（机械电子工程专业论文）混粉电火花加工机理及应用研究.pdf

人造理。t 人学博卜学位论史 摘要 电火花加工技术在现代制造领域，特别是模具制造领域占据着重要的地位，有着不 可替代的作用。但常规的电火花加工又存在着明显的缺确，如加工表面质量较差、精加 工效率低下、大面积精加工较困难等，使得加工后的模具表面不能直接使用，而必须通 过抛光以提高其表面质量。通过在工作液中添加硅、铝等微细粉米，混粉电火花加工技 术克服了上述缺点，降低了表面粗糙度，改善了加工表面的质量，可实现大面积表面的 光整加工，具有广阔的应用前景。然而，由于对其机理和工艺研究的不足，混粉电火花 加工技术未获得大范围推广应用。为此，本文在系统总结国内外大量文献资料的基础上， 以实验研究与理论分析相结合的方式，对混粉电火花加工的机理和工艺特性进行了深入 研究，丰富和完善了混粉电火花加工技术现有的理论成果。 茸先，深入研究了混粉电火花加工的机理。由粉末颗粒在放电间隙中引起的电场畸 变入手，运用w a g n e r 模型，分析计算了粉末颗粒对放电间隙和工作液复合介电系数的 影响，发现放电间隙的增大程度远高于复合介电系数的增大程度，结果导致极问等效电 容减小，于是混粉电火花加工的稳定性会提高。运用流光( 流注) 理论对混粉电火花加 工极问介质击穿的微观过程进行了详细论述，并在此基础上研究了放电通道的位形，认 为放电通道由一电极表面流经粉末颗粒到达另一电极表面而形成串连放电，且以单通道 放电为主，而正极放电点面积的增大改变了i f 极表面的热量分布，确保了加工表面粗糙 度的改善。同时，由于粉末的存在，使前后两次脉冲放电的放电点位置无相互依赖关系 而随机出现，从而实现了放电点的良好分散。 针对混粉电火花加工的工艺特性，以硅粉工作液为基础进行了实验研究。首先研究 了混粉电火花加工中的极性效应，分别采用钢加工钢和铜加工钢两种电极组合，探讨了 不同加工阶段采用不同加工极性时对表面粗糙度、材料去除率和电极损耗率的影响规 律：随后，又研究了峰值电流、脉冲宽度、工具电极材料、工件材料、加工面积、冲油 方式、以及电极转速等因素对表面粗糙度和材料去除率的影响规律，并分析了各自的影 响原因。 根据工艺过程对粉末材料多样性的要求，研究了硅、铝两种粉末材料的加工工艺效 果，发现适当增大铝粉工作液的浓度，可以达到与硅粉工作液相近的表面粗糙度和较高 酌材料去除率。而通过改变铝粉工作液的浓度，研究了粉末浓度对加工工艺特性的影响， 发现粉末浓度保持在一个适宜的范围内对于改善加工表面粗糙度和提高材料去除率均 有积极意义。 最后，对混粉电火花加工工件的表面特性进行了研究。分别针对不同工件材料及不 同混粉工作液的组合，分析了加工表面的微观形貌，观测了主要参数对表面显微裂纹的 影响规律，得到了不同工件材料在不同混粉工作液中加工时的裂纹分布图；针对硅粉工 混粉电火花加 n ：机理及应用研究 作液中加工后可使加工表面的显微硬度升高的前提，通过正交试验明确了硅粉工作液中 进行加工时对表面显微硬度产生影响的主要因素及其影响规律。从而可在实际加工中合 理配置参数，减少显微裂纹的出现，控制显微磋度的变化，以提高加工表面的性能。 关键词：电火花加工；混粉电火花加工；工艺特性：加工机理；表面特性 人连理t 大学博l ：学位论文 a b s t r a c t 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 ( e d m ) p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e m m a n u f a c t u r i n g f i e l d ，e s p e c i a l l yi nm o l d & d i ei n d u s t r y , b u t t h e r ea r eo b v i o u sd i s a d v a n t a g e sf o rc o n v e n t i o n a l e d m 。s u c ha sp o o rw o r k p i e c es u r f a c eq u a l i t y , p o o rf i n i s h i n gm a c h i n i n ge f f i c i e n c y , a n dp o o r m a c h i n i n gs t a b i l i t yd u r i n gl a r g em a c h i n i n ga r e a i n o r d e rt ou s et h em a c h i n e ds u r f a c e s ， p o l i s h i n gp r o c e d u r e s a r eu s u a l l yn e e d e d w 1 i i l eu s i n gs o m es u p e r f i n ep o w d e rs u c ha ss i l i c o n o ra l u m i n i u m s u s p e n d e di nt h ed i e l e c t r i cf l u i d ，t h en e w l yd e v e l o p e dp o w d e r - m i x e de d m c a n o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a le d mm e n t i o n e da b o v e ，a n di sp r o m i s i n gt ob e e m p l o y e d 嬲t h ef i n i s h i n gm e t h o do fm o l d & d i ec a v i t i e s h o w e v e r , b e c a u s eo f t h el a c ko f r e s e a r c h i n go n t h e o r i e sr e l a t e dt oi t t h en e wt e c h n o l o g yh a s n tb e e n w i d e l yu s e di nm o l d & d i e i n d u s t 叫t i l l n o w f o rt h i sm a s o n ，t h em e c h a n i s ma n d p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e s o f p o w d e r - m i x e de d m a r es t u d i e db ym e a n so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sc o m b i n e dw i t h e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o nt oi m p m v et h et e c h n o l o g y f i r s t l y , t h em a c h i n i n gm e c h a n i s mo fp o w d e r - m i x e de d m i s d e e p l ys t u d i e d c o n s i d e r i n g t h ee l e c t r i cf i e l da b e r r a t i o ni nt h ei n t e r e l e c t r o d eg a pc a u s e db yt h ep a r t i c l e s ，t h ei n f l u e n c eo f t h ep a r t i c l e so nt h ed i s c h a r g eg a pa n dt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h ew o r k i n gf l u i di sc a l c d a t e d u t i l i z i n gt h e “w a g n e rm o d e l ”1 1 l cc a l c u l a t e dr e s u l t s s h o wt h a tt h ed i s c h a r g eg a pa n dt h e d i e l e c t r i cc o n s t a n tb o t hi n c r e a s ed u et ot h ea c t i o no ft h ep a r t i c l e s b u tt h ef o r m e ri n c r e a s e s m u c hm o r et h a nt h el a l t e rd o e s s ot h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c ed e c r e a s e sm u c hm o r ei n p o w d e r - m i x e de d m t h a ni nc o n v e n t i o n a le d m ，w h i c ha c c o u n t sf o rt h ei m p r o v e m e n ti n w o r k i n gs t a b i l i t yo f p o w d e r - m i x e d e d m b y m e a n so ft h es t r e a l n e rt h e o r yf r o mg a sd i s c h a r g i n gf i e l d ，t h eg a pb r e a k d o w np m c c d u r e o f p o w d e r - m i x e de d m i sd i s c u s s e d a n dt h es h a p eo ft h ed i s c h a r g ec h a n n e ii ss u b s e q u e n t l y d e d u c e d i ti sb e l i e v e dt h a tt h ed i s c h a r g ec h a n n e lc o n n e c t st h ee l e c t r o d ec o u p l ev i as o m e c e r t a i np a r t i c l ea n ds e r i e s - d i s c h a r g i n gi st h e nc o n d u c t e d a n dt h es i n g l e - c h a n n e ld i s c h a r g e m o d e li sa c c e p t e dr a t h e rt h a nt h em u l t i c h a n n e ld i s c h a r g em o d e la c c o r d i n gt ot h ea n a l y z e d r e s u l t s n l eb e t t e r i n go ft h em a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s si sa c c o u n t e df o rt h eo v e re x p a n s i o n o ft h ep l a s m ac h a n n e lr a d i u sa tt h ea n o d ew h i c hc a u s e sad e c r e a s ei nt h el o c a le n e r g yd e n s i t y a tt h ea n o d es u r f a c e i na d d i t i o n b e c a u s et h ep a r t i c l e se l i m i n a t e st h ed e p e n d e n c eo ft h en e w d i s c h a r g ep o s i t i o n o nt h el a s t d i s c h a r g ep o s i t i o n ，t h ed i s c h a r g ep o i n t c a nb e u n i f o r m l y d i s p e r s e da l l o v e rt h em a c h i n i n ga r e a , w h i c ha l s oa c c o u n t sf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h e m a c h i n e ds u r f a c ei n t e g r i t y s e c o n d l y , t os t u d y t h e p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e s o fp o w d e r - m i x e de d m ，as e r i e so f e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e di nb o t hs i l i c o n p o w d e r - m i x e dd i e l e c t r i c f l u i da n dc o n v e n t i o n a l d i e l e c t r i cf l u i d 1 1 1 ep o l a r i t ye f f e c ti sf i r s t l yi n v e s t i g a t e d u s i n gc o p p e r - s t e e le l e c t r o d ec o u p l e 混粉电火花加t + j l , 理发艘用研究 a n ds t e e l s t e e le l e c t r o d e c o u p l er e s p e c t i v e l y , t h ee f f e c t s o fp o l a r i t yo nm a c h i n e ds u r f a c e r o u g h n e s s ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) a n d t o o lw e a r r a t e ( t w r ) a r ee x a m i n e d ，t h e n ，w i t h s t e e l 锄w o r k p i e c ew h i l ec o p p e ra st o o le l e c t r o d e ，t h ee f f e c t so fp e a kc u r r e n t p u l s eo nt i m e m a c h i n i n ga r e a , e l e c t r o d em a t e r i a l ，w o r k p i e c em a t e r i a l ，j e tf l u s h i n g ，a n de l e c t r o d er o t a r y s p e e do nm a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s sa n dm r r a r er e s e a r c h e d ，a n dt h er e a s o n sf o rt h o s e e f f e c t sa r e a n a l y z e d t h i r d l y , i n o r d e rt om e e tv a r i o u sn e e d sf o rd i f f e r e n t p o w d e rm a t e r i a l ，t h e s e r v i c e p e r f o r m a n c e so f s i l i c o np o w d e ra n da l u m i n i u mp o w d e ra r es t u d i e d i ti sf o u n dt h a tc o m p a r e d t os i l i c o np o w d e r , i fah i 曲e rc o n c e n t r a t i o no fa l u m i n i u mp o w d e ri ss e t ，t h es a m ed e g r e eo f s l l l f a c e r o u g h n e s s a n da h i g h e rm r rc a l l b ea c h i e v e d w i t ht h ea l u m i n i u mp o w d e r c o n c e n t r a t i o nc h a n g e d ，t h ee f f e c to f p o w d e r c o n c e n t r a t i o no nt h e p r o c e s sp e r l e r n l a n c ei sa l s o r e s e a r c h e d ，a n dk e e p i n gt h ep o w d e r c o n c e n t r a t i o nw i t h i na p r o p e rr a n g ei sf o u n di m p o r t a n t t o b o t ht h em a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s sa n dm r r f i n a l l y , t h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fw o r k p i e c em a c h i n e db yp o w d e r - m i x e de d m a r e i n v e s t i g a t e d t h em a c h i n e ds u r f a c em i c r o t o p o g r a p h yi sa n a l y z e d f o rd i f f e r e n tw o r k p i e c e m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tp o w d e r - m i x e dw o r k i n gf l u i d t h em i c r o c r a c kb e h a v i o rr e l a t i n gt ot h e m a i nm a c h i n i n gp a r a m e t e r si so b s e r v e da n dm i c r o c r a c kd i s t r i b u t i o np a t t e r n so fd i f f e r e n t w o r k p i e c em a t e d a l sa r ea c q u i r e d b a s e do n t h ef a c tt h a tt h ew o r k p i e c es u r f a c em i e r o h a r d n e s s i n c r e a s e sa f t e rm a c h i n e di n s i l i c o n - p o w d e r - m i x e d d i e l e c t r i c f l u i d ，t h e m a i n m a c h i n i n g p a r a m e t e r s t ot h es u r f a c em i c r o h a r d n e s sa r ef o u n do u tu s 吨t h e o r t h o g o n a la r r a y a c c o r d i n g l y , s e t t i n gt h em a c h i n i n gp a r a m e t e r sa p p r o p r i a t e l y , h i g hq u a l i t ys u r f a c e sw i 出n om i c r o c r a e ka n d c o n t r o l l e dm i c r o h a r d n e s sc a nb e a c q u i r e d k e y w o r d s ：e i e c t r i c a id i s c h a r g eb a c h i n i n g ( e d m ) ：p o w d e r - m i x e de d m ；p r o c e s s i n g p e r f o r m a n c e ：m a t h inin gm e c h a nis m ：s u r f a c ec h a r a c t e ris tic 大连理工大学博士学位论文 混粉电火花加工机理及应用研究 ( 国家自然科学基金重点资助项目项目批准号：5 9 9 3 5 1 1 0 ) ( 国家自然科学基金委员会中国i ：程物理研究院联合基金资助项目 项目批准号：1 0 2 7 6 0 0 9 ) 计：学位论文1 1 2 页 表格1 2 个 插图7 6 幅 学位论文完成日期：2 q q 5 生旦 指导教师：赵擅佥煎援 室主任： 鏖堡魁数握 院( 系) 主任： 贾拯丞熬援 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中徽了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：墨礁! j日期：兰! 堕! ：! 兰 混粉电火花加工机理及应用研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：墨燃丝 导师签名： 人连理t 大学博1 学佗论文 1 绪论 1 1 选题的科学依据 1 1 i 课题的提出 现代消费者对产品多样化和个性化的追求使产品功能和结构越来越趋复杂化，促使 结构复杂的零件大量出现。同时，材料科学的发展和进步，也不断提供给我们具有高熔 点、高硬度、高强度、高韧性、商脆性等性能的新材料，这些高性能的材料往往难以通 过传统的加工手段进行加工。这些都给制造技术提出了新的难题。 在制造技术领域的众多加工方法中，电火花加工技术因可加工任意导电性材料，而 不受材料硬度、强度、韧性等的限制，且可以方便的实现复杂形状的成型，因而在解决 上述制造技术的难题时起到了十分重要的作用，有效提升了电火花加工技术在制造领域 中的地位。 目前，电火花加工已广泛应用于航空、航天、模具、刀具、精密机械、仪器仪表、 微细加工等领域，而尤以在模具制造领域的应用最为普遍。在模具制造过程中，从粗加 工到精加工各环节，特别是在复杂型腔加工中，电火花加工所占的比熏远远高于其它加 工方法，有着不可替代的作用。 然而，电火花加工技术目前也受到来自其他加工手段的全方位挑战，如新型刀具材 料的出现和高速铣削技术的快速发展，不断冲击着电火花加工技术在难加工材料的加工 及复杂塑腔加工中的统治地位；加工表面质量较差及加工效率的低下也往往使电火花加 工技术难以被优先选择。为此，电火花加工技术又必须时刻保持强劲的发展势头，方能 在飞速发展的现代制造技术领域立于不败之地。 当前，电火花加工技术正向着高效化、精密化、智能化、微细化、复合化等方向发 展，新的工艺手段不断涌现，混粉电火花加工技术便是其中之一。 电火花加工对材料的去除，主要是建立在两电极之闻发生火花放电时所产生的高热 能对材料的熔融作用之下的，加工后的表面较粗糙，表层具有显微裂纹和残余拉应力， 称之为“再铸层”或“白层”f ”。当用于模具型腔的加工时，这样的表面显然是不能满 足实际生产中的使用要求的，为此，在电火花加工之后，往往需安排抛光等后续处理工 序。由于目前内抛光工艺大多采用手工操作，生产效率低，劳动强度大，而且精度保持 性不高，这与模具工业高质量、高精度、低成本、短周期的追求目标相去甚远，一直是 模具制造中费时、费力的“瓶颈【2 p 。因此如果能使电火花加工后的型腚表面直接满足模 具的使用要求，甚至达到镜面，从而免除抛光工序，将节省大量的劳动强度，提高生产 效率，降低生产成本，带来巨大的经济效益。 混粉电火花加工技术正是在这一特定目的之下开发出来的具有这种潜力的加工按 混粉电火花加t 机理发脚用研究 术。其与常规电火花加工的主要区别在于采用的工作液不再是纯煤油，而是在煤油中添 加了一定比例的导电或半导电微细粉末，借此来改变微细能量下加工时的放电状态，从 而提高精加工速度，改善表面质量，降低表面粗糙度，减少表面缺陷。通过合理控制加 工过程中的各影响参数，目前已可加工出接近镜面的大面积光整表面，显示出优越的加 工性能。 但由于电火花加工过程本身过于复杂，人们对其机理的认识尚不全面，对于工作液 中添加微细粉末后的情况就更加无法解释清楚，这在很大程度上限制了其正常的发展及 推广应用。因此，加大对混粉电火花加工的机理及工艺的研究力度，尽快完善相关的工 艺技术，从而利用电火花加工一次成型，实现对赡型材料的超大面积平面和三维随面的 电火花镜面加工，在当前是一项极为迫切的任务。 本课题“混粉电火花加工机理及应用研究”难是在这一背景下提出的。 1 1 2 课趟的来源 本课题“混粉电火花加工枫理及应用研究”来源于以下项目：( 1 ) 国家自然科学基 余重点资助项目“面向快速制造的特种加工理论与技术基础”( 项目批准号：5 9 9 3 5 1 1 0 ) ， 起止年月：2 0 0 0 1 - 2 0 0 2 t 2 。本课题是其子项目“三维型腔的精密成型及镜面电火花加 工一体化技术基础研究”的重要组成部分：( 2 ) 国家自然科学基金委员会中国工程 物理研究院联合基金资助项目“混粉电火花镜面加工技术研究”( 项弱批准号： 1 0 2 7 6 0 0 9 ) ，起止年月：2 0 0 3 1 2 0 0 5 1 2 。 1 2 课题的研究目的与意义 模具在机械、电子、轻工、纺织、汽车、航空、航天等领域里，品益成为使用最广 泛的、工业化生产的主要工艺装备，承担了这些工业领域中6 0 0 一9 0 的产品零件、组 件和部件的加工生产1 2 ，3 ，4 1 。模具工业是国民经济的基础工业，在很大程度上决定着现代 工业品的发展和技术水平。高技术的模具行业在国外常被称为“点铁成金”的行业，因 此，先进工业国家无不把发展模具工业放在优先地位。 在模具制造过程中，电火花加工技术占据着举足轻重的地位，承担了该领域中很大 比例的加工任务，特别是在精密型腔的加工中，其作用是不可替代的。但是，欲使电火 花加工后的表面质量能够直接满足模具的使用要求，甚至达到镜面，多年来却一直是个 很大的难题。 从电火花加工的基本原理来看，当电火花加工用于耩加工时，欲得到较低的表面粗 糙度，必须采用较小的放电能量和加工间隙。这对于小面积的电火花】n - r 而言是行之有 效的，但当加工面积较大时，工件和电极之间就会形成较大的等效电容，对脉冲能量进 行储存，以至于单个脉冲到来之时不能正常发生放电，而只有当多个脉冲过后，极间电 容储存了足够多的能量方能发生放电，但此时的放电能量已远远超过单个脉冲能量，因 而并不能获得较低的表面粗糙度【鄂。另一方面，放电间隙狭小，蚀除产物排除不良，易 丈连璀丁人学博卜学位论文 导致发生集中放电的现象，进一步影响加工表面的完整性。 然而，当导体或半导体微细粉末添加到工作液中后，上述现象却有了很大的改观。 在施加较小的放电能量时，不仅加工出的表面橱糙度大大降低，而且当加工面积较大时 也能稳定进行加工；同时，放电问隙明显增大，使得集中放电的现象得以避免，因而加 工后的表面完整性大欠改善。 尽管目前尚未实现真正的镜面加工，但这样加工出的表面在某些场合已经可以无需 抛光而直接使用，这对于模具制造行业来说无疑是一项极具吸引力的技术。但是，经过 十几年发展，这一技术仍然未能给模具制造行业带来应有的效益，其中很重要的一方面 原因就是缺乏对其机理的全面认识，主要是对粉末颗粒混入工作液中后电火花加工工艺 过程本身发生改变的物理本质缺乏全面的认识，从而在缺乏合理的理论指导的情况下， 在很大程度上限制了这项技术的迅速发展和推广应用。 基于上述的情况，本课题的研究目的得以确立：通过研究粉末颗粒在放电过程中的 状态及所起到的作用，探索混粉电火花加工过程的物理本质，解释混粉电火花加工能够 大幅度改善加工表面质量、提高加工速度的根本原因，并以实验数据为依据，明确影响 混粉电火花加工各项指标的主要因素及其影响程度，为混粉电火花加工技术在工业中的 推广应用提供理论支持。 本课题的研究成果，可以为混粉电火花加工技术的进一步发展提供理论指导，为其 在生产实际中的推广应用提供技术依据，特别是在模具制造业中的广泛应用，将成功解 决模其制造过程中的抛光难题，在复杂型胶的加工中，可以利用电火花加工一次成型， 实现从粗加工到精加工乃至光整加工的全过程，使加工出的型腔表面无需抛光而直接使 用。因此，可以说本课题的研究成功对我国模具工业乃至整个制造业具有十分重要的意 义。 1 ，3电火花加工原理及研究现状 1 3 1 电火花加工的基本原理 电火花加工是利用两极间脉冲放电时的电腐蚀现象对材料进行去除加工，以达到一 定形状尺寸和表面质量要求的加工方法。前苏联学者拉扎连科夫妇于1 9 4 3 年成功地利 用电腐蚀原理在金属工件上打出了小孔，标志了电火花加工技术的诞生。 电火花加工的基本原理如图1 1 所示呻j 。工具电极和工件分别接脉冲电源的两极， 并浸入工作液中。工具电极在闻隙囊动调节系统的控制下向工件进给，当两电极问的间 隙减小到一定值时，两电极上施加的脉冲电眶将工作液击穿，产生火花放电，并形成火 花放电通道，此时，放电电压瞬间降至火花维持电压，一般约2 5 v 左右，而放电电流增 加至所设定的值。由于受到放电时磁场力箍缩效应和周围液体介质压缩效应的作用，放 电通道的扩张受到限制，使放电能量集中于很小的范围内，因丽通道电流密度极高，通 道内的温度及压力亦相当高。放电通道一旦建立，电源就开始通过放电通道释放能量， 混粉电火花加工机理发应用研究 将电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能、及电磁波辐射能等，其中大部分转换为 热能，用于拥热两极放电点和间隙通道，使两极放电点局部熔化或气化，同时使通道中 的介质气化或热裂分解。电极材料气化及介质气化的过程中，产生很大的热爆炸力，使 被加热至熔化状态的材料挤出或溅出。电极蒸气、介质蒸气以及放电通道的急剧膨胀， 也会产生相当大的压力，参与材料的抛出过程。部分熔融材料抛出后，剩余的部分在电 极表面重新凝固，形成放电痕。脉冲放电结束后，须有一问隔时间，使问隙介质消电离， 恢复间隙中液体介质的绝缘强度，以待_ f 次脉冲击穿放电。 幽卜i 宅火花加工基本原理示意圈 f i g 1 - is c h e r a a t i ed i a g r a mo f e d mp r o c e s s 由于放电总是发生在两电极之间介电强度最弱处，放电结束后，部分材料被去除， 电极表面留下相应的放电凹坑，当下次脉冲到来之时，该处不再是介电强度最弱处，因 而又会在满足介电强度最弱条件的另外一处发生放电。经过无数次放电叠加后，整个加 工表面才会全部参与放电，电极的形状才会完整地“复印”在工件上，最终完成加： 。 1 3 2 电火花加工基本理论研究概况 ( 一) 放电通道理论 两极间的介质被击穿后，两电极就通过放电通道连接起来。放电通道是由数量大致 相等的正离子和自由电子，以及中性分子组成的等离子体，对外呈现电中性，通道内温 度高达1 0 0 0 0 k 以上，瞬时压力可达1 0 0 0 m p a 。带电粒子在电场作用下产生快速的定向运 动，而在高温和高压的环境中，粒子之间必然产生剧烈碰撞，因而会使其运动方向发生 变化，虽然不会改变它们在电场作用下奔向另一极的总趋势，但由于碰撞而产生的横向 运动对于放电通道的形状、大小、以及空间位覆会产生重要的影响，进丽又会影响电极 表面的能量密度，并最终影响材料去除量。 4 大连埋工人学博“f 。学位论义 放电通道是有界等离子体，一般认为其初始形状为圆柱形，其内部密度和温度的梯度及 带电粒子的横向运动速度会产生的向外扩张的压力，丽同时放电通道还受到磁场力箍缩 效应的约束及周围介质的压力作用。在它们的共同约束下，放电通道等离子体会发生位 形变化，直至达到位形平衡。在放电初期，放电通道还没有达到位形平衡，其通道直径 小于平衡时的直径，径向扩张压力梯度会大于磁场约束力及介质压力，二者之差会使放 电通道迅速向外扩展。但出于通道各处所受阻力不一样，扩展速度也不一样，因介质与 电极表面之间的摩擦力会增大该处的运动阻力，故通道靠近电极表面的部位扩展速度 慢，而极间中心处的扩展速度快，致使放电通道呈现图1 2 ( a ) 所示的腰鼓形。随着放电 时间的推移，放电通道直径不断增大，其内部压力与外部压力逐渐达到一致，放电通道 即达到位形平衡。由于带电粒予碰撞引起粒子扩散，而电子扩散的速度远比离子扩散速 度快，故阳极表面附近的电子扩散作用更明显，致使平衡时的放电通道呈现图1 2 ( b ) 所 示的喇叭形7 1 。 ( + ) ( a ) 圈卜2 放电通遵的位形 f i g 1 - 2s h a p eo f e d m d i s c h a r g ec h a n n e l ( 十) 当等离子体受到局部电场或磁场的干扰而导致电荷分离时，其整体保持电中性条件 的惯性会造成内部带电粒子的躅期性振荡，丽振荡频率与粒予质量成平方反比的关系戳。 放电通道内带电粒子的振荡可分为横( 径向) 振和纵( 轴向) 振两种形式，其中横振会 导致放电通道在平衡位置附近振荡，从而导致放电通道位形发生扭折或出现腊肠形；纵 振则会使传递到电极表面的能量里现波动性。 放电通道等离子体的振荡特性对于放电过程有着重要的影响，在放电能量保持不变 的情况下，其振荡频率和振幅越太，电极材料蚀除率也越大，且放电凹坑的深径比也小， 加工表面粗糙度也越低。对此，上海交通大学亓利伟等的解释是由于放电通道的横振导 致放电点在平衡位置附近较大范围内移动，使得放电区域内电极表面各点压力产生很大 的波动，熔融材料会随着压力变化而较多的抛离电极表面，从而在电极表面上留下一个 个相互重叠的小凹坑，并形成最终的放电痕，于是其深径比会明显变小p j 。 ( 二) 材料抛出理论 混粉电火花加丁帆埋及应用研究 电极材料的抛出是一个非常复杂的物理过程，国内外学者对此进行过许多实验研 究。并提出相关学说，但至今仍没有统一的见解。 由于电火花加工是基于脉冲放电时的热效应，人们对热爆炸力学说较为容易接受。 当工作液被击穿而形成放电通道后，由于通道的电流密度很高( 1 0 4 1 0 7 m c m 2 ) ，通道 中的电子和离子在电场作用下高速运动时会发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大量 的热量。同时，带电粒子高速轰击电极表面，也将自身的动能转变成热能。这样，在放 电间隙内沿放电通道形成一个瞬时高温热源，迅速加热工件和电极表面，使其温度急速 升至熔点甚至沸点以上，故放电点附近的局部金属将瞬时熔化甚至气化。同时放电通 道周围的工作液介质也在高温热源作用下发生气化及热分解。由于整个过程非常短促， 金属的熔化、气化以及工作液的气化、热分解都具有爆炸的特性，该爆炸力把熔融金属 抛离电极表面j 。 除了热爆炸力学说之外，人们还曾提出了电动力学说、流体动力学说、磁流体动力 学说、热应力学蜕、以及电场力学说等，分别对材料抛出机理进行了解释【”。 电动力学说最早由电火花加工创始人拉扎连科夫妇于1 9 4 6 年提出，认为放电时电 极材料抛出，是由于电动力作用的结果。由于放电通道内电子束密度很高，当电子柬轰 击阳极表面时，不仅会引起阳极电极材料机械变形，而且还会使阳极表面的局部材料瞬 时熔化和气化，形成熔融金属熔潭，电动力将使其一部分抛离电极表面。电动力学说对 电极材料抛出机理的解释，与电火花加工中的某些现象和实验数据相吻合，但同时也与 另外某些实验现象相矛盾，因而虽然过去曾被电加工界许多人接受，但随着电加工技术 的发展，又有越来越多的人否定这一学说。 流体动力学说认为，电火花加工过程中电极材料的抛出主要是在液相情况下发生 的。而且电极表面熔池中的金属材料大部分是在脉冲放电结束之后以液相抛出的，其抛 出过程的作用力为流体动力。放电开始后，由于放电通道热源的作用，周围介质气化并 发生热分解，与金属蒸气一起在放电通道周围形成气泡。在放电的后半段，特别是放电 结束后，由于气泡持续向外扩张，气泡内的压力降低，使得高压下的过热熔融金属因压 力降低丽迅速气化，并连同熔潭中的液态金属一起被抛离电极表面。借助高速摄影等手 段已经可以证实，流体动力在电极材料抛出过程中的作用是可观的。但是否是主要作用， 目前还没有一个统一的见解。 磁流体动力学说认为放电通道中的正负带电粒子漉在电场作用下将以高速分别冲 击阴极和阳极，使受冲击的局部表厩承受很大的压力。以致发生材料的变形和破坏。由 于电子和离子的质量樵差很大，因而在脉冲放电的不同阶段，电子和离子获得的动能不 同。对两极的冲击作用也就有差异，当脉冲放电持续时间较短时，电子流对阳极的冲击 作用大于粒子流对阴极的冲击作用，而当脉冲放电持续时间较长时，情况则相反。除了 粒子流的高速冲击外，磁流体动力在材料抛出过程中所起更重要的作用，是由于放电通 道等离子振荡所引起的热爆炸抛出。通过对电极表面承受的冲击压力的测量，发现其大 小随时问丽波动，且蚀除量也表现出与冲击压力一致的波动，为磁流体动力学说提供了 人连理丁大学博i j 学位论文 有力的证据。 热应力学说的提出是由于在研究放电后的电极表面和电蚀产物对曾发现，放电凹坑 附近的表面层常常会产生塑性变形，而电蚀产物中也有些没有熔化痕迹的微小晶粒。 研究表明，塑性变形和未熔化的晶粒是由于热应力作用导致的。热应力作用参与电极材 料的抛出，一般仅限于短脉冲及脆性材料加工时才会出现，特别是在一些复合陶瓷材料 的加工中较为常见。c ，s t r u e m a n 等通过增加放电能量，使放电状态接近电弧放电韵情 形，在对陶瓷材料进行加工时人为地增强了热应力对材料抛出的作用，致使数百微米大、 上百微米厚的材料碎片自工件表面剥落，从而大幅度提高了粗加工的效率| 1 0 1 。 电场力学说认为电极材料抛出是电场力作用下的机械破坏的结果，由于脉冲放电时 电极袭面极小范围内的电流密度和电位梯度都相当商，会在金属晶格的电荷上产生很大 的电场力，这种力可以远远超过金属材料的抗拉强度，而使金属成碎片状分离下来。一 般认为，电场力仅在放电初始阶段的作用比较明显，但其抛出的材料占抛出总量的比重 并不大。当放电持续时间较长时，由于放电通道扩展，电流密度减小，电场力的作用是 微不足道的。 通过分析上述几种关于材料抛出力的学说，我们不难理解，电极材料的抛出事实上 是上述多种力综合作用的结果，但这几种力的作用效果和作用时刻是各不相同的。因而 抛开其它多种力的作用而单从某一种力的角度来解释这一复杂过程是片面的，很难给出 正确的描述。目前对于材料抛出机理的研究仍在不断进行中，为更加深入全面地认识材 料抛出过程做出补充。 印度学者a j i ts i n g h 等就认为，对于短脉冲加工对的情形，特别是当1o n 5 9 s 时， 由于脉冲时间较短，瞬时热源的作用不足以使放电点附近的材料发生熔化，因而热爆炸 力的作用并不明显，此时静电力对材料的抛出起主要作用】。该作者建立起相应的模型 对电极表面的静电力及由此引起的应力分靠进行了估算，并最终计算了该条件下放电凹 坑的深度。 日本学者t a k e ot a m u r a 等在精确测量了脉冲放电时的爆炸力后，认为该爆炸力对 电极材料的蚀除、放电凹坑的形成所起的作用是微不足道的，理由是在相同的参数条件 下分别采用正极性、负极性接法时该爆炸力大小、特性一致，但两种极性所得到的放电 凹坑大小、形状则相差极大，其中正极性加工时放电凹坑小而浅，负极性加工时放电凹 坑大而深，且这一规律并不随工件材料、参数条件及工作介质而变化“。但是该作者并 没有对何种抛出力起主要作用给出合理的解释。 比利时学者b l a u w e r s 等在对复会陶瓷材料进行电火花加工实验时发现，除了前面 述及的熔化、气化、热剥离等木孝料去除方式外，基体材料的氧化与分解亦是导致材料去 除的另一动因l i 1 。 ( 三) 放电模型的建立 随着人们对电火花加工放电通道理论及材料抛出机理研究的进一步深化，逐渐开始 7 混粉电火花加t 机理及心用研究 研究建立放电过程的数学模型来解释加工中观察到的现象，甚至预测加工结果。由于电 火花加工过程涉及热、电、磁、流体动力、力学作用等多种物理现象及化学作用，可谓 影响因素众多，但作用时间又极短，仅为数微秒至毫秒之间，且目前仍有很多物理现象 未能了解，因此想用数学模型来全面解释这一过程时的困难时可想而知的。正因如此， 现有的模型只能部分描述实验中观察到的现象。但不可否认，数学建模的方法仍然为我 们进一步了解、掌握电火花加工技术开辟了一条新的道路。 d a r y ld d i b i t o n t o 等假设放电柱在阴极表酾产生的热源为点热源模型，从而提出了