（机械电子工程专业论文）电火花加工中的电极损耗机理及控制研究.pdf

摘要 摘要 随着现代制造业的快速发展，传统切削加工工艺也有了长足的进步，这对 电火花加工技术造成了很大压力。由于电火花加工特有的加工工艺和加工方式， 使得电火花加工在某些特殊领域有着无法替代的优势。本文针对电火花加工中 的电极损耗机理及控制进行深入研究，主要研究内容和取得的创新成果如下： l 、本文从电火花的加工机理出发，以电火花成型加工作为研究对象，对加 工时电极表面所受的力进行分析，并通过实验研究了在特定的加工环境下各种参 数对电极损耗的影响； 2 、对电火花加工过程中脉冲放电时工件表层温度场进行了分析和计算，应用 传热学的原理，得出了电蚀坑深度与电流、脉宽和热作用面积的关系； 3 、应用放电时的能量关系，建立了电极损耗的基本模型。并通过电火花加 工的工艺实验，对上述模型进行验证； 4 、利用有限元分析软件a n s y s 对点热源模型进行了仿真，得出了热源及 其周围点的温度场分布和传热过程的动态图；通过实验结果与仿真结果的对比， 首次提出了电火花加工电极损耗与加工时间的关系。 5 、通过对电火花的加工过程的理论分析、实验研究结果和有限元分析，得 出了电极损耗的一些规律，探讨了减小电极损耗的方法，电极修正与更换，电极的 在线补偿等电极损耗补偿的基本策略。 关键词：电火花加工，电极损耗及补偿，点热源模型，有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t i np a c e 、i t l lt h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e r nm a n u f a c t u r ei n d u s t r y , g r e a t a d v a n c e sh a v eb e e nm a d ei nt r a d i t i o n a lc u t t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hb r i n g sh e a v y p r e s s u r et oe d m b e c a u s eo fi t su n i q u ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s i n g m e t h o d ss ot h a ti ns o m es p e c i f i ca r e a so fe d m i r r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e s t h em a j o r r e s e a r c hc o n t e n ta n di n n o v a t i o nr e s u l t so f t h i se s s a ya r ef o l l o w i n g ： 1 、i nt h i sp a p e r , t h es t a r t i n gm e c h a n i s mo fe l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n gi no r d e r t oe d m m a c h i n i n ga sar e s e a r c ho b j e c t , t h ef o r c es u f f e r e do nt h ee l e c t r o d es u r f a c e f o ra n a l y s i s s t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t si nap a r t i c u l a rp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t ，t h e v a r i o u sp a r a m e t e r so nt h ei m p a c to fe l e c t r o d ew e a r ； 2 、o fe d m p u l s ed i s c h a r g ei nt h ep r o c e s s i n go f t h ew o r k p i e c es u r f a c ew h e n t h et e m p e r a t u r ef i e l di sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d a p p l i c a t i o no ft h ep r i n c i p l eo fb e a t t r a n s f e ro b t a i n e dc o r r o s i o np i td e p t ha n dc u r r e n t , p u l s ew i d t ha n dt h e r m a lr o l eo ft h e a r e ao fr e l a t i o n s h i p s ； 3 、t h ea p p l i c a t i o no fe n e r g yd i s c h a r g e ，a n ds e t t i n gu pab a s i cm o d e lo f e l e c t r o d e w e a r e d mp r o c e s st oc o n d u c te x p e r i m e n t so nt h ea b o v em o d e lv a l i d a t i o na n d i m p r o v e m e n t ； 4 、u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t ot h ep o nh e a ts o u r c em o d e l s i m u l a t i o n , o b t a i n e da r o u n dt h ep o i l l t h e a ts o u r c ea n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l d d i s t r i b u t i o na n dh e a tt r a n s f e ri nt h ep r o c e s so fd y n a m i ce f f e c t sc h a r t ；t h r o u g ht h e c o n t r a s tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，f o rt h ef i r s tt i m ep u tf o r w a r d t h ee d me l e c t r o d ew e a ra n dp r o c e s s i n gt i m ef o rr e l a t i o n s h i p s 5 、b ye d mm a c h i n i n gp r o c e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，r e s u l t e di nl o s so fs o m eo ft h el a w so ft h ee l e c t r o d et oe x p l o r e m e t h o d sf o rr e d u c i n gt h ee l e c t r o d ew e a r ，e l e c t r o d ea m e n d m e n ta n dr e p l a c e m e n to f e l e c t r o d eo n l i n ec o m p e n s a t i o ne l e c t r o d ew e a rc o m p e n s a t i o nb a s i cs t r a t e g y k e y w o r d s ：e d m ( 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 l e c t r o d ew e a ra n dc o m p e n s a t i o n , p o i n th e a ts o u r c em o d e l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, j ) j r l 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过的研究成果，也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 声括鸳签字日期：轫 年1 2 月影日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌六堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇肺琴翮签名：劲 签字日期：a 研年j 。月彩日签字日期：年lz 月彤日 |、| 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 电火花成型加工从二十世纪四十年代诞生至今，发展的历史并不长，却已 经应用于整个制造行业，充分说明了它在制造业中的显著地位。理论上的放电 技术始于1 9 4 3 年，以前苏联的拉扎连科夫妇( b o r i sa n dn a t a l y al a z a r e n k o ) 发 现放电原理为标志1 。最初的研究是为了克服电火花的产生，经过多次实验， 他们得出结论：想彻底地抑制电火花的产生几乎是不可能的，于是转而探讨怎 样利用由电火花产生的能量，从而开创了放电加工崭新的一页。 电火花加工( 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 峋是利用放电腐蚀原理切 除材料的一种全新概念的先进且高精度的加工方法。其基本原理是使工件和电 极之间连续产生脉冲放电，利用放电时产生的瞬时高温将金属工件按工艺要求 熔化从而切除。非常适合于传统加工方法较难切削的导电材料、特殊及复杂形 状的零件的加工。 衡量电火花成型加工质量的指标大致包括如下几个方面的内容： 加工表面质量 加工精度 电极的损耗 电极损耗是电火花成型加工过程中的关键问题之一，它直接影响到工件的 最终形状和加工精度。因此，本文对成型加工中电极损耗的产生机理及控制方 法进行了深入的研究。 1 2 电火花加工国内外电极损耗控制的研究现状及发展趋势 1 2 1电极损耗概述 工具电极的长度、棱边、棱角及整体形状在加工过程中被消耗掉的部分称 为工具电极损耗。工具电极损耗对工件的精度和加工速度有极大的影响。因此， 在实际的加工过程中，掌握工具电极的损耗规律并努力降低工具电极损耗是非 常重要的。一般情况下，电极损耗有两种：绝对损耗和相对损耗。 第1 章绪论 绝对损耗又细分为体积损耗，质量损耗矽，及长度损耗三种表示 方法。各自表征了单位时间内工具电极被损耗的体积、质量和长度。 = u t ( m m 3 r a i n ) ( 1 1 ) u e = w l t ( g m i n ) ( 1 2 ) = h l t ( m m m i n ) ( 1 3 ) 式中：”一工具电极在时间，内损耗的体积； w 一工具电极在时间，内损耗的质量： 办一工具电极在时间，内损耗的长度。 相对损耗q ( ) ，通常指相对体积损耗，即电极损耗速度与工件加工速度 之比。即： q = v x 1 0 0 ( 1 4 ) 式中：加工速度和损耗速度均以m m 3 m i n 为单位计算，q 为体积损耗，如 以g m i n 为单位计算，则q 为质量相对损耗。 在放电加工过程中，为有效地抑制工具电极的相对损耗，一般是利用电火花 加工过程中的各种效应来实现，这些效应主要包括以下几个方面： 极性效应 吸附效应 传热效应 面积效应 如果能把这些效应加以利用，一般都能达到极低损耗加工甚至无损耗加工。 1 2 2电火花加工的发展历程及趋势 如前文所述，最早提出放电加工的物理模型的是上世纪四十年代的前苏联 学者拉扎连柯夫妇2 ，接下来在上世纪七十年代j a q u e s 和f l u e k i g e r 等人提出了 放电、热蚀和抛出三个阶段的物理模型，这三个阶段彼此独立，但又紧密联系。 在1 9 7 5 年r h y n e r 提出了热蚀模型，定性地解释了电极损耗的机理，1 9 7 8 年 h u n t r e s s 也提出过类似的物理模型。1 9 7 7 年，一位苏联学者把整个物理模型描 述成加工进度模型、电极低损耗模型和控制模型这三个阶段化模型，它指出， 在加工进度模型中，应该特别重视排屑问题，在电极低损耗模型中，需要注意 炭黑吸附层的保护作用。1 9 7 7 年夏天在瑞士召开的第五届国际电加工讨论会 ( i s e m 5 ) 上，来自全球的多位科学家都提出了建立完整的电火花加工数学模型的 2 第1 章绪论 必要性1 3 1 08 0 年的年代初，日本学者井上洁对电火花加工的形成原理初步做出 了较为全面的解释h 1 。d i b i t o n t o 等数位研究者又先后提出了阴极蚀除模型，阳 极蚀除模型和等离子通道模型，并采用了大量实验进行了初步验证5 卜t 7 l 。 在国内的研究中，上海交大的李明辉教授对电火花加工的机理做出了较为系 统的解释并详细分析了电火花加工中极问介质的击穿规律，包括击穿电压与极 间距离，电极形状及材料，脉冲电压延续时间，电蚀产物及杂质，温度的关系。 他指出：在放电过程中，极间放电物理状态包括放电通道的振荡特性，电压特 性，电磁波辐射和声辐射，而电火花加工的热过程是解释材料蚀除最重要的方 面。他对电火花加工导热理论及运动热源的热传播模型也进行了论述，并阐述 了电极材料的抛出机理，蚀除微粒和胶体系统对电极损耗的影响【引。南京航空 航天大学的刘正埙教授成功建立了基于电子流能量和考虑积碳现象的电极损耗 模型1 8 1 0 上海交通大学的亓利伟等基于放电通道的波动特性，并考虑放电通道 中的双极性扩散效应，对电火花加工机理进行了初步探索t 9 l o 哈尔滨工业大学 在微细电火花加工的蚀除机理方面的研究应用了传热学和电场理论“们t 1 2 。西 北工业大学则通过单脉冲电源对电极蚀除机理和极性效应的影响进行了深入研 究e 1 31 - t l s i 。部分学者还对特殊材料的蚀除机理进行了初步探索t 1 6 1 。 在建立电火花加工物理数学模型这方面，国内外的专家学者们曾做过很多 的尝试，但由于实际加工非常复杂，而且加工中许多内在的规律并未完全为人 们所认识，因而用数学物理方法得到的某些数学模型仍然与实际的加工过程有 较大的差距。目前比较认可的还是利用数据处理的方法把实验数据进行归纳分 析从而得到经验数学模型。而这一方法已经开始应用在适应控制和最佳控制理 论中1 - 1 2 4 1 。 1 2 3电火花加工中电极损耗的控制 在总结了大量的实际加工经验之后n 1 ，初步有这些经验加工方法来控制电 极的损耗：一般情况下，用纯铜作工具电极加工钢件时，在要求精加工并选用 窄脉宽的情况下，最好选择正极性加工，而反过来，在要求粗加工并选用长脉 宽的情况下则选择负极性加工。如图1 所示为加工过程中脉冲宽度和加工极性 的关系曲线( 工具电极为0 6 r a m 的纯铜，工件为4 5 钢，工作液为煤油，波形为 矩形波，加工电流峰值为1 0 a ) 。由这个关系曲线可得出结论：采用负极性加工 时，纯铜电极的相对损耗随脉宽的增加而降低，当脉宽大于1 2 0 i s 后，电极相 3 第1 章绪论 对损耗将低于1 ，基本能实现低损耗加工；如果采用正极性加工，不论采用哪 一挡脉冲宽度，相对损耗都难低于1 0 ，然而在脉宽小于1 5 筇的窄脉宽范围内， 正极性加工的工具电极相对损耗比负极性加工小。 需要注意的是：在用煤油之类的碳氢化合物作工作液时，在放电过程中部 分工作液将发生热分解而产生大量的游离碳微粒，这些游离碳微粒能和金属结 合形成金属碳化物微粒，即胶团。中性的胶团在电场作用下可能与胶团的外层 脱离，而成为带电荷的炭胶粒。电火花加工中的炭胶粒一般带负电荷，因此， 在电场作用下会逐步向正极移动，并吸附在正极表面。如果电极表面瞬时温度 在4 0 0 0 c 左右，且能保持一定时间，即能形成一定强度和厚度的化学吸附炭层， 通常称之为炭黑膜。由于炭黑膜的熔点和气化点都很高，可对电极起到保护和 补偿作用，从而从另一个角度实现低损耗加工。 由于炭黑膜只能在正极表面形成，因此，要利用炭黑膜电极的低损耗，必 须采用负极性加工。一般情况下可以通过增加脉冲宽度来保持合适的温度场和 吸附炭黑的时间。实验表明，当峰值电流和脉冲间隙一定时，炭黑膜厚度随脉 宽的增加而增厚2 5 1 而当脉冲宽度和峰值电流一定时，炭黑膜厚度随脉冲间隔 的增大而变薄。这是由于脉冲间隔加大，正极吸附炭黑的时间缩短：引起放电 问隙中介质抵消电离作用增强，胶粒扩散，放电通道分散；电极表面温度降低， 这些因素都会使吸附效应降低2 。而随着脉冲间隔的减少，吸附效应的增强， 电极损耗也能跟著降低。 弓 犍 辎 靛 罂 脉冲宽度t u s 图1 2 电极相对损耗与极性、脉冲的关系 1 正极性加工2 负极性加工 4 第l 章绪论 1 2 4电火花加工的热传效应 放电加工中在电流幅值一定的情况下如果放电时间太短以致热量来不及 传入金属导致主要是气化而熔化减少；如果放电时间过长使太多的热量传入金 属深处也会使熔化减少。只有把放电时间设置在最佳值，才能最好的利用热效 率，使电蚀量最大。这种现象称为传热效应。 通过国内外的科学家们对电极表面温度场分布的研究可以得出2 5 1 4 3 卜1 4 5 1 ， 电极的放电点的瞬时温度不仅与瞬时放电的总热量有关( 与放电能量成正比) ， 而且与放电通道的截面面积有关，还跟电极材料的导热性能相关。因此，在放 电开始时，限制脉冲电流的增长率，采用有一定上升斜度的梯形波脉冲电源， 可使电流密度不会太高，从而电极表面的温度不至于过高而遭受较大的气化损 耗，因此会有利于降低电极损耗。太高的脉冲电流增长率对在热冲击波作用下 易脆裂的工具电极( 如石墨) 的损耗影响非常显著。另一方面，由于工具电极 的导热性能一般都会比工件的导热性能好一些，如果采用较大的脉冲宽度和较 小的脉冲电流进行加工，导热作用会使电极表面温度较低而减少损耗，工件表 面温度仍较高而有利于工件的蚀除3 3 1 3 4 ”1 6 6 1 。 综上所述，用同种材料或热物理常数接近的材料进行电火花加工时，根据 电极低损耗的热传导理论则不能实现低损耗加工。例如，在我们加工钢件时， 如果要实现低损耗加工，不仅要依靠热传导更需要依靠工件材料的蚀除部分向 电极补偿损耗掉的部分，如果补偿量接近损耗量可能会出现低损耗：如果补偿 量大于损耗量，则会出现常见的粘屑现象，会破坏加工质量。因此在日常的实 际加工中，为了充分利用热传导理论实现低损耗加工，一般选用具有不同的热 物理参数的工具电极和工件材料进行配对加工。 1 2 5非电参数对电极损耗的影响 第一加工面积的对电极损耗的影响 实际的加工证明，在脉冲宽度和峰值电流一定的条件下，随着加工面积的 减小，电极损耗会增大。当加工面积大于某一临界值时，电极相对损耗会低于 1 。但是，随着加工面积的继续增大，电极损耗减小的趋势会变慢；当加工面 积小于这一临界值时，随着加工面积的继续变小，而电极损耗急剧增加。 第二冲油或抽油过程对电极损耗的影响 过多的冲油及抽油动作会加剧电极损耗。在加工形状复杂、深度较大的型 5 第1 章绪论 腔时，一般都要采取强迫冲油或抽油的方法以利于排气和排屑。虽然强迫冲油 或抽油促进了加工的稳定性，但却增大了电极的损耗。因为强迫冲油和抽油的 动作会使熔融飞溅的电蚀产物颗粒迅速冷却，并被具有冲力的工作液冲到放电 间隙之外的区域，从而减弱电极上的覆盖效应。同时，间隙中的工作液由于降 温而提高了介电系数从而使电离反应加快，也使电极上覆盖效应进一步减弱， 因此电极损耗增加。用纯铜电极与用石墨电极相比，随冲油压力的增加，采用 纯铜电极加工时损耗增加尤为明显3 5 卜 4 2 1 。 1 3 课题研究目的和意义 在当今这个科学技术日新月异的时代，人们对产品结构和实用性提出了更 高的要求，新材料和新工艺的不断被采用，对产品的精度和质量的要求也越来 越高，传统的机械加工方法有时很难甚至无法解决这些问题。而电火花加工技 术应运而生4 5 卜 5 2 1 0 在目前具有的电火花加工经验和技术实践水平上，尽管部分机床和工艺可 以实行低损耗加工，但电极损耗仍然不能避免。电极的损耗对被加工工件的尺 寸精度和仿形精度有巨大的影响，尤其对多型腔加工。穿孔加工时，电极可以 贯穿型孔而补偿电极的损耗。型腔加工时这一方法便失去了作用，精密型腔加 工时采用得更多的则更换电极的方法。因为电极损耗的不确定性，基本不能让 各个型腔尺寸的精度完全一致。为了改善这种情况，实现真正的自动化加工， 降低人力资源成本，对电极损耗规律以及自动测量、自动补偿进行研究很有必 矗疗k 4 5 1 5 2 11 9 2 1 9 8 1 j0 在实际的放电加工过程中。深入了解电火花加工的机理这一微观过程，有 助于理解和掌握电火花加工的基本规律，有助于对加工使用的脉冲电源和机床 设备的相关参数等提出更合理的要求。从已经进行的大量的实验资料来看，每 次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化 学等综合作用的过程。到目前为止，人们对影响电火花加工微观过程的种种因 素仍然了解得不多。如电火花加工过程中温度场、流场、力场的变化间隙、介 质的击穿、正负电极间能量的转换与分配、工作液成分的影响等等，都还需要 进一步的深入研究。 本课题的研究不仅是为满足国内在电极损耗的控制与补偿尖端技术方面的 6 第1 章绪论 需要，同时也是很有应用价值的工程技术项目，它将使国内该行业向新的科技 至高点迈进，进一步缩小与国际同行的差距，并接近世界先进水平。 1 4 本文的主要研究内容 本课题以电火花加工中电极损耗为主要研究内容，在对电火花加工的机理 进行系统分析的基础上，建立了基本的电极损耗模型，并通过一系列实验进行 了验证，具体研究内容如下： 第一：对影响电极损耗的主要因素进行系统分析，并主要从能量的角度分 析了放电时极问能量的转换，包括极间获得的能量及其分配，电极上的热源， 阳极上获得的能量和阴极上获得能量。此外对电极表面所受的力进行分析。 第二：应用传热学的原理，对脉冲放电时工件表层温度场进行计算得出 电蚀坑深度与电流、脉宽和热作用面积的关系。 第三：应用放电时的能量关系，建立了电极损耗的基本模型。 第四：进行电火花加工的工艺实验，对上述模型进行验证和改进。 第五：利用有限元分析软件a n s y s l 0 0 对点热源模型进行传热学的仿真。 通过实验结果与仿真结果比对首次提出了电火花加工电极损耗与加工时间的关 系。 第六：总结电火花加工中的电极损耗补偿策略，包括减小电极损耗、对损 耗后的电极进行修整和更换以及电极损耗的在线补偿等。 1 5 本章小结 本章系统陈述了电火花加工的发展历程和研究现状，并针对电火花加工中 对电极损耗的影响因素的初步分析，阐述了电极损耗产生的基本原理并初步提 出了对其进行有效控制的基本思路。 7 第2 章电火花加工理论 第2 章电火花加工理论 2 1 电火花加工的原理 电火花加工的原理是基于电极和被加工工件之间的脉冲性放电产生的电热 腐蚀现象来根据工艺要求进行非接触式切削加工，从而实现对零件的预定尺寸 精度及表面质量的切削要求。早在1 9 世纪初，人们就已经认识放电现象了。例 如我们在用大功率电器时，当插入插座的那一刹那往往会产生火花而把接触表 面烧得发黑并产生粗糙不平的凹坑，这其实就是一个脉冲放电过程。在很长的 一段时间里，放电现象曾一直被科学家们认为对日常生活是有害。从而在整个 1 9 世纪科学家们都把精力花在怎样避免产生这种放电现象上。直到前苏联的拉 扎联科夫妇掌握了放电的基本原理后才转为开始研究利用这种现象进行机械加 工。大量的实验研究表明1 ，产生放电的主要原因是放电时电火花通道中瞬时 产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀 除掉，形成放电凹坑。这一现象被利用到机械加工中来，从而产生了电火花切 削加工这样一种开创性的加工方式。 2 2 电火花加工条件 根据电火花产生的基本原理我们可以了初步概括出实现电火花加工必须满 足下列几个基本条件5 5 1 56 1 ： 2 2 1加工间隙 在实际的加工过程中必须保证工具电极和工件之间有一定的放电间 隙，因为加工中必须要有一定的间隙来满足脉冲电压不断击穿介质进行火花放 电，还要留出放电后介质消电离以及排除蚀除产物的空间。而加工间隙的大小 则要根据具体的加工材料和加工工艺条件来确定，通常约为0 0 2 0 1m m 。如果 间隙过大，可能导致脉冲电压不能击穿介质；而如果间隙过小则会导致两极短 路而没有脉冲能量的消耗也不能实现电火花加工。 8 第2 章电火花加工理论 2 2 2瞬时脉冲性放电 放电的频率也是产生电火花的重要条件，根据其工作原理，放电必须是瞬时 的脉冲性放电5 7 卜6 2 1 ，如图2 1 所示。加上电压后，延续一段时间，需停歇 一段时间“，这个间隙一般需2 0 1 0 0 脚，足够短的间隙才能使放电所产生的热量 不会产生扩散，否则，如果像持续电弧放电那样，会使表面烧伤而无法用作零件 加工。这就是必须采用脉冲电源的道理。图2 1 上面的波形图为脉冲电源的空载 电压、火花放电、短路电压波形，其下对应地为空载电流、火花放电和短路电流 的波型。图中t 为脉冲宽度；t o 为脉冲间隔；乙为击穿延时；，。为脉冲周期；甜，为 脉冲峰值电压或空载电压，一般为8 0 i o o v ；t 为脉冲峰值电流；f ，为短路峰值电 流。 之 坦 删 耀 删 o o 时闻u 8 图2 - 1 脉冲电源电压、电流波形 2 2 3绝缘液体 为了有利于产生脉冲性的火花放电过程，加工过程必须要具有一定绝缘性 能的液体参与进来。也就是加工过程中的工作液，这些工作液必须具有较高的 绝缘强度。同时，通过工作液的冲刷作用可以把放电加工过程中的产生的电蚀 产物从放电间隙中冲离加工区，工作液还对电极和工件表面有冷却作用。 9 第2 章电火花加工理论 2 2 4脉冲能量密度 在加工过程中还要求加载到工具电极和工件两极的脉冲能量密度足够大 7 5 1 。这样才能保证被加工材料局部熔化或汽化，从而能形成预定的切削凹坑。 一般情况下，放电通道必须有1 0 5 1 0 6 a l c m 2 的密度。 2 2 5重复放电 要实现一个零件的完全的加工，必须要进行重复多次的脉冲放电，并将多 次放电的的时间和空间分散，以避免积碳现象，不会发生电弧和局部烧伤。图 2 2 为一个简易的电火花加工系统。工件4 与电极3 分别与脉冲l 的两端相连接。 自动进给调节装置2 使工具和工件稳定地保持一个合适的放电间隙，当脉冲电 压加到两极之间时，便在工具端面和被加工表面间某一相对间隙最小或绝缘强 度最低处击穿介质并产生火花放电，瞬时高温使电极和工件表面都蚀除掉- 4 , 部分金属，各自形成一个小凹坑。图2 3 a 表示单个脉冲放电后的电蚀坑。脉冲 放电结束后，经过一段间隔时间，使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加 到两极上，又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又电蚀 出一个小凹坑。图2 3 b 表示经过多次脉冲放电后的电极表面。当连续地给出高 频熏复的放电，电极不断地由自动进给装置控制向工件进给，放电点不断“转 移 。就可以逐渐将工具电极的形状复制到被加工工件上，得到想要的零件，由 上述分析可知，其实整个加工表面是由无数个小凹坑积累而成。 图2 2 电火花加工原理图 1 脉冲电源2 - 自动进给调节装置3 - 工具电极 4 工件5 过滤器6 - 工作液泵7 - 工作液 l o 第2 章电火花加工理论 渺心过心心 ，a ，、_ 气，一、，、，八， 一；! ! j j ：；! ；j 一o ；j 。曩： ；i ；! ；= o ：! ( a ) ( b ) 图2 3 电火花加工表面局部放大图 2 3 电火花加工的基本过程 就原理而言，放电的微观过程是一个电场力、热力、磁力、流体动力和电化 学反应等综合作用的过程。归纳起来电火花加工的过程可以分为以下几个过程6 8 1 【7 6 l ： 2 3 1极间介质的击穿并形成放电通道 在形成放电通道的过程中，当脉冲电压加载到工具电极和被加工工件之间 时( 图2 - 4 ) ，两极间在这一给定的问隙中形成电场。 爪。 i 九。一 i ! i 叶雕 i 。 l 。伊 l l j 3 一 t r 一叶i 图2 4 极间放电电压和电流波形 根据电磁学基本理论，电场强度和极间距离成反比，而与电压成正比。工 具电极和工件表面的微观上的凹凸不平导致极间的电场强度分布也是不均匀 第2 章电火花加工理论 的。电场强度最大的地方一般发生在两极间最近的凹凸点或者尖端处。当电场 强度增加到某一定值时就会发生介质击穿从而形成放电通道6 9 1 。在形成放电通 道的那一瞬间，极间电阻从绝缘情况迅速降为几十分之一欧姆而极间电流迅速 上升到很大的值。由于放电通道的直径不大，由电磁学理论可知放电通道内的 电流密度很大。而放电间隙的瞬时电压则迅速由击穿电压下降到维持电压，电 流则由0 a 上升到相应的峰值电流( 图2 4 中2 3 段) 。由前面的放电原理分析可 知：放电通道实际是由大量带正电的正离子和带负电的电子以及中性粒子组成 的，而放电通道中的高温正是由于这些带电粒子的高速运动相互碰撞而产生的。 2 3 2电极材料熔化、汽化并发生热膨胀 如上节所述，由于极间介质被击穿并形成放电通道，在放电通道中，带负 电的电子微粒高速向正极移动，形成一个电能向动能转化的过程，而在这些移 动中，带电微粒发生大量的剧烈碰撞，又同时形成了一个动能向热能转化的过 程。在这两种能量转化的作用下，在放电通道的两端亦即正负极表面形成一个 瞬间高温的瞬时热源订- t 7 4 1 。而形成的高温立即使瞬时热源附近的工作液汽化， 并使得电极金属材料熔化甚至汽化。汽化后的工作液和金属蒸汽实际上是瞬时 的体积膨胀，这个热膨胀过程是瞬时发生的，体积在很短的时间里猛增并形成 类似爆炸的特性。我们在实际的电火花加工过程中也可以观察到在放电问隙中 有很多的小气泡，而且随着加工的深入，工作液逐渐变黑，并且伴随轻微爆炸 声，这就是金属被瞬间的高温蒸发后体积膨胀过快而造成的。 2 3 3电极材料的抛出 随着放电通道中瞬时高温引起的电极和工件材料的熔化和汽化，以及工作 液的汽化，必然会在放电通道两端的表面附近形成高压力区。而放电通道中心 的高压力使汽化了的气体体积不断膨胀，夹杂着熔融的金属和蒸汽一起被挤压 被连续冲下的工作液冲走。而在实际的加工过程中，熔化和汽化了的金属会在 高压力的作用下向四周飞溅，其中大部分被抛入工作液被冷却成微小的固体颗 粒。而有一小部分被吸附在电极上，间接地自动补偿了工具电极在加工中的损 耗。 当然，实际的金属材料熔融抛出形成过程要比上述的过程复杂很多，放电 过程中同时伴随着工作液的不断汽化、电极材料的不断熔化和气泡不断形成扩 1 2 第2 章电火花加工理论 大再破裂的重复过程。当放电结束后，放电通道内的压力急剧下降，形成瞬间 局部真空现象，使高温下熔化在金属中的气体析出，这一瞬间过程又会使材料 本身在低压下再次沸腾而被抛出被加工表面。 2 3 4极间介质的消电离 在一个脉冲电压结束的同时，脉冲电流也降为零，如图2 1 所示。但为了下 次电离的正常进行，不能马上又加载脉冲电压，而应该有一个间隔时间，使放 电通道内有时间消电离，亦即给一点时间让上一个工作时段在放电通道中形成 的正负粒子重新复合成中性粒子，同时也是为了使放电间隙介质的绝缘强度得 到恢复，以防止同一处多次放电。 同时，由放电加工的形成原理可知，如果上一加工过程中的电蚀产物不及 是时完全地排除而让其扩散后会改变间隙间的成分和介质绝缘性。另外，如果 脉冲放电时的热量也没有及时传导开去，将会使带电粒子的自由能得不到足够 的释放，会造成这些带电粒子重新合成中性粒子的可能性降低。我们把这个没 有完成的过程称为消电离过程不充分。 综上所述，为了满足电火花加工过程的连续进行，必须在两次脉冲放电过 程中留一段足够的脉冲间隔时间厶。而脉冲间隔时间的选择，要在综合考虑介质 本身的消电离时间和电蚀产物抛离放电区域的难易程度的基础上确定。 2 4 本章小结 本章系统地介绍了电火花放电加工的的形成理论以及电火花形成的条件， 在第三节详细介绍了电火花加工的基本过程，为后面的建模提供了理论基础。 1 3 第3 章电极损耗机理剖析 第3 章电极损耗机理剖析 根据半个世纪的研究来看，电火花加工中，电极及工件材料的蚀除过程实际 上是电火花放电时在电场力、热力、磁力、电化学、流体动力等综合作用下完 成的。当脉冲电压施加到工具电极与工件之间时，极间介质被脉冲电压击穿并 形成一个极为细小的放电通道。由于放电通道中带电微粒受到放电时的电磁力 和周围液体介质的压缩，因此其截面积很小导致通道中的电流密度极大，可达 1 0 4 1 0 7 a c m 2 。而在通道中介质成分中，离子与电子的数量接近相等，因此， 该放电通道呈电中性而且是电的良导体。在极间电场作用下，通道中的正离子 与电子分别高速向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大 量的热量；与此同时放电通道两端的阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流 的高速冲击，使动能转换为热能从而在电极放电点表面产生巨大的热量，使整 个放电通道形成一个瞬时热源，其温度可达1 0 0 0 0 左右。这一热源足可以使参 与放电的电极和工件材料表面局部熔化和气化蒸发。由于这一加热过程一般只 有1 0 1 0 4 s ，因此金属的熔化、气化以及介质的汽化都具有明显的类似爆炸 的特性，爆炸力将熔化和气化的金属抛入周围的工作液。这一过程不断重复， 从而使被加工表面形成预定的形状。而这一过程也会使电极的形状受到剧烈的 损耗【8 0 l 。 3 1 影响电极损耗的主要因素 在电火花加工过程中，放电通道间的极间能量的分配必然会使工具电极损 耗。电极损耗的大小通常用电极相对损耗比1 】来衡量，一般情况我们用下式定 义t r = 圪x 圪x 1 0 0 ( 3 1 ) 式中：圪一电极损耗体积； 圪一工件蚀除体积。 电极损耗比其实是一个相对概念，反映了在既定的加工工艺条件下，电极 与工件之间的相对蚀除速度。影响电极损耗的因素众多，如：电极材料的属性 1 4 第3 章电极损耗机理剖析 和加工过程中的各种效应，如极性效应、吸附效应、传热效应等。此外，脉冲 放电波形和电参数、绝缘介质的种类和供给方式等也会影响到电极损耗率。 3 1 1电极材料 在电火花加工过程中，电极材料的物理性质，尤其是其导热率五与熔点吃的 乘积五以的大小，将直接影响到材料被熔化或气化所需的最低能量密度的 值。表3 - 1 列出了几种常见材料的允：旯民与值。 表3 1 常见材料的熔点及其融化所需的最低能量密度 材料吃( ) 五包( w e m )( w e m 2 ) c u1 0 8 44 0 0 0 3 2 x 1 0 7 w3 3 7 74 9 4 0 3 2 1 0 7 f e1 5 3 9 1 2 3 0 9 2 1 0 6 a l6 5 9 2 7 4 0 1 5 1 0 7 从表3 - 1 可以看出，材料的旯吒值越大，其熔化所需的能量越多。因此为 减小电极损耗，在电火花加工中，应尽量选取铜、钨等允吼值大的材料作为工 具电极。 3 1 2极性效应 通过分析电火花加工的形成原理可知：在电火花加工过程中，极性效应也会 对电极损耗造成影响。为了减小电极损耗，在窄脉宽精加工中应采用正极性加 工，而在脉宽较宽的粗加工时则应采用负极性加工。同时，如果使用煤油等碳 氢化合物作为工作液时，放电时产生的高温将使工作介质部分产生热分解生成 碳和碳胶粒，并在正极表面形成具有一定强度和厚度的化学吸附碳层，我们称 之为碳黑膜。由于碳的熔点和气化点较高，因此该吸附层可对阳极表面起到保 护和补偿作用，从而实现低损耗加工。 3 1 3电脉冲参数与波形 在放电通道中，极间放电电流主要由电子电流和离子电流组成。当脉冲宽度 极小时，亦即在放电通道形成初期，电流的主要成分是电子流，由于电子带负电 会向阳极移动，因此这一时段蚀除过程主要发生在阳极；而随着放电时间的持续， 电子电流逐渐减小，离子电流渐成主流，由于离子带正电会向负极移动，因而蚀 除过程转变为以负极为主【2 引。因此在负极性加工时，正极工具电极的损耗主要发 1 5 第3 章电极损耗机理剖析 生在间隙击穿后的初始阶段。由此可知，增大脉冲宽度有利于减小工具电极的 相对损耗。在实验中我们发现，用通常的矩形波电源进行加工时，由于矩形波的 起始阶段的突变过程使放电初始阶段电子流对正极的冲击作用较强，这会造成电 极的瞬间损耗加剧；而如果采用具有一定斜率的电波启动，即采用电流斜率控制 方法，能有效地改善电极的启动损耗。即在脉冲放电的启动阶段，控制电流上升 的速度和加速度，可以控制电子流的大小，从而有效地降低电子流对阳极的轰击 作用并强化阳极表面的吸附作用，降低电极在启动阶段的损耗。目前规模以上的 电加工机床电源生产商所生产的低损耗电加工电源一般均配有控制电流波形的斜 率控制系统2 5 8 7 1 郾】。在采用了电流波形的控制系统后，在长脉宽负极性加 工时，其电极损耗率可控制在千分之一以下。但从另一个角度来看，如果电流上 升时间过长，电流增长的速度太低将使得放电能量急剧减小，严重地影响加工速 度。而且在精加工中，由于脉宽很小，电流斜率控制方法还无法满足加工精度的 要求，这种情况下利用电流斜率控制系统降低电极损耗仍不实用。 脉冲间隔时间的长短对放电点的分布有很大的影响。窄脉间有利于在前一 个放电点附近形成重复放电，从而更有利于在正极上建立吸附保护层：但脉间 太窄时，容易引起拉弧现象造成加工的不稳定。 放电峰值电流对电极损耗的影响也不容忽视。较大的峰值电流有利于材料 的蚀除，而另一方面这也会带来较大的电极损耗 8 2 1 。 因此在保证加工精度的情况下，需要对脉冲波形和参数进行合理的匹配， 以减小电极损耗同时兼顾加工效率1 8 3 1 。 3 1 4极问介质及其供给方式 电火花加工中的极间介质的性质及其介质的供给方式不但影响加工过程的 稳定性，同时也会对电极损耗产生很大的影响。日本学者国枝正典在研究以特 殊气体作为介质进行放电加工时，得出了其电极损耗极小且基本不随脉宽变化 的结论。表明了对极间介质研究的巨大潜力。在常规的煤油工作液电火花加工 过程中，人们已经认识到了正极表面所生成的碳黑膜对电极的保护作用。加工 时强制冲油和抽油可以改善极间介质的流动特性，也能提高排屑和加工稳定性。 但同时，强制的冲油抽油过程也降低了阳极表面的吸附效应，也就是加大了电 极的损耗。因此要形成电极表面吸附层，只能考虑采用较低的冲抽油压力与速 度。同时，在实际的加工经验来看，采用低速工作液流时，间隙击穿后放电通 1 6 第3 章电极损耗机理剖析 道直径的扩散速度较快，使得通道的电流密度较低，也能有效地降低电极损耗。 实际的电火花加工中，电极损耗过程是极其复杂的，其影响因素也非常复 杂。在采用大脉宽进行粗加工时，我们可以充分利用加工过程中的各种效应以 及采用合适的电源参数和工作介质的供液方式来最大限度地减少电极损耗。但 是，在采用窄脉宽进行精微电火花加工时，由于上述的方法均不适用，故电极 损耗的降低不易实现阱“8 6 l 。 3 2 极间放电时的能量转换 3 2 1极问获得的能量及其分配 在放电通道中，极问介质被击穿后电源就会通过极间放电通道瞬时释放能 量，把电能转换为动能、热能、磁能、光能以及电磁波辐射等。脉冲放电时在 放电间隙所释放的全部能量形为 色 w = lu ( t ) i ( t ) d t ( 3 2 ) 0 式中：“( ，) 一极问电压( v ) ； f ( f ) 一放电电流( a ) ； 屯一放电持续时间( 占) 在放电间隙所释放的总能量矿包括三个部分，放电通道等离子体中所释放的 能量呒、阳极表面层所释放的能量形以及阴极表面层所释放的能量呒 在放电通道等离子体中所释放的能量睨可以表示为 阮= i u 口( t ) i ( t ) d t ( 3 3 ) o 式中：伽( ，) 放电通道等离子体的压降( y ) ； f p ) 一放电电流( 4 ) ； a 一放电持续时间( s ) ； 由于放电通道中充满了高温导电气体，在全长，范围内的电位梯度基本一致， 故有 1 7 第3 章电极损耗机理剖析 二 w a = ie 口( f ) z f ( f ) d t ( 3 4 ) 一 o 式中e o ( t ) 为通道等离子体中的电位梯度。在未达到放电通道电位平衡之前， 通道中的离子化程度和压力以及带电粒子的密度都是随时间变化的，所以e o ( t ) 是时间的函数。 分配在电极上的能量，必然有一部分不能完全被加工所利用，会有一部分 能量分配在工具电极上，引起工具电极的损耗。而分配在工件上的一部分将使 放电点局部金属被加热气化，另一部分使金属加热熔化，还有一部分则在电极 内部传递使电极材料温度升高但不发生相的变化。