（机械制造及其自动化专业论文）电火花小孔加工理论及镀铬铜电极的试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 电火花小孑l 加工理论及镀铬铜电极的试验研究 摘要 i i i i i ll lll li i i i ii iiiii i i i i i i i i iiii y 2 15 6 5 4 8 电火花加工是靠放电点放电时产生的瞬时高温，来熔化、气化局部金 属。电火花加工中的工具电极和加工工件均受到高温以及带电离子和电子 的撞击作用，两者都有损耗。在电火花小孔加工中，电极损耗严重，加工 速度低。随着加工深度的增加材料去除率减小，甚至出现加工中断，加工 深度受限制，同时由于电极的损耗，加工的孔出现锥度等。因此工具电极 材料的选择非常重要。 电火花小孔加工中常用的电极是铜电极，铜电极具有优良的导电性， 但是由于其熔点较低，在加工的过程中损耗过大，尖端不断损耗，形成圆 角。不仅降低了加工效率，而且使加工精度下降。与铜材料相比，铬具有 相对较高的熔点，同时铬具有较高的比热容，铬升高同样的温度需要更多 的热量。在产生热量相同的条件下，铬熔化抛出的金属材料相比于铜金属 材料会少很多，这就减少了电极的损耗。结合以上铬的热学性能，铬很适 合做工具电极的材料，但是由于其导电性不够优良，将其作为镀层，涂镀 在铜基的表面是一种很好的选择，这种铜基镀铬复合电极不仅拥有黄铜的 强度以及导电性，同时具有铬的优良热学性能。 在铜管电极上进行电刷镀工艺处理，使铜管电极外壁获得铬镀层。并 在太原理工大学光整加工试验室设备d 7 0 3 f 电火花高速小孔加工机床上进 行d , t l s o i 工试验。通过改变峰值电流和脉冲宽度，获得峰值电流和脉冲宽 度对电火花小孔加工中加工速度、电极损耗率的影响。 太原理工大学硕士研究生学位论文 试验结果表明：采用铜铬复合电极进行小孔加工比采用铜电极进行小 孔加工能显著提高加工速度、减小锥度和电极损耗。 主要研究内容如下： ( 1 ) 探究电火花腐蚀机理，分析复合电极材料对放电间隙、放电通道、 电蚀凹坑、加工速度以及电极损耗的影响。 ( 2 ) 对放电间隙电场进行建模仿真，得到放电间隙内电场分布，分析放 电侧隙电场对电蚀产物的排除的影响。 ( 3 ) 对电火花加工间隙流场进行建模仿真，分析加工深度对电火花排屑 速度的影响。 ( 4 ) 综合以上结论，进行复合电极电火花小孔加工试验，研究电参数、 镀层对电火花小孔加工中加工速度、电极损耗以及加工精度的影响。 关键词：铜铬复合电极，电火花小孔加工，锥度，电极损耗 i i t h et h e o r yo fs a m l l h o l ee d m d r i l l i n ga n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o fc ue l e c t r o d e c o a t e db yc h r o m i u m a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s s i n go fe 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 ，t h em e t a li sm e l t e d b yt h ei n s t a n t a n e o u sh e a tg e n e r a t e dw h e nt h ed i s c h a r g ep o i n td i s c h a 唱i n g b o t 1 t o o le l e c t r o d ea n dw o r k p i e c ea r es u b j e c tt ot h eh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i t t e d b v i o n sa n de l e c t r o n i c ，t h e ya r eb o t hl o s s e d t h e r ea r e m a n yd i s a d v a n t a g e sd u r i n g t h e m a c h i n i n gp r o c e s s i n go fs m a l lh o l ee d md r i l l i n g ，s u c ha s t h es e r i o u s e l e c t r o d el o s sa n dt h es l o wm a t e r i a lr e m o v er a t e t h e s p e e do fp r o c e s s i n g d e c l i n e d s h a r p l ya n dt h em a c h i n i n ge v e n s t o p w i t ht h e m a c h i n i n gd e p t h i n c r e a s i n g ，t h e r e f o r et h em a c h i n i n gd e p t hh a sl i m i t s b e c a u s eo ft h e1 0 s s o f e l e c t r o d e ，t h ec o m e rw e a rr e s u l t i n gt a p e rs h a p e a sr e s u l t ，t h ec h o i c eo ft h et o o l e l e c t r o d em a t e r i a l si sv e r yi m p o r t a n t t h ec o p p e re l e c t r o d ei s u s e dc o m m o n l yi nt h em a c h i n i n gp r o c e s s i n go f s m a l lh o l ee d m d r i l l i n g t h ec o p p e r e l e c t r o d ew i t h g o o de l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ，b u tb e c a u s eo fi t sl o wm e l t i n gp o i n t ，i nt h ep r o c e s s i n gi t s 1 0 s si s s e r i o u s b e c a u s eo ft h ee d g eo fe l e c t r o dr e p e a t e dl o s s ，t h es h a r pe d g er o u n d e d n o to n l yt h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c yi sr e d u c e s ，a l s ot h e m a c h i n i n ga c c u r a c yi s l o w e r c o m p a r e dw i t ht h ec o p p e rm a t e r i a l ，c h r o m i u mh a sar e l a t i v e l v h i g h m e l t i n gp o i n t ，w h i l et h ec h r o m i u mh a sah i g hs p e c i f i ch e a tc a p a c i t y ，c h r o m i u m i n c r e a s e st h es a m et e m p e r a t u r er e q u i r e sm o r eh e a t i nt h es a m e h e a tc o n d i t i o n s ， t h e1 0 s so fc i h r o m i u me l e c t r o d ei sl e s st h a nt h el o s so ft h ec o p p e re l e c t r o d e c o n s i d e r i n gt h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h ec h r o m i u m ，c h r o m i u mi s v e r ys u i t a b l e u s e da st o o le l e c t r o d em a t e r i a l s h o w e v e r ，d u e t oi t sc o n d u c t i v i t yi s 。n o te n o u g h g o o d ，a s ac o a t i n g ，c o m e do nt h es u r f a c eo fc o p p e ri s ag o o dc h o i c e t h i s c o m p o s i t ee l e c t r o d en o to n l yh a st h e s t r e n g t ha n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f c o p p e r ，b u ta l s oh a se x c e l l e n tt h e r m a lp r o p e r t i e so f c h r o m i u m a f t e rt h eb r u s he l e c t r o p l a t i n gp r o c e s s e d ，t h ec h r o m i u mi s c o a t e do nt h e o u t e rw a l lo f 。c o p p e rt u b ee l e c t r o d e t h eh o l ep r o c e s s i n gi st e s t e do n t h ed 7 0 3 f s p a r kh i g h s p e e d s m a l lh o l em a c h i n et o o lo ft h ef i n i s h i n gp r o c e s s i n g l a b o r a t o r yo ft a i y u a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b yc h a n g i n g t h ep e a kc u r r e n t a n dp u l s ew i d t h ，t og e tt h ec h a n g eo fp r o c e s s i n gs p e e d ea n de l e c t r o d ew e a r r a t e w i t ht h ec ha n g eo fp e a kc u r r e n ta n dp u l s ew i d t hd u r i n g t h em a c h i n i n g p r o c e s s i n go f s m a l lh o l ee d md r i l l i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o m p a r i n gt h ec ue l e c t r o d e ，a d o p t i n g c u c rc o m p o s i t ee l e c t r o d ef o rs m a l lh o l ee d md r i l l i n gc a nr e m a r k a b l yi m p r o v e t h ep r o c e s s i n gs p e e d ，r e d u c i n gt h et a p e ra n de l e c t r o d el o s s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ： ( 1 ) e x p l o r e t h em e c h a n i s mo fs p a r ke r o s i o n ，a n a l y s i s t h e i m p a c t o f c o m p o s i t e e l e c t r o d eo nt h ed i s c h a r g eg a p ，d i s c h a r g ec h a n n e l ，e l e c t r i c a l c o r r o s i o np i t s ，p r o c e s s i n gs p e e da n de l e c t r o d ew e a r ( 2 ) m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h e e l e c t r i cf i e l do ft h ed i s c h a r g eg a p ， i v o b t a i nt h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l d b e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n dw o r k p i e c e 肌a l y s i st h ei m p a c to fe l e c t r i cf i e l do ft h ed i s c h a r g eg a po ne x c l u d i n go f e l e c t r i c e r o s i o np r o d u c t s ( 孙m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l do fe d m ，锄l y s i st h e i m p a c to f p r o c e s s i n gd e p t ho ne x c l u d i n gs p e e do fe l e c t r i ce r o s i o np r o d u c t s ( 4 ) b a s e do nt h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e da d o p t i n g t h ec u - c rc o m p o s i t ee l e c t r o d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h e i m p a c to ft h e e l e i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ec o a t i n go n p r o c e s s i n gs p e e d ，e l e c t r o d ew e 盯a n d m a c h i n i n ga c c u r a c yo nt h ee d ms m a l lh o l ep r o c e s s i n g k e yw o r d s ：c u - c r c 。m p o s i t ee l e c t r o d e ，s m a l lh o l ee d m d r i l l i n g ，t 印e r ， e l e c t r o d ew e a r v 奎垦望三奎堂堡主堕壅生堂垡笙壅 一_ _ 一一 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着科学技术的进步和工业生产的发展，微孔及深孔的应用越来越广泛。在喷油嘴、 过滤器、喷丝板孔、印刷电路板以及打印机打印头等元器件上都能见到微小孔的踪迹【1 】。 现在对小孔、微孔和深孔的定义还很模糊，传统观念认为直径为o 1 3 m m 的孔为小孔， 小于0 i m m 的为微孔，深径比大于1 0 以上的孔称为深孔【2 】。微小深孔的加工在工艺上 是比较困难的，例如用线切割加工的模具的穿丝孔，其结构尺寸直径为i m m 左右，深 径比为( 2 0 1 0 0 ) ：1 【3 】。特别是对孔径尺寸和孔的精度有一定要求的孔，加工起来更加困 难，例如航空发动机零件的发汗孔，孔径一般在几十微米【4 】，用传统工艺方法已经很难 实现对上述孔的加工，而电火花小孔加工就体现了它的优势。电火花加工小孔常用于高 硬度金属材料的加工中，它在提高生产效率和增加孔深径比等方面有一定的优势。但是 成型精度不易控制，因而需要对高速电火花深小孔加工机理进行深入分析。 1 1 孔加工综述 深小孔的加工在机械加工中面临很大的挑战，特别是在模具钢、硬质合金、陶瓷材 料和聚晶金刚石等高强度、高硬度的材料上进行深小孔加工尤为困难。机械加工方法效 率很低，例如采用金刚石钻头；b n - r ，主轴转速2 0 0 0r r a i n ，进给速度2 0 0r a m r a i n ， 只能加工深径比小于2 0 ：1 的孔。随着加工深度的增加导致排屑不畅，甚至无法正常加 工【5 】。随着现代科学技术和工业生产的发展，对难加工材料上的小孔加工技术有了迫切 的需求。机械钻削方法在高硬度材料上加工深小孔效率很低，孔越深切屑越不容易排出， 在出口处容易发生堵塞，再者是很难将切削液导入切削区，由于加工不稳定钻头容易折 断，这些因素都将导致孔的精度下降( 包括孔的圆柱度及表面粗糙度) 呖】。 其他常见的加工小孔的特种加工方法有：电子束加工、激光束加工、离子束加工和 电液束流加工等。特种；j 日- r 方法通常采用各种物理、化学能量及其各种理化效应，直接 去除材料以达到所要求的形状和尺寸。其中电火花加工应用比较广泛，它是非接触式加 工，没有机械切削力作用，孔的；自n - r 效率比较高，因此研究电火花加工在小孔加工方面 的应用是很有必要的。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 1 电子束加工 电子束加工微小孔的原理是：在真空高温条件下，逸出电子在高压电场作用下高速 朝阳极方向运动，形成高速电子束流，再经过电子透镜的聚焦，形成能量密度极高的电 子束，然后高速( 光束的1 2 1 3 ) 冲击到工件表面。工件受冲击区域产生几千摄氏度的 高温使材料熔化和汽化，从而实现去除材料的目的。电子束可受磁场电场的控制反应速度 极快，有利于实现电子束加工的自动化操作。通过偏转线圈可以对电子束的运动轨迹进 行控制实现对弯曲孔的加工。由于电子束加工的特殊性，电子束可以汽化任何硬度的材 料。由于电子束加工设备和真空系统价格昂贵，因此没有得到广泛的应用。 1 1 2 激光束加工 激光加工微小孔是利用光的能量经过聚光器聚焦在工作物质上，焦点处达到很高的 能量密度，由于光热效应的作用，焦点处材料的温度急剧上升，到达该加工物质的沸点 后，材料开始汽化。孔径的尺寸由光斑的尺寸决定，由于光斑聚集的很小且能量很高， 所以激光几乎可以在任何材料上打微型小深孔。激光打孔的速度很快，在o 0 0 1 s 左右 就能完成一个孔的加工，而且孔周围的氧化变形，热影响区域很小，不需要处理工序。 可在工件移动过程中打孔，因而易于实现加工自动化【7 】。已经应用于发动机的火花塞、 化学纤维喷丝板、喷丝孔、仪表中的宝石轴承打孔方面等，孔径可小到o 0 1 r a m 以下， 孔的深径比可达5 0 ：1 。激光打孔为非接触加工，加工出来的工件表面清洁，无污染，没 有工具损耗问题【引。 1 1 3 离子束加工 离子束加：亡是真空室中充满惰性气体，在高频放电、等离子体放电或电子轰击作用 下气态原子电离为等离子体，用一个负电位的电极引出正离子束流。因为离子的质量远 远大于电子的质量，带正电的离子经过加速、集束等过程，获得更高的动能，最后射向 工件表面。离子束加工是靠微观的机械撞击能量来加工的。离子束加工主要优点是加工 的精度极高，：污染小和加工应力、热变形等极小，但是离子束加工设备费用高、成本高、 加工效率低。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 4 电液束流加工 电液束微细加工是在金属管电极小孔加工的基础上发展起来的一种微细孔加工方 法，航空工业中的各种小孔的加工经常用到电液束微细加工【1 0 4 3 1 。 电液流加工的特点是利用高电压( 电解加工的1 0 倍以上) 和h c i ，h 2 s 0 4 等强酸 做电解液加工微孔。如图1 1 所示，电液束加工时，待加工材料接正极，绝缘玻璃管喷 嘴中的金属丝接负极，在两极之间加上几百伏的高压，高压电解液通入玻璃管中，经过 高电压电场，高速射向工件，进行加工 14 1 。有学者认为在高电压和大电流密度导致的强 烈化学反应与阳极金属溶解反应二者复合作用下，电液束加工的效率较高 1 5 】。 1 2 电火花 i , 孑l j i i 工 图卜1 电液束流加工 f i g 1 - 1 e l e c t r o f l o wm a c h i n i n g 工件 电火花小孔加工是靠正负两极( - r 具电极与工件电极) 之间的火花放电产生的高温 去除材料的，两极没有直接接触，能以低硬度工具加工高硬度工件，而且加工过程中切 削力很小，对电极的强度和刚度要求很低，可以在任何硬度的导电材料上进行放电加工。 电火花高速深d , 孑l n 工时采用特殊冷拔的双孑l 管状电极如图1 2 a a 放大截面所 示，电极作高速旋转运动，管电极中通入1 - 5 m p a 的高压工作液，工作原理见图1 2 。 电极回转可使电极端面磨损均匀，悬浮于, j q l 中心，不容易出现短路现象。当管电极与 工件间接触短路时，机床的抬刀系统自动工作，避免工具和工具之间的短路。工件与工 太原理工大学硕士研究生学位论文 具间没有接触没有轴向力，所以非常适合加工孔壁比较薄的孔。 北京易通电加工技术研究所已经生产出能加工深度达2 m 的电火花高速小孔加工机 床e t - d x 7 0 3 ，如图1 3 所示。电火花小孔加工就是将电极的形状反拷贝到工件上的过 程，因此采用不同截面形状的电极就能够加工出与电极截面形状对应的孔，如图1 - 4 所 示。 图1 - 2 电火花小孔加工原理 f i g 1 - 2 t h ep r i n c i p l eo fs m a l lh o l ee d mm a c h i n i n g 图1 - 3 高速电火花加工小孔机床 f i g 1 - 3h i 曲- s p e e de d m s m a l lh o l em a c h i n e 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 。i ； 一。| 鐾 ! ；遴i l l 盆 i l l l誓i 鍪i米 c mn i ；：鼍攀i i i 。镒 i | | t 蓥y 攀蠢澄 l | | 黛，耍 攀鬻i 鍪 l o2 。￥。群霸固 i ! i i i ! i i ；i i i i i i i ：i i ：i 、 i l i l c il 嚣 w 秽嫒l - - = - - 、 供 r1 _ 。薯l | | | i 。i j i j o囊啼 蓊一j | |山 啦 z 麓i 丛 ； 、j俄 麓 l t i ；k i 豹 0 麓 - - t - - _ ；瓤一。 ll i l oo o 尊 图卜4 各种异形孔 f i g 1 - 4 p r o f i l eh o l e s 为了改善电火花小孔加工过程中的排屑，以提高加工效率和加工质量，在普通电火 花小孔加工的基础上，又发展起来了超声波电火花复合小孔加工，引入超声波高频震动， 使工具电极端面有轴向高频震动，充分利用超声波对工作液的空化作用，减少电蚀产物 的凝结，创造有利的排屑条件【们。 1 3 常见电火花加工的应用 1 3 1 电火花穿孔成形加工 电火花穿孔成形加工是利用电火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复 制加工的工艺方法，其应用范围可归纳为：穿孔加工和型腔加工【2 1 。 穿孔成型广泛用于冲模加工中，做为一种应用非常广泛的模具，普通机械加工很难 保证冲模复杂的形状和较高的尺寸精度， 采用电火花加工能较好地解决这些问题。冲模采用电火花加工工艺比机械加工有如 下优点： ( 1 ) 可以在工件淬火后加工，避免了热处理变形的影响。 ( 2 ) 模具的配合间隙均匀，刃口质硬耐磨，提高了模具质量。 ( 3 ) 不受材料硬度的限制，可以加工硬质合金等冲模，扩大了模具材料的选用范围。 ( 4 ) 对于中，小型复杂的凹模可以不用镶拼结构，而采用整体式，简化模具结构， 提高了模具强度。 1 3 2 电火花线切割加工 电火花线切割加工的基本工作原理是利用连续移动的细金属导线( 铜丝或铝丝) 作 太原理工大学硕士研究生学位论文 电极，对工件进行脉冲火花放电腐蚀金属、切割成型。脉冲电源加在工件与电极丝之间， 一般采用正极性加工，工件与电极丝之间充满工作液( - t - l 化液、去离子水等) 。 电火花线切割的特点：采用直径更小的工具电极丝，电规准如脉宽、电流等不大， 加工工艺参数的使用范围较窄，电源阳极接工件，属于中、精正极性电火花加工范畴； 采用不会引燃起火的工作液比如水或水基工作液，电火花线切割加工主要用于模具制 造、加工电火花成形加工用的电极，直接在毛坯上切割出简单形状的零件等，不需要再 制造模具，生产周期缩短，成本得到控制。有些特殊机床还可以进行微细加工，异形和 标准缺陷的加工等。 1 3 3 电火花内孔、外圆和成形磨削 电火花内圆磨床的基本原理是：加工时，脉冲电源的正负极分别接电极丝和工件， 喷嘴将工作液喷入磨削区域，做为电极丝和工件间的绝缘介质。在工件相对于电极丝做 旋转、纵向往复和横向微动进给过程中，在孔壁与电极丝之间的距离小于最大火花间隙 的部位，发生火花放电使该处被电蚀【l7 1 。 对硬质合金、钢结硬质合金和其它高硬度或难以磨削的金属材料做的工模具进行成 形加工时常采用电火花磨削。同时对于用普通砂轮磨削容易产生热变形的细而长、薄而 脆的精密金属成形零件，电火花磨削更有优势。由于其独特的加工机理，使各种特硬、 特韧、脆金属零件的小孔、深孔、薄壁孔的精密加工得到解决【1 8 。 1 3 4 电火花同步共轭回转加工螺纹 2 0 世纪7 ( ) 年代孙昌树发明了电火花共轭回转加工，就是把放电加工引入到展成加 工中，运用空间共轭成形原理使工件与工具电极各对应点之间始终保持对应重合的关 系，从而形成共轭回转运动，因此也可以称为电火花展成加工。 南京江南光学仪器厂创造了新的螺纹加工方法，并研制了3 i 4 2 型内、外螺纹加工 机床等，可用于精密内外螺纹环规、内变模数齿轮等的制造。电火花加工内螺纹的新方 法综合了电火花加工和机械加工方面的经验，采用工件与工具同向同步转动，工件做径 向进给来实现，如图1 5 所示。工件预孔按螺纹内径制作，工具电极的螺纹尺寸及加工 精度按工件图样的要求制作，但电极外径应小于工件预孔巾o 3 2 m m 。加工时，电极穿 过工件预孔，保持两者轴线平行，然后使电极和工件以相同的方向和相同的转速旋转( 图 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 一5 a ) ，同时工件相对于工具电极径向进给( 图1 - 5 b ) ，从而复制出所要求的内螺纹。图1 5 c 为共轭回转逐点对应原理。 缘孙， 憋钐、 l ； 图1 - 5 电火花共轭回转加工示意图1 一工件2 一工具 f i g 1 - 5t h ed i a g r a mo fe d mc o n j u g a t er o t a r yp r o c e s s i n g1 - - w o r k p i e c e 2 - - t o o l 利用电火花共轭回转加工和辅助机械运动，能加工各种平面、圆柱面、圆锥面和旋 转曲面，以及由渐开线、摆线、螺旋线和二次曲面等组成的复杂型面，特别适用于硬质 合金的加工。电火花共轭回转加工常用于生产制造螺纹板牙、螺纹环规、塞规、硬质合 金成形刀具、滚压模具、小直径滚珠丝杠和螺母、内锥面油槽、硬质合金齿轮和精密斜 齿条等。 1 3 5 电火花表面处理技术 利用高频脉冲电流对工件表面进行放电加工，工件表面将由无数次放电造成的凹坑 组成。如图1 - 6 所示放电加工之后的表层可分为三层结构，电火花加工表面冲击层是由 被抛出的熔融金属和少量电极微粒冲击而成，这一层很容易去除。下一层是硬质层，电 火花加工实质上改变了硬质层的冶金结构和特性。在工作介质的冷却作用下，部分熔融 金属凝固形成了硬质层。最后一层是受热层或退火层，它只是受热。受热层和硬质层 的厚度由工件材料的加工能量和散热能力决定【1 9 l ，电火花加工后的工件表面属性得到改 变。实际生产中，用电火花加工工具钢，可以测得工具钢的布氏硬度明显提高，耐磨性 比原表层提高2 5 倍。 太原理工大学硕士研究生学位论文 加 工 后 工 件 表 层 图卜6 电火花加工后的工件表层结构 f i g 1 - 6 t h es u r f a c es t r u c t u r eo f w o r k p i e c ea f t e re d m 利用电火花加工这一特性，发展形成了电火花表面强化技术。利用高能量密度的脉 冲对工件表面进行放电加工，脉冲火花放电将电极材料熔渗进工件材料的表层，形成合金 化的表面强化层，从而使工件表面的物理化学和力学性能得到改善【2 0 1 。日本丰田工业大 学毛利尚武等人用w c c o 粉末或t i 基粉末压缩成形电极对碳钢进行表面电火花强化 处理，提高了：工件表面的抗腐蚀性和耐磨损性 2 l 】。 1 4 电火花深小孔加工存在的问题 由于深小孔加工放电截面小，放电间隙随着加工条件的变化而变化，数值从数微米 到数百微米不等。在电火花深小孔加工过程中会不断产生气体、金属屑末和碳黑等，如 不及时排除，就会发生短路拉弧现象，造成电极不必要的损耗，影响加工稳定性甚至不 能正常加工。为使放电间隙中的电蚀产物迅速排除，除采用冲( 抽) 油外，还需经常抬起 电极以利于排屑。 1 4 i 放电间隙狭窄 电火花放电加工中工具电极与工件间的绝缘工作介质有一定的的介电常数，放电加 工时有一定的击穿间隙( 放电间隙) ，因此放电加工后工件的尺寸与工具电极的尺寸并不 完全一致。而且放电间隙是随电参数、电极材料、工作液等因素的变化而变化的，从而 影响了加工精度晗钉。间隙越大，则复制精度越差，特别是对复杂形状的加工表面。如电 极为尖角时，而由于放电间隙的等距离，工件则为圆角。因此，为了减少加工尺寸误差， 应该采用较弱小的加工规准，缩小放电间隙，另外还必须尽可能使加工过程稳定。放电 太原理工大学硕士研究生学位论文 间隙在精加工时一般为0 0 1 0 1r a m ，粗加工时可达0 5m m 以上( 单边) 。 1 4 2 容易出现加工锥度和圆角 由于工具电极下面部分加工时间长，损耗大，因此电极变小，而入口处由于电蚀产 物的存在，易发生因电蚀产物的介入而再次进行的非正常放电( 即“二次放电”) ，因而产 生加工斜度，如图1 7 所示。 图1 - 7 电火花加工时的h n - y - 锥度 f i g 1 - 7 t h et a p e ra f t e re d m p r o c e s s i n g 放电加工时有一定的击穿间隙( 放电间隙) ，因此放电加工后工件的尺寸与工具电 极的尺寸并不完全一致，加工后工件的形状并不完全体现工具的形状。因为集中放电， 工具电极损耗严重，反而降低了加工质量。特别是当工具电极存在尖角时，因为放电集 中在尖角处，尖角处损耗最为严重，反映在工件上即出现了圆角，如图1 8 所示。 图1 - 8 尖角变圆1 一工件2 一工具 f i g 1 - 8s h a r pc o r r i e r sr o u n d e d1 - - w o r k p i e c e 2 - - t o o l 在电火花加工中，随着加工深度的不断增加，工具电极进入放电区域的时间是从端 太原理工大学硕士研究生学位论文 部向上逐渐减少的。实际上，工件侧壁主要是靠工具电极底部端面的周边加工出来的。 因此，电极的损耗也必然从端面底部向上逐渐减少，从而形成了损耗锥度，工具电极的 损耗锥度反映到工件上是加工斜度n 别。 1 4 3 工具电极损耗严重 电火花加f 工是靠高温熔化气化金属实现对工件的加工，工具电极必须是导电金属用 来传导电能，所以在高温和带电粒子的撞击作用下工具电极也存在损耗，特别是在电参 数选择不当的情况下，电极的损耗更加明显。 1 5 课题来源与意义 本课题是在太原理工大学光整加工技术中心的研究成果的基础上提出来的，得到l 【 西省自然科学基金( 2 0 0 9 11 0 2 9 3 ) 的资助。 电火花加工的过程是通过火花放电产生的热作用进行的，在加工的过程中，需要材 料具有良好的导电性，利于火花放电，同时也要具有一定的强度。单一的铜电极具有优 良的电学性能，但是由于其耐热性差，熔点较低，在加工的过程中损耗过大，尤其是在 发生二次放电的条件下，电极的尖端容易与侧壁发生放电，导致尖端不断被损耗，形成 圆角。这不但会导致加工效率降低，同时也会使加工精度受到影响，在深孔加工中会形 成锥角。与铜及其他材料相比，铬具有相对较高的熔点，在同样的温度下会减少电极的 熔化，减少电极的损耗。同时铬具有较高的比热容，在电学参数相同的加工条件下，单 次放电产生的能量相同，而根据比热容的定义，铬升高的温度会小于其他的金属。另外， 电火花的加工过程中，脉冲放电是极为短暂的，但是会在电极的放电表面产生大量的热， 形成一个瞬时的热源，温度可迅速升高至1 0 0 0 0 ，这一温度会导致金属材料表面气 化蒸发。但是这一过程持续时间一般只持续1 0 1 0 。4 s ，随着周围工作液的冷却，以及熔 化金属的抛出，温度会降到熔点以下，由于铬的比热容较高，在脉冲放电这一短暂的过 程中，铬升高同样的温度需要更多的热量，在产生热量相同的条件下，铬熔化抛出的金 属材料相比于其他的金属材料会少很多，这就从一定程度上减少了电极的损耗。结合以 上铬的热学性能，铬很适合做工具电极的材料，但是由于其导电性不够优良，将其作为 镀层，涂镀在铜基的表面是一种很好的选择，这种铜基镀铬复合电极不仅具有黄铜的强 度以及导电性，同时也利用了铬的优良热学性能，可以减小电极的损耗。h c t s a i 口司 太原理工大学硕士研究生学位论文 等人将通过树脂混合的c u 、c r 粉末，在较低的温度( 2 0 0 ) 和较低的压力( 2 0m p a ) 下，通过烧结制备了c u c r 复合电极，并且该种方法可以通过烧结温度和静压压力的 调节来改变复合电极的性能，研究表明铬迁移到工件表面，使加工表面获得了良好的耐 蚀性汹3 。 论文提出采用铜铬复合电极进行电火花小孔加工，在黄铜基体电极上镀铬，利用铜 良好的导电性能和铬的熔点、气化点比铜高和抗电蚀性能优于铜的特点；在不改变电极 的导电性能的前提下，复合电极的熔点得到提高，起到减少电极损耗的作用。 1 6 研究内容 课题以解决电火花深小孔加工中电极损耗严重的问题入手，引入高熔点的金属铬， 以提高电极的熔点减小电极损耗。设计复合电极，即在铜管电极基体上旋涂铬镀层。不 改变电极的导电性能，提高复合电极熔点，以抵抗电火花加工时产生的高温，减少电极 的损耗。论文主要包括以下几个方面： ( 1 ) 探究电火花腐蚀机理，分析复合电极材料对放电间隙、放电通道、电蚀凹坑、 加工速度以及电极损耗的影响。 ( 2 ) 对放电间隙电场进行建模仿真，分析放电侧隙电场对电蚀产物的排除的影响。 ( 3 ) 对电火花加工间隙流场进行建模仿真，分析加工深度对电火花排屑速度的影 响。 ( 4 ) 进行复合电极电火花小孔加工试验，研究电参数、镀层对电火花小孔加工中加 工速度、电极损耗以及加工精度的影响。 太原理工大学硕士研究生学位论文 _二二二二=二=二一 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章复合电极电火花小孔加工材料蚀除机理 2 1 电极材料研究现状 放电加工中工具电极的一个主要作用就是导电传递电能。电火花加工要求工具电极 的损耗率要低以及工具电极能够抵抗变形，采用具有高熔点、低热膨胀系数、良好的导 热性能的工具电极对降低工具电极材料损耗、提高加工速度和表面质量的作用非常明 显。电极具有微细结晶的组织结构对于降低电极损耗也比较有利，一般认为减小晶粒尺 寸可降低电极损耗率乜6 1 ；此外，工具电极材料应使电火花加工过程稳定、生产效率高、 工件表面质量好，且电极材料本身应易于加工、来源丰富及价格低廉。 随着材料科学的发展，研究人员对电极材料料不断进行着探索和创新，目前在研究 和生产中已经使用的工具电极材料有石墨、铜或乌等单金属、铜或乌基合金，由于合金 具有单金属所没有的特性，因此铜基合金得到广泛研究和应用。 合金是由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或者其他方法组 合而层并具有金属特性的物质。组成合金的最基本的独立物质叫做组元。一般说来，组 元就是组成合金的元素。铁碳合金的组元就是铁和碳。如果是由两种元素组成的合金， 通常就称为二元合金。合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分称为 “相”。合金在固态可以形成均匀的单向合金，也可以形成由几种不同相组成的多相合 金。例如作为工具电极材料的黄铜( 含锌量为3 0 的c u z n 合金) 就是单相合金，它是 锌溶于铜中的“固溶体”；而含锌量为4 0 的c u z n 合金，则是两相合金，即除了形成 固溶体以外，多余的锌与铜结合而成另一种新相，称为中间相。而本论文采用的黄铜基 体电极是上述的单相合金，镀上金属铬以后，基体电极表面与铬原子发生“渗透”而形 成一种新的相，为试验而设计制造的电极则可以称为三相合金，表现出与普通黄铜电极 不同的性能幢6 1 。 黄铜与铬形成了一种晶体结构完全不同与两种基体单元的新相，它处于两个固溶体 之间的区域，通常称之为中间相。中间相按一定的原子比结合，除有离子键共价键外， 还有金属键在不同程度上参与作用，使这种化合物具有一定程度的金属性能( 如导电性 等) 。这种化合物具有比较复杂的晶体结构，其熔点高，质硬而脆。提高电极的强度、 硬度和耐电蚀性。 复合电极中间相原子结合的非常紧密，镀层表现出高熔点性，欲想使一部分原子从 太原理工大学硕士研究生学位论文 电极材料上分离出去，就必须给它足够大的能量，以克服原子间的相互作用而被抛离出 电极表面，或者是电能转化的热能达到电极材料的熔点而熔化而发生电蚀除。 2 2 复合电极电火花小孔加工电极材料蚀除过程 电火花放电加工涉及到高温、高压、电磁力和流体动力等众多因素，前一个脉冲放 电所形成的电蚀凹坑必然会对后一个脉冲放电过程产生影响。为了进一步描述铜铬复合 电极电火花小孔加工的物理过程，需要对单脉冲放电过程有个全面的了解。把复合电极 电火花小孔加工分为：电离准备阶段，放电通道形成和膨胀阶段，电极材料的熔化、气 化和抛出过程和极问消电离五个阶段来分别加以描述。 2 2 1 电离准备阶段 放电加工开始前，首先开启高压泵，泵入自来水，工具电极和工件间充满具有一定 介电常数的工作介质。在工具电极和工件间施加大小为8 0 v 的开路电压，( 图2 1 a 的 o 2 阶段) 。在：工具管电极和工件间形成一个电场，电场强度跟电压和极间距离的关系公 式如下： e 2 詈 ( 2 ) 随着主轴：进给极间距离在缩短，电场强度随着两极间距离的逐渐缩小而变大。由于 电极微观表面的凸凹不平，导致极间距离的不均匀性，电场强度也呈现不均匀性，两极 之间距离最小处电场强度最大。在电场的作用下，工作液中的金属微粒、炭微粒、微水 滴和微气泡等杂质将集中到场强最大的区域，同时当场强增加到一定的程度时( 1 0 6 v i n 以上) ，在阴极发射出来的电子剧烈的撞击下，极间的中性分子电离，绝缘的液体介质 分子产生极化，在两极间形成一个低阻通道。此时极间工作液的电阻迅速减小，极间开 始产生电流并不断增加，极间电压也逐渐下降( 图2 1 的2 。3 阶段) 。 2 2 2 放电通道形成和膨胀阶段 当工具电极和工件间某处电场强度超过工作液介质的介电强度时，极化的原子在电 场的作用下高速运动，工作介质发生剧烈碰撞而电离，形成放电通道，极间下降成极间 放电加工维持电压( 图2 1 的3 4 阶段) 。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 极间放电电压和电流波形 f i g 2 - 1w a v e f o r mo fv o l t a g ea n dc u r r e n tb e t w e e ne l e c t r o d e s 在电场和场致电子的撞击作用下，工作介质内极化的中性分子、电子以及杂质微粒 相互碰撞，并逐渐从阴极向阳极发展。当电子流达到阳极时，介质被击穿放电通道形成， 如图2 - 2 ( a b e 阶段) 。 a 电子发射 b 通道形成 c 通道膨胀 图2 2 电火花加工放电通道形成与扩展 f i g 2 - 2 t h ed e v e l o p m e n to fd i s c h a r g ec h a n n e lf o re d m 在放电通道形成初期可达数百甚至上千个大气压的作用下，强烈的冲击波使放电通 道迅速沿着径向膨胀。由于受到介质惯性的压缩，通道扩展速度逐渐降低。特别是由于 通道电流增加而引起的磁压缩效应和工作液冷却作用引起的热压缩效应使通道变细，通 道的膨胀与收缩之间的平衡使放电通道维持很小的截面尺寸口7 1 。脉冲的全部能量沿着此 通道分布在间隙和正负电极上，放电通道截面面积很小，放电通道的电流密度高达 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 0 l 1 0 8 h c m 2 ，通道内的正负带电粒子发生剧烈碰撞，产生局部高温( 可高达1 0 4 ) 。 2 2 3 电极材料的熔化、气化和抛出过程 放电通道一旦形成，大部分电能转换为热能，高温冲击两极放电点和维持放电通道 温度，电子和离子高速轰击工具电极和工件电极的表面将动能也转化为热能。