（机械电子工程专业论文）混粉电火花加工放电机理及工艺研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 加工精密化是电火花加工技术的一个重要发展方向，混粉电火花加工技术则是实现 精密电火花加工的一项有效手段。该项技术是在工作液中添加微细粉末参与火花放电， 从而有效改善加工表面质量，降低表面粗糙度，实现大面积光整加工，在模具制造行业 具有广阔的应用前景。由于混粉电火花加工技术与普通电火花加工技术的最大区别是在 工作液中添加微细粉末，粉末的存在对加工效果有重要的影响，因此研究粉末参与放电 对加工过程的影响，对提高混粉电火花加工表面质量，推广混粉电火花加工技术的应用 具有重要意义。但是，由于粉末增加了放电过程的复杂性，增大了混粉电火花加工放电 机理和工艺研究的难度，因此该项技术尚未获得大范围推广应用。本文在查阅国内外大 量的文献资料的基础上，通过一系列普通电火花加工与混粉电火花加工的对比实验，采 用实验研究与理论分析相结合的方式，对混粉电火花加工机理、工艺特性和数学模型的 研究做了进一步深入的探索。 首先，本文对混粉电火花加工放电机理进行了深入研究。 本文在总结碰撞游离理论、气泡击穿理论和杂质击穿理论三种电介质击穿理论的基 础上，从载流子的角度分析了混粉电火花加工的单次脉冲放电过程，并在此基础上，提 出了以单次抬刀为单位的多次脉冲放电的物理模型，认为在单次抬刀周期内，参与放电 的载流子与放电后放电痕的尺寸在每次脉冲放电中各不相同。观察加工表面微观形貌， 证实了该物理模型的适用性。并在此模型的基础上，从分子键能的角度对两种电火花加 工极间电容和放电间隙进行对比分析；引入熵的概念，从热力学的角度分析了放电通道 位形随脉冲宽度和峰值电流的变化情况，解释了混粉电火花加工可以改变工件加工表面 性能的机理，并利用扫描电镜和电子探针对混粉电火花加工后工件表面层成分进行了检 测，证实了粉末参与放电以固溶体的形式存在于加工表面，影响加工表面性能。 其次，本文分析了混粉电火花加工中主要电参数与非电参数对工艺指标的影响。 本文分析了峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔和加工极性等主要电参数，以及工作介 质、加工面积、电极平动量、工件材料和工具材料、抬刀高度和抬刀频率、冲抽油压力 和加工时间等非电参数对表面粗糙度、加工速度、电极损耗率等加工指标的单因素影响。 以峰值电流、脉冲宽度、空载电压、伺服电压、加工面积等参数作为实验的5 个因 素，对普通电火花加工和混粉电火花加工进行正交实验设计。并通过对常规电火花加工、 混硅粉、混铝粉电火花加工实验的三个加工指标加工时间、表面粗糙度和电极损耗 的极差的对比分析，分别得出了各因素对加工指标影响程度，对比分析了不同加工极性 和不同工作液中，各参数对加工指标的交互影响程度，并分析了原因。 王辉：混粉电火花加工放电机理及工艺研究 最后，本文对混粉电火花加工建立数学模型。 在实际加工中，由于粉末的加入使放电间隙变大，这使得混粉电火花加工的尺寸精 度难以控制，因此首先对影响混粉电火花加工表面尺寸精度的重要因素过切量进行 理论和实验分析，详细阐述了过切量的形成原因，并在实验的基础上，利用三元线性回 归的方法，建立了两种电火花加工深度上的加工余量的经验模型，用于指导电火花加工。 数学模型的建立是对混粉电火花加工放电机理研究的有效补充，对混粉电火花加工 放电通道中各势能场进行分析，得出各个场的势函数和带电粒子所受力的数学模型，从 而建立火花放电过程多场耦合的数学模型。并运用分子动力学模拟方法，简单示例混粉 电火花加工过程仿真。 关键词：电火花加工；混粉电火花加工：放电机理；工艺特性；数学模型 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo n t h ed i s c h a r g em e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yi np o w d e r m i x e d e d m a b s t r a c t p r e c i s i o nm a c h i n i n gh a sr e c e n t l yb e c o m eag l o b a lt r e n di ne l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g ( e d m ) ，w h i l ep o w d e r - m i x e de d mi s a l le f f e c t i v em e t h o do fr e a l i z i n gt h e p r e c i s i o ne d m ，i nw h i c hf r e ep o w d e r ，s u c ha ss i l i c o n ，a l u m i n u mi sp u ti n t ot h ed i e l e c t r i c f l u i ds u s p e n d e di nt h ei n t e r e l e c t r o d eg a pa f f e c t st h ed i s c h a r g ed u r i n gm a c h i n i n gp r o c e s s t h e a d d e dp o w d e rc a r le f f e c t i v e l yi m p r o v et h es u r f a c eq u a i l t y ，d e c r e a s es u r f a c er o u g h n e s s ，a n d r e a l i z et h es u r f a c ef i n i s h i n go fl a r g ea r e a t h en e wt e c h n o l o g y - - - - - - p o w d e r m i x e de d mt h a t c a no v e r c o m et h ed e f a u l t so fc o n v e n t i o n a le d mh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nd i e & m o u l d i n d u s 仃y t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e np o w d e r - m i x e de d m a n dc o n v e n t i o n a le d mi st h a tt h e p o w d e ra d d e di n t ot h ew o r k i n gf l u i dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm a c h i n i n gr e s u l t s i ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h ee f f e c t so fp o w d e ro nd i s c h a r g ep r o c e s sf o ri m p r o v i n gt h em a c h i n e d s u r n c eq u a l i t ya n dw i d e n i n gt h ea p p l i c a t i o no fp o w d e r - m i x e de d m h o w e v e r ，s i n c et h e e x i s t e n c eo f p o w d e rs u s p e n d e di nd i e l e c t r i cf l u i dc a u s e st h ed i s c h a r g ep r o c e s sm o r ec o m p l e x a n dm a k e si td i f f i c u l tt os t u d yo nd i s c h a r g em e c h a n i s ma n do p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c p o w d e r - m i x e de d m h a s h tb e e nw i d e l yu s e di nd i e & m o l di n d u s t r yt i l ln o w i nt h i sp a p e r c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t sb e t w e e np o w d e r m i x e de d ma n dc o n v e n t i o n a le d mw e r ec a r r i e d o u t b a s e do nag r e a td e a lr e p o r t s ，b yc o m b i n i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e na c c o m p l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 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 f p o w d e r m i x e de d mi ss t u d i e d b ys u m m a r i z i n gt h et h e o r yo ff r e ec o l l i s i o n ，b u b b l eb r e a k d o w na n di m p u r i t yb r e a k d o w n ， c u r r e n tc a r r i e ri si n t r o d u c e dt oa n a l y z et h ed i s c h a r g ep r o c e s sd u r i n go n ep u l s ed u r a t i o n b a s e d o ni t ，t h ep h y s i c a lm o d e lo fd i s c h a r g ec h a n n e lf o rm u l t i p l ep u l s ed u r a t i o ni sb u i l td u r i n go n e t i m eo fc u t t i n gu pa n dd o w n n l i sm o d e ls h o w st h a tt h ec u r r e n tc a r r i e ra n dt h ed i s c h a r g e c a v i t yd i m e n s i o na r ed i f f e r e n t i nd i f f e r e n t p u l s ed u r a t i o nd u r i n go n eu pa n dd o w n p e r i o d i c a lt i m e m i c r o g r a p h so fm a c h i n e ds u r f a c e si ne x p e r i m e n t sh a v ev a l i d a t e dt h i s p h y s i c a lm o d e l a n db a s e do nt h i sm o d e l ，t h ev a r i a t i o n so fi n t e r e l e c t r o d ec a p a c i t a n c ea n d d i s c h a r g eg a pc a u s e db yt h ep o w d e rs u s p e n d e di nd i e l e c t r i cf l u i da r ea n a l y z e df r o mt h e v i e w p o i n to fm o l e c u l a rb o n de n e r g y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee n t r o p yi si n t r o d u c e dt oe x p l a i n t h er e a s o n sf o rt h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t yo ft h ed i s c h a r g ec h a n n e ls h a p ew i t ht h ev a r i a t i o no f p e a kc u r r e n ta n dp u l s ed u r a t i o nb yt h e r m o d y n a m i c s t h em e c h a n i s mt h a ts u r f a c eq u a l i t vo f w o r k p i e c ei m p r o v e db yp o w d e r m i x e de d mi se x p l a i n e df r o mt h i sv i e w p o i n t t h e nt h ef a c t 王辉：混粉电火花加工放电机理及工艺研究 t h a tp o w d e rt a k e sp a r ti nt h ed i s c h a r g ea n dh a se f f e c tt h es u r f a c eq u a l i t yi sv a l i d a t e db y m e a s u r i n gt h ec o m p o s i t i o no f w o r k p i e c em a t e r i a lb yu s i n gs e m a n de l e c t r o np r o b e s e c o n d l y ，t h ee f f e c to nt h em a c h i n i n gr e s u l t so fm a i np a r a m e t e r si np o w d e r m i x e de d m i sd i s c u s s e d i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so nt h em a c h i n i n gr e s u l t s ，s u c ha sm a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s s ( s r ) ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) a n dt o o lw e a rr a t e ( t w r ) ，o fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，s u c h a sp e a kc u r r e n t ，p u l s ed u r a t i o n ，p u l s ei n t e r v a la n dm a c h i n i n gp o l a r i t y ，a n dn o n - e l e c t r i c a l f a c t o r s ，s u c ha sw o r k i n gd i e l e c t r i cf l u i d ，m a c h i n i n ga r e a ，e l e c t r o d ep l a n e t a r y ，w o r k p i e e ea n d e l e c t r o d em a t e r i a l ，t h eh e i g h ta n df r e q u e n c yo fc u t t i n gu pa n dd o w n ，j e tf l u s h i n g ， m a c h i n i n gt i m e ，a r ee x a m i n e d t h ee f f e c t so fm a i np r o c e s sf a c t o r so nt h em a c h i n i n gr e s u l t sh a v eb e e ne v a l u a t e db a s e d o nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ( t a g u c h im e t h o d ) p e a kc u r r e n t ，p u l s e d u r a t i o n ，o p e n c i r c u i tv o l t a g e ，s e r v ov o l t a g ea n dm a c h i n i n ga r e aw i t hd i f f e r e n tl e v e l sa r e t a k e na st h ef a c t o r si nt a g u c h ie x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt h es r ，m r ra n dt w r b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o n sa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt oc o m p a r i s o no f m a xd i f f e r e n c e s t h e nt h ei n t e r a c t i v ee f f e c t sd e g r e e so fm a i nf a c t o r so nm a c h i n i n gr e s u l t si n d i f f e r e n tp o l a r i t ya n dw o r k i n gf l u i da y es t u d i e da n dt h er e a s o n sf o rt h o s ee f f e c t sr e g u l a r i t i e s a r ea n a l y z e d f i n a l l y ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so f p o w d e r m i x e de d m a r ed e v e l o p e d t h ed i m e n s i o n a la c c u m c yi sg r e a t l ya f f e c t e db yt h eo v e r c u tr e s u l t i n gf r o md i s c h a r g eg a p a n de l e c t r o d ew e a ri np r a c t i c ea p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yi np o w d e r - m i x e de d m ，t h eg a po f w h i c hi n c r e a s e so b v i o u s l yo w i n gt ot h ep a r t i c l e ss 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 eo v e r c u t i ss t u d i e dc o m b i n i n gt h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t si nb o t hc o n v e n t i o n a ld i e l e c t r i cf l u i da n d p o w d e r - m i x e d d i e l e c t r i cf l u i d t h e ne m p i r i c a lm o d e l sf o rt h eo v e r c u ti ne d ma n d p o w d e r - m i x e de d ma r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t su s i n gt h et e r n a r yl i n e a r r e g r e s s i v em e t h o di nt h i sp a p e r d e v e l o p i n g m a t h e m a t i c a lm o d e li sv a l u a b l ef o r s t u d y i n g t h em e c h a n i s mi n p o w d e r - m i x e de d m e v e r yp o t e n t i a lf i e l di nd i s c h a r g ec h a n n e li sa n a l y z e di np o w d e r , m i x e d e d m t h e r e f o r e ，b o t hm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp o t e n t i a lf u n c t i o n sa n di n t e r a c t i v ef o r c e e x e r t e do nc h a r g e dp a r t i c l e sa r ed e v e l o p e d b a s e do nt h e m ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e c o u p l i n gf i e l di sd e v e l o p e d 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 ( e d m ) ；p o w d e r - m i x e de d m ；m a c h i n i n g m e c h a n i s m ；p r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i v 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 工大学或者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做了明确的说明并表示了谢意。 茎垄堡兰盔兰堑主堕塞生堂丝丝塞 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：王辉 导师签名劫砼 丝! ! 年三月日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 选题的科学依据 1 1 1 课题的提出 制造业是我国国民经济的支柱产业，振兴制造业是启动我国经济新高潮的杠杆，而 先进制造技术是振兴制造业的系统工程中的重要组成部分之一【l 】。国家“十五”科技发 展规划中，明确将“先进制造及其自动化”技术列为优先发展的高新技术领域；“十六 大”也提出，要将我国建设成为一个制造业大国。这就是说，在我国未来的几十年，主 要财富积累将来源于制造，这充分体现了我国对制造技术的重视。 高技术的模具行业在制造业中被称为“点铁成金”的行业，而电火花加工技术在模 具制造过程中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。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人 们需求心理的个性化和易变性，不仅对产品质量提出越来越高的要求，而且使得产品多 样化和个性化成为必然趋势。一方面，材料科学的发展和进步，研制出高熔点、高硬度、 高强度、高韧性、高脆性等高性能的新材料；另一方面，多样化和个性化的产品促使各 种复杂结构与特殊工艺要求的零件大量出现。 传统的机械加工本质是通过机床部件的相对运动，利用较硬的工具材料来去除相对 较软的工件材料。当工件材料越来越难加工，而且工件形状越来越复杂时，传统的机械 加工已难以或无法满足生产的需要。电火花加工技术属于特种加工领域，是利用相对较 软的工具材料来去除相对较硬的工件材料。这是由于电火花加工技术属于非接触加工， 其本质是利用电能转化成的热能去除工件材料，不受材料硬度、强度、韧性等的限制。 因此，电火花加工技术适应生产发展的需要，得到了迅速发展和日益广泛的应用，尤其 在航空、航天、模具、刀具、精密机械、仪器仪表、微细加工等领域得到了广泛的应用。 但是，目前电火花加工技术的发展一方面受其加工速度的限制；另一方面，其自身 寄生电容的影响，在大面积加工时难以获得好的表面质量。混粉电火花镜面加工技术就 是在这种情况下开发出来的应对挑战的加工技术。其与常规电火花加工的主要区别在于 采用的工作液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。 通过合理控带, b h m 过程中的各影响参数，目前己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。 因此，对混粉电火花加工技术进行实验研究和应用研究，探讨其加工机理，建立较 王辉：混粉【乜火花加工放电机理及工艺研究 完善的机理模型，总结加工规范，优化加工参数，对于这项新工艺今后的发展有重要意 义。 1 1 2 课题的来源 本课题“混粉电火花加工放电机理及工艺研究”来源于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”( 项目批 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 课题的研究意义 近些年来，混粉电火花镜面加工技术作为电火花加工技术的一个分支不断发展。当 今社会的科技水平不断进步，人们对产品的质量要求也越来越高。混粉电火花镜面加工 技术通过在工作液中添加一定量的导电性粉末，改善火花放电状态，使大面积电火花加 工表面粗糙度值显著降低。它能够提高加工表面光洁度，还可以提高型腔面的表面硬度、 耐磨性和耐腐蚀性；与此同时，又能消除表面显微裂纹，提高模具的脱模性。利用这种 技术可减少甚至免除人工抛光，制造模具的周期可缩短3 0 5 0 ，成本下降1 0 - 3 0 ， 同时又延长了模具的使用寿命，尤其适用于易产生腐蚀气体的难燃型塑料注射模具 2 1 。 虽然目前混粉电火花加工尚未实现真正的镜面加工，但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。 同时，现代加工手段的不断提高，快速成型、高速切削等技术的发展，使得制造电 火花精密电极变得越来越容易，速度也大大的提高；电火花机床的精度和速度近些年也 得到了很大的提高，这为混粉电火花加工技术应用于精密的航空航天器件和高精端机械 产品的加工领域提供了可能。在运载火箭及导弹的惯性仪表和伺服系统的制造中，在航 空发动机及先进兵器的制造中，一些关键零件要求加工精度高，表面粗糙度低，且具有 很好的耐磨性和耐蚀性，同时这类零件的表面又多为形状复杂、要求特殊的表面，对于 这类零件的制造，混粉电火花镜面加工技术发挥着重要作用。 但是，经过十几年发展，混粉电火花加工技术仍然未能广泛应用于模具行业，除去 设备改造所需要的成本原因外，很重要的一方面原因就是缺乏对其机理的全面认识，工 作液中添加的粉末对放电过程的影响机理不明了，这在很大程度上限制了这项技术的迅 速发展和推广应用。 为此，本课题的研究目的是在实验的基础上，研究放电区域中悬浮的粉末颗粒对火 花放电过程的影响，探索混粉电火花加工中放电过程的物理本质，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：分析影响混粉电火花加工各 项指标的主要因素及其影响程度和交互作用下的影响程度，为混粉电火花加工技术在工 大连理工大学博士学位论文 业中的推广应用提供理论支持；建立混粉电火花放电过程数学模型，作为混粉电火花加 工放电机理研究的有益补充，并为预测加工结果的仿真工作打下基础。 本课题的研究成果，为混粉电火花加工技术的进一步发展提供理论指导，并为其在 生产实际中的推广应用提供技术依据，特别是为其在模具制造业中的广泛应用提供支 持。同时，作为放电机理的一种验证方法，混粉电火花加工技术放电过程的仿真工作初 步开展，属于开创性的工作。因此，本课题的研究成功对于混粉电火花加工技术的进一 步发展具有十分重要的意义。 1 _ 3 电火花加工技术的发展 1 3 1 电火花加工技术简介 电火花加工技术的基础可以追溯到1 7 7 0 年，英国化学家j o s e p hp r i e s t l y 首次发现了 放电蚀除现象口j 。此后直到1 9 4 3 年，前苏联科学家l a z a r e n k o 夫妇将这种破坏现象变害 为利，成功地利用利用两极间脉冲放电时的电腐蚀现象在金属工件上打出了d q l ，标志 着电火花 1 2 1 2 ( 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 ) 技术的诞生。经过半个多世纪的研究 和开发，随着知识的不断更新与飞速发展，尤其微电子、自动控制、计算机技术飞跃式 的进步，电火花加工技术也在不断的发展和进步，广泛应用于模具制造、复杂表面形状 零件的船工和难切削材料的加工中，发展成一种极为重要的加工手段。 电火花加工是在一定的介质中，利用正负两极( 工具电极和工件电极) 之间脉冲火花 放电时的电蚀效应对材料进行加工，以达到一定形状尺寸和表面粗糙度要求的非传统加 工方法。火花放电时，电极表面材料蚀除的微观过程是电力、磁力、热力、流体动力、 电化学和胶体化学等综合作用的过程。 在电火花加工过程中，脉冲电源的两输出端分别接工具电极与工件电极，当脉冲电 压施加于两极时，两极之间形成电场，电场强度随着极间电压的升高或是极间距离的减 小而增大。工具电极在间隙自动调节系统的控制下向工件进给，当两极间隙达到几微米 至几十微米时，由于工具电极和工件的微观表面凹凸不平，极间距离很小，极间电场强 度分布不均匀，因而在两极间距离最近的突出点或尖端处，电场强度最大，工作液首先 被两电极上施加的脉冲电压击穿，产生火花放电。脉冲放电瞬间，工作液的微观分子获 得的大量能量，从而将工作液分子电离为离子状态存在，在电场的作用下，正负离子高 速运动并相互碰撞，在两极间形成放电通道，产生大量的热量。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。由于放电时间很短， 及受到放电时磁场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，这样放电能量集中在很小的范围内，通道内电流密度和能量密度均很大，通道内的 王辉：混粉电火花加工放电机理及工艺研究 温度及压力亦相当高，足以在放电点的微观范围内熔化甚至气化任何高强度、高硬度的 材料。同时，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、介质蒸气的产生以及放电通道的急剧膨胀，也会 产生相当大的压力，加剧材料的抛出。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。脉冲持续时间结束后，单次放电结束，脉冲间隔时间内，间隙介 质消电离，恢复间隙中液体介质的绝缘强度，以待下次脉冲放电。 电火花加工实际上就是利用单次脉冲放电产生的热作用在工件表面蚀除一个小坑， 下次脉冲到来之时，在满足放电条件两电极之间电场强度最大处的发生放电，多次 脉冲产生多个小坑相互重叠，在加工表面拷贝出电极的形状，最终完成加工。电火花加 工的基本原理如图1 1 所示1 4 j 。 图1 1 电火花加工基本组成示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e d mp r o c e s s 1 3 2 电火花加工技术的分类 近些年来，电火花加工领域出现了很多新工艺、新手段，如电火花线切割技术、微 细电火花加工技术、电火花气中放电技术、电火花表面改性和堆积加工技术、新材料的 电火花加工技术、高速电火花加工技术，以及本课题的主要研究内容混粉电火花加工技 术，如图1 2 所示。 大连理工大学博士学位论文 图1 2 新型电火花加工技术的分类 f i g 1 2t h ec l a s s i f i c a t i o no f a d v a n c 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 电火花加工的各种新技术互相结合，取长补短，以更好的服务于实际加工中，如电 火花加工辅以超声振动的气中放电加工口，“。此外，电火花加工技术也可以与其他传统 或非传统加工技术相结合，发挥各自的优点，限制各自缺点进行加工，形成复合加工 f h v b r i dm a c h i n i n gp r o c e s s ，h m p ) ，包括超声电火花加q - t 7 9 l ( u l t r a s o n i cm a c h i n i n ga n d e d m ，u s ma n de d m ) 、电火花铣削加工【l o “1 ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g et e x t u r i n g ，e d t ) 、电火 花磨削加工【12 ”1 ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g eg r i n d i n g ，e d g ) 等。 1 3 3 电火花j j n - r 技术的发展趋势 伴随难加工材料的应用及曲面加工的复杂化而逐步发展成熟起来的电火花加工技 术，在计算机技术、现代电力电子技术、网络技术、模糊控制技术、微电子技术及航天、 航空、模具制造等高新技术的推动及市场牵引下，正朝着更深层次发展。相应的电火花 加工技术正向着以下几个方向发展弘7 j ( 1 ) 精密化 随着信息、航空航天、电子、国防等领域尖端科学技术的发展，各个领域对机械加 工的精密程度要求越来越高，特别是对模具制造技术提出了越来越高的要求。模具的精 密化及精密产品零件的加工促进了电火花加工技术的发展。目前模具型腔和零件的抛光 大多依赖于手工，这与在复杂型腔加工方面有极大优越性的电火花成型加工相比很不相 称【1 7 】。模具型腔和零件的抛光工序迫切需要告别手工抛光时代，因此精密电火花加工是 电火花加工技术的一个重要发展方向，混粉电火花镜面加工技术为解决这一问题展现出 王辉：混粉l b 火花加工放电机理及工艺研究 良好的发展前景。 电火花加工的精密化包括加工工件的尺寸精度和表面质量的提高两层含义。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的电极损耗，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。混粉电火花加工技术是提高加工表面质量的有效方法1 1 8 ”】，不仅可以降 低加工表面粗糙度，还可以提高火花放电的脉冲利用率，从而提高加工效率。目前对于 这项技术的研究已经取得了一定进展，在某种情况下可以替代模具行业的手工抛光工 序，甚至达到镜面【2 m 2 “。但是总体看来，该项技术在实际生产中的应用还不够成熟和广 泛，今后仍需继续努力，力争使混粉电火花加工技术成为零件的最终加工方式。 ( 2 ) 微细化 近些年来，随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高， 而微细加工是实现产品零部件微型化最基本的技术，它已成为涉及机械、电子、化学、 材料等多种学科的现代高新技术。微细加工在近代加工技术中是一个新的领域，受到了 世界各国的普遍重视。根据国外的调查和统计，在众多的微细加工方法中( 切削、线切 割、磨削、激光、超声、电子束等加工) ，电火花微细加工的应用占第一位，这说明了 电火花微细加工的重要作用【1 7 , 2 6 , 2 7 o 电火花微细加工主要指小于o 1 3 m m 的孔径、沟槽、 型腔等的加工。近几年来微细加工技术发展很快，国内外研究者众多，是目前研究的热 点之一【1 “。实现精密、微细加工的一个重要条件是加工中单次脉冲蚀除量尽可能小。随 着现代电力电子技术的发展，电火花加工的加工精度与表面质量得到了极大的提高，加 工单位也日趋变小，有些零件的加工精度已属于微纳加工的范畴【2 8 】。目前，应用电火花 成形加工技术己可稳定地得到尺寸精度高于0 1 p r n 、表面粗糙度r a 0 0 1 岫的加工表 面。电火花成形加工己成为零件精微加工的有效手段之一 1 7 。 微细特种加工技术的实用化得益于2 0 世纪8 0 年代中期日本东京大学增泽隆久所在 的研究室发明的线电极电火花磨削技术( w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g eg r i n d i n g ，w e d g ) ，并 在9 0 年代后得到了重大的发展。以水作工作液，用线电极磨削法制作微细电极，利用 水平电火花加工法加工出直径为5 0 1 t m 、深径比大于1 0 的微孔【2 9 】。目前微细电火花加工 技术已经不仅仅包括微小孔和微细轴的加工，还包括复杂的三维型腔的加工。m a s u z a w a 等人使用微细电火花技术成功地加工出了微型销、微型喷嘴和微型腔【3 j 。赵万生等对三 维结构电火花铣削关键技术进行了研究，利用所研制的微细电火花加工机床，采用块反 拷法和w e d g 相结合的在线制作方法制备微细加工用电极，并利用分层微铣削方式加 工出直径为0 1 8 m r n 的人立体面部图像 3 0 】。日本学者还研究了不同材料，如碳材料【3 1 】、 单结晶体材料【3 2 j 、压电陶瓷材料【3 3 】微细孔的放电加工特性。 大连理工大学博士学位论文 哈尔滨工业大学的学者从极间电场和材料传热学的基本理论入手，分析了窄脉宽放 电过程中负极与正极材料的蚀除过程。并认为在窄脉宽微细电火花加工过程中，增加峰 值电流将有助于正极材料的蚀除，但同时也将带来负极( 工具) 材料损耗的加剧。而输入 能量一定时，减小脉冲宽度则不但能增加正极材料的蚀除，而且还不会引起负极电极损 耗的增加。因此在微细电火花加工中，应尽可能地减小脉冲宽度1 3 。这进一步为微细电 火花加工的脉冲电源设计提供了理论依据。 就机理而言，电火花微细加工与常规电火花成形加工相同，但有其自身的工艺特点。 电火花微细加工中稳定的火花放电间隙很小，工作液循环困难，因此需要研究非机械作 用力及其干扰对加工过程的影响，以进一步提高加工效率、加工精度及加工过程的稳定 性。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、微电极损耗的在线补偿等。 ( 3 ) 个性化 随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们需求心理的个性化和易变性，不仅对 产品质量的要求越来越高，而且对产品的型号和制造周期提出了越来越高的要求。电火 花加工适合于单件生产或小批量生产，而且电火花加工技术对研制产品非常有利，因为 在研制中不可避免的需要修改，电火花加工则往往比较容易地通过修改加工程序来适应 这种需求。+ 此外，。电火花加工技术的一个重要应用领域是航天产品的加工，而航天产品往往是 多品种、小批量的，为了适应市场需求，缩短研制周期是必然的，但是有许多产品需要 制造模具，而采用电加工可以直接成型。同时，随着生产的需要，各行各业出现了许多 特殊的零件与结构，与之对应，为了适应零件多品种、小批量的特点，电火花加工机床 的结构和功能也呈现出个性化的发展趋势，出现了很多专用机床【1 7 】。 ( 4 ) 绿色化 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，绿色产品 逐渐成为未来产品市场上的主旋律，绿色制造正在成为一种新的制造战略。绿色制造战 略的关键就是可持续发展性，它将产品的设计、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去【3 5 】。包括以下内容：节省能源；宜人性；清洁性。 电火花加工过程中金属工件和工具局部急剧熔化和气化，同时工件- s s 具加工间隙 之间的绝缘介质也迅速蒸发分解，因此电火花加工中排放烟雾的成分与工具、工件、绝 缘介质的材料、粘度等性质有关。这些排放烟雾对人体神经系统、心血管系统、呼吸系 统、视力和皮肤组织等都有一定程度的危害。此外，电火花加工过程的电磁辐射以电磁 波的形式在空间传播，不仅影响脉冲电源本身和周围电器工作的可靠性，而且人体在一 王辉：混粉电火花加工放电机理及工艺研究 定强度的电磁场作用下，可能导致中枢神经系统功能失调，甚至导致心血管系统出现某 些异常情况【3 6 】。电火花加工的可持续发展战略就是开拓绿色电火花加工的新纪元。绿色 电火花加工的研究内容包括研制高效节能脉冲电源：提高脉冲电源的电磁兼容性；减少 和处理脉冲电源电磁辐射、减少废气、废液和废物的排放口”。 ( 5 ) 智能化 由于火花放电过程随机性强，受到的干扰因素多，提高电火花成型加工过程的自动 化程度是该技术发展的必然趋势。电火花成型加工是在复杂环境下基于复杂任务对复杂 对象的控制，传统的为保证加工过程的正常稳定，提高加工效率，而采用的自适应控制 系统已不能满足自动化加工的要求，因此需要建立多输入、多输出的控制系统，智能控 制将是解决此类