（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文从离子碰撞理论出发，分析了气体介质从离子碰撞电离理论开始，进而 转化为流光击穿的过程，系统分析了气体介质的电导和击穿的全过程；分析了高 压下气体介质的击穿特点及其影响因素；均匀和非均匀电场状态下的气体介质电 导和击穿的差异；着重分析了非均匀电场下的击穿过程和特点实验研究了脉冲 电压条件下针板电极间气体介质的击穿过程，观察到不同的极间距离和不同电 极形状下，气体介质击穿放电的差别。实验发现随尖端圆角半径的不断增加，击 穿电压略又增加 系统分析了超声振动强化材料去除的理论，并在实验研究的基础上分析超声 振动可减少放电过程中短路和断路现象的发生理论计算了超声振动强化气中放 电加工材料的去除率；分析了超声振动对加工后工件表面性能的影响规律。并且 通过对比分析加工工件的断面可知，传统电火花加工工件断面的重铸层较厚而且 不连续，超声振动辅助气中放电加工工件的断面重铸层较薄而且连续。通过对加 工表面进行扫描电镜分析可知，超声振动辅助气中放电加工表面上的放电凹坑较 小，传统液体介质中的火花放电加工表面上的放电凹坑较大 对放电加工时的热过程进行了分析建立了放电加工时热传播模型对放电 时的能量的物理传导过程进行了分析，并建立了数学模型。考虑了熟传导过程物 理参数的变化和相变问题采用等效比热容法来解决相变过程中的相变潜热问题。 并推导了定半径，定热流密度情况下的导热方程 借助与a n s y s 软件对单脉冲放电加工过程的温度场进行了研究对放电加 工过程中随脉冲时间和脉冲热流密度变化时，温度场分布进行了分析并且研究 了脉冲时间和热流密度变化时，凹坑形状的变化情况，主要是其凹坑深径比的变 化分析结果表明：随热流密度和脉冲时间的不断增加，凹坑不断增大；随脉冲 时间的变化凹坑深径比是增加的；在相同脉冲时间的情况下，随热流密度的增加 深径比变化不大，即，凹坑形状基本不变。因此增大热流密度和脉冲时间都可以 一 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目项目编号：2 0 0 3 0 4 2 2 0 1 4 ) 4 i v 山东大学硕士学位论文 提高加工效率：要得到较小的表面粗糙度，则应尽量减少脉冲时间根据此结果 我们可以根据实际加工要求来调节加工参数，从而得到想要的加工效果 实验研究了放电电压、脉冲宽度、工具电极壁厚、超声振幅，放电峰值电流、 脉冲间隔以及气体介质压力等对材料去除率的影响规律并与模拟结果进行了对 比，结果显示模拟与实验的结论基本一致。加工表面粗糙度和材料去除率随着脉 冲宽度、峰值电流、开路电压的增大而增大加工表面的电描电镜分析结果表明， 超声振动辅助气中放电加工表面的蚀除凹坑较小，常规液体介质中火花放电加工 表面的蚀除凹坑较大 关键词：电火花加工，超声振动，气体介质，加工机理，模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec h a r g ef o r m i n ga n dm o v i n gp r o c e s si nt h eg a sm e d i ae d mi sa n a l y z e do f l t h eb a s i so ft a n g s e n gt h e o r y t h et h e o r yt h a ti o n sc o l l i s i o ni ng a sm e d i ab e t w e e nt h ee l e c t r o d e s w i l lc h a n g et ob r i g h tl i g h ti si n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i s r u p t i o no f g a sm e d i u mi nh i g h p r e s s u r ea r ea n a l y z e d t h ec o n d u c t a n c ea n dd i s r u p t i o no f g a sm e d i u ma r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y i nu n i f o r me l e c t r i cf i e l da n dn o n - u n i f o r me l e c t r i cf i e l d t h ep r o c e s so f d i s r u p t i o nf o rg a sm e d i u m b e t w e e nat i pe l e c t r o d ea n dap l a t ee l e c t r o d ei ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y , e s p e c i a l l yt h en o n - u n i f o r m e l e c t r i cf i e l d t h ed i f f e r e n c eo f t h ed i s r u p t i o no f t h eg a si nd i f f e r e n tv o l t a g ea n dd i f f e r e n ts h a p eo f t h et o o le l e c t r o d ei so b s e r v e d t h ev o l t a g et od i s r u p tt h eg a si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h er a d i i o ft h et o o le l e c t r o d et i p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s r u p t i v ed i s c h a r g eg a pi sr e l a t e d t ot h es h a p eo f t h ee l e c t r o d ei f t h ev o l t a g ei sd e f i n i t e t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc 龃 e n h a n c et h em a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m 砌u 。a n dt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ew o r k p i e c es u r f a c e t h er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h er e c a s tl a y e ro ft h es u r f a c e o f t h ew o r k p i e c em a c h i n e db yt h ew a yo f u e d mi ng a si ss m o o t h e rt h a nb yt h ew a yo f t r a d i t i o n a l e d m a n dt h er e c a s tl a y e ri st h i nt h a nt h a to f t h es u r f a c em a c h i n e db yt r a d i t i o n a le d m t h er e s u l t s o b s e r v e dt h r o u g ht h es e ms h o wt h a tt h ed e n tm a c h i n e db yu e d mi ng a si ss m a l l e rt h a nt h a t m a c h i n e db yt r a d i t i o n a le d m t h er e c a s tl a y e ri st h i na n dd i s p l a y sl e s sm i c mc r a c k so nt h e w o r k p i e c es u r f a c ew i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d e de l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a le l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g t h eh e a tc o n d u c t i o np r o c e s si sa n a l y z e di np a p e r t h em a t h e m a t i cm o d e la n de x p r e s s i o no f t h eh e a tc o n d u c t i o np r o c e s sw i t ht h ec h a n g i n go ft h ep a r a m e t e r sa n dt h ep h a s ec h a n g ei s c o n s t r u c t e d t h e p r o b l e m o f t h e p h a s e c h a n g e i ss o l v e d b y t h e m e t h o do f e q u i v a l e n t s p e c i f i c h e a t t h et e m p e r a m mf i e l d so f o n ep u l s em a c h i n i n ga l es i m u l a t e d t h ec h a n g e so f t h et e m p e r a t u r e f i e l d sa n dt h es h a p e so f t h ed e n t sw i t ht h ec h a n g i n g o f t h ep o w e rd e n s i t ya n dt h et i m ea r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a t i oo ft h ed e p t ht ot h ed i a m e t e ro ft h ed e n tb e c o m e sl a r g e rw i t ht h e e x t e n d i n g o f t h e d i s c h a r g e t i m e b u t i t c h a n g e s l i t t l e w i t h t h e i n c r e a s eo f i h e p o w e r d e n s i t y w i t h t h e d i s c h a r g et i m e s ow i t ht h ee n h a n c e m e n to f t b ep o w e rd e n s i t ya n dt h ee x t e n d i n go f d i s c h o r g et i m e ， t h em a c h i n i n gb e c o m e sm o r ee f f i c i e n t i fw ew a n tt o g e tf i n es u r f a c e , w es h o u l ds h o r t e nt h e d i s c h a r g et i m e t h e s er e s u l t sc a ng i v eb e n e f i c i a ld i r e c t i o ni no u rp r a c t i c e t h ee f 凫c to fm a c h i n i n gp a r a m e t e r so nm a t e r i a lr e m o v a lr a t ei ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s c h a r g e v i 山东大学硕士学位论文 c u r r e n t , d i s c h a r g ev o l t a g ea n dp u l s ed u r a t i o nt i m e , a n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s c h a r g e p u l s ei n t e r v a l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es i m i l a rw i t ht h et h e o r e t i c a lf o r m u l aa n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h es u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s c h a r g ec u r r e n t , d i s c h a r g ev o l t a g e a n dp u l s ed u r a t i o nt i m e k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g , u l t r a s o n i cv i b r a t i o n , g a sm e d i u m ，m e c h a n i s m 。 s i m u l a t i o n v n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 蝴者签哗一名避 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 电火花加- r ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) 是一种将电能转化 成热能来实现材料去除的加工方法。加工时分别将工件和工具电极接在脉冲电源 的两端，利用两极问火花放电产生的热能将材料熔融、气化而抛出此加工方法 又称“电蚀加工”f i j 十九世纪，人们在观察电器开关触点部位的烧蚀现象时首次发现了放电熔融 现象但是当时的研究仅仅停留在延长电器开关触头的使用寿命上直到十九世 纪末人们才开始尝试利用这种电蚀现象二十世纪初，研究者发现在介电液体中 放电时会产生金属粉末苏联学者拉扎林科夫妇在此方面进行了大量的研究，并 逐渐认识到在液体介质中进行重复的脉冲放电能够对材料进行去除加工1 9 4 3 年 他们成功地利用电蚀原理在金属工件上打出了小孔，创立了“电蚀加工法”，并于 1 9 4 4 年研制出第一台电火花穿孔机床 由于电火花加工具有切削加工所不具有的许多优点，其应用范围很广例如： 电火花加工时利用电蚀原理去除材料，其放电时的能量密度相当高，可以加工许 多切削加工难以加工的硬脆材料及高熔点的导电材料并且随着放电加工工艺的 不断改进，其在一定条件下还可以加工半导体材料和非导电材料；由于加工时工 件材料和工具电极没有接触，两者之间宏观作用力甚微，因而工具电极材料不必 比工件材料硬，这还有利于加工小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂截面的型孔、曲 线孔，并且也适用于精密微细加工【2 】 由于上述优点，电火花加工一问世就受到广泛的重视，并且已经成为一种重 要的加工手段尤其在模具加工中，电火花加工占有极其重要的地位。随着科学 技术的不断发展，人们对产品的加工精度、表面质量等要求越来越高，许多新型 材料得到应用，这使得电火花加工技术发展得更加迅速。现代制造技术及其相关 技术，尤其是微电子、自动控制和计算机技术的不断进步，为电火花加工技术提 供了良好的辅助条件；网络技术，柔性制造技术、人工智能技术、敏捷制造技术、 山东大学硕士学位论文 虚拟制造技术和绿色制造技术等现代制造技术正逐渐渗透到电火花加工技术中 这将使电火花加工技术在机械、电子、宇航、仪器、轻工、汽车等领域获得更广 泛的应用目前电火花加工技术正向着高效化、精密化、微细化、智能化和复合 化方向发展【3 卅尤其是近年来人们环境意识的不断提高，使绿色制造成为制造业 发展的一个很重要的方向。气中放电加工技术就是在这种趋势下产生的， 1 2 放电加工研究及发展方向 1 2 1 放电加工基本原理 随着电火花加工技术的不断发展。尤其是工艺理论及控制理论的不断发展， 电火花加工基础理论的发展相对落后这使得整个电火花加工技术的发展受到限 制这种状况主要是由放电加工过程的复杂性和随机性决定的放电加工是一个 涉及传热学、冶金学、流体力学、物理化学及电磁学等多学科的复杂的加工过程 ( 如图l l 所示) 图l 一1 融合多学科的放电加工技术 山东大学硕士学位论文 许多学者已对放电加工的基本原理进行了研究，人们对放电加工机理的认识 也在不断深入，但由于放电过程过于复杂，并且具有一定的随机性，至今还没有 一套完整的理论可以解释整个放电过程 随着现代制造技术的不断发展，人们对产品性能的要求也不断提高。尤其是 产品的更新速度越来越快，迫切要求提高加工速度，而这恰好是放电加工的弱点 目前高速铣削技术的发展，更是给放电加工带来很大的冲击。所以，单纯的放电 加工工艺理论的进步是不够的，必须加强对其基础理论的研究目前，放电加工 基础理论的研究主要集中在放电通道的击穿、波动性以及抛出力等几个方面放 电通道中的短路、电弧放电是影响放电加工效率的重要因素，这也是基础理论研 究中很重要的方面 起初人们对放电加工的研究都是根据电蚀的热过程，以及两端面的放电痕来 推论放电通道的形态和性质，并提出了单通道理论，多通道理论及通道徙动理论 等【5 1 在第1 1 届国际电加工会议上，一些学者对金属蚀除的现代物理理论、放电痕 形成和等离子体温度提出了一些新的看法。c c o g u n 发现不同放电延迟脉冲的数 量存在系统变化；不同放电延迟脉冲的频率曲线具有左斜和高顶点特征，改变脉 宽、脉冲间隔和放电频率，频率曲线的斜度和高度会发生系统变化；工件和工具 电极的蚀除主要发生在2 0 0 n s 和1 5 脉冲放电的初始阶段 6 1 日本东京农工大学的m k u n i e d a 等人也进行了类似的研究【7 1 ，观察了单脉冲 放电之后的放电凹坑，发现很多较小的放电凹坑围绕在较大的放电凹坑周围据 此推断出，在单脉冲放电期间，电弧在一个小的区域内高速运动，产生运动的原 因是阴极表面和内部材科功函数的差异以及放电凹坑底部和上缘的电场力差异。 西北民族大学的马燕通过时空统一实验分析法对脉冲放电加工进行了研究【5 1 她认为，两极施加脉冲电压后，两极之间间隙最小或绝缘最薄弱处首先被击穿 由于两电极端面的局部金属被电蚀抛出，致使间隙发生变化，而液体介质也由于 高温下形成气泡和电蚀产物的混入，使其绝缘强度也发生变化。上述两者的变化 导致了电离条件的变化，从而使放电通道在空间的位置不断变化电子显微镜观 察结果表明放电痕是连续相接的小凹坑。且两极端面位置是对应的，所以放电通 山东大学硕士学位论文 道是不断移动的 上海交通大学的亓利伟、李明辉等人对放电通道的形成及其波动性进行了研 究盯，发现放电通道为数量大致相等的电子、正离子和中性粒子组成的等离子体 放电初期通道向外扩张，但随着放电的进行，等离子体受自生磁场的电磁力的约 束作用，以及流体介质的阻力，三力达到平衡时通道处于平衡状态。继续研究发 现，放电通道达到平衡以后并不是一成不变的放电通道中的等离子体很容易受 干扰而产生剧烈的振荡，使放电通道扭曲其振动分为纵振和横振两个分量。放 电初始阶段其横振表现不太明显，其纵振引起的电极表面压力的变化产生热爆炸 力，与电极蒸气、介质蒸气和放电通道急剧膨胀所产生的综合压力的共同作用， 将熔融金属挤出和溅射随脉冲时间的延续，横振表现更加明显通道的横向振 动使得放电点在电极表面上不断的移动，这样就会在电极表面上打出一系列相互 重叠的小凹坑。 yf l o u 研究了放电产物对放电点移动所起的作用【9 1 他认为放电产物是维持 放电稳定的重要因素放电点的转移取决于电极表面的不平整度，而在精密的电 火花加工中，电极表面的粗糙度很小，放电产物的存在是引起放电转移的主要原 因 西北工业大学的赵伟对电火花加工的极性效应进行了研究i 单脉冲放电的 实验研究表明，大脉宽放电的情况下正极的蚀除量大于负极，与传统的粒子轰击 理论中长脉冲情况下正极蚀除量小于负极的理论不同。因此他认为放电通道中主 要是电子在运动，即使在大脉宽条件下放电正离子的运动也远弱于电子的运动 此结论打破了传统的放电通道是由数量大体相等的带正电和带负电以及中性离子 组成的观点 1 2 2 电火花加工工艺研究 由于放电加工机理的复杂性，近几年取得的进展不多而相对加工机理来说， 加工工艺的研究领域比较活跃，因为它可以直接指导生产实践，提高加工性能。 总的来说，加工工艺创新主要集中在工作介质和加工方式上，尤其是在电火花加 工和其它加工方式的复合方面有很多的创新。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 1 工作介质 近年来，随着微细加工技术的不断发展，在放电加工工作液中混入其它物质 的研究受到很大的重视【i i 】混粉电火花加工技术是2 0 世纪8 0 年代日本的毛利尚 武等首次提出的该技术是在常规电火花加工工作液中添加铝、硅等导电粉末， 通过控制粉末浓度和加工条件，使电火花加工表面粗糙度得到较大的改善，能产 生类似“镜面”的加工效果，同时加工表面的显微硬度、耐磨度、耐腐蚀性都比 普通电火花加工有所提高，从根本上克服了电火花加工表面粗糙、表面性能较差 的缺点。并且还可以大大提高加工效率。 改变工作液性质的另一种方式就是在工作液中通入气体，目前这方面的研究 还比较少日本的m k u n i e d a 等人采用水作工作液，并向放电间隙通入氧气，其 材料去除率比普通电火花加工要高，且放电频率增大，加工速度也相应提高。这 是因为氧化反应产生大量的热量，有利于工件材料的融熔气化并增加抛出熔融 物质的爆炸力f 1 2 1 哈工大的何广敏博士也对此进行了一些实验研究和机理分析 合肥工业大学的高正一在工作液中加入金属粉末，并附加了超声波振动，能够减 。 蠢 小放电击穿电压，进一步改善工件表面放电痕的分布，能够使放电痕变得浅而均 匀，实现镜面加工【乃】。 以上加工技术均为在原有工作液的基础上进行的改进，在原有工作液中通气 或加入微粉气中放电加工技术则是直接摒弃了工作液，它是l 9 9 7 年由日本的国 枝正典提出的【1 4 】此种加工方法用管状工具电极代替仿形工具电极，可以实现创 成式的三维加工加工时管状工具电极中通入高压气体，起到带走熔融金属、冷 却加工工件的作用。研究发现，气中放电的电极损耗率极低，而且与脉冲宽度无 关气体介质下的放电加工不产生污染环境的有害气体，对环境友好，符合现代 绿色加工的要求 1 2 2 2 加工方式 电火花加工方式的改进主要是电火花加工与其它加工方法的复合加工。超声 振动与放电加工的复合就是目前研究的一种很重要的加工方式。放电加工过程加 山东大学硕士学位论文 入超声振动以后，工作液的循环和放电间隙的放电条件都得到了明显的改善，而 且两电极之间的超声振动产生空化作用，增大了材料的去除率 1 9 8 8 年，日本丰田工业大学的斋藤长男教授进行了超声复合电火花镜面加工 实验1 1 5 】，并指出电极施加振幅为1 - l m 的超声振动就能够对加工起作用，电极的超 声振动不仅使加工速度提高，而且使表面粗糙度比通常的镜面加工有所降低；超 声振动的另一个效果是使金相组织得到改善；电极的往复运动形成扰动和空化作 用，可以更好地将熔化金属抛出，因而提高金属的去除率，并减少液态金属在表 面上的重新凝固，组织的变化和微裂纹减少，提高了抗疲劳强度。哈尔滨工业大 学的郭永丰在国内首次提出了超声电火花同步复合加工小孔技术，该技术使超声 振动复合电火花加工速度提高了2 0 5 0 ，并提出了放电概率间隙的概念【1 6 1 他 认为，若使电极端面的超声振动与电火花脉冲放电同步起来，电极端面的超声振 动引起间隙随超声振动在最小间隙和最大间隙之间周期性地减小和增大，每经过 一次超声振动，间隙变化一次，在间隙减小到最小间隙之前，产生一次电火花放 电，理论上，间隙每周期性地变化一次就能引起一次火花放电。哈尔滨工业大学 的杜松岩也对超声振动复合加工进行了研究【1 6 1 指出在窄脉宽精加工时，超声振 动不仅起到促进排屑的作用，而且使电蚀产物在电极间分布均匀，使击穿延时缩 短。更重要的是大幅度地提高了脉冲的利用率，显著提高了加工效率。 电火花加工的另一种创新加工方法就是电火花铣削加工【。”此加工方法与数 控铣削加工型腔类似，它主要是利用高速旋转的标准空心铜管电极或其它简单形 状的电极实现材料的去除，适合于复杂小型腔的加工与传统电火花加工相比， 电火花铣削加工省去了大量的成型电极，缩短了产品的生产周期，而且可以降低 加工成本，提高加工的柔性日本的增泽隆久等人利用简单电极进行了三维微细 电火花加工研究。分析了电极的走刀路径以及切削步数等对加工精度的影响，推 出了用电极底面加工三维锥孔的电极损耗补偿公式。取得了良好的加工效果。英 国的d u f f i l l 和土耳其的b a y r a m o g l u 对电火花铣削加工也进行了一些研究 j s , j 9 j 。主 要考察了主轴转速对材料去除率、电极损耗以及表面粗糙度的影响，走刀路径和 迸给步距对材料去除率和电极相对损耗的影响，以及加工后工件表面的显微特性 和微观硬度k m d _ l 和l a u w e r s l 2 0 1 等人对电极放电面积与材料去除率的关系，放电 山东大学硕士学位论文 间隙引起的几何形状不一致，电极运动轨迹对加工效率的影响等进行了研究，结 果表明用棒状电极铣削型腔比用成型电极加工更稳定，实用电流密度更大。 电火花磨削技术是近2 0 年发展起来的，它是将电火花技术与计算机控制技术 相结合形成的一种新型的加工工艺【2 ”它既有电火花加工的优点，又具有成型磨 削的优点，可以较好地解决成型磨削，特别是常规加工方法难以进行加工的高硬 度、易变形材料的成型磨削问题以上特点使其在各种刀具加工、麻花钻头加工 中占有重要的地位。中国农业大学的张桂香等人和清华大学的傅水根等对其加工 机理和伺服控制系统进行了研究，通过对放电问隙的识别，采用改进的平均电压 法后，能够较好地解决电火花磨削伺服控制问题，实现了对电火花磨削放电间隙 稳定的智能伺服控制，提高了运动系统的稳定性和可靠性，进而提高了加工效率 机械脉冲放电加工技术也是近几年发展起来的一种新的加工技术 2 2 - 2 5 1 ，它是 用直流电源代替传统电火花脉冲电源，利用工具电极或加工工件的超声振动来保 证间隙的脉冲放电具有加工过程稳定、放电脉冲利用率高以及设备较简单等优 点。山东大学张建华教授、香港理工大学李大超教授和北京科技大学贾志新博士 都在做这方面的研究目前比较成熟的复合加工方式还有磨削机械脉冲放电复 合加工、超声振动间隙脉冲放电复合加工，超声振动一磨削伺隙脉冲放电复合 加工等。 1 2 2 3 其它新型加工工艺 1 非导电材料加工 日本的n m o h r i 。yf u k u z a w a h e 【2 6 】和华中理工大学徐盛林【2 7 l 利用电极和辅助 导电电极之间电火花放电在煤油工作液中热分解产生碳沉积物，在绝缘陶瓷加工 表面形成导电膜，使绝缘陶瓷的加工表面具有导电性来实现对绝缘陶瓷的电火花 放电加工哈尔滨工业大学的刘永红、郭永丰利用物理充气和工具电极超声振动 方法提高非导电材料的电火花加工效犁2 。t2 9 1 2 弯曲孔加工技术 日本电气通信大学机械工程与智能控制系的石田与竹内发明了一种用于模具 三维冷却通道加工用的自主式弯曲孔加工装置，称为“自动放电间隙控制器” 3 0 1 日本东京大学的m f u k u i 发明了一种与鼹鼠掘洞相类似的电火花加工装置，该加 山东大学硕士学位论文 工装置前端为一半球形的电极，由一钢丝绳转向节和柔性管支撑。可加工任何方 向的孔【3 。 1 2 3 放电加工控制理论的发展伽 目前电火花加工控制理论研究的熟点是模糊控制技术国外最新生产的电火 花成型加工机大都应用了这项技术它使操作更加容易，加工时只需输入少量数 据，模糊控制系统就可自动选取最优参数，自动监控加工过程，实现自动化最优 化控制。但是模糊控制也有不完善的方面，比如控制参数过多，运算时间过长等 近年来又出现了放电加工灰色控制系统对于电火花加工这样一个信息不完 全，加工机理不明确，却又可得知部分白色信息的系统，灰色控制刚好可以利用 这部分白色信息，在不能确知全面信息和系统模型的情况下，建立较为精确的连 续的微分方程模型，即灰色模型灰色模型的参数、结构等随时间变化，该动态 模型可与电火花加工的高度随机性相适应 1 2 4 放电加工的发展方向 从目前电火花加工的研究趋势看，高效率、低损耗、无污染的电火花加工将 是今后研究的重点 1 微细化：随着航天技术和微机电技术的不断发展，微细零件、深孔、窄槽 的加工将是电火花加工面临的重要课题，因此微细加工将是今后的重要发展方向 之一 2 高效化：电火花加工效率低是电火花加工应用受到限制的一个很重要的方 面尤其是高速铣削的出现使电火花加工面临很大的冲击 3 加工过程自动化：由于现代高技术产品趋于微细化，并且对产品加工质量 的要求越来越高，这就需要电火花加工向精密化和微细化方向发展这种发展趋 势下。电火花加工必须实现高度的自动化，必须不断的引入现代新兴的控制理论 才能够实现高效率、高精度、高稳定性的加工 4 绿色制造：随着生态环境的日益恶化、环保意识的不断增强和环保法律的 逐渐健全，绿色制造正在成为一种新的制造战略口2 3 1 绿色制造战略的关键是可 山东大学硕士学位论文 持续发展性，它将使产品的设计、制造，使用和报废的全过程纳入社会生态系统 的物质循环模式中电火花加工过程中产生的有害气体，以及加工过程中的电磁 辐射等对人体非常有害绿色电火花加工的主要研究内容是减少脉冲电源电磁辐 射、减少废气、废液和废物的排放量，包括研制高效节能脉冲电源，开发新的电 火花加工介质等 1 3 本课题的意义 自从电火花加工产生以来，经过半个多世纪的研究，在其基础理论方面很难 再有所突破，将来研究的重点应放在新材料的加工和新加工方法等方面传统电 火花加工技术与其它加工方法的复合加工将成为今后研究的重点在加工技术方 面，高效率、低损耗，无污染的电火花加工技术成为将来科研的主攻方向 以气体为介质的电火花加工技术刚好符合上述发展趋势其特点如下： ( 1 ) 对环境友好目前针对电火花加工工作液的研究，都是在工作液中混入 其他物质来提高加工效率或改善加工表面，如混粉和混气加工等，都没有摆脱原 有的工作液而电火花加工中的工作液又是该加工技术中的主要污染源。电火花 加工中的工作液通常是煤油、乳化液等。有一定的使用寿命，工作一段时间后必 须进行废弃处理。无论哪一种工作液都会对环境造成污染，这一直是困扰人们的 难题而气中放电加工技术不存在这样的问题，它具备对环境友好的优势，整个 加工过程是在气体介质中完成，不需要工作液，所使用的气体介质通常是空气、 氧气、氮气等，不会对环境造成污染 ( 2 ) 不受工件空间位置的限制传统的电加工方法由于受工作液的限制只能 向下加工。超声振动辅助气中放电加工是以气体为介质，打破了这种限制，可以 实现全方位加工 ( 3 ) 引起电火花加工的革命性变化从电火花加工的放电理论看，一般认为 电火花加工中的工作液介质是不可替代的，它是保证产生熔化或气化金属的电火 花以及熔化金属被抛出所必需的气中放电n i 技术的实现，将打破这种定式， 无疑会对电火花加工工艺、设备以及加工理论产生革命性影响。 山东大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 气中放电加工理论的研究主要研究气体介质的击穿过程以及放电通道 的形成理论 ( 2 ) 研究超声振动辅助气中放电加工材料去除机理建立材料去除模型。并 分析超声振动和流动的高压气体介质对材料去除的影响规律 。 ( 3 ) 超声振动辅助气中放电加工温度场研究主要分析单脉冲放电的温度场 分布，建立单脉冲放电加工温度场分布的物理模型和数学模型，并对数学模型进 行解析利用a n s y s 软件对单脉冲放电的温度场进行模拟，找出放电加工材料去 除率和加工表面粗糙度的影响因素 山东大学硕士学位论文 第二章气体介质的电导和击穿 在放电加工研究中，要提高加工效率，改善加工后表面性能，就必须深入地 研究整个放电过程放电加工机理的研究是放电加工工艺和控制技术研究的基础。 而放电加工中工作介质的击穿和导电过程是放电加工机理研究的一个很重要的方 面工作介质的击穿和导电性能将直接影响放电加工过程中材料的抛出本章将 对气体的电导和击穿过程进行详细的介绍。 2 1 气体击穿的几种理论 实践证明任何电介质都不是理想的绝缘体0 4 在实际电介质中总是或多或少 地存在着一定量的能够自由迁移的正的或负的带电粒子在没有外电场作用时， 它们作紊乱的热运动，不能形成电流当加上一定的外电场后，这些载流子受电 场力的作用，就会沿电场方向定向迁移，从而形成电流。 2 1 1 气体导电的伏一安特性 气体介质是一种电介质。在通常的状态下，任何气体中都有一定量的电子和 离子在外加电场的情况下，也会形成一定的电流。其伏一安特性曲线如图2 一l 所示 图2 1 气体导电伏安特性 如果在两个电极之间充以气体，加上直流电压，测量电流与电压的关系，可 山东大学硕士学位论文 得如图2 1 所示的气体介质中电流密度与电场强度的关系曲线o d 段，为电场强 度很小时，电流密度随电场强度成正比增加，满足欧姆定律；a b 段。电流不再 因电压增加而改变，达到饱和电流状态：b c 段，电场强度稍有增加时，电流密 度就会急剧增大，当电场强度增大到某个临界值e k d 时，电流密度将会无限地增大 此刻，气体的介电性能丧失，极间介质被击穿形成放电通道。对标准状态下的空 气来说，当电场强度达到5 x1 0 3 v c m 时，电流就可以达到饱和，其饱和电流密度 很小，一般只有1 0 2 0 1 0 一s a c m 2 ：当饱和电场强度增加到大约1 0 4 v c m 时，电流 又开始迅速增长，直到电场强度达到e k o - - 3 2 1 0 4 v c m 时，极间空气才被击穿放 电绝缘的空气顿时变成了良好的导电体 下面具体分析气体放电过程中产生上述放电现象的原因 2 1 2 气体带电粒子的产生汹1 处于正常状态下的原子、分子或离子。当他们获得足够的能量时，其中一个 或几个电子，挣脱原子核的束缚而变成自由电子，这就是电离过程通常电离过 程分为两大类：辐射电离和碰撞电离 ( 1 ) 辐射电离 辐射电离通常有光辐射电离和热辐射电离其中光辐射电离是辐射电离的重 要形式。当气体分子受到光辐射作用时，如果光子的能量大予气体分子的电离能 就可以引起电离热辐射也是一种电离辐射，所不同的是辐射光子的能量具有统 计性，其平均能量决定于物体的温度高温下，高能热辐射光子也能导致气体电 离，这就是热辐射电离。 ( 2 ) 碰撞电离 碰撞电离是气体放电中带电离子产生的最基本的形式当带电粒子与气体分 子碰撞损失能量大于气体分子电离能便能够产生碰撞电离。两个粒子相碰撞，按 粒子能量变化情况不同，有弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞是动量和动能同时 守恒的碰撞当两粒子发生非弹性碰撞时，一般会发生激发、电离、附着和复合 等过程。气体放电主要是通过这些过程来完成的粒子碰撞电离是汤森放电理论 的基础。 山东大学硕士学位论文 2 1 3 气体放电碰撞电离理论瑚 电子和离子在电场的作用下会被加速，其动能增加当动能增加到足够大时， 电子或离子与气体碰撞就会发生电离，即上述碰撞电离气体放电中碰撞电离主 要是由电子和气体分子碰撞引起的这是因为电子的质量和体积都很小，在电场 中运动时发生碰撞的机会比较少，所以其自由行程比较长，在电场力的作用下获 得能量比较多当电子与气体分子碰撞时，产生碰撞电离的几率就比较大又因 为电子的质量非常小，根据经典力学分析可知：当两个碰撞粒子之间质量相近时， 高速运动的粒子损失动能；当两粒子质量相差十分悬殊时，质量小的粒子几乎不 损失动能。所以质量很小的电子在与大质量的气体分子碰撞时几乎不损失能量 因此，电子在电场中运动时，就会不断地积累能量，所以电子与气体分子碰撞时 就更容易产生碰撞电离而离子在电场中运动时自由行程比较短。并且其质量与 分子相当，碰撞时能量损失较大，不容易产生能量的积累，所以发生碰撞电离的 机会就比较小 匀强电场中电子加速，与分子碰撞产生碰撞电离，产生新的电子，新电子又 在电场中加速、碰撞，又可能产生新的电子和离子这样继续下去，就会使气体 中的带电粒子数不断增加，产生雪崩式电离 降生叫 n 伊。誊融 ，。伊1 卜 图2 - 2 电子崩的形成 图2 - 3 电子崩的计算模型 为了更好地了解放电过程。现假设初始时阴极单位面积上发射出个自由电 子，n 为距离阴极s 处的电子数设单位长度内产生。次碰撞电离，则： d n = 口刀d s( 2 一1 ) 山东大学硕士学位论文 将上式进行积分可得： h a 旦：r 础( 2 - - 2 ) o 在匀强电场下。与位置无关，所以到达阳极的电子数为： = h o e 一 ( 2 3 ) 电子数与电子带电量的乘积即电流密度： j = j o e “ ( 2 4 ) 以上电子碰撞电离所形成的电子崩过程称为口过程由式( 2 4 ) 可以看出 当j 0 为零时，电流为零也就是说，当除去外界电离因素以后放电将停止，这个 过程称为非自持放电过程，是汤森放电理论中的a 过程 电子仅在外界电离因素作用下由阴极释放出来的假设，忽略了电离过程中产 生的正离子的影响，这在电场不是很强的情况下是合理的，因为正离子质量大， 漂移速度小，因而引起碰撞电离的几率很小但在强电场作用下的情况有所不同。 在强电场的作用下，正离子的加速度增大，运动速度加快，在很短的时间内能够 运动到阴极，其作用不可被忽视由汤森放电理论可知，携带一定能量的空间正 离子打在阴极上，会使阴极产生二次电子发射，每一个离子打在阴极将产生y 个 电子碰撞电离过程中。每产生一个电子就会有一个离子产生因而在口过程中 新产生的电子数与新产生的离子数是相同的，均为g 耐一1 ) 。因此，由离子碰撞 阴极产生的二次电子数为： = ，以。g 耐一1 ) ( 2 5 ) 设b = ，g 一一1 ) ，则由上述过程继续推导，经过多次循环后单位时间内到达阳 极的电子数为： 刀；p 耐o + b + b 2 + 占3 + ) ( 2 - - 6 ) 当b i 时，式( 2 6 ) 收敛，其极限值为： = 高( 2 - - 7 ) 山东大学硕士学位论文 相应的阳极电流密度为： ，2 i - y ( e 一- i ) j 一“ ( 2 8 ) 显然此时若，p 一- 1 ) 1 11 即使初始电流密度为零印没有外界电离因素的影响。电流依然可以维持， 可驵形成自持放电气体一旦发生自持放电就说明气体介质已被击穿 2 1 4 碰撞电离理论的完善 上述理论就是汤森理论，它是气体放电理论的基础但汤森理论只适用于某 一定条件和一定范围的气体介质击穿。在上述理论中若y ( e 一一1 ) = 1 ，则由公式( 2 - - 8 ) 可得电流为无穷大，这与实际情况是不符的在汤森理论的基础上，罗果夫 斯基考虑了空间电荷对放电过程的影响他认为，在放电发展的过程中，正离子 和电子在空间中逐步积累，由于正离子运动速度远远小于电子的运动速度，空间 正电荷积累增多；随放电时间的延续，空间中正电荷效应越来越强，从而影响到 空间的电位分布，使均匀电场发生畸变由罗果夫理论可知，由于电场发生畸变， 使得放电的发展过程是有限度的，它解决了汤森理论的困境，充实和完善了汤森 理论f 3 卯 在上述理论的基础上，巴刑通过大量的实验发现，在冷阴极均匀电场条件下， 击穿电压是随气体压力p