（机械设计及理论专业论文）混粉准干式电火花加工技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着一些传统加工技术不断发展，在一些难加工材料加工领域表现出 加工效率高的优势，电火花力l - r _ 技术受到严峻的挑战，发展高效、高精度、高柔 性的电火花加工技术成为迫在眉睫的任务。 本文提出一种混粉准干式电火花加工技术，其加工介质是气、液、固三相流 混合物。先在液体添加一定数量的微细粉末，微细粉末可为导体或半导体，由搅 拌装置将其搅拌均匀，再由微量润滑装置将固、液混合物与气体混合，形成气、 液、固三相流工作介质。! j n - r 时气、液、固三相流混合物经管状电极喷向工件， 脉冲电源两个输出端分别与工件和管状工具电极相联接，主轴头带动工具电极旋 转，控制系统使工具电极与工件保持在一个很小的间隙。通过改变工具电极与工 件之间的相对运动位置，可加工出各种复杂的型面。 在混粉准干式电火花放电加工过程中，一次火花放电过程可分为电离、击穿 放电、排除电蚀物及消电离四个阶段。极间电场建立后，绝缘介质电离分解成电 子和正离子，当电场强度超过临界电场强度时，在电场力的作用下电子高速奔向 阳极，正离子奔向阴极，在极短的时间内介质被击穿，形成工具电极- 微粒- 工件 之间的串联放电，形成放电通道，一部分金属达处于熔融状态，一部分金属气化 蒸发，在爆炸力和高压气体作用下，电蚀产物被排出放电间隙，在三相流介质的 冷却作用下电蚀产物凝固成细小的颗粒，而工件表面则形成放电凹坑，脉冲放电 结束后，两极间介质消电离，恢复绝缘。混粉准干式电火花的材料去除机理方式 包括：熔化和气化、氧化、剥落。由于放电通道是高温、高压的电离气体，其作 用区内的工件和工具电极表面金属会很快熔化，甚至气化蒸发；由于空气中有氧 气，在加工时的发生氧化反应，从而加速材料去除：当加工硬脆材料时，材料表 面的剥落现象也会起到材料去除作用。液滴或微细粉末可大幅度降低极间耐压， 其中微细粉末的作用更加明显，粉末介质球被极化后，球面出现束缚电荷，束缚 电荷在球内产生的电场与外电场方向相反，束缚电荷在球外产生的电场并非都与 外电场平行，实际电场就会偏离原来的均匀电场，从而使极间电场发生畸变，与 准干式电火花加工和气中放电加工相比，混粉准干式电火花加工技术的放电间隙 最大。 混粉准干式电火花铣削加工时，增大脉冲宽度、峰值电流、分层厚度及工具 电极伺服速度，材料去除率及表面粗糙度随之增大；增大脉冲间隙材料去除率会 降低，表面半h 糙度有所降低；增大空气压力，材料去除率增加、表面粗糙度降低； 国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 1 2 8 ) 和山东省优秀青年科学家项目( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 4 ) 资助项目 i l j 东大学博十学何论文 增加粉末浓度或增加固液混合物流量均能使材料去除率增高，表面粗糙度降低。 电极损耗随脉冲宽度增大而减小，在大脉冲宽度条件下电极损耗可接近于零。随 着峰值电流的增加，电极损耗会增加。气中放电加工、准干式电火花加工、混粉 准干式电火花加工的材料去除率依次增加，表面粗糙度依次降低。与气中放电相 比，由于气、液、固三相流介质电火花n i 放电间隙得到了明显的提高，使电蚀 产物容易排出，减少了短路发生率和拉弧现象，加工过程更加稳定，从而提高了 材料去除率。由于放电间隙变大和粉末的放电分散作用，在工件表面形成浅平的 放电蚀坑，放电凹坑边缘光滑，气、液、固三相流介质冷却效果好，使加工过程 中产生的电蚀产物得到及时有效的冷却，从而减少了粘结现象，降低了工件表面 粗糙度。 加工硬质合金过程中，过大的脉冲宽度和过长时间持续的电流作用都会使其 表面产生严重的网状裂纹。实验证明为提高加工速度而采用大脉宽、大电流的加 工是不可取的，粗加工应采用窄脉宽高峰值电流，短促的瞬时高温会使加工表面 热影响层较浅，减少裂纹，精加工宜选用窄脉宽小电流以减少裂纹。在混粉准干 式电火花加工过程中导致工件表面裂纹的主要原因是热冲击载荷的作用，同时和 材料的属性也密切相关。 用有限元技术仿真了混粉准干式电火花加工单脉冲放电过程。在放电点中心 附近温度最高，随着径向距离和轴向距离的增加温度会逐渐降低。应力成分中径 向应力和轴向应力占主导地位。径向应力始终是负值，即其为压应力，轴向应力随 着径向距离的增大从压应力转换成拉应力，这种拉压变换的应力能导致表面缺陷。 提出了一种用多种群遗传算法优化神经网络结构的模型，编码串由网络隐层 神经元数信息、网络训练次数信息及收敛误差信息构成，目标函数是训练数据相 对误差与检测数据相对误差加权和，经优化得到的加工预测模型结构紧凑，预测 精度高，减少了人为选择网络结构的主观性、局部性。另外用遗传算法优化了电 火花加工参数，加工效率得到了提高，为实现高质量智能控制奠定了基础。 i l 关键词：电火花加工；混粉；准干式；三相流介质 a b s t r a c t 曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼量笪曼鼍曼皇皇曼曼i i 一一一一一一 i i i i - - 舅 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o no ft r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , t h e y d i s p l a ya d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n c y i nh a r dm a c h i n i n gm a t e r i a l sf i e l d ，t r a d i t i o n a l 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 ) t e c h n o l o g yf a c e ss e r i o u sc h a l l e n g e ，d e v e l o p h i g he f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o n , h i 【g hf l e x i b i l i t ye d mt e c h n o l o g yi sa l lu r g e n tt a s kf o r e d mi n d u s t r yn o w a p o w d e rm i x e dn e a rd r ye d m ( p n d e d m ) t e c h n o l o g y i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , i t sd i e l e c t r i cm e d i u m i sg a s 1 i q u i d s o l i dt h r e ep h a s ef l u i dm i x t u r e s ac e r t a i na m o u n to f c o n d u c t i v eo rs e m ic o n d u c t i v em i c r op o w d e ra r ef i l l e di nt h el i q u i di na d v a n c e ，a n d m i x e de v e n l yb ym i xe q u i p m e n t ，t h e r e a f t e rl i q u i d - s o l i dm i x t u r ei sb l e n d e dw i t ha i rb y d i s p e n s e r , t h e ng a s l i q u i d s o l i dt h r e ep h a s ef l u i dm i x t u r e sa leg o t 。g a s - l i q u i d s o l i d t h r e ep h a s ef l u i dm i x t u r e sa r es p r a y e dt ot h ew o r kp i e c et h r o u g ht h et h i n w a l l e dp i p e t o o le l e c t r o d e ，w o r kp i e c ea n dt o o le l e c t r o d ea r ec o n n e c t e dw i t hp u l s ep o w e rs e p a r a t e l y , t o o le l e c t r o d ec a nr o t a t ew i t ht h er o t a t i o no fs p i n d l e ，a n dc o n t r o ls y s t e mk e e p st o o l e l e c t r o d ea n dw o r kp i e c ei nav e r ys m a l lg a p d u r i n ge d mp r o c e s s ，v a r i o u ss h a p e sa r e m a c h i n e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ep o s i t i o no ft o o le l e c t r o d ea n dw o r kp i e c e d u r i n gp n d e d mp r o c e s s ，as i n g l es p a r kp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t of o u rp e r i o d s ： i o n i z a t i o n ，b r e a k d o w nd i s c h a r g e ，d e b r i se j e c t i o na n dd e i o n i z a t i o n a f t e re l e c t r i cf i e l di s s e tu pb e t w e e ne l e c t r o d e s i n s u l a t i o nm e d i u mi si o n i z e da se l e c t r o n sa n dp o s i t i v ei o n s ， w h e ne l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yi so v e rc r i t i c a le l e c t r i cf i e l di n t e n s i t y , d i e l e c t r i cm e d i u mi s b r o k e nd o w ni nas h o r tt i m eq u i c k l y , e l e c t r o n sm o v et o w a r d sa n o d ea n dp o s i t i v ei o n s m o v et o w a r d sc a t h o d ei n h i g hs p e e du n d e re l e c t r i c f i e l df o r c e ，s e r i o u ss p a r ki s g e n e r a t e da m o n gt o o le l e c t r o d e ，p o w d e ra n dw o r kp i e c e ，d i s c h a r g ec h a n n e li sf o r m e d ， p a r tm e t a la r em e l t e d ，a n dp a r tm e t a la r ev a p o r i z e d ，d e b r i sa r ef l u s h e d o u to fs p a r kg a p b yt h ee x p l o s i o nf o r c ea n dh i g hp r e s s u r eo fd i e l e c t r i cm e d i u m ，m e l t e da n dv a p o r i z e d m e t a l sa r es o l i d i f i e di n t os o l i dp a r t i c a l s ，w o r kp i e c es u r f a c ef o r m sac r a t e r , a f t e rp u l s e s p a r ki sd i e l e c t r i cd e i o n i z a t i o n ，i n s u l a t i o ni sr e s u m e d m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m s o f p n d e d mi n c l u d i n g ：m e l t i n ga n de v a p o r a t i o n ，s p a l l i n g ，o x i d a t i o n d u et od i s c h a r g e c h a n n e li sh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ei o n i z a t i o ng a s ，s u r f a c em e t a lo fw o r k p i e c ea n dt o o le l e c t r o d ew i t h i nw o r kz o n ea r em e l t e d ，o re v e nv a p o r i z e d ，o x i d a t i o n a l s oc a na c c e l e r a t et h em a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) ，w h e ne r o d eh a r da n db r i t t l e 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 f c h i n a ( 5 0 5 7 7 5 i2 8 ) t h eo u t s t a n d i n gy o u n gs c i e n t i s tf o u d a t i o no 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 ) i l j 东大学博十学位论文 m a t e r i a l s ，s p a l l i n ge f f e c ta l s oc a nh e l pr e m o v em a t e r i a l b o t hl i q u i dd r o pa n dm i c r o p o w d e rc a l ld e c r e a s ei n s u l a t i o ns t r e n g t hg r e a t l y , a n dm i c r op o w d e ri sm o r eo b v i o u s ， a f t e rm i c r op o w d e ri sp o l a r i z e d ，b o u n dc h a r g ea r eg e n e r a t e do ns p h e r es u r f a c e ，t h e d i r e c t i o no fe l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yi n d u c e db yb o u n dc h a r g ei nt h ep o w d e rs p h e r ei s o p p o s i t ew i t ho u t s i d ee l e c t r i cf i e l dd i r e c t i o ni nt h ed i e l e c t r i cb a l l ，a n dn o tp a r a l l e lw i t h t h eo u t s i d ee l e c t r i cf i e l do u t s i d et h ed i e l e c t r i cb a l l t h e r e f o r ea c t u a le l e c t r i cf i e l dw i l l d e v i a t eo r i g i n a le l e c t r i cf i e l d ，e l e c t r i cf i e l da b e r r a t i o nh a p p e n e db e t w e e nt h ee l e c t r o d e s ， c o m p a r e dw i t hd r ye d m a n dn e a rd r ye d m ，g a pd i s t a n c eo fp n d e d mi st h eb i g g e s t e x p e r i m e n tr 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 ea n ds u r f a c er o u g h n e s s i n c r e a s e 、析t l lt h ei n c r e a s eo fp u l s ed u r a t i o n p e a kc u r r e n t , l a y e rd e p t ha n dt o o l e l e c t r o d em o v e m e n tv e l o c i t y , m a t e r i a lr e m o v a lr a t ei n c r e a s e sa n ds u r f a c er o u g h n e s s d e c r e a s e sa sp u l s ei n t e r v a l ，d i e l e c t r i cm e d i u mp r e s s u r e ，p o w d e rc o n c e n t r a t i o no r s o l i d l i q u i dm i x t u r ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s t o o le l e c t r o d ew e a l d e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fp u l s ed u r a t i o n ，i ti sa l m o s tz e r ou n d e rb i gp u l s ed u r a t i o nc o n d i t i o n ，b u ti t i n c r e a s e sw i t hp e a kc u r r e n t m a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fd r ye d m ，n e a rd r ye d ma n d p o w d e rm i x e dn e a rd r ye d mi n c r e a s e si nt u r n a n ds u r f a c er o u g h n e s sd e c r e a s e si nt l l m c o m p a r e dw i t hd r ye d m ，d u et os p a r kg a pi si m p r o v e dg r e a t l y , d e b r i sw i l lb ef l u s h e d o u te a s i l y , s h o r tc i r c u i tp r o b a b i l i t yi s r e d u c e d ，a r c i n gp h e n o m e n o ni sm i n i m i z e d ， m a c h i n i n gp r o c e s sb e c o m e ss t a b l e ，t h e r e a f t e rm a t e r i a lr e m o v a lr a t ei si m p r o v e d d u e t ob i g g e rs p a r kg a pa n dd i s p e r s ee f f e c to fp o w d e r , e r o s i o nc r a t e rd e p t hb e c o m e sf l a t t e r a n dm o r es h a l l o w , e r o s i o nc r a t e re d g ei ss m o o t h e r , d u et ob e t t e rc o o l i n ge f f e c to f g a s - l i q u i d s o l i dt h r e ep h a s ef l u i dd i e l e c t r i c ，d e b r i sa l s oc a nb ec o o l e dt i m e l ya n d e f f e c t i v e l yd u r i n ge d mp r o c e s s ，l e s sg l o b u l a ra t t a c h m e n ta r eo b s e r v e d ，t h e r e f o r e s u r f a c eq u a l i t yq u a n l i t yi si m p r o v e d s e r i o u sn e tc r a c k sa r eg e n e r a t e du n d e re x c e s s i v ep u l s ed u r a t i o na n dc u r r e n ta c t i o n t i m ed u r i n gm a c h i n i n gc e m e n t e dc a r b i d e sp r o c e s s e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti ti s n o ta d v i s a b l et oi m p r o v em a t e r i a lr e m o v a lr a t eb yu s i n gb i gp u l s ed u r a t i o na n db i g p e a kc u r r e n t n a r r o wp u l s ed u r a t i o na n dh i g h e rp e a kc u r r e n ts h o u l db ee m p l o y e d d u r i n gr o u g hm a c h i n i n gp r o c e s s ，b r i e fa n d i n s t a n t a n e o u sh i g ht e m p e r a t u r em a k e s u r f a c eh e a tz o n es h a l l o w e r , c r a c kd e n s i t ys m a l l e r , e x p e r i m e n t ss h o wc r a c k sc a nb e a v o i d e de f f e c t i v e l yw h e nn a r r o wp u l s ed u r a t i o na n ds m a l lp e a kc u r r e n ta r ee m p l o y e d d u r i n gf i n i s h i n gp r o c e s s d u r i n gp n d e d mp r o c e s s ，h e a ti m p a c tl o a di s t h em a i n r e a s o ni n d u c e dn e tc r a c k so fw o r kp i e c e a n di ti sa l s or e l a t e dc l o s e l y 、拥t hm a t e r i a l p r o p e r t i e s i i a b s t r a c t t h es i n g l es p a r kp r o c e s so fp n d e d mh a sb e e ns i m u l a t e du s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d t e m p e r a t u r eo fs p a r kp o i n ti nt h ec e n t e ri st h eh i g h e s t ，t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fr a d i a la n da x i sd i r e c t i o n r a d i a ls t r e s sa n da x i ss t r e s sd o m i n a t e di n t h es t r e s sc o m p o n e n t r a d i a ls t r e s si sa l w a y sn e g a t i v e ，i tm e a n si ti sp r e s ss t r e s s ，b u t a x i ss t r e s sc h a n g e df r o mp r e s ss t r e s st ot e n s i l es t r e s s ，t h i sm a yi n d u c es u r f a c ed e f e c t a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r ei so p t i m i z e du s i n gm u l t i p o p u l a t i o ng e n e t i c a l g o r i t h m ( m p g a ) ，c o d i n gs t r i n gi n c l u d i n g1 1 j d d e nn e u r o nn u m b e ri n f o r m a t i o n ， t r a i n i n gt i m ei n f o r m a t i o n ，o b j e c t i o nf u n c t i o ni sw e i g h t i n gs u mo ft r a i n i n gd a t ar e l a t i v e e r r o ra n dc h e c kd a t ar e l a t i v ee r r o r , t h eo p t i m i z e da r c h i t e c t u r ei sm o r ec o m p a c ta n d p r e d i c t i o na c c u r a c yi sh i g h e r , s u b je c t i v i t ya n dl o c a l i t yi sm i n i m i z e d ，b a s i so fh i g h q u a l i t yi n t e l l i g e n c ec o n t r o lh a sb e e ns e tu p k e yw o r d s ：e d m ；m i x e dp o w d e r ；n e a rd r y ；t h r e ep h a s ef l u i dd i e l e c t r i c 1 1 1 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： l 螫豸 e t期：兰! 12 ：! 三：z 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：i 虱盗 导师签名： 日期：幽：! 兰：! 。 第1 章绪论 第1 章绪论 高效、精密电加工技术是国家航空、航天、军工、能源、汽车、模具、微电 子等领域不可或缺的核心支撑技术之一，是工业与国防现代化得以实现的重要技 术基础。随着信息技术、网络技术、航空和航天技术、材料科学技术等高新技术 的发展，电火花加工技术朝着更深层次、更高水平的方向发展。 1 1 电火花j f l - r 技术的发展历史及其面临的挑战 十八世纪后，人们开始对自然界的放电现象有所了解，富兰克林最早提出自 然界中的电击和闪光是由于正、负极间产生火花放电现象。1 7 6 8 年英国科学家j p r i e s t l e y 提过了电火花放电的作用n 1 。1 9 4 3 年l a z a r e n k o 用r c 电路加到浸泡在煤 油中而又保持距离很近的工具和工件上，使之产生脉冲性火花放电，放电产生的 金属屑等抛入到煤油中，发明了世界上第一台电火花加工机床心1 。电火花加工可 以柔克刚加工任何难加工的导电材料，并且不受硬度、脆性、粘性等材料特性的 限制口副，此后电火花加工得到了飞速发展。5 0 年代初，改进为电阻一电感一电容 等效回路。同时，还采用脉冲发电机之类的长脉冲电源，使材料去除提高，工具 电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在 同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。6 0 年代中期，出现了晶体管和可控硅 脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可 调范围。到7 0 年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形 脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新 的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退， 逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。到 了上个世纪八十年代，随着数控技术的发展，电火花加工的效率得到了极大的提 高，同时电火花加工机床也不再需要专人看管。随着计算机和数控技术的发展， 电火花成形加工设备及工艺已实现了数控化和适应控制化。电火花加工技术经历 了手动电火花加工、液压伺服、直流电机、步进电机、交流伺服电机等一系列过 程，控制系统也越来越复杂，从单轴数控到三轴数控，再到多轴联动h 1 。 在近些年里高速铣削不仅减少了常规铣削加工市场份额，而且也降低了电火 花加工的市场占有率，高速铣削在加工难加工材料领域也占有了一席之地。目前 的高速铣削可加工高硬度高强度的脆性材料，代替部分电火花加工，高速铣削己 可加工硬度达h r c 6 0 的零件。相对于传统电火花加工而言，铣削加工具有更快 的加工速度、更低的加工成本和更好的加工柔性。近年来对高速铣削在模具加工 山东大学博十学何论文 中的重要作用报导较多，有的国外资料把高速铣肖咔说成是“完全可以替代电火花 加工”，称高速铣削是“无电火花加工技术”还说是“不需要抛光的一次过技术 等等1 5 1 。从可加工角度看，高速铣削更适合于加工浅型腔、型面过渡较为平滑的 型腔，对这些大、中型模具加工，高速铣削有一定的优势。对于精密型腔加工、 具有深槽、窄缝的型腔加工，内清角或棱边清晰的型腔加工、微细复杂型腔加工 等等，电火花加工的地位仍难以取代。与高速铣削相比，电火花加工的突出优点 是以柔克刚的加工特性，对工具电极的硬度没要求，而高速铣削加工的工件硬度 高于5 8 - 6 0 h r c 时，刀具的磨损便开始加剧。另外电火花加工越是在高精度加工 时，越能发挥其优点，而在切削加工后工序要求继续抛光并不是很有利的1 。但 高速铣削也给电火花带来更大的进步，如用高速铣削制造电极，让电极的设计数 量大大降低1 7 1 。虽然电火花加工在加工制造业仍然占据着重要的地位，但是可以 看到传统的电火花加工领域已有部分阵地失守，而且有扩大的趋势，发展高精密、 高效率、高柔性、高智能化的电火花加工技术，是电火花加工领域迫在眉睫的问 题。 1 2 电火花加工技术基本原理和实现条件 传统电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液 中，通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当处在工作介质中的两极 加上电压，两极间会建立一个电场，场强e 不仅取决于电压u ，而且也取决于极 间距离三，即e = u l 。而电极表面总是凹凸不平的，由于最高处的极间距离最小， 场强最大，故最先在该处击穿介质，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集 中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点 工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅 速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微 小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个 脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。 这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因成千上万次脉冲放电作用，就 能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。 实现电火花加工的条件m 1 ： 1 ) 工具电极和工件电极之间在加工中必须保持一定的间隙，一般是几个微米 至数百微米。因此，加工中必须用自动进给调节机构来保证加工间隙随加工状态 而变化。 2 ) 火花放电必须在一定绝缘性能的介质中进行。 3 ) 放电点局部区域的功率密度足够高，即放电通道要有很高的电流密度( 一 2 第1 章绪论 般为t 0 5 一- - 1 0 6 a i m 2 ) 。这样，放电时所产生的热量，才足以使电极表面的局部金 屑瞬时熔化甚至气化。 4 ) 火花放电是瞬时的脉冲性放电。放电的持续时间一般为1 0 1 0 。3 秒。由 于放电时间短，使放电时产生的热量来不及扩散到电极材料内部，能量集中、温 度高，放电点集中在很小范围内。如果放电时间过长，就会形成持续电弧放电， 使加工表面材料大范围熔化烧伤而无法用作加工。 5 ) 在先后两次脉冲放电之间，有足够的间歇时间，排除电蚀产物，使极间介 质充分消电离，恢复介电性能，以保证每次脉冲放电不在同一点进行，避免发生 局部烧伤现象，使重复性脉冲放电顺利进行。 1 3 电火花加工研究现状 在计算机技术、微电子技术、控制技术飞速发展的推动下，电火花加工技术 已经可以对工艺过程实施更加精确地控制，因而促进了加工工艺水平的飞速提高。 特别是近几年来，这种提高更是呈加速趋势。许多新的电火花加工方法与控制方 法也不断涌现，诸如镜面电火花加工技术、微细电火花加工技术、电火花放电沉 积表面改性技术、分层式电火花铣削加工技术、非导电材料的电火花加工技术、 气体中放电电火花加工技术、电火花加工过程模糊控制技术等。这些新技术的诞 生与发展，极大地丰富了电火花加工技术的内涵，并突破了以往人们对于这一工 艺方法在认识上的局限性。这些新技术的推广与应用，必将促进我国制造技术的 提高与发展旧。 按照工作介质的不同可分为液体介质电火花加工技术( w e te d m ) ，气体介 质电火花加工技术( d 珂e d m ) 以及加工介质为气液混合物的准干式电火花加工 技术0 n e a rd r re d m ) 。 工作介质是稳定、高效电火花加工不可或缺的条件，是材料去除机制中最重 要的条件之一。在电火花加工中常用的加工介质是煤油、变压器油、水、乳化液 和电火花加工液等。煤油、变压器油等矿物质有都属于碳氢化合物，在电火花加 工中容易受热分解，产生大量有害气体和游离的碳，其优点是在放电高温下，工 作液分解含碳产物可以起到降低工具电极损坏作用，缺点是易挥发，气味较大， 甚至产生有害气体。用去离子水和蒸馏水作为加工介质时，不会产生有害气体及 游离碳，有助于提高精加工的稳定性，高端慢走丝机床设备使用的工作液大部分 是去离子水。用水作为工作介质时流动性好、散热性好，不易起弧、无燃、无味 和廉价等优点，但由于其不会产生含碳分解物，所以加工的工具电极损耗比较大。 乳化液主要应用于高速电火花线切割中，其产生的污染小。气体介质和气液混合 物介质的电火花加工是近年来出现的新型电火花加工技术。 3 山东大学博+ 学位论文 1 3 1 气体介质电火花加工 1 9 9 1 年国枝正典等提出了水中通入氧气可提高材料去除率0 | ，1 9 9 7 年国枝正 典等发表了气中电火花加工一文3 ，其实现了气中放电电加工，从而打破了 过去人们认为电火花加工只能在液体介质中进行的传统观念。国枝正典等指出在 薄壁管内通入高速流动气体可以进行放电加工，并且电蚀产物并未粘到工件电极 上。这项技术的优点是电极的损耗小、绿色无污染、柔性高。利用气中放电技术 加工三维型腔，吸气式比喷气式加工精度要高2 ，”3 。气中放电加工示意图如图卜1 所示，图1 - 2 至图1 - 4 是气中放电技术加工的工件照片。y u 等将气中放电技术用 于加工硬质合金，对比了气中放电铣削、油中放电铣削、油中成型加工，认为综 合花费与加工时间，气中放电铣削有优势u 4 1 引，图卜2 是气中放电铣削加工硬质 合金后的球面。y u 等提出优化气体压力与分层厚度可以在三维加工中获得最大的 加工速度，最小的电极损耗，在气中放电电火花加工中实现微细加工6 。国枝正 典提出用压电陶瓷致动器可控制气中放电电火花加工的间隙n7 埔1 。文献 1 9 ，2 0 研 究了气中线切割的基础理论，并针对如何提高气中线切割性能进行了研究。文献 2 1 - 2 4 对超声振动辅助气中放电加工技术进行了研究，分析了超声振动在改善 气体介质电火花加工中的作用，以及相关的理论机理，实验结果表明附加超声振 动能改善放电间隙状态，减少短路、拉弧现象，提高了材料去除率；工具电极做 超声振动时的材料去除率比工件做超声振动时的材料去除率要小；材料去除率随 峰值电压、峰值电流、脉冲宽度、气体介质压力的增大而增大，随脉间宽度、工 具电极壁厚的增大而减小。w a n g 等用空气作为工作介质，应用线切割进行了精 加工乜5 1 。文献 2 6 - - - 3 0 分析了气中放电加工电极损耗小的原因，进行了气体中放 电加工的基本工艺实验对以气体为介质的放电加工机理进行了分析，并采用单 因素法进行了基本的工艺参数( 电参数、伺服参考电压等) 对气体介质放电加工性 能影响的实验研究1 ，进行了基于t a g u c h i 方法的电火花铣削实验研究，认为主轴 伺服速度是影响材料去除率的最主要因素，加工轨迹与分层厚度是次要因素，电 火花加工参数是影响最小的因素，在加工参数中脉宽与峰值电流是影响表面质量 的最主要因素。王彤等提出在气中线切割也可以从加工间隙中排除加工屑，而且 将其用于多次切割时，可获得沿工件厚度方向上比液中加工时更高的直线度，并 进行了硬质合金的气中电火花线切割精加工实验研究口。谢晋等提出利用气中单 脉冲电火花放电可以实现金属结合剂微细金刚石砂轮的修锐，产生较好的砂轮出 刃形貌，改善磨削表面质量b 引。王振龙等提出相对于传统的液中电火花加工，气 体介质电火花加工深小孔具有电极损耗率低、加工过程稳定等特点口引。l f r o h n v i l l e n e u v e 等进行了气中放电抛光研究b 4 | 。赵学芳等为了提高电火花线切割 4 第l 章绪论 精加工的精确度，采用高速走丝气中电火花线切割加工方法，对模具钢加工表面 质量进行了实验研究，与传统线切割加工相比，气中线切割加工具有良好的直线 度和高加工速度等特点“。 综合固内外文献柬看，气中放电加丁的优点是工具电极的损耗低、柔性高、 无火灾的隐患，避免了常j ； j 的煤 l | 1 等j t 作液介质带来的环境污染问题，是绿色环 保型的加工方法，1 。其电械简单、1 ：受丁件空问位置的限制，是未来电火花技术 的发展方向之一。 剖卜l 气中放电加i i l j 2 1 i ! i - 。一 翻i r 2 气中放电电火花铣削 一1 ，| _ 。“酣卜3 气中放电电火花钻孔【“i 幽卜4 铣削的i 什1 1 6 1 1 3 2 喷雾式准千式电火花加工 1 9 8 9 年日本学者t a n i m u r a 提出一种雾中电火花加工技术。将常规电火花加 工特性与雾中电火花加工特性进行比较，当工件电极接负极( 负极性) 时，：者的 蚀除率几乎相等，浸入水中电火花加工的相对电极损耗比喷雾加工的要低，而 且二者的电极损耗均随脉宽增加丽迅速减少。喷雾吧火花加工和常规电火花加工 的表面会相组织是不同的。在常规缦入油中加工情况下形成自层和同化层，有许 多细微裂纹，常规的浸入水中加工试件可观察到电解溶解层”6 1 。y o s h i h i r o 等“” 研究了喷雾式电火花加工加工角。在文献 3 9 4 1 中提出了一种用高压雾气作为 覆 山东大学博士学位论文 放电介质的电火花铣削加工，与采用气体介质的气中放电加工相比高压雾气具有 更好的冷却作用，可以提高放电通道的爆炸力。雾中加工的放电间隙比气中放电 问隙大，有利于提高生产率，因此可以有效减少短路，在负极性加工时材料去除 率比油中加工低，但是电极损耗也小，与油中加工相比，工件表面质量好，几乎 没有裂纹，与常规电火花加工相比具有工艺柔性好，制造成本低，电极制造费用 低、周期短、无污染