（机械设计及理论专业论文）基于气体介质的电火花铣削加工技术及机理研究.pdf

摘要 鼍曼曼曼曼皇皇- - i i 二；_i i。ii i 蔓曼曼蔓曼! ! ! 曼曼曼! 皇! 曼曼! 曼曼曼 摘要呋 本文所研究的基于气体介质的电火花铣削加工技术主要指气中电火花铣削加 工以及相应的超声辅助气中电火花铣削加工和浸液辅助气中电火花铣削加工。气 中电火花加工技术由于具有环保安全、电极损耗率低等优点，使其适合应用于电 火花铣削加工中，为电火花铣削加工工艺开辟了崭新的途径。超声辅助气中电火 花铣削加工通过给工具电极施加超声振动来改善电火花加工状态以提高其加工效 率的。浸液辅助气中电火花铣削加工是把工具电极与工件间的加工区域都浸没在 液体中，避免了气中电火花铣削加工过程中排出的电蚀产物重新粘附在工件的加 工表面等问题，使其加工效率和表面质量得以提高。 从气中单脉冲放电实验研究和气中火花放电机理研究两个方面，对气中电火花 铣削加工机理进行了较为深入的研究。气中单脉冲放电实验研究结果表明，正极 性加工时工件上的单脉冲放电凹坑比负极性加工时的要大，且正极性加工时阳极。 的单脉冲蚀除量高于阴极的蚀除量；压缩空气为放电介质的单脉冲放电凹坑比常 压空气下的单脉冲放电凹坑要大，且其放电凹坑的形状由于气流吹除作用而沿一 定方向进行延伸；气中单脉冲放电凹坑都随着放电能量的增大而增大；通过气中 单脉冲放电_ 凹坑分析，建立了气中单脉冲放电凹坑直径的回归模型，得到了气中 单脉冲放电凹坑直径与其主要因素的定量关系。分别从介质击穿、放电通道扩展、 极问能量的转换分配、电蚀产物的抛出机理、介质的消电离以及连续脉冲的叠加 效应等方面对气中火花放电机理进行了深入的研究。研究结果表明，气体火花放 电是由t o w n s e n d 击穿开始，逐步发展到流光击穿而形成的；气中放电通道的扩展 要比液中放电通道扩展快；气中放电过程中电蚀产物的抛出主要是由热爆炸力、 高压气流的吹除力、磁流体动力共同作用的结果，而对于硬脆材料，热应力蚀除 起主导作用；气中电火花铣削加工过程中短路或拉弧现象频繁的原因主要在于放 电间隙小而使得电蚀产物难以排出导致的。 对气中电火花铣削加工的浸液辅助机理和超声辅助机理进行较为深入的研 究。在浸液辅助气中电火花铣削加工过程中，尽管加工区域浸没在液体中，但由 其极问压力状态知，充满极间放电间隙的放电介质仍为气体介质，其放电物理本 质为气体介质放电；在超声振动辅助气中电火花铣削加工过程中，超声振动即使 使放电间隙拉离了火花放电所允许的最大放电间隙，也不能拉断放电通道而提前 砖国家臼然科学基金( 5 0 5 7 5 1 2 8 、5 0 7 7 5 1 2 8 ) 以及山彳：省中青年科学家奖励基金( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 4 ) 山东大学博十学位论文 中止放电脉冲，并得到了最大放电间隙公式，推得超声振动之所以改善气中放电 加工状态主要是因为超声振动增大了其实际放电间隙范围。 对气中电火花铣削加工的材料去除率和表面质量等基本工艺指标进行了较为 系统的研究。从气中单脉冲放电蚀除特性研究出发建立了材料去除率模型，依据 此模型可把各d i - l - 因素划分为影响单脉冲放电蚀除特性的加工因素和影响脉冲利 用率的加工因素，并分析各加工因素对其材料去除率的影响规律，工艺实验结果 验证了所建模型的有效性；还对比分析了气中电火花铣削加工和其浸液辅助加工 方式不同的材料去除特性，研究结果表明，浸液辅助加工方式在较大脉冲能量参 数下可获得较大的材料去除率，而在较小的脉冲能量参数下其浸液排屑效果不明 显。从单脉冲放电凹坑形貌研究出发建立了气中电火花铣削加工的表面粗糙度模 型，得到了重叠系数的取值规律，进行了相关参数的工艺实验分析，验证了所建 模型的有效性；通过对比研究气中电火花铣削加工、其浸液辅助加工和油中电火 花铣削加工的工件加工表面形貌状态，发现前两者的表面形貌要比后者平滑，前 两者放电凹坑大而浅，后者的放电凹坑小而深。 提出了一种新的气中电火花分层铣削加工工艺，并对其加工机床和工艺规划 方法进行了较为系统的研究。开发了气中电火花分层铣削加工机床，此机床能够 实现工件的瓜y 伺服进给运动、工具电极的z 向伺服进给运动和工具电极的旋转 超声振动。数控系统采用“i p c + p m a c ”的开放式体系结构，可以实现气中电火 花分层铣削加工以及相应的超声辅助加工和浸液辅助加工。根据气中电火花铣削 加工特点，提出了相应的工艺规划策略。此工艺规划策略采用底面放电加工方式， 初分层与次分层相结合的二次分层策略，轮廓环切与往复行切相结合的轨迹规划 方式，间歇补偿的电极损耗补偿策略。依据气中电火花分层铣削加工特点及工艺 规划策略，开发了相应的c a d c a m 系统。此系统采用p r o e 来完成加工工件的 造型设计、工艺规划以及初始加工轨迹生成，然后依据p m a c 数控系统的编码要 求，对初始刀位轨迹进行后处理，生成满足加工机床要求的数控加工代码。并进 行了三维结构实例的加工实验，验证了此工艺的可行性。 对气中单脉冲放电的传热模型进行了数值仿真研究。分析了气中单脉冲放电 的传热物理过程，推导出了热流密度载荷公式，并建立了气中单脉冲放电的传热 数学模型，采用有限元数值分析软件a b a q u s 对其数学模型进行了数值求解，计 算结果验证了所建模型的有效性。 摘要 关键词：电火花加工，气体介质，铣削，超声振动，浸液、传热模型 i i i 山东大学博十学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼- - 一i l = 。：。一i ： 一一 = i = m 鼍曼 a b s t r a c t * t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l yf o c u so nt h et e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a l d i s c h a r g em i l l i n g ( e d - m i l l i n g ) b a s e do ng a sd i e l e c t r i cw h i c hi sc o m p o s e do ft h r e e e d m i l l i n gm e t h o d si n c l u d i n gc o n v e n t i o n a le d m i l l i n gi ng a s ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o n a i d e de d - m i l l i n gi ng a sa sw e l la sg a sm e d i u me d - m i l l i n gs u b m e r g e di nl i q u i d 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 ) i ng a si ss u i t a b l ef o re d m i l l i n ga si to w n s n u m e r o u sa d v a n t a g e ss u c ha ss a f ea n dg r e e nd i e l e c t r i c ，n of i r et r o u b l e ，l o wt o o l e l e c t r o d ew e a r , e t c s oi t p r o v i d e san e wp a t hf o re d m i l l i n g t h ep r i n c i p l eo f u l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d e de d - m i l l i n gi ng a si st h a tt h em a c h i n i n gp e r f o r m a n c e sa n dt h e m a c h i n i n gs t a t u sc a nb ee n h a n c e db ym e a n so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no ft h et o o le l e c t r o d e g a sm e d i u me d m i l l i n gs u b m e r g e di nl i q u i d ，an e w t y p ee d - m i l l i n gp r o c e s s ，i m m e r s e t h em a c h i n i n ga r e ab e t w e e nt h et o o le l e c t r o d ea n dt h ew o r k p i e c ed u r i n ge d - m i l l i n gi n g a st os o l v et h em a c h i n i n gd e b r i sa d h e r e n c ep r o b l e mo nt h em a c h i n i n gs u r f a c eo ft h e w o r k p i e c e t h em e c h a n i s mo fe d m i l l i n gi ng a sw a ss t u d i e dt h r o u g hc o n d u c t i n gs i n g l ep u l s e d i s c h a r g ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n da n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fe d mi ng a s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nf r o mn u m e r o u ss i n g l ep u l s ed i s c h a r g ee x p e r i m e n t s t h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ec r a t e ro ft h ew o r k p i e c eo nt h ec o n d i t i o no ft h ep o s i t i v e p o l a r i t yi sb i g g e rt h a nt h a to nt h ec o n d i t i o no ft h en e g a t i v ep o l a r i t y t h es i n g l ep u l s e d i s c h a r g ec r a t e ro ft h ew o r k p i e c ei sb i g g e rt h a nt h a to ft h et o o le l e c t r o d ew h e nt h et o o l e l e c t r o d ei sc a t h o d ea n dt h ew o r k p i e c ei sa n o d e t h ec r a t e rp r o d u c e db ys i n g l ep u l s e d i s c h a r g ei nt h ec o m p r e s s e da i ri sb i g g e rt h a nt h a tp r o d u c e di nt h ea i ra n di t sf o r m c h a n g e sa c c o r d i n gt ot h ef l u i do ft h ec o m p r e s s e da i r t h ev o l u m eo ft h es i n g l ep u l s e d i s c h a r g ec r a t e ri n c r e a s e sa st h ep u l s ee n e r g ys t r e n g t h e n s t h em e c h a n i s mo f e d m i l l i n gi ng a s isf u r t h e rs t u d i e df r o mt h ea s p e c t so ft h eb r e a k d o w no ft h ed i e l e c t r i c ， t h es p r e a do ft h ed i s c h a r g i n gc h a n n e l ，t h ec o n v e r s i o na n dd i s t r i b u t i o no ft h ed i s c h a r g i n g e n e r g y , t h er e m o v a lo ft h em a c h i n i n gd e b r i s ，t h ed e i o n i z a t i o na sw e l la st h ei n t e g r a t e d e f f e c to ft h ei m p u l s i v ed i s c h a r g e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i s c h a r g i n gp r o c e s s 木n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 5 7 5 1 2 8 、5 0 7 7 5 1 2 8 ) t h eo u t s t a n d i n gy o u n gs c l e n ti s tf o u n d a t i o bo fs h a n d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 4 ) v a b s t r a c t d u r i n ge d mi ng a si n i t i a l l yc o m e sf r o mt o w n s e n db r e a k d o w np r o c e s sa n dt h e n c h a n g e st os t r e a m i n gb r e a k d o w np r o c e s s t h ed i s c h a r g i n gc h a n n e ld u r i n ge d mi ng a s e x p a n d sm o r eq u i c k l yt h a ni td o e sd u r i n gc o n v e n t i o n a le d m t h er e m o v a lo ft h e m a c h i n i n gd e b r i sd u r i n ge d mi ng a si sc o n c u r r e n tr e s u l t so ft h et h e r m a le x p a n s i o n , t h e f l u i do f c o m p r e s s e dg a s ，m a g n e t i cf l u i dd y n a m i cf o r c e ，w h i l et h et h e r m a ls t r e s sr e m o v a l p l a y s ad o m i n a n tr o l ei nm a c h i n i n gt h eh a r d - b r i t t l em a t e r i a l t h ep r i n c i p l e sf o ru l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d e de d - m i l l i n gi ng a sa n dg a sm e d i u m e d - m i l l i n gs u b m e r g e di nl i q u i dw e r ea n a l y z e d a 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 ft h e p r e s s u r es t a t u sb e t w e e ne l e c t r o d e s ，t h em e d i u mb e t w e e nt h et o o le l e c t r o d ea n dt h ew o r k p i e c ef o rg a sm e d i u me d m i l l i n gs u b m e r g e di nl i q u i di ss t i l lg a sd i e l e c t r i c t h e m e c h a n i s mo ft h ee f f e c to ft h et 0 0 1e l e c t r o d e su l t r a s o n i cv i b r a t i o ni st h a tt h em a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n dt h em a c h i n i n gs t a t u sc a nb ei m p r o v e db e c a u s eu l t r a s o n i cv i b r a t i o no ft h e t o o le l e c t r o d ec a ne n l a r g et h ep r a c t i c a ld i s c h a r g eg a p r a n g e t h ef u n d a m e n t a lm a c h i n i n gp e r f o r m a n c e ss u c ha sm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) a n ds u r f a c eq u a l i t yw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em o d e lo fm r rf o re d - m i l l i n gi n g a sw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a lr e m o v a lo fs i n g l ep u l s e d i s c h a r g ef r o mw h i c ht h em a c h i n i n gp a r a m e t e r sc a nb ed i v i d e di n t ot w og r o u p s i n c l u d i n gt h ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m a t e r i a lr e m o v a lo fs i n g l ep u l s e d i s c h a r g ea n dt h ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gp u l s eu s a g ef a c t o r t h em o d e lh a sb e e nv e r i f i e d b yp r o c e s se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h b yc o m p a r i n gt h er u l eo fm r rf o rg a sm e d i u m e d m i l l i n gs u b m e r g e di nl i q u i dw i t ht h em r rf o re d - m i l l i n gi ng a s ，t h em r ro ft h e f o r m e ri sm u c hg r e a t e rt h a nt h a to ft h el a t t e rw h e nt h el a r g ep u l s ee n e r g yi sc h o s e n ， w h i l et h em r ro ft h ef o r m e ri sc l o s et ot h em r r o ft h e1 a t t e rw h e nt h es m a l lp u l s e e n e r g yi sc h o s e n t h em o d e lo fs u r f a c er o u g h n e s sf o re d m i l l i n gi ng a sw a sd e v e l o p e d b a s e do nt h ef o r mo fs i n g l ep u l s ed i s c h a r g ec r a t e ra n di t so v e r l a pc o e f f i c i e n th a sb e e n d e d u c e d t h em o d e lh a sb e e nv e r i f i e db yt h ep r o c e s se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h b y c o m p a r i n gt h es u r f a c eo ft h ew o r k p i e c eo fe d - m i l l i n gi ng a s ，g a sm e d i u me d m i l l i n g s u b m e r g e di nl i q u i d ，e d mi n o i ld i e l e c t r i c ，t h es h a p eo ft h ef i r t ht w oi ss m o o t h e rt h a n t h a to ft h el a s to n e ，a n dt h ec r a t e r so ft h ef o r m e rt w oi t e m sa r eb i ga n ds h a l l o ww h i l et h e c r a t e r so ft h el a s to n ea r es m a l la n dd e e p an o v e l e d - m i l l i n gm e t h o d ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g el a y e r e d m i l l i n gi ng a s v j 山东大学博十学何论文 ( e d l m i l l i n gi ng a s ) ，w a sd e v e l o p e d t h em a c h i n et o o la n dp r o c e s sp l a ns t r a t e g yo ft h e t e c h n o l o g yw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a c h i n et o o lc a na c c o m p l i s ht h ef o l l o w i n g f u n c t i o n s ，x a x i sa n dy - a x i sf e e dm o v e m e n to ft h ew o r k p i e c e ，a n dz - a x i sf e e d m o v e m e n to ft h et o o le l e c t r o d e ，t h eg e n e r a t i o nm o v e m e n to ft h er o t a r ym o v e m e n ta n d u l t r a s o n i cv i b r a t i o no ft h et o o le l e c t r o d e t h em a c h i n i n gp r o c e s si sc o n t r o l l e db ya n o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a s e do n “i p c + p m a c ”t h em a c h i n et o o li s a p p l i c a b l ei nt h e s ep r o c e s s e si n c l u d i n ge d l - m i l l i n gi ng a s ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d e d e d l m i l l i n gi ng a sa sw e ua sg a sm e d i u me d l - m i l l i n gs u b m e r g e di nl i q u i d p r o c e s s p l a ns t r a t e g i e sf o re d l m i l l i n gi ng a sw e r ed e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h em a c h i n i n g f e a t u r e so ft h ep r o c e s s b o t t o mm i l l i n gm e t h o d ，t w i c e l a y e r e ds l i c i n gs t r a t e g y , t o o lp a t h p l a n n i n ga l g o r i t h m w i t ht h ec o u p l eo fd i r e c t i o n - p a r a l l e l m a c h i n i n ga n d c o n t o u r m a c h i n i n gp a t ha sw e l l a st h es e m i o n l i n e p e r i o d i c a lc o m p e n s a t i o nm e t h o dw e r e d e v e l o p e d c a d c a ms y s t e mc a nb ea c c o m p l i s h e dt h r o u g ht h ef o l l o w i n gp r o c e d u r e s d r a w i n go ft h ew o r k p i e c e ，p r o c e s sp l a ns t r a t e g y , a n di n i t i a lt o o lp a t hg e n e r a t i o nc a nb e a c c o m p l i s h e db yt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ep r o e n cc o d ea c c e p t e db yc n cs y s t e mc a n b ea c q u i r e dt h r o u g hp o s t - p r o c e s s i n gp r o c e d u r e 3 - dm a c h i n i n gs a m p l e sh a v ev e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p r o a c h n u m e r i c a ls o l u t i o n st ot h et h e r m a lm o d e lo fe d mi ng a sw e r es t u d i e d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h e r m o p h y s i c a lp r o c e d u r ew a sb u i l ta n dt h ef o r m u l ao f d i s t r i b u t e ds u r f a c ef l u xw a sd e d u c e d m a t h e m a t i c a lm o d e lc a nb ec a l c u l a t e dt h r o u g h f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) s o f t w a r ea b a q u s t h er e s u l t so ft h ef e ma n a l y s i sh a v e v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe d mi ng a s k e yw o r d s ：e d m ；g a sd i e l e c t r i c ；m i l l i n g ；u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ；s u b m e r g e di nl i q u i d ； t h e r m a lm o d e l v i i 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 包括任何其他个人或集体己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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蕴盔i 豳 日期：2 旦! 星：2 至：笙 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) 论文作者签名：羞，盘立胭导师签名：z 型! ：雎u z 型y 日期：丝堕丝：笠 第1 章绪论 第1 章绪论 电火花j j l ：lt ( 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 ) 是在工作介质中，利用 工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电产生的电腐蚀现象来蚀除工件材料，以 达到一定的尺寸、形状及表面质量要求的一种加工方法。电火花加工与传统的机 械切削加工有着本质的区别，它是一种非接触式加工，具有许多传统切削加工无 法比拟的优点，如无机械加工的切削力，对工具的机械强度、硬度无特殊要求， 可以采用较软材料加工任何硬韧的导电材料等，所以广泛应用于模具制造、航空、 电子、精密机械等行业，解决各种难加工材料及复杂形状的零件的加工问题【l 训。 i i 电火花加工技术的研究现状及其发展趋势 随着世界经济的发展与能源紧张的矛盾日愈加剧，制造业有向小批量、多品 种方向发展的趋势，对产品的制造精度的要求越来越高，这些都对制造业提出了 更高的要求和挑战。面对当今制造业的发展态势，电火花加工技术同样面临新的 机遇与挑战。为了积极地应对这些挑战，电火花加工技术，将通过借鉴和吸收其 它先进技术的发展成果，不断地向着电火花加工技术的高速高效化、精密化、绿 色环保、新型技术等方向发展。 1 1 1 高速高效电火花加工 高速铣削加工技术的飞速发展，对广泛应用于复杂型腔加工的电火花加工技 术形成了挑战【5 ，6 1 。因此，不断地提高电火花加工速度和加工效率成为增强电火花 加工竞争力的重要举措之一。提高电火花加工的效率不仅只是体现在提高单位放 电脉冲蚀除的材料量上，而且还应从改善加工工艺、提高整机性能、实行柔性制 造、吸收先进技术、开发新型工艺等方面入手。主要从以下几个方面来改善其加 工速度和加工效率。 ( 1 ) 改善电火花成型加工工艺 工作液混气。k u n i e d a 等【7 】采用水作工作液，并向工作液中通入氧气，可以观 察到更大的放电凹坑和更加频繁的放电，加工速度也相应提高。这是因为工作液 中的氧气与电极材料发生了氧化反应，并产生大量的热量，有利于工件材料的融 熔气化，增加抛出熔融物质的爆炸力，从而提高了材料去除效率。 山东大学博十学何论文 给工具电极或工件施加振动。k r e m e r 、t h o e 和赵万生等【8 。1 l 】在研究中给工具 电极施加超声频振动，振动所产生的激波改善了间隙中杂质的分布，有利于碎屑 的排除和工作液介电性能的恢复，并能额外地从熔池中排除部分熔融物质，减少 熔融点附近液态金属的重新固化，大幅度地提高了加工速度。 改变工作液的进给方式。在传统的纵向进给电火花加工中，间隙中蚀除微粒 的运动方向与吸入工作液的运动方向相反，较大的颗粒可能聚集在下部，底部区 域存在不流动点，形成稳定的电弧放电点。k u n i e d a 等【1 2 】把纵向进给变为横向进 给，研究结果表明，横向进给电火花加工中，蚀除微粒沿着放电间隙端面上升， 而清洁的工作液从下部吸入，在加工间隙内不存在静止点，加工效率相应提高。 ( 2 ) 发展和完善电火花铣削加工技术 电火花铣削加工技术采用简单形状的电极代替电火花成型加工中的成型电 极，实现了电火花加工的柔性化，也是提高电火花加工效率的一种有效方法。在 传统的电火花成型加工中，尤其是加工复杂型面的工件时，成形电极的制备是一 项复杂的过程，生产周期长，加工成本高，而且加工规准变更时，需要重新更换 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【1 3 - 18 1 。 ( 3 ) 提高电火花机床伺服系统的响应 自从日本s o d i c k 公司率先将直线电机引入电火花加工机床以来，直线电机在 电火花加工机床的应用越来越广泛。直线电机使得伺服传动结构更为简单，没有 滚珠丝杠传动机构所存在的传动间隙，能实现高速度、高加速度运动，大幅提高 了电火花加工机床伺服系统的响应，尤其适用于加工排屑不畅的深窄槽、深小孔 加工的情况。另外，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，也已成为一种电火花加工机床伺服系统的发展趋势 1 9 - 2 1 】。 ( 4 ) 利用先进技术来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，将这些技术引入 到电火花加工技术中，从而可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 2 2 之5 1 。由于火花放电过程本身的复杂性、随机性，迄今为止在电火花j n - v 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 第1 章绪论 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【2 5 。2 7 1 。 ( 5 ) 开发新型电火花加工工艺 气中电火花加工技术是最近发展起来的新型电火花加工技术之一。其突出的 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 2 8 - 3 0 1 。 喷雾电火花加工技术以水、气混合形成的高压雾气作为放电介质，与气中电 火花加工相比具有更好的冷却作用，可以提高放电通道的爆炸力，获得更高的材 料去除率，也是提高电火花加工效率的一个重要途径【3 1 】。 集束电极电火花加工技术是一种以一组按照一定规律排列的中空棒状单元来 代替传统成型加工电极来加工复杂自由型面工件的新型电火花加工技术。它将块 状成型电极加以数字离散化，将棒状电极单元集束化来替代成型电极，不仅可以 大大缩短成型电极的制作周期，而且可以有效的提高加工效率【3 3 3 4 1 。 1 1 2 精密电火花加工技术 加工工艺的精密化包括加工工件的尺寸精度高和表面质量好两层含义。提高 尺寸精度的有效方法就是提高放电间隙的稳定性和减少加工过程中电极的损耗， 实现电极损耗的在线补偿。衡量加工表面质量的参数包括表面粗糙度、几何精度、 微观裂纹大小、变质层厚度等。通过采用一系列新型的工艺方法，目前电火花成 型加工精度已有很大提高，但总体看来，先进技术在实际生产中的应用还不够成 熟和广泛，今后仍将是研究的主题。通过提高成型加工精度力争在保证加工速度、 加工成本的前提下，使电火花加工成为一些主要零件的最终加工方式。下面主要 从低电极损耗和镜面电火花加工两个方面来进行讨论。 ( 1 ) 低电极损耗电火花加工技术 工具电极的损耗直接影响到加工工件的精度，电极的低损耗技术早就引起了 人们的注意，是近几年研究的热点之一【35 1 。由于电极的损耗主要是由放电初始阶 段的电子流造成的，所以采用电流斜率控制方法控制放电初期的放电能量，使这 一阶段内的电子流尽可能小，可有效地改善电极的损耗情况。日本三菱电机公司 开发出大幅度减小电极损耗的s c 电路，当脉冲较宽时，可实现电极无损耗加工【3 6 1 。 另外，电火花加工中，采用工件接负极和长脉冲加工，电极选用高熔点高传热系 山东大学博十学何论文 数的材料，可使电极损耗降低。浙江大学的张云对电火花加工硬质合金时的电极 损耗进行了研究，以较大峰值电压电流和较小脉宽的加工参数组合，提高了加工 效率，并能相对减少表面微观裂纹的产生和减少电极的损耗【3 7 1 。 ( 2 ) 镜面电火花加工技术 较小面积的精加工效果可以通过使用精微加工电源来实现。而大面积加工时， 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【3 8 】。为了解决这一问题，混粉电火花镜面加工技术最先由 日本的毛利尚武等人发明，很快就受到世界各国的重视，被认为是二十一世纪电 火花加工技术发展的重要方向之一。混粉电火花镜面加工技术通过在工作液中添 加一定浓度的导电性硅、铝等微细粉末，改变电火花放电状态，使大面积电火花 加工表面的粗糙度值显著降低，表面性能得到改善，从根本上克服了常规电火花 加工表面粗糙度、表面性能差的缺点，使电火花加工作为大面积精密、复杂型面 的最终加工成为可能。国内外学者对混粉电火花镜面加工技术进行了一系列研究， 取得了显著的效果【3 9 4 6 1 。合肥工业大学的高正一和西北工业大学的任中根教授在 混粉电火花镜面加工技术基础上又附加了超声波振动，进一步改善了工件表面放 电痕的分布，使放电痕变得浅而均匀，提高了镜面加工的质量 4 4 4 5 1 。大连理工大 学赵福令教授在镜面电火花加工过程中，往普通工作液中( 煤油) 混入粒度为5 p m 的硅粉并伴以工具电极的转动，结果使加工效率和加工质量更佳【4 6 1 。 1 1 3 微细电火花加工技术 随着航天技术、微机电技术和生物技术的发展，窄槽、深孔、微细零件的加 工是电火花成型加工面临的重要课题。因此，加工工艺的微细化是今后的重要发 展方向之一。电火花微细加工机理与常规电火花成型加工相同，但其加工尺度更 小，具有一些特殊的工艺特点。具体研究内容包括：微细电极的制作与装夹，高 精度微进给装置的设计制造，微能量加工电源的研制，微细加工工艺及复合加工 工艺等。 ( 1 ) 微细电极的制作与装夹 微细加工的尺寸决定了工具电极本身尺寸的微小，这无疑给高精度微细电极 的制造和装央提出更高的要求。日本东京大学的增泽隆久等人在电火花反拷加工 的基础上，利用线电极替代反拷模块，成功的研制了线电极电火花磨肖i ( w e d g ) 技术。w e d g 技术出现，为微细电火花加工奠定了基础，成功地解决了微细电极 4 第1 章绪论 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【4 7 4 9 1 。 ( 2 ) 高精度微进给装置 微进给机构作为微细电火花加工装置中的关键技术，是实现微细电火花加工 的前提和保证。传统的滚珠丝杠进给机构传动链长，传动装置之间存在间隙，其 精度和频响都难以满足微细电火花加工技术的要求。最近，一些新型微进给机构 出现，如以蠕动式、冲击式、椭圆式为典型的微进给机构 5 0 - 5 3 ，以步进电机和压 电效应为基础的宏微驱动酬，以及基于超声马达的微进给机构【5 5 】等，很好解决了 微细电火花加工中微小步距进给的难题。 ( 3 ) 微细加工脉冲电源 脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需的电压，并在击穿后提供能 量以蚀除工件材料。减小单个脉冲的放电能量是提高加工精度、降低表面粗糙度 的有效途径。微细电火花加工中，要求最小放电能量控制在1 0 4 - - 1 0 j ，相应的放 电脉冲的宽度要求在微妙级至亚微妙以下量级【5 6 1 。微小能量脉冲电源主要有两种 形式：独立式晶体管脉冲电源和张驰式r c 脉冲电源【5 7 , 5 8 】。晶体管微小能量脉冲电 源具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形好、容易实现多回路和自适应 控制，应用范围比较广泛，但也存在由于开关元件的开关速度和控制电路元件的 延迟较难获得窄脉宽电流。张驰式r c 脉冲电源是利用电容器充电储存电能，而后 瞬时放出的原理工作的，具有结构简单、易于调节单脉冲放电能量。有些学者发 现r c 脉冲电源没有火花维持电压的局限，提出了超低电压微细电火花加工方法， 即通过降低放电电压来减小单个脉冲放电能量，解决了长期困扰微细电火花加工 的微能量问题 5