正离子、自由电子及中性粒子所组成的等离子体．放电通道实际上是种高温导电气体．通道中数量大致相等的正负粒子的动力学行为受电场力支配，其运动受自生磁场的电磁力的约束．放电持续期间，通道自身有较大的扩张压力作用于周剧介质，同时放电通道中等离子体的径向运动也受到自生磁场的约束力作用．在通道和周围介质的界面上还受到流体介质的阻力作用．
当放电通道刚形成时．通道扩张压力远大于自生磁场的约束力和流体介质阻力之和．等离子体沿径向向外运动，使放电通道迅速扩张．随着通道的扩张，其压力急剧下降，当此压力等于自生磁场所产生的约束力和流体介质阻力之和时．等离子体停止径向的进一步扩张，此时放电通道处于平衡状态．若忽略带电粒子高速运动而引起的位形扩散和通道的波动性，放电通道的直径将保持不变。

通道应呈圆柱形．通道任一横截面上的粒子浓度为中心处最密，沿半径方向远离中心逐渐减小．符合正态分布．但由于通道周围介质备处的运动阻力不一样(介质与屯极表面之问的摩擦力将会增大该处的运动阻力)，使得放电通道各处的扩展速度也不一样，即靠近电极表面的扩展速度慢。

而极问中心处扩张速度快．使放电通道呈图3.1
所示的腰鼓形．
图3.1
3.2 放电通道的扩散
放电通道中的压力和温度很高，带电粒子在高速运动过程中必然发生剧烈碰撞，即电子与离子、电子与电子、离子与离子之问的碰撞将使带电粒子偏离电力线而发牛散射．扩散的程度主要取决于粒子的密度梯度、质量和运动速度．相对而言，电子的扩散远较离子的扩散明显，且扩散主要在放电通道的两端．电子和离子的不同扩散会产生电场，此电场义使电子扩散减小而离子扩散增大．带电粒子磁撞所引起的扩散作用，必然会使放电通道的位置和形状发生变化．由于电子的速度远比离子的运动速度大．故电子流的扩散较离子流的扩散明显，电子流的扩散(即阳极扩散)是主要的，从而使平衡时的放电通道呈现图3.2所示的喇叭口形(忽
略放电通道的波动性时)[4]。

图3.2
4 电极材料的蚀除
4.1 阳极电极材料的蚀除过程
电火花加工过程中存在着明显的极性效应，这是因为在放电过程中电极材料的蚀除率与该电极上所消耗的功率是密切相关的。

电火花放电过程中极间放电能量的分布可表示为
t e
P e=∫u(t) i(t)dt
=P a+P c+P l
式中：P e为放电功率；P c为阴极消耗功率；
极间介质被击穿后放电通道等离子体的导电率极高其消耗的功率极小。

由于电子的质量比离子小得多，因此在放电脉宽极窄的微细电火花加工中，放电通道的电流主要是电子
电流阳极材料的蚀除过程可以解释为电子的高速轰击作用而将放电能量的绝大部分传递给
阳极表面，并在阳极表面的微小区域形成瞬时的高温表面热源，从而使材料产生熔化或气化。

南京航空航天大学刘正埙教授等人用实验方法研究了窄脉宽微细电火花加工中，放电能量在阴极和阳极上的分布情况。

实验表明，在放电脉宽小于 1us时，阳极上所获得的能量远大
于阴极表面，并且脉宽越窄，两者的差距越大。

这一实验结果，进一步证明了在窄脉宽放电条件下，电子与离子在电场中运动特性的异同对放电能量分布的巨大影响。

4.2 阴极材料的蚀除过程
图4.1火花放电时极间电位的分布
由于离子的质量远大于电子质量，因此在窄脉宽微细电火花加工过程中，正离子对阴极表面的轰击作用较小(粒子所获动能正比于速度的平方)，且放电通道热源所传播的辐射热也十分有限。

此时阴极表面所获得的热量较小，使其没有足够的时间产生熔化或气化，因此将窄脉宽微细电火花加工中阴极材料的蚀除过程简单地归结为热作用过程显然是不够全面的。

当极间介质被击穿而形成高温等离子通道后，极间电位的分布情况可用图 4.1 示意。

极间介质被击穿后，等离子通道可以认为是电的良导体，因此其间压降极小。

阳极电位出现略微降低现象，表明还有相当一部分电子不能到达阳极。

在阴极附近，由于电子发射和正离子的积聚而形成一层极薄的空间电荷层(大约只有一个电子自由程，这一空间电荷层存在着电荷不平衡并能维持较大的电势梯度，因此几乎极间所有压降都集中在此极薄的区域内。

这样在阴极附近就会形成一个极强的电场。

在强电场作用下，由于静电力的作用，阴极表面的负电荷将受到激发并被拖出，因此导致了阴极表面形成较强的拉应力。

同时，由于正离子的轰击及通道高温辐射，也会使阴极表面加热，进而使材料的屈服强度降低，加剧
了材料的屈服破坏。

因此在窄脉宽微细电火花加工中，电极阴极材料的蚀除过程(电极损耗) ，应是以静电力作用为主，热作用为辅的过程。

当放电脉冲宽度较大时，放电斑的直径将增大，表面的应力作用将十分微弱; 同时由于大量正离子的高速轰击，使得电极材料的蚀除过程以热作用为主，静电力几乎不再起到蚀除作用[5]。

总结:当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时极间介质被击穿并形成一个极为细小
的放电通道。

由于放电通道中电子和离子受到放电时的电磁力和周围液体介质的压缩因此其截面积很小，通道中的电流密度极大可达104~107A/ cm20 通道中的介质以等离子体状态存在其离子与电子的数量几乎相等。

因此，该通道是电的良导体并呈电中性。

在极间电场作用下，通道中的正离子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生
大量的热量; 同时，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的高速冲击，动能也转换为热能，在电极放电点表面产生大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源其温度可达10000C
左右。

这一热源足可以使参与放电的电极材料表面局部熔化和气化蒸发，金属的熔化、气化以及介质的汽化都具有明显的爆炸特征，爆炸力将熔化和气化的金属抛入周围的工作液介质中，在电极表面上就形成了蚀除凹坑。