（机械设计及理论专业论文）机夹硬质合金刀片电火花加工工艺及装置的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 目前，新材料刀片层出不穷，但硬质合金刀片仍然占据重要地位，尤其机夹硬质合 金刀片更是应用广泛。其加工方法以磨削为主，然而磨削产生的磨削裂纹严重影响了刀 片的加工质量和使用寿命。因此有必要改变加工方法以提高机夹硬质合金刀片的性能。 在此采用电火花加工的方法，其属于电腐蚀加工，热影响区小，因此能很好的解决 磨削产生的微观裂纹的问题。电火花加工时，最重要的是加工条件的设定，若加工条件 控制不当，刀片也可能产生裂纹等表面缺陷，影响到刀片的使用寿命。因此有必要对电 火花加工硬质合金刀片的工艺进行深入研究，为实际加工提供参考。另外为了提高批量 生产此刀片的效率，专用夹具的研发也势在必行。 因此本文研究的具体内容如下： 1 设计一套专用夹具，完成对工件的自动对中快速装夹，并配备自动修正电极装置。 此套装置能够实现快速电极修正补偿而无需装卸电极，因此能够大大提高了加工效率， 特别是对大批量生产机夹硬质合金刀片具有重要意义。 2 以加工速度、电极损耗率和表面粗糙度作为评价电火花加工机夹硬质合金刀片性 能指标，详细分析了脉冲宽度、峰值电流、加工极性、加工电压等因素对其刀片加工的 影响规律，并得到了单因素对刀片加工的最佳参数。 3 对电火花加工机夹硬质合金刀片( 中心孔) 进行加工工艺研究，并以脉冲宽度、 峰值电流、加工电压为研究内容，采用正交实验获得最优加工参数。实验结果表明工艺 参数在一定范围内组合可以得到质量较好的刀片中心孔，并兼顾到了加工效率，此组合 为：正极性加工、i - 1 a 、友= 2 0 p s 、u = 1 0 0 v 。 4 对机夹硬质合金刀片加工表面进行电火花表面涂覆处理，可以使涂层过渡层厚 度增加到5 g n 以上，使涂层粘附更牢固，不易脱落，提高了刀片使用寿命的5 1 0 倍。 关键词：机夹硬质合金刀片夹具电火花加工涂敷加工工艺 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，b l a d e sm a d ei na d v a n c e dm a t e r i a l e m e r g ei ne n d l e s s l y ，y e tc e m e n t e d c a r b i d eb l a d es t i l lo c c u p yt h ei m p o r t a n tp o s i t i o n ，e s p e c i a l l ym a c h i n ec l i pc e m e n t e dc a r b i d e b l a d ei sa p p l i e dw i d e l y t h ep r o c e s s i n gm e t h o do fc e m e n t e dc a r b i d eb l a d ei sm a i n l yw i t h g r i n d i n g , h o w e v e r , g r i n d i n gp r o d u c e sg r i n d i n gc r a c ks e r i o u sw h i c hi m p a c to np r o c e s s i n g q u a l i t ya n ds e r v i c el i f eo ft h eb l a d e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oc h a n g ep r o c e s s i n gm e t h o di n o r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f m a c h i n ee l i pc e m e n t e dc a r b i d eb l a d e i nt h i sp a p e ru s 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 g ( e d m ) t h a tb e l o n g st oe l e c t r i c c o r r o s i o nm a c h i n i n g ，h o ti n f l u e n c ea r e ai ss m a l l ，s oe d mc a ns o l v et h ep r o b l e m so fm i c r o c r a c k sp r o d u c e di ng r i n d i n ge f f e c t i v e l y t h em o s ti m p o r t a n to fe d mi ss e t t i n g p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s ，i fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sc o n t r o li m p r o p e r ，b l a d e sc a l la l s oa p p e a rs u r f a c ed e f e c t s ， s u c ha sc r a c k , a f f e c t i n gt h es e r v i c el i f eo fb l a d e s s oi ti sn e c e s s a r yt of u r t h e rs t u d yo nt h e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc e m e n t e dc a r b i d eb l a d ew i t he d m ，w h i c hc a np r o v i d ear e f e r e n c e f o rp r a c t i c a lp r o c e s s i n g i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a s sp r o d u c t i o nt h i sb l a d e ， d e s i g ns p e c i a lt o o li si m p e r a t i v e t h ec o n c r e t ec o n t e n t si nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 d e s i g nas p e c i a lf i x t u r et oa c c o m p l i s hc e n t e r i n gc l a m p i n go ft h ew o r kp i e c ea n d c o r r e c te l e c t r o d ea s s e m b l ya u t o m a t i c a l l y t h i sd e v i c ec a nc o r r e c tt h ee l e c t r o d e q u i c k l y w i t h o u tl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，s oi tc a l li m p r o v et h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yg r e a t l y , e s p e c i a l l y f o rm a s sp r o d u c t i o nm a c h i n ec l i pc e m e n t e dc a r b i d eb l a d eh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e 2 m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，e l e c t r o d ew e a rr a t ea n ds u r f a c er o u g h n e s sa r et a k e na s e v a l u a t i o np e r f o r m a n c ei n d e xo fm a c h i n ec l i pc e m e n t e dc a r b i d eb l a d ew i t he d m ，d e t a i l e d a n a l y s i so np u l s ew i d t h ，p e a kc u r r e n t ，p r o c e s s i n gp o l a r i t y ，m a c h i n i n gv o l t a g ea n do t h e r f a c t o r so ni n f l u e n c el a wo ft h ep r o c e s so fb l a d e ，a l s oo b t a i n e dt h eb e s tp a r a m e t e r sf o rs i n g l e f a c t o rb l a d e p r o c e s s i n g 3 s t u d yo nt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fm a c h i n ec l i pc e m e n t e dc a r b i d eb l a d e ( t h e c e n t r a lh o l e ) w i t he d m ，t a k i n gp u l s ew i d t h ，p e a kc u r r e n t ，m a c h i n i n gv o l t a g ea st h er e s e a r c h c o n t e n t ，g e t t i n go p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tp r o c e s sp a r a m e t e r sc a n g e tg o o dq u a l i t yb l a d ec e n t e rh o l ew i t h i nt h es c o p e i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 o fc e r x a i na n dc o m b i n a t i o n , a n dc o n s i d e r a t i o nt om a c h i n i n ge f f i c i e n c y , t h ec o m b i n a t i o ni s ： p o s i t i v ep o l a r i t yp r o c e s s i n g ，i = 1 八= 2 0 p s ，u = i o o v 4 c o a t i n gt h em a c h i n e ds u r f a c eo fm a c h i n ee l i pc e m e n t e dc a r b i d eb l a d ew i t he d m c a ni n e r e a s et h ec o a t i n gt h i c k n e s si sm o r et h a n5 p m ，m a k i n gt h ec o a t i n ga d h e r e sf i r m l y w h i c hi m p r o v et h es e r v i c el i f eo fb l a d e s5 10t i m e s k e yw o r d s ：m a c h i n ec 1 i pc e m e n t e dc a r b i d eb l a d e ，f i x t u r e ，e d m ，c o a t i n g ，p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 机夹硬质合金刀片的发展 1 9 2 3 年，德国的施勒特尔往w c 粉末中加进了1 0 2 0 的钴作为粘结剂，发明了 世界上人工制成的第一种硬质合金，其硬度仅次于金刚石，但用这种材料制成的刀片切 削钢材时，刀刃很快就被磨损，甚至出现了刃口崩裂的现象。1 9 2 9 年，美国的施瓦茨科 夫对这种硬质合金做了重大改良，他在原有的成分中增加了一定量的t i c 和w c 的复式 碳化物，改善了刀片切削钢材的性能。此后，在科学家的一次次改良中，硬质合金材料 的性能越来越好，硬质合金的硬度、耐磨、强度和韧性都有了很大的提高，尤其是它的 高硬度和高耐磨性能，即使在5 0 0 的温度下也可以基本保持不变，在1 0 0 0 时仍然有 很高的硬度。因此，硬质合金材料的应用越来越广泛。 2 0 世纪6 0 年代以前，硬质合金材料由于其脆、难加工的特性，还没有得到广泛应 用，切削刀片中占主导地位的还是高速钢；但在6 0 年代之后，硬质合金材料得到了迅猛 的发展，与此同时还有获得快速发展的磨削加工工艺，这都使得硬质合金材料的地位急 速上升。我国在2 0 0 4 年己成为世界硬质合金的第一大生产国，但令人非常遗憾的是我 国生产的硬质合金产品仍然属于低档产品，产值和生产利润很低。我国所需的高档硬质 合金及硬质合金刀具还需要从国外大量的进口，如瑞典s a n d v i k 公司的硬质合金年产量仅 为我国硬质合金产量的1 4 ，但该公司的销售收入和利润却是我国的5 l o 倍。仅在2 0 0 3 年一年，我国进口硬质合金刀具花费高达1 3 亿美元，更令人深感遗憾的是国外生产硬质 合金所需的生产原料钨主要从我国低价进口的，我国是钨资源大国，全国的钨储量高达 1 0 2 万吨，占全世界钨储量的4 0 ，居世界第二位，仅次于哈萨克斯坦，其钨储量为1 5 5 万吨。同时我国的钨资源出口量非常大，而且在我国出口的钨产品中初级产品占出口总 数的7 9 ，硬质合金仅占出口总数的1 8 ，剩余的3 为铸造碳化钨，按照这样的出 口速度，预计不用2 0 年，我国钨资源将消耗殆尽心- - 4 。 硬质合金可以做成如铣刀、车刀、刨刀、镗刀、钻头等多种刀具，用于切削铸铁、 普通钢材、有色金属等金属材料，也可以用于切削塑料、化纤、石墨、玻璃、石材等非 金属材料，还可以用来切削难加工的材料，比如高锰钢、工具钢、耐热钢、不锈钢等。 硬质合金另一种用途是制作测量量具、钻探工具、凿岩工具、采掘工具，也可以制作耐 磨零件、金属磨具、汽缸衬里、喷嘴、精密轴承等。 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 硬质合金刀片材料的出现，使得切削效率有了很大幅度的提高，大约为高速钢的 5 , - - , 1 0 倍，所以全世界硬质合金的产量迅速增长。新材料，新牌号的硬质合金刀片不断出 现，使得硬质合金在全部的刀片中的比重越来越大，已经达到7 0 以上，尤其机夹硬质 合金刀片更是得到了广泛应用。近七十年来，它作为“工业的牙齿”，随着工业的快速 发展而得以迅速的成长，并逐步形成了一套完备的产业体系，发挥着越来越重要的作用。 可以毫不夸张的说，没有硬质合金材料，也就没有现代制造技术发展的今天! 今后要大 力发展高新技术产业，必须重视硬质合金材料的发展 5 】。 硬质合金材料在世界上主要的有中国、俄罗斯、美国、英国、德国、瑞典等5 0 多 个生产国，生产总量可达2 7 万一2 8 万吨，硬质合金市场的竞争非常激烈，也基本处于 饱和状态。在5 0 年代末期中国的硬质合金工业才开始形成，迅速发展是在6 0 - , 7 0 年代， 在9 0 年代初期，中国硬质合金的生产能力已迈进世界前3 位，仅次于俄罗斯和美国。 目前，很多新型的材料在不断涌现，可以用来做刀片的也越来越多，比较受欢迎的 刀片材料仍然是硬质合金。据有关资料显示，某些国家5 5 以上的铣刀是用硬质合金材 料制造的，而用硬质合金材料制作的车刀达到了9 0 以上，并且这种趋势有增无减 6 1 。 1 2 士j n - r 机夹硬质合金刀片的工艺方法 1 2 1 磨削加工 磨削是目前加工硬质合金刀片的主要方法。磨削加工对工件进行磨削利用的磨具主 要是高速旋转的砂轮。由于磨削所用磨具的磨粒的硬度高，磨具具有自锐性等优点，因 此磨削可以用于加工高硬度金属，比如高强度合金钢、硬质合金、淬硬钢等，还可加工 大理石、玻璃和陶瓷等非金属材料。 磨削加工是精加工和超精加工的重要手段之一。磨削后在工件表面上产生的变质层 是磨削加工的必然产物，而且加工后工件表面质量的好坏可以由变质层的深度和变质程 度大小反映出来，所以磨削后工件表面上产生的变质层是评价磨削加工后工件表面加工 质量好坏的重要依据。磨削加工产生的工件表面变质层的微观状态特征如下： ( 1 ) 磨削机理在磨削加工过程中的任何一个时刻，都会有许许多多颗的磨粒或 切削刃同时参加切削工作而这些切削刃中的每一个切削刃都具有很大的负前角和切削 刃钝圆半径，这就使得切削条件变得很差而且切削过程会很激烈。在磨削的过程中， 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 由于磨粒在砂轮表面的分布高低不同，这就使得有些磨粒可以切削工件形成切屑， 而 有一些磨粒仅能在工件的表面上划出痕迹，甚至还有一些磨粒只会在工件的表面上产 生滑擦。在磨削加工中，工件被磨削的表面上将会产生弹性变形、塑性变形和相变等， 在无数个切削刃的共同作用下，工件的表面将会历经多种变形的共同影响，最终的结果 是工件表面上的一部分金属被切除，而另一部分金属将会在工件的表面层残留变形。 ( 2 ) 变质层的物理机械性能变化所谓磨削加工后在工件表面上产生的变质层是 指在机械加工的过程中零件表面层在受到切削力和切削热的作用后表现出来的，与未加 工表面层的基体性能相比有明显变化的表层组织。这种变化反映了该表面层组织的物理 机械性能的变化，这种变化主要包括：表面层显微硬度的变化、表面层残余应力、表面 层金相组织的变化以及表面层的金属型性变形等。 ( 3 ) 磨削烧伤及金相组织变化在磨削加工中，单颗磨刃切削时所产生的瞬时温 度会很高，一般情况下都将会超过相变温度，而精密磨削所j j n - r 的零件多是淬火件，磨 削区的瞬时温度甚至将会达到金属零件的熔化温度，这种瞬时高温会使零件的表层金相 组织发生变化，即在零件的表面层产生磨削烧伤，这是淬火件在磨削加工中经常会出现 的问题。零件表面上磨削烧伤的主要形式是二次淬火烧伤和回火烧伤。二次淬火烧伤的 金相组织为回火马氏体，而回火烧伤的金相组织将视回火温度的高低分别得n - 回火索 氏体、回火屈氏体、马氏体+ 残余奥氏体。 ( 4 ) 变质层微观状态的特征参数在切削刃的切削过程中，工件的表层金属在磨 削力的作用下将会发生塑性变形，而磨削热的作用将会使表面层金属发生金相变化。塑 性变形时，除了使工件的表面层冷硬外，往往还伴随有金属密度的减少，从而导致金属 体积增大，工件的表层产生压应力。工件的表层金属发生相变时，表面层金相组织将会 发生变化，从而使得金属密度同样发生变化，如马氏体、贝氏体、屈氏体、索氏体、奥 氏体等，它们的密度依次由d , n 大，它们的物理机械性能同样也会不一样。由此可见， 金属材料的密度p 可作为变质层微观状态的特征参数。与材料密度p 紧密相关的是材料 固有的三个弹性常数：弹性模量e 、泊松比仃和剪切弹性模量对各向同性材料， 三者关系为 7 1 ： e 5 2 ( 1 + o r ) 在现代机械加工金属切削刀片中，应用最广泛的是硬质合金，使用硬质合金刀片可 = ； 青岛理工大学工学硕士学位论文 增加切除的铁屑量约7 0 。刃磨的质量是影响硬质合金制造质量主要影响因素，因此刃 磨在硬质合金刀片加工中占有的地位是非常重要的。在磨削加工硬质合金时，磨削热在 硬质合金刀片被磨面与砂轮之间剧烈增加，又由于硬质合金的导热系数比较小，磨削区 域的热量又不能够及时散出去，这就使硬质合金被磨表面迅速升温，甚至可以产生1 0 0 0 以上的瞬时高温，而且温升速度又特别快，所以由磨削加工会引起相当大的热变形。 另外，硬质合金又存在弹性模量大、抗弯强度低、在室温条件下几乎没有什么塑性的特 点，所以想通过其本身的塑性变形来消除热应力是不可能的。所以硬质合金的强度极限 就小于了其表面局部的应力值，从而导致裂纹的产生，甚至产生开裂。硬质合金裂纹大 多是比较细微的网状裂纹，这种由磨削导致的裂纹不仅影响了其外观，而且直接影响它 的使用性能阳j 。 1 2 2 电火花加工 电火花加工是基于工具电极和工件脉冲性电火花放电的电蚀现象来蚀除金属，对工 件进行尺寸加工，以达到工件尺寸形状、表面质量等预定要求的一种加工方法。电火花 加工是直接利用电能和热能对工件进行无接触蚀除加工，与材料的力学性能( 强度、硬 度等) 无关，主要取决于材料的导电性及热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、 电阻率等，因此应用范围很广，对于一些很难加工的高硬度、高强度、高脆性、高粘度、 半导体等新材料，只要有良好的导电性能就能进行放电加工1 1 0 | 。 电火花加工的优点n 1 j ： ( 1 ) 加工过程中没有宏观切削力。电火花加工放电时，局部、瞬时爆炸力的平均 值很小，不足以引起工件的变形和位移，因此加工精度高。 ( 2 ) 可以“以柔克刚”。由于电火花加工直接利用电能和热能来去除金属材料， 与工件材料的强度和硬度等关系不大，因此可以用软的工具电极加工硬的工件，实现“以 柔克刚”。 ( 3 ) 可以加工任何难加工的金属材料和导电材料。由于加工中材料的去除是靠放 电时的电、热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及热学特性，与强 度、硬度等力学性能无关，因此只要具有良好的导电性就能加工。 ( 4 ) 可以加工形状复杂的表面。电火花成型加工是将工具电极的形状复制到工件 上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，特别是数控技术的迅速发展，能很容易 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 的把电极加工成复杂形状。 对于一些具有特殊形状的硬质合金工件，磨削加工的应用受到较大限制，通常只能 采用电火花进行加工。用电火花进行加工不但以柔克刚，实现对特殊形状刀片的成型， 更能大幅度提升刀片刃口的表面质量，很好的解决磨削时产生磨削裂纹的问题。但由于 其加工效率比较低，因此很难大范围推广，只有在别的方法行不通的时候才采用此种方 法加工。如果我们能解决效率问题，那么此种加工方法必然得到迅速发展。 1 3 本课题研究的背景、目的以及意义 目前，机夹硬质合金刀片的加工大多采用磨削加工，而磨削加工会产生磨削裂纹， 将影响刀片的质量和使用寿命。 硬质合金刀片材料的硬度很高( 显微硬度值可达1 3 万1 8 万n 衄2 ) ，在磨削 加工过程中，磨粒极其容易钝化，再加上如果砂轮的自锐能力不好，被磨钝的磨粒不能及 时的脱落，那么砂轮就失去了应有的切i i i i 力，磨削条件就会变得相当恶劣，因此砂轮 与硬质合金刀片被磨削表面之间的摩擦将会加剧，使磨削产生的热量大幅度增加；又因 为硬质合金的热导率较小，磨削区域的热量很难及时传出去，可使硬质合金被磨表面产 生瞬时高温，能达到1 0 0 0 以上，而且温升速度特别快，容易引起热变形，另外再加上 硬质合金抗弯强度很低、弹性模量又很大，在室温下塑性很小，不能通过本身的塑性变形 消除部分热应力，在磨削热的作用下促使硬质合金被磨削表面上产生的局部应力值超过 了硬质合金所能承受的强度极限，将导致裂纹的产生或开裂。硬质合金磨削产生的裂纹 一般为细微的网状裂纹，刀片刃磨后表面的这种网状裂纹将使它的抗弯强度下降一半左 右，切削强度下降7 0 。在使用过程中经常出现的刀片碎裂现象，多是由于这种网状裂 纹在使用中逐渐延伸扩展所引起的，使得刀片的寿命降低了。 电火花加工是加工硬质合金刀片的另一种有效的方法，包括了电火花成型以及电火 花线切割等。电火花加工是电火花放电的电蚀现象来蚀除金属，可以“以柔克刚 ，轻 松加工高硬、难加工的材料。但是电火花加工时，也应当注意控制加工条件，若加工条 件控制不当，极有可能导致裂纹等其他表面缺陷的产生，严重影响刀片的使用寿命，甚 至有面临被破损的危险。因此对电火花加工硬质合金刀片的工艺进行研究具有非常重要 的意义，可以为实际加工提供有价值的参考。 由于磨削产生的裂纹比较显著，经多方努力研究仍没有得到很好的控制，因此深入 青岛理工大学工学硕士学位论文 研究电火花加工硬质合金刀片就显得非常有必要，以提高其加工效率，使得其可以得到 更广泛的应用。在选用参数时，不同种类的硬质合金刀片之间的差异很大，到目前为止 还没有给出可以供我们参考的、具体的、比较完善的数据库，因此有必要对各种硬质合 金刀片材料进行研究，建立数据库，为实际加工提供可靠的依据。 硬质合金属于难加工的材料，要对其进行加工，电极损耗变大，因此在加工过程中， 我们需要频繁的装卸电极进行修正补偿，然后继续加工，在装卸的过程中会产生一些误 差，影响加工的准确度，另外如此操作极度浪费时间，严重影响了效率，对于大批量生 产硬质合金刀片显然是个瓶颈，因此我们需要对其专门设计工装，使其加工与修正在一 起完成，这样就节省了大量的时间，并且提高了加工精度。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题针对硬质合金刀片加工进行研究，一是解决磨削会留有严重磨削裂纹的问 题，二是解决电火花加工硬质合金需要不断装卸电极进行修正而影响其加工质量及加工 效率的问题。因此本文进行的研究内容如下： ( 1 ) 设计一套专用夹具，完成对工件的自动对中快速装夹，并配备自动修正电极 装置。 ( 2 ) 以加工速度、电极损耗率，表面粗糙度作为评价电火花加工机夹硬质合金刀 片性能指标，详细分析了脉冲宽度、峰值电流、加工极性、加工电压等因素对其刀片加 工的影响规律。 ( 3 ) 对电火花加工机夹硬质合金刀片( 中心孔) 进行加工工艺研究，并以脉冲宽 度，峰值电流，加工电压为研究内容，采用正交实验获得最优加工参数。 ( 4 ) 对机夹硬质合金刀片加工表面进行电火花表面涂覆处理，增加涂层过渡层厚 度使涂层粘附更牢固，不易脱落，提高了刀片使用寿命。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章电火花加工机夹硬质合金刀片的特性分析 与实验条件 2 1电火花加工的机理 电火花加工是一个非常复杂的、微观的、瞬变的物理过程。由于放电的时间较短( 一 般为1 0 _ 7 1 0 句j ) ，放电发生的空间甚小( 放电柱半径为1 0 - 4 1 0 c m ，放电柱长度为 1 0 - 4 1 0 - 2 c m ) ，放电的电流密度或功率密度很高( 1 0 5 1 0 6 a c m 2 ) ，并且放电又埋藏 在电极深处，因此很难观察和和记录放电的过程，所以到目前为止还没有形成完善的电 火花放电加工机理的理论【1 2 】。 电火花加工是不断放电蚀除金属的过程。它是集电磁学、热力学和流体力学等综合 作用的过程，其机理是相当复杂的。再加上单个脉冲放电的时间非常短，而且电极间的 正常放电间隙又非常小，使得研究相对较困难。从前人的大量实验数据和理论分析来看， 一次完整放电的过程可分为以下几个连续的阶段： ( 1 ) 极间介质的电离、击穿及放电通道的形成当在工具电极与工件之间施加一 脉冲电压，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与极间距离成反比， 且随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也相应的将随着增大或减 小。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，这就使得极间电 场强度是非常不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当 电场强度增大到一定值时，其间工作液最先发生电离，介质被击穿形成放电通道。放电 间隙电阻从最初绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流从零迅速上升到接近最大 值。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度达到相当大的数值。间隙电压则由击穿 电压迅速下降到火花维持电压( 一般约为2 0 3 0 v ) 。 ( 2 ) 介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀极间介质一旦被电离、击穿，形 成放电通道后，通道间的电子在火花维持电压的作用下高速奔向正极，正离子奔向负极。 电能变成电子、离子的动能，它们高速运动时相互碰撞释放出大量的热，将动能转变为 热能。与此同时，工件和工具电极受到电子流、离子流的冲击，于是在通道内正极和负 极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分 解汽化。这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅 青岛理工大学工学硕士学位论文 速热膨胀并具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工 作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸， 使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。 ( 3 ) 电极材料的抛出这一过程时间非常短，通道和正负极表面放电点瞬时高温 使工作液汽化和金属材料熔化、汽化，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最 高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出 而进入工作液中，并产生爆炸的特性。爆炸力将处于融化和气化状态的金属抛入工作液 中。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料在凝固成固体时具有最小的表面积， 因而成为细小的圆球颗粒，而工件和电极表面都将形成大小不同的微小的凹坑。熔化 和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小 颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以 及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。 ( 4 ) 极间介质的消电离随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后 仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子， 恢复本次放电通道处介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在 同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次 击穿放电通道。由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之 间一般要有足够的脉冲间隔时间。此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移， 否则仅在一点附近放电，易形成电弧。 实际上，放电过程中金属材料的蚀除、抛出过程远比以上所述复杂的多，目前，人 们还在不断深化对这一复杂的机理的认识。 当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时，极间介质被击穿并且会形成一个极为细 小的放电通道。由于放电通道中电子和离子受到放电时的电磁力和周围液体介质的压 缩，因此其截面积很小，通道中的电流密度极大，可达1 0 5 1 0 6 a c m 2 ，通道中存在大 量的电子与离子，并且电子与离子的数量相当，也就是说介质以等离子体状态存在，因 此，该通道是电的良导体并呈电中性。在极间电场作用下，通道中的正离子与电子分别 高速地向阴极和阳极运动，在运动过程中发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大量的 热量，同时，有部分电子和离子能够到达阳极和阴极，会对两极造成电子流和离子流的 高速冲击，动能也转换为热能，在电极放电点表面产生大量的热，整个放电通道形成一 青岛理工大学工学石页士学位论文 个瞬时热源，其中心温度可达1 0 0 0 0 c 左右。如此高的温度足以使使参与放电的电极材 料表面局部熔化和气化蒸发。这一过程发生在极短的时间内，因此金属的熔化、气化以 及介质的汽化都具有明显的爆炸特征，爆炸力将熔化和气化的金属抛入工作液介质中。 在电极表面上就形成了蚀除凹坑。可以看出，在上述电极材料的蚀除过程中，火花放电 的热效应是起主导作用的。 要实现持续稳定的电火花放电对工件进行尺寸加工必须满足以下条件 1 3 j ： ( 1 ) 火花放电必须是瞬时的脉冲性放电在每次放电延续一段时间后，都需要需 停歇一段时间，这样才能使放电产生的热量来不及传导扩散至其余部分，而只是把热量 局限在很小的一个氛围内对工件进行蚀除，实现每一次的点蚀除；否则，产生的能量会 扩散到其余部分，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。因此，接在电极与工件之间的电源 须是脉冲电源。 ( 2 ) 工具电极和工件电极之间保持一定的间隙如果它们之间的间隙过大，极间 电压不能击穿极间介质，就不会产生火花放电现象；如果它们之间的间隙过小，那么就 很容易造成工具电极与工件电极之间的短路，同样也不会产生火花放电现象。这个距离 非常小，人工控制是很难达到要求的，因此，为了保证工具电极与工件电极之间保持在 一定的距离，电火花装置必须具有工具电极的自动进给和调节装置，以便很好的控制工 具电极和工件电极之间的距离，以保证持续稳定的火花放电加工。 ( 3 ) 火花放电必须在具有一定绝缘性能的介质中进行常用的工作液是粘度较低、 闪点较高、性能稳定的介质，例如煤油、去离子水和乳化液等。这些工作液必须具有较 高的绝缘度，以便有利于产生脉冲性火花放电。同时，液体介质还能把电火花加工过程 中产生的金属碎屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中排除出去，并对工具电极和工件表面 有较好的冷却作用。 2 2 影响电火花加工硬质合金刀片材料蚀除的主要因素 2 2 1 极性效应 在电火花加工中，即使两电极的材料相同时，两电极的被腐蚀量也是不同的，其中 一个电极的蚀除量要比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫做极性效应。当两电极所用 的材料不同时，极性效应将会更加明显。在实际的生产中，将工件接脉冲电源正极( 工 具电极接脉冲电源负极) 的加工称为正极性加工，反之则称为负极性加工。在实际加工 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 中，极性效应将会受到电极、电极制作材料、加工介质、电源种类、单个脉冲能量等多 个因素的影响，这些影响因素中主要的因素是脉冲宽度i l 5 。 在电场作用下，通道中的正负离子分别向两极运动，当脉宽较小时，电子加速很快 能大量到达阳极对阳极造成冲击，而离子质量比较大不易加速，到达阴极的数量较少， 因此阳极的蚀除量要大于阴极；而当脉宽较大时，离子也有足够的时间到达阴极对阴极 造成冲击，而离子的能量远远大于电子，因此此时阴极的蚀除量要大于阳极。 随着放电能量的增加，特别是极间放电电压的增加，每个正离子传递给阴极的平均 动能增加。当放电通道能量很大时，由于电位分布变化引起阳极电位降低，阻止了电子 奔向阳极，因此阳极得到的能量不如阴极得到的大。因此，脉冲能量也是影响极性效应 的一大重要因素。 在实际加工中，要充分利用极性效应，正确选择极性，最大限度地提高工件的蚀除 量，降低工具电极的损耗。 2 2 2覆盖效应 在材料放电腐蚀过程中，一个电极的电蚀产物转移到另一个电极表面，形成一定厚 度的覆盖层，这种现象叫做覆盖效应。合理利用覆盖效应，有利于降低电极损耗。 加工中使用油类作为介质时，覆盖层的主要组成部分是石墨化的碳素层，其次是粘 附在电极表面上的金属微粒粘结层。碳素层的生成条件主要包括以下几点： ( 1 ) 要有足够高的温度电极上待覆盖部分的表面温度在保证低于熔点的同时， 不能够低于碳素层的生成温度，以便使碳粒子能够烧结成石墨化的耐蚀层。 ( 2 ) 要有足够多的电蚀产物，尤其是介质的热解时的产物碳粒子。 ( 3 ) 要有足够多的时间，以便使碳素层在表面上能够形成一定的厚度。 ( 4 ) 一般采用负极性加工，因为碳素层容易在阳极表面生成。 影响电火花加工硬质合金刀片覆盖效应的主要因素： ( 1 ) 脉冲参数与波形的影响增大脉冲能量有助于覆盖效应的产生，即脉宽大， 电流大时易于生成覆盖效应，但对中、精加工有局限性。减小脉冲隔度( 周期与脉冲宽 度的比例) ，有利于在各种电规准下生成覆盖层。此外，采用组合脉冲力n - r - _ 有助于覆盖 层的行成，可以减少转变为破坏电弧放电的危险。 ( 2 ) 电极对材料的影响铜加工钢时覆盖效应明显，因为铜不产生碳化物，而钢 对碳素层的生成起着类似催化的作用，介质全部热解的炭离子都可能参与碳素层的形 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 成。铜加工硬质合金时效果会差些，不易生成覆盖层。 ( 3 ) 工作液的影响工作液在放电产生的高温作用下生成大量的炭粒子，有助于 碳素层的形成。水性工作液不会产生碳素层，会产生另一种覆盖现象镀覆现象，这 种镀覆层形成的重要条件是必须在具有一定的离子导电的水溶液中进行，工具电极必须 接负极。 ( 4 ) 工艺条件的影响覆盖层的形成与间隙状态有关。加工状态稳定有利于覆盖 层形成，冲油压力较大时会破坏覆盖层的生成，导致电极损耗增大。 在电火花放电加工中，覆盖层不断形成，又不断被破坏。为了实现电极损耗低的同 时达到提高加工精度的目的，最好使覆盖层的形成与破坏程度达到动态平衡。 2 2 3 间隙效应 电火花加工中，随着放电间隙大小的变化影响电极与工件蚀除量的现象称为间隙效 应。当电极与工件形状、材料确定，工作介质也确定的条件下，两极电火花加工就存在 一个最佳的放电间隙，大于或小于这个最佳放电间隙，则不会得到好的加工效果。间隙 距离过小不易于排屑，导致放电短路的概率大大增加，使电极损耗大大增加。当间隙距 离过大时，导致放电空载概率大大增加，从而大大降低了加工速度。 ( 1 ) 间隙距离和间隙电压之间的关系 开路电压越大，放电间隙越大，两个电极之间的距离，都将对应相应的击穿电压。 但是在实际加工的过程中，因为两极的微观表面不平整，间隙中介质呈气相和液相非均 质的状态，以及电蚀产物的存在，会使得两极击穿电压距离的分散性会明显增加。电压 越高，放电能量越大，电极间隙越大，所以分散性越明显。因此，在相同的脉冲电压幅 值下，击穿距离及其分散偏差要比单个脉冲放电时大很多，这种现象必然会影响蚀除量 的偏差。 ( 2 ) 间隙距离与加工速度和电极损耗的关系 当电极与工件材料、形状都确定时，工作介质也确定的情况下，两电极之间电火花 加工存在一个最佳放电间隙，若电极的间隙小于或者大于最佳放电间隙，则加工效果不 会很好。 2 2 4 面积效应 因加工面积变化引起n - f 速度，电极损耗变化的效应称为面积效应。加工过程中， 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 会产生大量的气体，放电能量越大，产生的气体量越大，他所占据的面积就越大。在一 定范围内，随着面积的增大，放电产生的气体只占据电极面积的一部分，在气体中放电 的几率减小，容许的能量极限增大，加工速度提高。如果面积过大，气体和电蚀产物排 出条件恶化，会导致加工速度降低。 2 2 5 脉冲放电特性 脉冲波形与参数对材料的蚀除过程有很大影响，它决定着每次脉冲放电形成的放电 痕的大小，从而影响着加工的工艺指标。脉冲波形，特别是放电电流波形对放电蚀除过 程影响很大，越来越被人们所重视，寻求最佳放电电流波形，也是实现高速度低损耗加 工的重要途径之一。 在脉冲放电的开始阶段，如果电流上升速度很快，那么送能速度很快，通道将剧烈 扩展，热流密度降低，放电蚀除量不大。反之，如果电流上升速度很慢，送能速度降低， 此时通道直径较小，热流密度却很大，则热传导熔化的体积增大，蚀除量增多。当电流 上升速度为某一特定值时，对应着最大蚀除量。如果电流上升速度继续下降，则随着上 一阶段放电产生的气泡增加，通道会迅速扩展，热传导散失的热能增加，从而使热流密 度降低，蚀除量减少。所以，在一定的条件下，脉冲电流波形的上升率不同，工件材料 的蚀除量也不同，但是有一电流上升率对应着最大的蚀除量。 电流波形的下降率缓慢也会减少工件的蚀除量，但是它对通道截面的影响不大。如 果电流下降率很低，那么会使熔化小坑的冷凝量增加，影响脉冲放电后期和放电结束后 材料的抛出过程，也会使蚀除量减少。 脉冲波形涉及放电的时间特性，它关系到间隙的击穿、通道的扩展、能量的分布、 材料转移、电蚀产物的抛出、介质消电离等一系列过程，对研究电火花的本质有着十分 重要的意义。 2 2 6介质效应 电火花加工一般在液体介质中进行，介质对放电加工蚀除量的影响称为介质效应。 液体介质通常叫做工作液，它是参与放电蚀除过程的重要因素，它的种类、成分和性质 对加工的工艺指标有重要影响。 目前，多采用石油产物介质做工作液。各种油类有机化合物对加工过程有一定影响。 工作液黏度大时，有助于限制放电通道的扩展，放电能量集中，能够加强蚀除效果。但 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 是放电产生的炭黑多时，工作液黏度大，将使炭黑的粘附在电极与工件表面上，对电蚀 除产物的排除不利，小能量加工时也是如此。 电火花加工中，当放电通道打通后，正负带电粒子互相告诉碰撞产生大量热，使得 工作液介质汽化，进而热裂分解汽化，瞬间体积猛增。同时介质中电子流动形成的电流 产生磁场，磁场又反过来对电子流产生向心的磁压缩效应，电子流动同时受周围介质惯 性动力压缩效应的作用，使得通道瞬间扩展受到很大阻力。因此产生局部微爆炸，把蚀 除的材料抛出。随着脉冲电压结束，脉冲电流迅速降为零，此时流动的液体介质带走大 部分蚀除物质，并使介质冷却，正负粒子复合为中性粒子，恢复放电通道处间隙介质的 绝缘强度，为下次放电加工做好准备。 在油中加入活化剂能够提高加工工艺指标。采用具有物理或者化学吸附作用的吸附 作用的单成分和多成分的活化剂，会局部提高金属表面附近的液体黏度，形成牢固的吸 附膜，限制通道的扩展。 工作液潜力很大，有待于进一步研究其作用机理，以获得适用于电火花加工的新工 作液，以其大幅度提高加工的工艺指标和绿色、环保、节能。 2 2 7电极材料特性 在电火花加工中，电极与工件材料的物理特性对放电蚀除量具有重要的影响。工具 电极耐蚀性越高，损耗越小，仿形精度越高。工件材料耐腐蚀性越低，蚀除量越大，加 工速度越高。 根据热过程理论，放电痕熔化体积v t l 4 1 为： y ： 堡 c 口( 乃一乃) + 腭， 式中，q 为电极上脉冲放电区域聚集的热量，c 为热容量，p 为材料的密度，r r 为 材料的熔点，r o 为原始温度，吼为熔化潜热。 由此可以看出，蚀除量与材料的热力学物理常数密切相关。通常，材料耐蚀性k 可 用物理常数来表示： k = q a t 2 材料放电蚀除过程是十分复杂的，这不仅表现在材料在常温和高温下热学物理常数 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 对耐腐蚀性的影响，而且表现在两极材料之间对能量分布、传递、电蚀产物的抛出过程 的相互影响。因此，电极对材料不仅影响损耗，还影响加工速度等各项工艺指标。 2 3 硬质合金刀片的电火花加工性能研究 在高速)