（机械制造及其自动化专业论文）气体介质中电火花成形加工工艺技术研究.pdf

摘要 电火花加工中的液体工作介质有以下的不足之处：使用油类工作介质有 火灾的隐患，加工中产生对人体有害的气体，工作液处理不当容易污染环 境，中、精加工时电极损耗较大；而水作介质容易锈蚀工件和工具电极。气 体介质中电火花加工是上世纪9 0 年代出现的新加工技术，该加工方法的优 点是：工具电极损耗极低，没有火灾隐患，加工过程环保、安全。因此，气 体介质中电火花加工技术具有广阔的发展前景。本文通过对气体介质中电火 花成形加工技术的加工机理、工艺规律、工艺实验以及加工表面特性等的探 索研究，旨在进一步了解和掌握气体介质中电火花加工新技术，推进其实用 化和深层次研究的进程。 加工机理是一种加工方法的核心所在，是一种加工方法的理论基础。为 此，首先对气体介质中的电火花加工机理进行了深入的分析研究。以气体放 电物理的基本过程为切入点，认为气体介质的电火花加工中：1 电子在气体 的电离过程起主要作用，电子活跃的碰撞性能是气体电离的主要原因。2 。放 电通道是由于电子雪崩发展到一定程度后形成了流光造成的。而且，气体放 电中流光的分布具有一定的规律性，其常发生在靠近阳极的地方，并且向阳 极发展的流光粗，而向阴极发展的流光细，流光的这种分布特点形成了气体 介质中电火花加工的特点。3 气体的可压缩性很大，使得气体介质中电火花 加工放电通道的扩展非常迅速，从而导致等离子体弧柱内能量密度较低。4 在气体介质中进行电火花加工，电蚀产物主要是靠蒸发和高压气流的吹离排 出电极间隙的。 对气体介质中电火花加工技术进行了系统的工艺实验研究。从影响电火 花加工性能的电参数、伺服参数、气体介质参数以及电极材料参数等多方面 对气体介质中的电火花加工进行了系统的工艺实验研究。通过实验研究，了 解了气体介质中电火花加工的基本规律，并对实验现象进行深入的分析与总 结。根据实验结果并结合气体中电火花加工的机理，提出了两种新的气中电 火花加工方法一气体混和加工法和工件冷却加工法。 能够实现三维结构加工的电火花铣削加工技术是电火花加工技术的发展 方向之一。分析了传统电火花铣削加工特点及电极损耗补偿策略，结合气体 介质中电火花加工的特点，对气中电火花铣削加工的原理进行了分析，并根 据此原理进行了气中电火花铣削加工基本工艺规律研究。基于气体介质中电 宝尘鎏三些查兰三兰量圭兰堡鎏兰 火花铣削加工电极损耗低的特点，提出了气中电火花铣削加工的电极损耗补 偿策略及精加工方法，该补偿策略和精加工方法简单易行。利用通用的 c a d c a m 软件实现了多种三维结构的气中电火花铣削加工。 由于介质不同，气中电火花加工的表面与油中加工的表面存在很大的差 异。为比较全面了解气中电火花加工表面性能，对空气介质中加工的工件表 面进行了表面成分、表面再凝固层、表面硬度、表面耐磨性以及加工表面耐 腐蚀性等性能分析。发现空气介质中加工的工件表面有氧化物生成，加工表 面再凝固层较浅，加工表面微裂纹少，加工的显微硬度、耐磨性等比基体材 料有一定的提高，加工表面氧化物的生成在一定情况下有利于耐蚀性的提 高。 关键词气体介质中电火花加工；加工机理；加工性能；表面性能 a b s t r a c t l i q u i d d i e l e c t r i c sh a v ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g ei n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g ( e d m ) ：h i d d e nf i r et r o u b l em a ye x i s t sw h e no i ld i e l e c t r i c sa r eu s e d ， h a r m f u lg a sa r ep r o d u c e di np r o c e s s i n g ，i l l - h a n d l e do i lh a v ed i s a d v a n t a g ee f f e c t o ne n v i r o n m e n t ，a n dt o o le l e c t r o d ew e a ra r es e r i o u si ns e m i - f i n i s h i n ga n d f i n i s h i n gp r o c e s s ；w a t e rd i e l e c t r i cm a ye r o d et o o la n dt h ew o r k p i e c e e l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n gi ng a s ( d r ye d m ) ，e m e r g e di n9 0 sl a s tc e n t u r y , i sn e w e d mt e c h n o l o g y t h ea d v a n t a g e so fd r ye d ma r et h a tt o o le l e c t r o d ew e a ri s v e r yl o w , n of i r et r o u b l e ，a n dp r o c e s s i n gi ss a f ea n dg r e e n t h e r e f o r e ，d r ye d m t e c h n o l o g yh a sb e t t e rp r o s p e c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a c h i n i n gm e c h a n i s m ， t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t e c h n o l o g ye x p e r i m e n t sa n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s o fd r ye d mw e r es t u d i e di no r d e rt oe x p l o r ea n dm a s t e rt h en e wm a c h i n i n g t e c h n o l o g ya n d ，f u r t h e rm o r e ，t ob o o s tt h et e c h n o l o g ya p p l y i n gi np r a c t i c ea n d f u r t h e rr e s e a r c h m a c h i n i n gm e c h a n i s mi sp i v o t a lp a r ti nap r o c e s s ，a n di t i sa l s oat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o no fap r o c e s s s o ，f i r s to fa l l ，t h em e c h a n i s m so ft h ed r ye d mw e r e a n a l y z e d f o l l o w i n gv i e w t ) 0 i n t sa b o u td r ye d mb a s e do nt h eb a s i cp h y s i c d i s c h a r g ep r o c e s si t tg a sw e r ep r e s e n t e d ：1 e l e c t r o n sp l a yp r e d o m i n a n tr o l e si n c o l l i s i o na n di o n i z a t i o na n dt h ea c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o n si sm a i nr e a s o n i nt h ep r o c e s so fg a sm o l e c u l e si o n i z a t i o n ；2 d i s c h a r g ep a s s a g e sa r ef o r m e db y s t r e a m s ，w h i c hp r o d u c e db ye l e c t r o na v a l a n c h e sw h e nt h e yd e v e l o pt oac e r t a i n d e g r e e s m o r e o v e r , s t r e a m sa l w a y so c c u ri nt h ea d j a c e n td o m a i na r o u n dt h e a n o d e ，a n dt h es t r e a m sd e v e l o p i n gt o w a r da n o d ei sw i d e rt h a nt h a to ft h es t r e a m s d e v e l o p i n gt o w a r dc a t h o d e t h e r e f o r e ，s o m ef e a t u r e so fd r ye d m a r ed e t e r m i n e d b yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e a m sd i s t r i b u t i o n ；3 t h ed i s c h a r g ec h a n n e le x p a n d s v e r yq u i c k l yi nd r ye d md u et oc o m p r e s s i b i l i t yo fg a s a n dt h i sl e a d st ol o w e r e n e r g yd e n s i t yi nd i s c h a r g ep l a s m ac o l u m n ；4 d e b r i sg e n e r a t e di nd i s c h a r g ei s e j e c t e df r o md i s c h a r g eg a pb yv a p o r i z a t i o na n dt h ep r e s s u r eo fc o m p r e s s i v eg a s d u r i n gd r ye d m e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so ne l e c t r i c a ld i s c h a r g ei ng a sw e r ec a r r i e do u t t h e e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e di nm a n ya s p e c tt oe x p l o r et h ee f f e c to fm a c h i n i n g i i 卜 坠堑。鎏三些奎兰。：兰堡圭兰竺兰耋 p a r a m e t e r s ，s u c ha s ，e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，s e r v op a r a m e t e r s ，g a sd i e l e c t r i c sa n d a sw e l la sm a t e r i a l so fe l e c t r o d e o nm a c h i n i n gp e r f o r m a n c ei nd r ye d m s o m e b a s i cr u l e so fd r ye d mh a v eb e e nd i s c o v e r e dt h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t a lw o r k s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd r ye d mw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d a tt h e s a m et i m e b a s e do nt h ef u n d a m e n t a le x p e r i m e n ta n dt l em e c h a n i s m sm o d e lo f d r ye d m ，t w on e wm a c h i n i n gm e t h o d so fd r ye d mw e r ep r o p o s e d - - m i x e d g a s d r ye d m a n dw o r k p i e c ec o o l i n gi nd r ye d m e l e c t r i c a ld i s c h a r g em i l l i n g ( e d m i l l i n g ) w h i c hc a np r o d u c e3 ds t r u c t u r e ，i s o n eo fp r o m i s i n gt e n d e n c yo fe d mt e c h n o l o g y t h ef e a t u r e so ft r a d i t i o n a le d m i l l i n ga n dc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yf o rt o o lw e a rw e r ea n a l y z e df i r s t l y t h e n ，t h e p r i n c i p l eo fd r ye d - m i l l i n gw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd r y e d m o nt h eb a s i so ft h eu n i q u ec h a r a e t e r i s t i co fd r ye d m i l l i n g i th a sm u c h l o w e re l e c t r o d ew e a r t h em e t h o d so fc o m p e n s a t i n gt o o le l e c t r o d ew e a ra n d f i n i s h i n gm e t h o dw e r ep r o p o s e d ，b o t hm e t h o d sa r ee a s yt ou s e b yu t i l i z i n ga c o m m e r c i a lc a d c a ms o f t w a r e t h r e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u r ew e r ep r o d u c e d s i n c et h ed i f i e r e n c eo fd i e l e c t r i c s 。t h es t i r f a c em a c h i n i n e dw i t he d mi ng a s d e f e r st ow h i c hm a c h i n e di nl i q u i d i no r d e rt ok n o wt h es u r f a c ei n t e g r i t yo fd r y e d m ，t h es u r f a c ec o m p o s i t i o n ，s u r f a c er e c a s tl a y e r , s u r f a c eh a r d n e s s s u r f a c e w e a rr e s i s t a n c ea n ds u r f a c ee r o s i o nr e s i s t a n c ea r ea n a l y z e d i ti sf o u n df r o mt h e e x p e r i m e n t st h a ts o m eq u a n t i t yo fo x i d eo ns u r f a c ei sf o r m e da f t e rd r ye d m ； t h er e c a s tl a y e ri st h i n ；t h e r ea r eaf e wm i c r oc r a c k sf o u n do ns u r f a c ea n dt h e m i c r oh a r d n e s si si n c r e a s e dc o m p a r e dt ot h eb a s em a t e r i a l s i ti sa l s of o u n dt h a t t h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo x i d eo nm a c h i n e ds u r f a c ei si m p r o v e di ns o m ec e r t a i n c i r c u m s t a n c e k e y w o r d s e l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g i n g a s ( d r ye d m ) ，m a c h i n i n g m e c h a n i s m ，m a c h i n i n gp e r f o r m a n c e ，s u r f a c ei n t e g r i t y - i v 第1 章绪论 1 9 4 3 年前苏联拉扎连科夫妇发明了电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g - - e d m ) 方法，将电火花放电的腐蚀作用用于金属材料的加工。该 加工方法的实质是在两导电的金属电极体系中，通过主轴伺服系统的运动， 在脉冲电源的作用下在两极间发生瞬时局部放电，使金属材料熔化、气化， 导致金属材料被蚀除。该加工方法的特点，一是加工时工具电极与工件不接 触；二是没有传统切削加工时的切削力，消除了机械应力以及机床、工具与 工件系统振动等问题；三是可以加工任何硬度、强度的难加工的导电材料。 经过6 0 多年的不断发展，电火花加工技术己被广泛应用在模具制造业、航 空和航天等众多领域1 1 。3 1 ，现在己发展成电加工技术与设备产业。 1 1 电火花加工技术研究及发展方向 随着科学技术的不断发展，制造产品向小批量、多品种方向发展。对产 品的制造精度的要求越来越高，对制造业提出了更高的要求。同时值得注意 的是，世界经济的发展使得能源紧张的矛盾在当今越发显得突出。面对当今 制造业的发展态势，电火花加工技术同样面临着新的机遇和挑战，电火花加 工技术将在加工精度、加工微细化和高速高效化、加工绿色化以及新的加工 方法开发等方面得到更大的发展。 1 i 1 电火花加工精密化 电火花加工的精密化有两方面的含义：加工尺寸的精密化、加工表面质 量的精密化。电火花加工是利用放电产生的热能来蚀除金属材料的，从原理 上讲电火花精密加工可以通过减小放电能量来达到，亦即使用精加工的规准 加工。然而在使用较小放电能量的精加工规准下加工，存在着生产率低和电 极损耗大以及在较大的面积上加工时产生的寄生电容破坏工件的表面质量等 问题。较大的电极损耗会对电火花加工精度产生影响，当电极损耗量很大 时，加工精度就会下降。因此如何有效地降低工具电极的损耗，有效地提高 工件加工精度是电火花加工技术研究不断追求的主题。为此，人们对电极损 耗规律和影响电极损耗的因素进行了大量的研究【4 7 】。目前，常规的电火花 加工采用负极性、大脉宽的加工条件下，能够在工具上形成碳黑膜，工具电 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 极的损耗率可以稳定地控制在1 以下，但负极性、大脉宽的加工规准又使 得表面粗糙度值难以达到精加工要求。除了提高电火花加工的尺寸精度外， 还要提高加工工件的表面质量，表面质量的重要指标是表面粗糙度值。较小 面积的精密加工效果可以使用精微加工的电源来实现。大面积加工时，寄生 电容对放电脉冲的储能作用增强，多个放电脉冲能量累加在一起加工才能进 行，影响了精加工质量【g j 。目前，混粉电火花加工技术是实现较大面积加工 表面精密化的一种方法【9 - u 】。该方法是在煤油工作液中混入微细的粉末，以 改善放电间隙和极问的流场从而使加工表面达到镜面的加工效果，图1 1 就 是用混粉电火花加工的工件样件1 1 2 ，旧i 。然而混粉电火花加工存在操作、维护 复杂等不足之处，因此实现电火花加工表面的精密化技术有进一步的研究发 展空间。 图i - 1 混粉电火花加_ t 的样件 1 2 , 1 3 1 f i g 1 - 1s a m p l e se d m a c h i n i n gi np o w d e r - m i x e dm e d i a 1 1 2 电火花加工微细化 随着科学研究和国防尖端工业的发展，高新技术产品向功能密集化、超 精密化和外形小型化方向发展，对微小零部件的迫切需求大大促进了微细加 工技术的发展。在各种微细制造的加工方法中，微细电火花加工技术是实现 微细加工的重要加工方法之一。尤其是电火花线电极磨削技术w e d g ( w i r e e l e c t r i cd i s c h a r g eg r i n d i n g ) 的出现，为微细电火花加工奠定了基础，成功地 解决了微细电极的在线制作的瓶颈问题，促进了微细电火花加工技术的发 展，使其进入了实用化阶段【1 4 d “。微进给装置是实现微细电火花加工的关 键技术，是实现微细电火花加工的前提和保证，因此微细加工装置的研究是 微细电火花加工技术研究的重点【l - 1 9 】。目前，电火花微细加工已经成功地 加工出直径5 p r o 的孔，并且能够加工出微三维曲面【2 0 2 2 1 。图1 2 为美国内 第1 章绪论 布拉斯加林肯大学的余祖元等人加工的八分之一球瓣，图i - 3 为哈尔滨工 业大学加工的微三维人脸结构，体现了微细加工技术在微三维结构加工方面 图i - 2 微细电火花铣削加工的1 8 球瓣口2 】 f i g 1 21 8s p h e r ei ns q u a r ec a v i t ym a c h i n e db ym i c r oe d - m i l l i n g 【2 2 1 a ) 扫描电镜照片b ) c c d 照片 图1 - 3 微细电火花铣削加工三维自由曲面样件【2 0 】 f i g 1 - 3as a m p l eo f m f c r o z 3 df l e ef o r mb ym i c r oe d m i l l i n g 【2 0 】 的优势1 2 0 , 2 3 1 。由于微细加工对工件与电极的特殊要求，对加工过程的控制以 及电极损耗等问题的解决将是微细电火花加工的研究方向2 4 1 。 1 1 3 电火花加工高速高效化 高速铣削加工技术的发展，对广泛应用于复杂形腔加工的电火花加工技 术形成了挑战 2 5 , 2 6 l 。因此，电火花加工速度和加工效率的提高是其发展的方 向。可以从以下几方面来探讨提高电火花加工效率和速度的途径。 ( 1 ) 改造或设计新型的电火花成形加工电源，从提高电源的电能利用率 入手提高电火花加工效率。传统的电火花加工脉冲电源的利用率不到 3 0 ，大部分的能量通过限流电阻被消耗掉了 2 7 , 2 8 1 。因此改造或开发新型电 源，有效提高电火花加工电源的电能利用率，减小电源的能量损耗是间接提 高电火花加工效率的一种方法1 2 9 。 氅釜鎏三些查竺三耋堇圭耋竺篁兰 ( 2 ) 电火花铣削加工技术的进一步完善和发展。c a d c a m 技术的不断 发展，使得用简单形状的电极进行类似于数控铣削加工的电火花铣削技术的 h 现也是提高的火花加工效率的一种方法，尤其是在加工复杂形面的工件 时，电火花铣削加工更是彰显了其独特的优点。因为对复杂形面的电火花加 ：1 ：，成形电极的制备是一项复杂的过程，生产准备周期长。并且由于在精加 工中电极存在较大的损耗，必要时需要更换电极，增加了辅助时间和制造成 本。而电火花铣削加工技术无需制作复杂的电极，省去了成形电极制作的大 部分时间，因此从整体的加工效果看，可间接提高加工速度 3 0 - 3 2 。此外， 用多个电极的加工也是提高加工效率的方法口”。 ( 3 ) 提高电火花加工机床伺服系统的响应。目前日本s o d i c k 公司己将直 线电机应用于电火花加工机床的伺服系统。同传统电火花加工相比，装有直 线电机的系统在加工排屑不畅、或者不加冲油进行深窄槽、深小孔加工时， 加工的稳定性得到很大的提高。具有快速响应的装置如电磁式线性驱动装 置、压电元件和磁致伸缩振子驱动装置等的应用己成为一种发展趋势，这些 技术的应用尤其有利于电火花加工深孔、窄缝等工件速度的提高 3 4 。3 。 ( 4 ) 利用先进技术提高电火花加工速度。当今计算机技术、控制技术、 智能技术等得到了很大发展，将这些先进技术引入到电火花加工技术中，从 而实现高速高性能的电火花加工。目前先进的电火花加工机床融入了智能控 制技术，可以实现加工过程的模糊控制、自适应控制，能够根据放电加工的 状态调节伺服系统，从而改善加工状态，提高加工效率和表面质量 3 7 训】。 由于放电过程本身的复杂性、随机性，迄今为止在电火花加工的机理方面尚 未取得突破性进展，然而利用这些先进技术对加工参数进行最优化设计，以 及对加工过程进行动态仿真的研究有助于提高加工速度并促进对电火花加工 机理的研究1 4 2 。4 5 。 ( 5 ) 氧气介质中电火花加工也是提高电火花加工速度的方法之一。气体 介质中电火花加工的特点是电极损耗很低，并且氧气为介质的加工速度不逊 色于液中加工速度。因此加强以氧气为代表的气体介质中电火花加工技术的 研究，有望实现电火花加工技术新的突破【s ，4 “。 1 1 4 电火花加工绿色化及新的电火花加工工艺的开发 随着能源紧张的加剧以及环保意识的加强，绿色制造的理念已得到制 造业广泛的认同。人们已经意识到用油等作为工作液的负面效应越来越 大增加制造成本，对环境造成污染，影响操作人员的健康i ：4 7 】，因此用气 2 尘鎏三些耋兰三：釜圭：竺兰兰 ( 2 ) 电火花铣削加t 技术的进一步完善和发展。c a d c a m 技术的不断 发展，使得用简单形状的电极进行类似于数控铣削加工的电火花铣削技术的 h 现也是提高的火花加工效率的一种方法，尤其是在加工复杂形面的工件 时，电火花铣削加工更是彰显了其独特的优点。因为对复杂形面的电火花加 工，成形电极的制各是一项复杂的过程，生产准备周期长。并且由于在精加 工中电极存在较大的损耗，必要时需要更换电极，增加了辅助时间和制造成 本。而电火花铣削加工技术无需制作复杂的电极，省去了成形电极制作的大 部分时问，因此从整体的加工效果看，可间接提高加工速度“”j 。此外， 用多个电极的加工也是提高加工效率的方法”。 ( 3 ) 提高电火花加工机床伺服系统的响应。目前日本s o d i e k 公司己将直 线电机应用于电火花加工机床的伺服系统。同传统电火花加工相比，装有直 线电机的系统在加工排屑不畅、或者不加冲油进行深窄槽、深小孔加工时， 加工的稳定性得到很大的提高。具有快速响应的装置如电磁式线性驱动装 胃、压电元件和磁致伸缩振子驱动装置等的应用已成为一种发展趋势，这些 技术的应用尤其有利于电火花加工深孔、窄缝等工件速度的提高口4 。 ( 4 ) 利用先进技术提高电火花加工速度。当今计算机技术、控制技术、 智能技术等得到了很大发展，将这些先进技术引入到电火花加工技术中，从 幅实现高速高性能的电火花加工。目前先进的电火花加工机床融入了智能控 制技术，日j 以实现加工过程的模糊控制、自适应控制，能够根据放电加工的 状态调节伺服系统，从而改善加工状态，提高加工效率和表面质量 3 7 4 1 】。 由于放电过程本身的复杂性、随机性，迄今为止在电火花加工的机理方面尚 未取得突破性进展，然而利用这些先进技术对加工参数进行最优化设计，以 及对加工过程进行动态仿真的研究有助于提高加工速度并促进对电火花加工 机理的研究4 2 】。 ( 5 ) 氧气介质中电火花加工也是提高电火花加工速度的方法之一。气体 介质中电火花加工的特点是电极损耗很低，并且氧气为介质的加工速度不逊 色于液中加工速度。因此加强以氧气为代表的气体介质中电火花加工技术的 研究，有望实现电火花加工技术新的突破 “。 1 1 4 电火花加工绿色化及新的电火花加工工艺的开发 随着能源紧张的加剧以及环保意识的加强，绿色制造的理念已得到制 造业广泛的认同。人们已经意识到用油等作为工作液的负面效应越来越 大增加制造成本，对环境造成污染，影响操作人员的健康0 4 ”，因此用气 人增加制造成奉。对环境造成污染，影响操作人员的健康h 7 】，因此用气 体作为工作介质的“干式”加工方法取代液体作为冷却液或工作液的 “湿”加工方式，是制造业的发展方向 4 9 - 5 0 , 即制造的绿色发展趋势。 电火花成形加工的主要污染源之一是加工的工作液，尤其是碳氢化合物 的矿物油类工作液。这类工作液主要成分是高分子碳氢化合物，具有较强的 挥发性。加工时瞬间产生的高温使其分解产生大量的分解物，以烟气的形式 排放出来，其主要成分为h 2 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c n h n 、c o 、c 0 2 ，这些气体 对机床操作人员的健康不利，对环境有害，而且造成机床上的密封件材料老 化。据分析碳氢油类化合物排出的废物对环境影响作用极大，对人体有害的 影响在几年内都存在1 5 “5 3 j ，会引起操作人员的各种不适反应如皮炎等。在 加工期间产生的电蚀产物、过滤残渣等与液体电介质混和形成的油泥、电介 质的废物等都需要正确的处理，处理不当极有可能对土地和水源造成污染。 需要注意的是使用碳氢化合物的油类作为工作介质存在火灾的隐患，加工时 必须密切注意油温、油位的变化，否则容易引起火灾，曾有过因为电火花加 工而引起火灾的教训。气体( 氧气、空气) 为介质的电火花加工，加工过程中 不产生有害气体，对操作人员健康不产生有害的影响，不造成环境污染，还 可降低制造成本，若使用无穷无尽的空气，则其效应更加可观。因此，气体 介质中电火花加工的研究符合绿色制造的理念，是电火花加工技术的发展方 向之一。 不断开发新的电火花加工工艺是促进电火花加工技术发展的动力。绝缘 陶瓷和液中表面改性技术是目前电火花加工新工艺的代表。电火花加工绝缘 陶瓷技术现已开始实用化。该方法的关键技术是辅助电极的制备，加工原理 如图1 - 4 所示。在煤油工作液中进行加工，加工前在被加工的绝缘陶瓷表面 覆盖上辅助电极，加工时先对辅助电极区域进行加工，然后加工进入辅助电 宅爽花成擞加工 图1 - 4 绝缘材料电火花加工原理及线切割加上实例口7 1 f i g 1 4p r i n c i p l ea n das a m p l eo f e d mi n s u l a t e dc e r a m i c i 5 7 1 极和绝缘陶瓷材料的过渡区域，最后进入绝缘性陶瓷材料区域，借助于放电 堕玺鎏三些奎兰三兰兰兰竺鎏兰 产生的高温使煤油分解出来的碳元素附着于陶瓷表面，形成一层“生成导电 膜”，在绝缘陶瓷不断去除的同时，不断生成导电膜，直至加工结束p 4 ”j 。 图1 - 4 右侧为用电火花线切割方法加工的椅子样件1 5 ”。 液中放电表面改性技术是利用含有w c 、w 和t i 等成分的电极在油中 进行电火花加工，加工时应设定的加工条件是：小脉宽、正极性。由于火花 放电产生的高温使油分解产生了c 元素，其和电极材料的成分如w 或t i 等 发生化学反应，在工件的表层生成w c 、t i c 等高硬度、高耐磨性的一层沉 积膜，从而提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性，达到表面改性的目的。实验 证明用这种技术加工的刀具的使用寿命得到较大提高【5 “”j 。 1 2关于电火花加工介质的研究 在电火花加工中介质是放电击穿的物质基础，从而在两极间产生的等离 子体热量用于蚀除工件，其次介质还起到了压缩放电通道、排除电蚀产物、 对放电通道进行消电离以恢复放电通道的绝缘性等重要作用。此外，电介质 对加工的生产率、加工成本以及工件的表面质量等方面都有重要作用，对操 作者的健康、生产环境的安全和环境保护也有着重要的影响。 电火花加工技术发展的6 0 多年来，所用的加工介质一直是液体工作 液。电火花加工工作液经历了水和一般矿物油( 如煤油、变压器油) 、电火花 加工专用油到出现合成型、高速型和混和型电火花加工液等阶段【6 。下面 对常用的几种工作介质对电火花加工性能的影响进行简单的介绍。 1 2 1 用水作为n - r 介质 水作为电介质主要涉及了淡水、水中混和氧化物以及在水中加入一些添 添加剂而形成的水基工作液。m l j e s w a n i 在蒸馏水中进行电火花加工，在 定的能量范围内比较了蒸馏水中加工和煤油中加工性能。发现在较高的能 量输入情况下，水中加工速度较高，电极损耗较低，表面粗糙度较好，但是 加工的精度较差。电子微探针分析发现在较高的能量条件下加工，铜作为工 具在水中加工时，铜在碳钢工件上沉积较少，而煤油在较低的能量输入下加 工，在碳钢的工件上沉积较少。他认为在较高的能量输入条件下，可以使用 蒸馏水作为加工液【6 ”。有的研究认为在某些特定的加工条件下，如使用黄 铜为电极，负极性加工，加工脉宽小于5 0 0 i t s ，使用去离子水甚至是使用自 来水加工钛合金时可取得较高的加工速度。e r d e n 和t e m e l 使用紫铜电极， 脉宽取在4 0 0 15 0 0 k t s 范围之间时工件的加工速度较高，同时电极损耗较小 1 6 2 1 。j i l a n i ，s t a r i q 实验发现用自来水作为加工介质时，获得了较好的加工 性能，并发现用自来水加工的特点是电极损耗很低【6 ”。s l c h e r t 用蒸馏水 为介质，用紫铜加工钛合金时发现水的加工性能优于煤油。当使用油介质 时，分解的碳附着在电极表面，在工件表面形成t i c 。认为碳具有较高的熔 点，使得放电产生的脉冲力不稳定，因此减小了材料蚀除量。当以去离子水 作为电介质时，没有碳附着在电极表面，而在工件表面生成了t i 0 2 。因为 氧化物同碳化物相比具有较低的熔点，放电产生的脉冲力比较稳定，因此工 件的加工速度较高【“j 。l i n y a nc h e r n g 等在进行电火花超声复合加工钛合金 时发现，无论是电火花加工还是电火花超声复合加工，去离子水的加工速度 均高于煤油的加工速度，并且电极损耗低扣”。虞戟波认为水中加工速度高 的原因是由于放电弧柱内热量使水分解，产生的氧使电极材料氧化造成的 【6 6 】。 有些学者认为在较宽的加工范围内煤油的加工性能较好。wk 6 n i g 等 学者认为由于水具有较低的粘度，对放电通道的压缩作用较小，因此减小了 放电通道内的能量密度，结果导致工件加工速度降低1 6 ”。同油相比，水作 为工作液需要用较高热量去加热和蒸发水，导致在放电间隙中较低的气体压 力。在每一次的放电中，由于水的沸腾导致压力不足，结果熔化的金属不能 完全的排出。由于水的热容量是煤油的1 5 倍，在电火花加工时由于工作液 的流动而造成的蒸发量小于煤油。而水的张力是煤油的两倍，因此在工件上 附着的水多于煤油。结果在水作为工作液时，通过工件带走的损失大于煤油 5 1 , 6 8 1 。为了改善水的加工性能， w k 6 n i g 尝试了在水中添加一些大分子的 有机物，例如，乙烯乙二醇、聚乙二醇2 0 0 、甘油、聚乙二醇4 0 0 、聚乙二 醇6 0 0 、葡萄糖和蔗糖【6 ”。加入这些大分子的有机物，有效地提高了工作液 的粘度，火花放电能量使其离解产生的气体压力比水作为电介质时要高，因 此对放电通道的压缩作用强，改善熔融的金属材料从放电蚀坑中排出，增加 工件的加工速度。日本的学者曾进行了往水工作液中注入氧气的实验研 究，结果表明极间冲入氧气后，工件的加工速度提高【6 ”。 电火花加工时，由于工作液在放电点处的急冷作用，加工表面放电点局 部相当于淬火作用，结果在工件表面形成了再凝聚层( 也称再铸层或白层) 。 j ek r u t h 认为在碳氢化合物的油工作介质中加工钢时，在工件白层内发生 了渗碳1 7 。相反，在水基电介质中加工没有发现渗碳现象。发生渗碳现象 是由于在油中的碳沉积造成的，碳原子转移到表面，增加了白层中碳的含 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 量。但是白层中存在微裂纹，降低了加工部件疲劳强度。b i i n gh w ay a n 在 加工钛工件时，在水中添加尿素来改善加工表面性能。实验发现，在水质工 作液中添加尿素，加工速度和电极损耗随着峰值电流的增加而增加，表面粗 糙度值随着峰值电流的增加而增加，加工表面上形成了t i n 。发现在合适的 加工条件下在水中加工纯钛时，金属表面发生了改性，从而改善了钛的抗摩 擦和耐磨损性能【7 ”。 1 2 2 用碳氢化合物油类作为j j 口- r 介质 虽然在一定的加工条件下，水具有较高的加工速度，然而水的绝缘性 能和粘度较低，必须保证其不导电，使其电导率严格地控制在某一固定值 的较小范围内，以便获得较好的加工效果。同时要控制好水的p h 值以避 免由于p h 值的变化引起电解腐蚀机床。水容易锈蚀机床，工件上损失的 水量较大。因此，实际电火花中成形加工多采用油为介质，并以油为介质进 行了大量的研究。 人们在实践中发现，油的洁净程度不同对加工性能的影响不同，而且发 现油中添加剂的种类和数量不同，对电火花加工性能影响不同1 7 ”。混粉电 火花加工方法的就是因为发现在工作液中混入硅粉术使工件的性能改变而提 出的。该加工方法是往煤油中添加无机粉末如铝粉、硅粉和碳粉等，实验表 明煤油中混入的微细粉末，改善了两极之间的流场，增加了放电间隙，能够 实现镜面加工效果f 7 。进一步的研究表明，混粉电火花加工不仅能够使工 件的加工表面达到镜面的效果，而且添加到工作液中的微细粉末在瞬时高温 的作用下能够与工件的元素发生反应，从而使工件表面合金化，工件表面性 能得到改善，提高了工件显微硬度和耐蚀性，使工件的表面质量提高。如 k a t s u s h if u r u t a n i 等采用薄壁电极和圆盘电极，在煤油工作液中添加t i 粉 末，进行了相关的实验研究。他们利用圆盘电极在较大面积的工件上获得了 t i 和t i c 的增长层【7 。混粉电火花加工的不足之处是，需要搅拌装置防止 微细粉末沉淀，以免由于粉末在液体工作液中分布不均而影响加工性能：加 工完毕后需要及时清理工作台，否则，粉末沉积影响f 次加工。基于上述原 因，兼顾混粉加工所具有的优点，进行了在煤油工作液中混入微细气泡进行 电火花加工的尝试，试验结果表明混气电火花加工在一定程度上能够提高工 件的加工速度、改善工件的表面粗糙度，并且电极损耗有所降低75 1 。日本 学者谷春认为由于脉宽期间极问几乎充满气泡，加工是相当于在雾的状态下 进行的。因此进行了雾状态下的实验，结果表明在雾中加工和液中加工没有 8 - 第l 蕈绪论 明显的差别”。 1 2 3 用气体作为加工介质 人们也曾尝试过用气体为介质进行电火花加工，然而受当时加工条件的 限制，气体介质中电火花加工有些问题不易解决。首先，排屑问题是一个难 点，由于加工过程中排屑不畅，电蚀产物容易粘住工具和工件，从而使加工 不稳定；熔化的工件金属材料被空气吹离加工区域后粘结在工件加工区域附 近表面，不易去除；另外，气中电火花加工的放电间隙小，气体介质抗击穿 强度较小，加工过程容易出现短路甚至是电弧放电现象，要求机床的伺服系 统对间隙的控制要灵敏，因此对机床的伺服性能要求很高。所以，虽然液体 介质有不尽人意的地方，一直没有发现可以替代水或者碳氢化合物油类介 质、能够进行稳定加工的其它介质，因此，水或油等液体工作介质一直被认 为是实现稳定的电火花加工所必不可少的条件之一。 直到2 0 世纪9 0 年代，随着相关技术的发展及加工工艺的不断创新，日 本学者成功地实现了气中电火花加工。气中电火花加工的成功使人们突破了 电火花加工只能在液体介质中进行的认识，而且研究发现在气中进行电火花 加工的优点是工具电极的损耗非常低、无火灾的隐患等，因此引起人们的研 究兴趣。气体介质中的电火花加工技术开阔了研究者的视野、拓宽了电加工 的发展空间 7 7 , 7 8 】。 1 3 气体介质中电火花加工技术研究 1 3 1 气体介质中淹火花加工技术简介 观察煤油中电火花加工过程就会发现，伴随着火花的产生，会有微细气 泡从极间生出，同时还伴随着烟雾的产生。放电能量增大，极问产生的烟雾 和气泡也增多。有学者认为在连续的脉冲加工下，两电极之间的空间实际上 大部分是由气泡所充满的 7 6 , 7 9 ，若在空气中进行电火花加工时，只要在电蚀 产物粘到工具或工件电极之前将其吹走，则加工可以进行。东京农工大学的 学者国枝正典等进行了气体介质中的电火花加工实验【8 “8 2 l ，实现了气体介 质中较为稳定的加工。 堕查鎏三些查兰三兰曼圭耋堡鎏三 气体介质中电火花加工原理如图1 - 5 所示。加工时使用管状电极，具有 一定压力的高速气体作为加工介质。加工时工作台数控摇动，如果主轴有旋 图i - 5 气体介质中电火花加上原理 f i g ，l 一5p r i n c i p l eo f d r ye d m 转