（机械电子工程专业论文）微细电火花复合电极制备技术仿真与实验研究.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 伴随着世界范围内产品的精密化、微型化发展，微细孔的电火花加工技术以其超精 细、高精度以及与加工材料机械性能无关的加工特点，被广泛应用于航空航天、微电子 工业、医疗设备、模具制造等诸多技术领域。然而，在微细加工环境下，尤其是随着加 工深度的不断增加，排屑条件恶化，极易导致加工过程不稳定，严重地影响了微细孔的 加工精度，甚至成为制约电极继续进给的瓶颈因素。因此，系统地研究微小孔的电火花 加工技术是一个不断发展、不断深化的既综合而又复杂的课题。 本文首先通过相似分析、理论建模等技术，采用计算机模拟的方法研究了微细电火 花孔加工过程，并与实际加工过程进行了比较分析。实验与仿真结果一致表明：在微细 电火花小孔加工过程中，电极端面和侧面都存在着不同程度的材料损耗；端面棱角处损 耗现象尤其严重，导致电极端面棱角处变钝，形状出现锥度，并且这种现象随着加工深 度的增加越来越严重。然后，在此基础上，提出了基于复合电极的微细孔加工过程仿真 模型，以m a t l a b 为软件平台编写了仿真程序，并进行了模拟研究。结果表明：增强表 层材料的抗电蚀性能，能有效降低电极侧壁，特别是端部棱角处的电极损耗，近似实现 端部等损耗，从而显著改善加工孔的形状精度。 分析仿真结果，并结合微细孔实际加工过程，提出了制备复合电极，增强侧壁表面 抗电蚀性能，以使电极保持良好形状的方法。基于此，采用镍钨共沉积的电镀方法制备 了一种新型铜基镍钨合金复合电极，并进行了微细孔电加工实验。实验结果有力地证明 了仿真模型的合理性以及分析结果的可信性；同时表明：镍钨合金镀覆层具有良好的抗 电蚀性能，能有效降低电极侧面，尤其是端部棱角处损耗，对保持电极形状、提高加工 微孔的形状精度具有良好的促进作用。 本文以单脉冲放电理论为基础，对微细电火花孔加工过程的仿真研究进行了有益的 探索，为分析和研究该过程中不同工具电极的损耗及其对加工孔的影响提供了新的方 法；以此为指导制备了一种新型复合电极，对提高微孔加工精度、开发与研究新型电极 提供了良好的借鉴。 关键词：微细电火花；微细孔加工；圆角损耗；复合电极；镍钨共沉积 微细电火花复合电极制备技术仿真与实验研究 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef a b r i c a t i o no ft h ec o m p o s i t e e l e c t r o d ef o rm e d m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n c r e a s i n gp r e c i s i o na n dm i n i a t u r i z a t i o no f p r o d u c t si nt h e w o r l dw i d e ，t h em i c r oe l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ( m e d m ) t e c h n o l o g yt od r i l lm i c r oh o l e s h a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yt e c h n o l o g yf i e l d s ，s u c ha sa e r o s p a c e ，m i c r oe l e c t r o n i c si n d u s t r y , m e d i c a li n s t r u m e n t ，m o u l dm a n u f a c t u r i n ga n ds oo n ，b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e h i g h - p r e c i s i o nr e g a r d l e s so fm a t e r i a lp r o p e r t i e s h o w e v e r , w h e nu n d e rt h em i c r om a c h i n i n g c o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n gm a c h i n i n gd e p t h , i ti sv e r yd i f f i c u l tt or e m o v e g a s e o u sb u b b l e sa n dd e b r i sf r o mt h ed i s c h a r g eg a pw i mt h es c a l eo fs e v e r a lm i c r o n s 1 e a d i n g t h eu n s t a b l em a c h i n i n gp r o c e s sa n de x c e s s i v ee l e c t r o d ew e a r , w h i c hh a ss e r i o u se f f e c to nt h e d i m e n s i o n a la c c u r a c ya n dt h es h a p ea c c u r a c y , a n de v e nr e s u l ti nt o o lw e a l i n s t e a do fd e e p d r i l l i n gb e c a u s ea b n o r m a ld i s c h a r g e so c c u rf r e q u e n t l y a sar e s u l t ，s y s t e m a t i c a l l ys t u d y i n gt h e m i c r oh o l em e d m t e c h n o l o g yi sac o n t i n u o u s l yd e v e l o p e da n dd e e p e n e ds u b j e c tw h i c hi sv e r y c o m p r e h e n s i v ea n dc o m p l e x b a s e do nt h es i m i l a r i t ya n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a lm o d e l i n g ，ac o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e l w a sa d o p t e dt or e s e a r c ht h ep r o c e s so fd r i l l i n gh o l e su s i n gm e d ma n dw a sc o m p a r e dw i t ht h e a c t u a lm a c h i n i n gp r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i s t e n t l ys h o w e dt h a t d u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s s i n go fd r i l l i n gh o l e s ，t h e r ew e r em a t e r i a ll o s sa tb o t ht h ee n d a n d t h es i d eo ft h et o o la td i f f e r e n td e g r e e s n ec o m e rw e a ri nt h ee n do ft o o le l e c t r o d ew a ss o s e r i o u st h a tt h ea n g u l a r i t yb e c o m e sb l u n t ，r e s u l t i n gi nt h et a p e rs h a p e ；a n dt h i sp h e n o m e n aw a s m o r ea n dm o r es e r i o u sa st h ei n c r e a s eo ft h ep r o c e s s i n gd e p t h b a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e d a n a l y s i sr e s u l t s ，as i m u l a t i o nm o d e lf o rd r i l l i n gm i c r oh o l e su s i n gm e d mw i t hc o m p o s i t e e l e c t r o d ew a sp r o p o s e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e de n h a n c i n gt h ee l e c t r i c a le r o s i o n r e s i s t a n c eo fs u r f a c em a t e r i a lw a sa b l et oe f f e c t i v e l yd e c r e a s et h et o o lw e a l o ft h es i d es u r f a c e ， e s p e c i a l l ya tt h ea n g u l a r i t yo ft h ee n do ft h et o o le l e c t r o d e ；t h e r e f o r e ，t h ee n dc o u l d a p p r o x i m a t e l yr e a l i z et h eu n i f o r mw e a r ，a n dr e m a r k a b l yi m p r o v et h es h a p ea c c u r a c yo ft h e m a c h i n i n gm i c r oh o l e s o nt h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，an e wc o m p o s i t ee l e c t r o d ew a sf a b r i c a t e da n d u s e dt od r i l lt h em i c r oh o l e su s i n gm e d mi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a le l e c t r o d et om a i n t a i nt h e t o o le l e c t r o d es h a p eu n c h a n g e d ad i f f e r e n tt y p eo fm a t e r i a l ，n i - wa l l o y ，w h i c hh a st h eh i 曲 e l e c t r i c a le r o s i o nr e s i s t a n c e ，w a sc o a t e do nt h es u b s t r a t es u r f a c eo ft h ec ue l e c t r o d e ，a n d 大连理工大学硕士学位论文 p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t so fd r i l l i n g m i c r oh o l e su s i n gm e d mh a v e b e e nc a r r i e do u t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss t r o n g l yi n d i c a t e dt h er a t i o n a l i t yo fs i m u l a t i o na n a l y s i s ；a n da l s os h o w e d t h a tb e c a u s eo f t h en i - wa l l o yc o a t i n g ，t h et o o lw e a ro nt h es i d e ，e s p e c i a l l yo i lt h ec o m e ro f t h e e n dw a sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y a sar e s u l t , t h e r ew a so b v i o u sp r o m o t i o no ft h o s et om a i n t a i n t h ee l e c t r o d es h a p eu n c h a n g e da n de r l h a n e e 也es h a p ea c c u r a c yo ft h ed r i l l e dh o l e s s o m eb e n e f i c i a la t t e m p t sh a v eb e e nm a d et os i m u l a t ea n ds t u d y 也ep r o c e s s i n go fd r i l l i n g m i c r oh o l e su s i n gm e d mi nt h i sp a p e rb a s e do nt h et h e o r yo ft h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g e w h i c h c o u l dp r o v i d ead i f f e r e n tm e t h o dt oa n a l y z et h et 0 0 1w e a ro fd i f f e r e n tt y p e so fe l e c t r o d e sa n d t h ei n f l u e n c eo nt h em i c r oh o l e sd u r i n gt h ep r o c e s s i n gt os o m ee x t e n t a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，an e wt y p eo fc o m p o s i t ee l e c t r o d ew a sf a b r i c a t e d ，a n dt h i sc a nb eag o o d e x a m p l et od e v e l o pn e wt y p eo ft o o le l e c t r o d ei no r d e rt o f u r t h e ri m p r o v et h em a c h i n i n g a c c u r a c yo ft h em i c r oh o l e s k e yw o r d s ：m e d m ；m i c r oh o l e sm a c h i n i n g ；c o m e rw e a r ；c o m p o s i t ee l e c t r o d e ； n i - wc o d e p o s i t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：型丝亟鲍篮么盖豆磕遣幽盈匀包纽纽冱墨国垂乙一 作者签名：盖鼋_ 乙一日期：4 年丝月生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 幽之丛丝丛之盘啦雀丝善垒霎丝聋色 作者签名： 墨砻芝日期：2 翌年坦月上红日 导师签名：耋丝盖日期：幽年幽鱼芝甘 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题的科学依据 1 1 1 课题简介及所属研究领域 微细电火花加工( m i c r oe l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称m e d m ) 技术是伴随着产品 的微型化而逐步发展起来的一种新的电火花加工技术，目前已逐渐步入实用化阶段，属于 现代先进制造技术领域。m e d m 加工原理本质上与常规e d m 相同，是利用脉冲性火花放 电产生的热能侵蚀电极材料从而达到加工目的的，但其加工单位更小、可控性更好；与常 规e d m 相比，其加工精度和表面质量得到了极大的提高。目前，应用微细电火花加工技术 己可稳定地得到尺寸精度高于0 1 0 m ，表面粗糙度r a ，1 0 ) 州。和其他微小孔加工方法相 大连理丁大学硕士学位论文 比，它具有以下优势：可加工任何导电材料，不受工件材料的强度和硬度的限制：可 在斜面上加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔；加工过程中切削力很小，对工具的强度和刚 度要求较低，可加工直径小于 l o p m 的微孔；可与其它精密加工技术融合，如超声波加 工等，改进加工质量，提高加工效率，扩大其应用范围。但因为微细电火花加工本身的特 点，使其与常规电火花成型加工技术又有所不同，存在以下几方面的问题： ( 1 ) 由于脉冲放电能量极小，材料蚀除率很低，加工速度相对很慢； ( 2 ) 高频、微能脉冲放电造成放电间隙内随机性干扰强、信噪比低；因排屑困难，二次 放电、拉弧和短路等现象严重，放电稳定性变差，脉冲利用率低； ( 3 ) 放电点在时间和空间上高度集中，其加工过程更为复杂、影响因素格外众多、放电 信号的随机性更大，放电状态更趋不稳定； ( 4 ) 为了克服放电面积很小( 面积效应) 的影响，由于加工对象尺度微小，必须使每一个 单脉冲的放电痕迹能够控制在十分微小的尺寸范围内； ( 5 ) 工具电极损耗严重，大深径比微d , 孑l n 工困难； 因此，系统地研究微小孔的电火花加工技术是一个不断发展、不断深化的既综合又复 杂的课题。本文试图从改善微细孔的加工形状精度和电极的端部损耗补偿角度切入，以单 脉冲放电理论和微细孔加工过程为基本依据，通过计算机仿真模拟的方法研究微细孔加工 过程中电极材料性质对加工孔精度的影响，并提出新型复合电极用于进一步地微细孔加工。 1 3 计算机仿真技术在m e d m 中的应用现状 1 3 1m e d m 仿真技术的发展现状 当加工进入到微观领域，既难于通过实验方法来观测各种物理现象；同时，由于涉及 到多场耦合分析，又难于用宏观力学原理建模分析，因此关于电火花加工机理的研究迄今 尚未形成系统、完整的理论。随着计算机科学的发展，以其为核心的仿真技术，利用模型 分析的方法对已有的或设想的系统进行在线运行、模拟研究，为加工机理的研究提供了新 思路。与实验方法相比，计算机仿真技术具有以下几方面的特点： ( 1 ) 抽象简化实际系统，建立完善的系统模型 ( 2 ) 预测、参数优化 ( 3 ) 重复性好 ( 4 ) 经济、安全性高 正是因为计算机仿真技术具有上述实验无法比拟的优势，被广泛应用于微细电火花加 工的各个研究领域中，如图1 4 所示，并取得了卓为有效的成果。 7 微细电火花复合电极制备技术仿真与实验研究 g e d m 仿真技术 加工过程动态仿真】( 加工过程物理特性仿真 洲睫 图1 4m e d m 的计算机仿真技术结构图 f i g 1 4 s t r u c t u r ec h a r to fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y0 fm e d m 电火花加工机理导致了其加工过程中不可避免地存在着电极损耗现象，严重影响了加 工工件的形状和尺寸精度；这种现象在微细电火花加工中尤为显著，严重制约着微细电火 花加工技术的发展与应用。如何取得高的材料去除率( m i 乇r ) 、低的电极相对损耗( 删， 一直是微细电火花加工技术应用研究的热点。 国内外学者们通过对电火花加工过程电蚀机理的分析建模，对其进行了大量的计算机 模拟研究。t n c a r i c o 等人通过建立材料去除率、工具体积损耗与电加工工艺参数( 间隙电压、 间隙电流) 、放电间隙宽度的函数关系，对e d m 成形加工过程进行了模拟仿真圈。k u n i e d a 和m o r t 对e d m 成形加工中材料去除率和局部放电间隙宽度之间的依赖关系进行了研究， 并以此为基础计算了两电极表面去除薄层的厚度四】。k u n i e d a 和m 商以放电延迟时间为基 础开发了比较完整的e d m 成形加工过程仿真模型，包括火花放电位簧搜索算法、电极材料 去除、电蚀产物的产生和工具电极的伺服进给；同时在考虑面积效应和以上因素的基础上， 对电火花放电位置进行了模拟仿真 2 4 - 2 7 】。y o u n gh u nj e o n g 等人基于单脉冲实验提出了适用 于微细电火花加工过程的二维仿真模型，能在一定程度上预测电极和工件的几何形状 2 8 1 。 国内学者们在微细电火花电极损耗补偿的计算机模拟研究方面取得了较多的成果。赵 万声等人对线电极驱动的e d m 成形加工过程进行了几何形状仿真【2 9 】。余祖元等人基于等损 耗理论实现了微三维结构的电火花铣削加工刚。裴景玉等应用等损耗理论，采用分层加工 法建立了单道加工时底面形状随电极损耗变化的轮廓模型，并进行了定长补偿仿真分卡斤【3 1 1 。 高德东等人则建立了包括放电通道仿真、电极热场分析和工艺参数优化的微细电火花加工 8 大连理工大学硕十学位论文 仿真系统，系统具有数控代码验证、轨迹仿真、参数优化和预测加工等功能，为研究微细 电火花加工过程提供了一种较好的思路【引。 上述仿真研究，分别从不同的角度对电火花加工过程中的电极损耗补偿和材料去除展 开建模分析，对加工过程的改进和优化起到了良好的推动作用。但可以看到，所建立的加 工模型，多是以常规e d m 成形加工为研究对象的；面向微细电火花加工过程的理论模型并 不多。余祖元、裴景玉等人基于等损耗理论建立了加工过程的仿真模型，对电极的损耗补 偿取得了良好的效果；但是，众所周知，电火花加工是依靠火花放电时产生的极端高温使 工件材料熔化、甚至气化，达到去除材料的目的的。因此，有必要从热学的角度对微细电 火花加工过程建模分析，进一步的研究加工过程中的电极损耗和材料去除特性。 1 3 2m e d m 热学仿真技术的应用现状 材料去除模型主要是基于电热机制的，由于受到来自离子通道极高密度的热流作用， 电极材料会形成非常高的瞬时温度分布而被腐蚀。从1 9 7 1 年的电热模型和电磁模型概 念的应用开始，国内外的学者采用了许多简化方法来预测电极表面温度分布并估算电极材 料的去除特性。 s c h u l z e 等人在2 0 0 4 年依靠实测放电电压和电流的方法估算离子通道的热量和离子通 道的几何形状变化，同时用有限元法预测加工表面的热影响区，并对凹坑几何形状和尺寸 进行了比较分丰斤【3 2 1 。m a r a f o n a 和c h o u s a l 在2 0 0 6 年用有限元法分析了离子通道内的温度分 布和热源作用下的电极表面，计算出单脉冲下电极材料的熔融体积；然后与由d i b i t o n t o 等 人于1 9 8 9 年得到的a g i es i t 实验数据进行了比较【3 3 】。s a l a h 等人在2 0 0 6 年采用数值方法 预测了稳定热扩散模型下的电极温度分布，该模型运用了高斯分布热源和对流冷却边界条 件阴】。另一方面，s n o e y s 和v a nd i i c k ，v a nd i j c k 和d u t r e ，b e c k ，j i l a n i 和p a n d e y ，p a n d e y 和j i l a n i ，d i b i t o n t o 等人和p a t e l 等人则从瞬态热学模型出发，对电极表面温度分布进行了数 值估计【3 5 删。 在相同的条件下，d i b i t o n t o 模型在预测凹坑形状和加工过程的蚀除速率方面与实验数 据更加吻合，特别是在较大的放电能量的情况下( 放电能量9 1 2 m j ) 具有较高的精度；其他 模型的工件温度分布较高，从而导致凹坑尺寸和材料蚀除速率偏大。 上述研究结果表明：通过热学模型对电火花加工过程评价是一种行之有效的方法。 在电火花加工技术的热学仿真分析中，由于单脉冲放电的影响因素很少，结果便于观 测；同时，对单脉冲放电加工的研究是对连续放电加工过程进行研究的基础，而且单脉冲 放电加工的温度场分析是进行其它热力学分析的基础，所以学者们对单脉冲放电条件下的 材料蚀除机制进行了比较充分的研究。 9 微细电火花复合电极制备技术仿真与实验研究 表1 1e d m 热学模型比较【4 3 】 t a b 1 1c o m p a r i s o n so fd i f f e r e n tt h e r m a lm o d e l sf o re d m 黄志刚等人用有限元法对单脉冲电火花加工温度场进行了分析洲。马仕龙通过研究单 脉冲放电时的去除特性，比较详细地探讨了电火花加工过程的蚀除机理嗍。楼乐明等人详 细阐述了计算机仿真技术在电火花加工工艺建模、工艺参数优化、a n - r 机理研究等方面的 1 0 大连理工大学硕士学位论文 可能性与可行性，建立了电火花加工工艺仿真系统，同时研究了计算机仿真技术在电火花 力n - v _ 热传导模型的应用，为脉冲电源的参数选择及波形设计提供了理论支持 4 6 1 ，文献 4 7 - 4 9 】 对气中电火花加工过程进行了单脉冲仿真，其中m 】利用a n s y s 研究了气中微细电火花沉积 工艺参数。曹国辉借助单脉冲放电介绍了微细电火花加工方法，并进行了实验研刭5 0 。李 宁海采用a n s y s 仿真研究了微细电火花加工过程中单脉冲放电下的温度场分布以及表面粗 糙度和材料去除率与放电能量的关系1 5 。 国外学者们也开展了单脉冲放电理论的研究，并取得了许多卓有成效的研究结果。 b o r - j e n qw a n g 等人研究了单火花放电下的材料去除过程，提出了热作用下的熔化，甚至气 化的蚀除机制【5 2 1 。v i n o d y a d a v 等人基于热学模型采用有限元法提出了热应力分析模型，并 分析了加工工艺参数对热应力的影响【5 3 1 。n i z a rb e ns a l a h 等人采用m a t l a b p d e t o o l 工具箱分 析了单脉冲作用下的温度场分布酬。s a l o n i t i s 等人利用热学模型，以椭圆凹坑截面为依据分 析了成形电火花加工过程中的材料去除率和表面形貌【5 5 】。y s w o n g 等人分析了单脉冲作用 下低能量时的微蚀凹坑尺寸、并利用简单热学模型分析了小于5 0 山能量下的材料去除效率， 指出约2 0 是由于气化而从表面去除的【5 6 1 。s h y e o 等人建立了微细电火花加工下的工具 电极和工件电极的电热去除模型，对单脉冲作用下的材料去除过程进行了理论与实验上的 比较分析，并以此为基础通过适当的模型转化对孔加工过程中的电极损耗进行了较好的 预测【5 7 ，5 8 1 。p h i l i pa l l e n 等人则依据热导模型采用m a t l a b 与a n s y s 等分析软件对电极 表面热场分布及其所产生的热应力场进行了较深入的探讨，表明多脉冲周期型拉应力的 累加效应会导致诸如微裂纹等的表面破坏，而单脉冲作用不足以产生此类现象【2 】。 通过上述两节的论述可以看到，对微细电火花加工过程的仿真研究目前主要集中在 基于等损耗理论的工具电极路径规划和其损耗补偿方面；另一方面，对单次放电情况下 加工过程的理论研究，尚停留在对单次脉冲放电时所蚀除的凹坑形状的分析和电极损耗 的粗略预测，并没有对连续加工过程进行有效地建模与分析。由前述分析可知，对单脉 冲放电加工过程的分析是对连续放电加工过程分析的基础，因此，从单脉冲理论出发， 探索对微小孔加工全过程进行模拟、预测的计算机仿真技术，十分有利于研究微细孔的 微细电火花加工过程中电极的损耗特性及其对加工孔所产生的影响。 1 4 微细电火花加工用新型电极 电极的制造一直是电加工方法制造模具过程中影响制造周期与成本的主要因素之一。 常用电火花工具电极材料包括铜、黄铜、石墨、钢、铸铁、钨、钼等十余种，为突破单一 材料性能上的局限性，人们又开发出了各种复合材料，如铜钨合金、银钨合金，由于结合 微细电火花复合电极制备技术仿真与实验研究 了高熔点材料和高导电导热材料两种材料的优点，它们具有更好的电：j n - r 性能。各种电极 材料的性能见表1 2 。 表1 2 常用电极材料嘲 t a b 1 2 c o m m o n l yu s e dm a t e r i a l so fm e d m e l e c t r o d e s 近年来，为了进一步提高电极材料性能，人们仍在不断研制各种新型电极材料，其中 铜基复合材料尤其受到人们的重视。研究表明【5 9 】，在铜中加入1 5 1 0 的铌或4 巧的z r 0 2 或加入l 1 5 的石墨，都可提高材料的耐蚀性。在铜中加入2 3 的氮化硼，高温下氮化 硼分解的蒸气有助于灭弧。在铜中加入1 5 的t i 0 2 ，高温下t i 0 2 分解，可充当冷却剂吸 收热量。s h u 等人例使用粉末冶金方法制备c u - s i c p 复合材料电极，电加工实验表明，含 2 s i c p 的复合材料在脉宽为1 5 0 1 t s 时具有最优的电加工性能。n o r a s e t t h e k u l 等人【6 l 】研究了 1 2 大连理工大学硕士学位论文 渗铜法制得的z r b 2 c u 复合材料电极的电加工性能，结果显示复合材料在电极相对损耗、工 件去除率方面均优于传统铜、石墨电极。“等人 6 2 1 采用液相烧结法制备了c u t i c 复合材料， 发现t i c 含量为1 5 的c r i t i c 材料具有优于铜材电极的电加工性能。张曼博士【6 3 】采用电沉 积技术制备了c u - z r b 2 复合电极，表明c u - z r b 2 复合镀层具有很好的高温稳定性；与纯铜材 料相比，c u - 1 7 6 z r b 2 复合镀层的材料取出率可提高11 - 3 0 ，电极相对损耗可降3 0 - 4 4 ， 而对加工工件的表面粗糙度影响不大，显示了该复合镀层良好的电加工性能。 但是，在共沉积过程中，镀层的沉积效率非常低，特别是沉积层的微粒含量低，通常 难以超过3 0 ，其对电极性能的改善作用十分有限。 基于此，本文提出了铜基镍钨合金复合电极制备技术，即在纯铜基体表面采用电镀技 术复合共沉积镍钨合金，改善表面材料的抗电蚀性能，减少微小孔加工过程中的电极侧面， 尤其是端部圆角损耗，以达到端部损耗趋向一致的目的。 1 5 课题的研究内容 本文着眼于微细加工环境下的电极损耗预测与补偿及其对加工孔精度的影响，从以下 几个方面开展相关方面的研究： ( 1 ) 根据m e d m 电蚀机理和单脉冲作用下的去除机制，以m a t l a b 为平台联合a n s y s 建立相应的单火花放电去除加工仿真模型。分析两微细电极表面的温度场分布规律，为进 一步研究加工过程中的材料蚀除机制的研究提供理论依据；并对该模型的特点与预测能力 进行分析。 ( 2 ) 分析微细孔的电火花加工过程实质，结合单脉冲放电作用下的两电极材料去除机 制，建立微细电火花孔加工过程仿真模型；对关键模块进行算法设计，以m a t l a b 为平台编 写相应的加工过程仿真程序代码，设计相应的实验检验程序的合理性。 ( 3 ) 对采用普通电极加工微小孔的微细电火花加工过程进行较为系统、深入地模拟仿 真分析，研究加工过程中工具电极损耗现象及因损耗带来形状的改变对所加工微d , ；f l 尺寸 精度，尤其是形状精度的影响，并提出相应的改进措施以提高微小孔的加工精度。 ( 4 ) 提出制备复合电极，以增强表层材料的抗电蚀性能，使端部达到近似等损耗的设 想。建立复合电极加工微小孔的过程仿真模型，编写代码通过仿真实验论证设想的合理性； 进一步地，制备c u 基n i - w 合金复合电极，进行微细孔的m e d m 加工实验验证设想的实 际可操作性和仿真研究的可行性，为新型电极的制备和研究提供新的思路。 微细电火花复台电极制备技术仿真与实嘧研究 2 微细电火花蚀除机理与仿真方法 21 微细电火花蚀除机理 火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下束的，这一微观的物理过程即 电火花的加工机理，也就是电火花加工的物理本质h 。虽然如12 2 节所述，与常舰电火花 加工相比，微细电火花加工具有十分明显的不同之处，但在加工本质上与其相同，具有相 似的材料去除过程。 211 电极材料蚀除过程 同常规电火花加工一样，工件材料的蚀除过程是一个复杂的多场耦合过程，伴随着电 磁场、热力场、流体力场、电化学及胶体化学等的综合作用。由于这一微观过程极其复杂， 特别是微细环境又增加了了解、认知的难度，所以，到目静为止对微细电火花加工机理的 认识仍有待进一步的研究。一般认为，电极材料的蚀除过程中，火花放电的热敬应是起主 导作用的，r 件材料的熔化、甚至气化是引起工件蚀除的微观机理【”j 8 5 “。因此，脉冲在两 电极问击穿放电，在两电极表面形成热蚀小凹坑，如图21 所示。连续不断的高频脉冲放电， 包络出所需要的加工表面。 图21 微细电火花加t i 意图 f i g21 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m e d m 具体的电蚀过程是：如图2 1 所示，当脉冲电压施加到工具( 阴极) 与工件电极( 阳极) 大连理工大学硕+ 学位论文 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，其截面积很小，通道中的电流密度极大，可达 1 0 4 _ 1 0 7 a c r n 2 。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1 0 0 0 0 c 以上。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。此外，由于这一加热过程一般只有1 0 - 7 1 矿秒，因 此金属的熔化、气化以及介质的气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【6 】。 可以看出，脉冲放电引起的瞬时高温对于电极材料的去除具有重要作用。由于微细电 火花加工中通常使用微能高频脉冲电源，使得放电时间极短，t e 一般在微秒、甚至纳秒量级。 此外，脉冲能量在两极间转换与分配的同时，在其表面分别形成了瞬态温度场分布。这个 温度场具有以下三方面的特点： 建立和持续的时间极其短暂，在峭甚至n s 量级； 伴随着通道半径的变化处于不稳定状态； 温度梯度大，影响区域小； 瞬态温度场不仅和去除材料密切相关，而且巨大的温度梯度易引起残余热应力，导致 工件产生微细裂纹，影响表面质量。 2 2 1 瞬态热源讨论 由2 1 1 节的分析可知，放电时所释放的能量绝大部分都以热能的形式，分配在正 负电极上，并在其表面分别形成瞬时高温热源。根据热源形成机理的不同，电极对上的 热源分为体积热源与表面热源两种。 体积热源是放电电流通过电极表面的放电点时，由于电阻热效应而产生的。因电流 密度的不均匀导致体积热源也是不均匀的，但由于放电点很小，一般情况下可近似认为 是均匀的。根据焦耳一楞次定律，其平均大小可用式( 2 1 ) 计算： g e = 歹2 o r ( 2 1 ) 其中，为电流密度，盯为电导率。 体积热源的形成在很大程度上依赖于电流的趋肤效应，因此只有在电流急剧变化时 才有可能产生大量的焦耳热；如果放电持续时间较长，放电电流的变化率较小时，产生 的焦耳热是有限的。因此，除放电的初始阶段外，体积热源的作用是很小的【4 5 1 。 1 5 微细电火花复合电极制备技术仿真与实验研究 放电通道中的高温等离子体把大量的能量传递给电极表面形成表面热源，它是形成 表面热场分布的主要因素。由于放电通道的不均匀性，电极表面热源也是不均匀的，实 际上它是热源半径的函数；但考虑到放电点半径很小，可近似认为是均匀的【删。 基于以上考虑，本文应用均匀的表面热源模型计算电极表面的温度分布。 2 2 基本工艺规律 由2 1 节分析可知，电极表面放电点的瞬时温度不仅与电极极性密切相关，而且与瞬时 放电的总热量( 与放电能量成正比) 以及电极材料的导热性能有关。合理地选择相关工艺参 数，对于表面温度场的形成与分布具有重要意义。 2 2 1极性效应 电火花加工中，只是因为正、负极性的不同而导致电蚀量不同的现象，称为极性效应。 通常把工件接正极，工具接负极，称为正极性加工，反之则称为负极性加工。 在微细电火花加工中，由于脉冲时间极短，电子在阳极表面轰击引起的热效应比正离 子轰击阴极更明显，导致正极电蚀凹坑比负极大，亦即前者的蚀除速率大于后者，如图2 1 所示，所以微细电火花加工通常采用正极性加工方法，本模型中所采用的计算理论亦是建 立在正极性加工基础上的。 2 2 2 电) j a m 参数与蚀除量的关系 由2 1 1 节的电蚀机理可知，粒子轰击分别在工具电极与工件表面形成瞬时热源，进而 在放电点附近形成瞬时温度场分布。在相同加工条件，瞬时热源温度随着脉冲能量的增加 而增加，其影响区域也逐渐扩大，因熔化、甚至气化而被去除的电极材料就会增多。 因此，采用电火花加工时，单个脉冲能量与单个脉冲蚀除量在一定范围内呈正相关关 系。对于r c 电源来说，单个脉冲能量由式( 2 2 ) 计算： 最= 圭c u 2 ( 2 2 ) 上式中，最为单个脉冲能量，j ；c 为电容，f ；u 为极间开路电压，v 。 综上所述，在微细电火花加工中，选择不同的电加工参数，就会在电极表面形成不同 的温度分布，进而引起单次蚀除量的不同。 2 2 3电极材料热学性能的影响 每次脉冲放电时，正、负电极放电点所获得的热能，除一部分由于热传导散失到电极 其他部分和工作液中外，其余部分主要用来蚀除工件材料和工具电极。热量在电极表面传 递特性与材料的热学性能密切相关，由此形成了不同的温度场分布。 1 6 大连理工大学硕士学位论文 在传热分析中，热扩散系数a 是度量材料传导热能的能力与其贮存热能能力的相对 大小的一个的重要物性参数6 4 1 ，单位为m 2 s ；它描述了材料对变化的热环境的反应快慢 程度，其值越大，反应就越快，其定义如式( 2 3 ) ： 口：上 ( 2 3 ) 口= l z 3 j p c p 上式中，k 是热导率，反映了材料对热能的输送能力，而体积比热容p c p 反映了材 料贮存热能的能力。 因此，热导率愈大的金属，由于能把瞬时产生的热量较多地传导散失到其他部位，因 而降低了本身的蚀除量。当单个脉冲能量一定时，脉冲宽度愈短，脉冲电流幅值乇愈大， 由于热量过于集中而来不及传导扩散，会减少散失的热量，增大抛出的金属中气化部分比 例；虽然会多耗用不少气化热，电蚀量也会降低，但利于电蚀产物的排除，改善了加工过 程。此外，当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热、熔化热和气化热愈高，电 蚀量将愈少，加工也愈困难。 在微细加工环境中n - r _ 大深径比微小孔时，由于蚀除产物不能有效地排出，新鲜介质 溶液无法进入间隙，经常会发生非正常放电，导致工具损耗严重，无法向深度继续进纠6 s l 。 因此，增加由于气化机制去除材料所占的比重，有利于改善电蚀产物对加工环境的影响。 所以，从这个角度出发，在微细电火花加工中选用具有较高体积比热容、较低热导率，亦 即热扩散率较低的材料就比较优越。 2 3 单脉冲蚀除模型与讨论 2 3 1 单脉冲蚀除模型 依据微细电火花加工机理，电极表面的温度分布可由基本热传导方程进行定量的描 述： ，7 r c p i u i = 2 v 2 t + r l p ( t ) j 2 ( 2 4 ) 研 式( 2 4 ) 中，c 为电极材料的比热，j ( g k ) ；p 为电极材料的密度，g c m 3 ；r 为电极材 料内的温度，k ；f 为传热时间，s ；五为导热系数，j ( c m s k ) ；p 例为电极材料的电阻 率，q c m ；，为电流密度，a c m 2 ；v 为拉普拉斯算子。 式( 2 4 ) 中，如果忽略方程式右边的第二项，就是基于表面热源的热传导基本方程， 它描述了在没有内热源条件下的导热情况；如果忽略方程式右边的第一