（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究(1).pdf

山球大学博士论文 中文摘要 超声振动辅助气孛放电加工技术及其机理研究音 本交对气薅奔震豹魄导黎击穿送行7 分辑，获磁撞藜受魔谶骥了载流子豹形或与 移动过程：系统分析了均匀和非均匀电场状态下的气体介质电鼯和击穿的麓辩；实验 研究了脉冲电压条件下针一板电极间气体介质的谢穿过程，初步掌握了静止状态气体 分质积嵩逮滚魂状态气体余震中火花放毫逶遂瓣黛证援律。爽骏结果表骥：程掇阕电 压一定时，气体介质的落穿与电极形状有关，当尖端园角半径为0 1 m m 、极瀚电匿为 1 5 0 伏时，赢穿距离为0 0 0 5 m m 。 搜用囊蠢研割的肇令踩砖放电装熏透露了气体奔震中的攀个天藐放宅实验，提出 了气体分溪中的火花敝魄通道形成璞论，建立了放魄透道的形成模型。该横掇把单个 脉冲放电蚀除材料的过糨分为三个阶段：电离准备阶段、放电热蚀阶段和消电离抛出 阶段，这三个阶段彼此独立又密切联系。首次发现了高速流动气体介质中火施放电通 遘兹褊移溪象，建立了藏毫逶遒穰移貘登。系统势褥了踅声振动疆凭耱辩去豫鹣理论， 并在实验研究的基础上分析超声振动可减少短路现象发生的机瑷。理论推导了超声振 动辅助气中放电加工材料的去除率公式，得出的理论公式表明：材料去除攀与放电电 滚窝藏毫惫蓬或歪毙；程其它参数一定薅，麓糕密狳率夔黄脉冷赛度豹增热嚣菲线性 增大，随着脉闻的增大简非线性减小。建立了超膨撮动辅助气中放电加工工件表面粗 糙度的数学模型。该模溅表明，加工淡面粗糙度随着放电电流、放电电压以及脉冲宽 度鲍增大瓣蠖大。 超声振动辘动气中放电加工 鼗裔采用分离式稚局，方便予部件韵安装、维修、检 查。设计开发出超声报渤辅助气中放电加工的电源系统，采用m o s f e t 电路，设计 成等脉冲形式，_ 并附加鼹压击穿复合阚路，实现嚣个脉冲电流宽度相等。设计制造出 适于超声振动辘韵气串敖毫翔工蠹孽邀投廷其，鼹够实现转动状杰下懿夷好密瓣。 实验研究了放电电胍、脉冲宽度、工具电极璧厚、超声振幅、放电峰值电流、脉 冲间隔以及气体介质压力等对材料去除率的影响艘律。研究结聚表明，材料妊除率随 着蜂蓬毫滚、嚣路毫嚣、赫狰竟度豹壤大瑟璜大，疆着菰狰阕鞴瓣增夫嚣壤枣，缘栗 与理论推鼯的材料去除率公式基本一致。此外，置具电极壁厚、超声振幅以及气体介 质的压力对材料去除率墩有一定影响，其中工具电极壁厚的影响最为明显，嬲工具电 山衷省自然科学基金资助磺翱( 拙准号：y 2 0 0 1 f 1 4 ) 山东大学博士论文：超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究 极的壁厚大于0 3 m m 时，材料去除率急剧降低。研究结果表明，超声振动辅助气中放 电加工和常规液体介质电火花加工有着本质的区别，当工具电极接负极时，电极损耗 率较小，基本稳定在5 以下，而且脉冲宽度对电极的损耗不明显。加工表面粗糙度 随着脉冲宽度、峰值电流、开路电压的增大而增大。分析结果表明，常规电火花加工 工件断面的重铸层较厚而且不连续，超声振动辅助气中放电加工工件断面的重铸层较 薄雨且连续。在超声振动辅助气中放电加工过程中，加工表面上的重铸层随着峰值电 流、脉冲宽度的增大而增大。x 射线衍射分析结果表明，超声振动辅助气中放电加工 表面的组织发生变化，在加工过程中工件材料与压缩空气中的氧发生氧化反应。加工 表面的电描电镜分析结果表明，超声振动辅助气中放电加工表面的蚀除凹坑较小，常 规液体介质中火花放电加工表面的蚀除凹坑较大。超声振动辅助气中放电加工产生的 加工屑平均直径大于液体介质中火花放电加工产生的加工屑直径。 提出了b p g a 算法和“优质样本”策略，对传统的遗传算法进行了改进。改进 的算法显著缩短了训练时间，提高了训练的收敛性。采用v i s u a lb a s i c6 0 语言进行气 中放电加工效果预测并建立加工工艺参数优化仿真系统。材料去除率和加工表面租糙 度训练误差分别为o 7 8 和7 2 6 ，预测误差分别为2 3 2 和8 1 7 。 关键词：电火花加工，超声振动，气体介质，加工机理，仿真系统 i i 山东大学博士论文 s t u d y o nt h en e w t e c h n o l o g y a n dm e c h a n i s mo f u l t r a s o n i c v i b r a f i o na i d e de l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g i ng a s a b s t r a c t t h e p r o c e s s o fc h a r g ec a r r i e r f o r m i n ga n dm o v i n g i si n t r o d u c e do nt h eb a s i so f i m p a c t i n gt h e o r y t h e c o n d u c t a n c ea n d d i s r u p t i o n o f g a s m e d i u ma 托a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l yi n u n i f o r me l e c t r i cf i e l da n dn o n - u n i f o r me l e c t r i cf i e l d t h ep r o c e s so f d i s r u p t i o n f o rg a sm e d i u mb e t w e e nat i pe l e c t r o d ea n dap l a t ee l e c t r o d ei ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y t h ec h a n g i n go r d e r l i n e s so fs p a r kc h a n n e lf o rg a sm e d i u mf l o w i n gw i t ha l l i g hv e l o c i t yi se x p l a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ed i s r u p t i v ed i s c h a r g eg a p i sr e l a t e dt ot h es h a p eo ft h ee l e c t r o d ei ft h ev o l t a g ei sd e f i n i t e w h e nt h er a d i u so ft h e e l e c t r o d ei so 1 m ma n dt h ev o l t a g ei s1 5 0 v , t h e d i s r u p t i v ed i s c h a r g eg a p i sa b o u t0 0 0 5 m m t h ee x p e r i m e n to fs i n g l ep u l s ed i s c h a r g eh a sb e e nc a r r i e do u ti ng a sw i t ha nu l t r a s o n i c v i b m f i o na i d e de l e c t r i c a ld i s c h a r g ee x p e r i m e n t a ld e v i c e t h et h e o r yo fs p a r kc h a n n e l f o r m i n gi ng a sm e d i u m i sp m p o s e d ，a n dan e wm o d e lf o rs p a r kc h a n n e li se s t a b l i s h e d t h i s m o d e ls h o w st h a tt h ep r o c e s so fm a t e r i a lr e m o v a lf o ras i n g l ep u l s ed i s c h a r g ei n c l u d e s t h r e es t a g e s ，i o n i z i n g , e l e c t r i c a ld i s c h a r g e ，a n dd e i o n i z i n g t h e s es t a g e sa l ei n d e p e n d e n t a n da s s o c i a t e d t h en e we x c u r s i o nm o d e lo f s p a r kc h a n n e li se s t a b l i s h e db a s eo nt h en e w f i n dt h a tt h es p a r kc h a n n e lc a nb ea f f e c t e db yt h eg a sm e d i u m f o w i n gw i t hh i g l lv e l o c i t y t h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cv i b m f i o n e n h a n c i n g m a t e r i a lr e m o v a li s a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y t h em e c h a n i s m o f u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd e c r e a s i n gt h er a t i oo fs h o r tc i r c u i ti s a n a l y z e db a s eo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s at h e o r e t i c a lf o r m u l ao f m a t e r i a lr e m o v a lr a t ei s i n d u c e d t h i sf o r m u l as h o w st h a tt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ei sp r o p o r t i o n a lt ot h ed i s c h a r g e c u r r e n to rt h ed i s c h a r g ev o l t a g e ，a n dh a san o n - l i n e a ri n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fp u l s e d u r a t i o nt i m ea n dh a sai nn o n - l i n e a rd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f p u l s ei n t e r v a lt i m ew h e n o t h e rp a r a m e t e r sa r cd e f i n i t e t h en e ws u r f a c er o u g h n e s sm o d e lf o ru l t r a s o n i cv i b r a t i o n a i d 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 gs h o w st h a tt h es u r f a c er o u g h n o s si n c r e a s e sw i t ha n y i n c r e a s ei nt h ea m o u n to fe n e r g yi nt e r mo fd i s c h a r g ec l l r r e r r ，d i s c h a r g ev o l t a g ea n dp u l s e d u r a t i o nt i m e p r o j e c t p p o n c db y n a t u r a ls c i c n c cf o u n d a t i o no f s h a d o n gp r o v i n c e ( n o ：y 2 0 0 1 f 1 4 ) 山东大学博士论文：超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究 i no r d e rt ob ei n s t a l l e d ，i n s p e c t e d ，a n dr e p a i r e dc o n v e n i e n t l y , t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o n a i d 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 gm a c h i n et o o li sd e s i g n e dw i t ls o m e i n d e p e n d e n tp a r t s a s p e c i a lp o w e rs u p p l y w i t hm o s f e tc i r c u i ta n d h i g h l o wv o l t a g e c i r c u i ta r e a d o p t e d ，a n d c a l lp r o d u c ep u l s e sw i t l lt h es a m ep u l s ed u r a t i o nt i m e an e we l e c t r o d ec l i pf o ru l t r a s o n i c v i b r a t i o na i d 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 gi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 1 1 1 ee f f e c to f m a c h i n i n gp a r a m e t e r so nm a t e r i a lr e m o v a lr a t ei ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y e x p e r i m e n t a lr 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 lm t ci n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f d i s c h a r g ec u r r e n t , d i s c h a r g ev o l t a g ea n dp u l s e d u r a t i o nt i m e ，a n dd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fd i s c h a r g e p u l s e i n t e r v a l t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r es i m i l a r 谢mt h e t h e o r e t i c a lf o r m u l a i na d d i 6 0 n ，t h ee f f e c to ft h ew a l lt h i c k n e s so ft h ep i p ee l e c t r o d e ，t h e a m p l i t u d eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n , a n dt h ep r e s s u r eo fg a sm e d i u ma r ei n v e s t i g a t e d n e m a t e r i a lr e m o v a lr a t ed e c r e a s e so b v i o u s l yw h e nt h ew a l lt h i c k n e s so ft h ep i p ee l e c t r o d ei s m o r et h a no 3 m m n 地f a c t o r sa f f e c t i n gt h ee l e c t r o d ee r o s i o na n dt h es u r f a c 宅r o u g h n e s sa r e s t u d i e d n 圮t o o le l e c t r o d ee r o s i o ni s v e r yl o w e rw h e ni t i s n e g a t i v ei nt h ep r o c e s so f u l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d 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 t h ee r o s i o no ft o o le l e c t r o d ei s s t a b l et ob el e s st h a n5 a n dt h ee f f e c to f p u l s ed u r a t i o nt i m eo n t h ee l e c t r o d ee r o s i o ni s n o to b v i o u s 1 1 l es u r f a c e r o u g h i l e s si n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fd i s c h a r g ec u r r e n t d i s c h a r g ev o l t a g ea n dp u l s e d u r a t i o nt i m e t h er e c a s tl a y e ri st h i na n dd i s p l a y sl e s sm i c r o c r a c k so nt h e w o e k t i e c e s u r f a c ew i t l lu l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d e de 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 c o m p a r e dw i t l lc o n v e n t i o n a le 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 t 1 l et h i c k n e s so f t h er e c a s tl a y e ri n c r e a s e sw i t hd i s c h a r g ec u r r e n t , d i s c h a r g ev o l t a g ea n dp u l s ed u r a t i o nt i m e i nt h ep r o c e s so fu l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d 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 i ti sf o u n dt h a t t h em e t a l l o s c o p cc h a n g e di nu l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d 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 gb y x r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n sa n a l y s i s t h ew o r k p i e c em a t e r i a lr e a c t sa c u t e l y t oo x y g e ni nt h e g a sm e d i u m t h e c a v ef o r m e di nu l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d 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 i ss m a l l e rt h a nt h ec a v ef o r m e d i nc o n v e n t i o n a le l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea v e r a g ed i a m e t e ro fd e b r i sp a r t i c l e p r o d u c e d i n u l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d 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 gi sb i g g e rt h a nt h a ti nc o n v e n 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 t h ec o n v e n t i o n a lg aa l g o r i t h mi si m p r o v e db y “b p g aa l g o r i t h m a n d “e x c e l l e n t s p e c i m e n s t r a t e g y , a n dt h e nt h et r a i n i n gt i m e o fi m p r o v e da l g o r i t h md e c r e a s e so b v i o u s l y t h es i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h ee f f e c to fu l t r a s o n i cv i b r a t i o na i d e de l e c t r i c a ld i s c h a r g e 山东太举博士论文 m a c h i n i n gi sc a r r i e d o u tw i t hv i s u a lb a s i c6 0 t h et r a i n i n ge r r o r so fm a t e r i a lr e m o v a lr a t e a n ds u r f a c er o u g h n e s sa l e 7 8 a n d7 2 6 r e s p e c t i v e l y t h ep r e d i c t i o ne r r o r so f m a t e r i a l r e m o v a lr a t ea n ds u r f a c er o u g h n e s sa r e2 3 2 a n d8 1 7 r e s p e c t i v e l y 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 ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o n , g a s m e d i u m ，m e c h a n i s m ， s i m u l a t i o ns y s t e m v 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 其他个人或集体已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。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期 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：导师签名：日 期： 山东大学博士论文 1 绪论 1 1 电火花加工的产生 电火花放电加工是分别把工件和工具制作成两个电极，利用两极间脉冲火花放 电产生大量的热能，熔化、蒸发和抛出工件电极材料。达到加工工件的目的“1 。 早在十九世纪，人们就发现了电器开关开闭时，会产生放电现象而使触点部位 烧蚀损坏。这种由于放电所引起的电极烧蚀现象，通常称为电腐蚀现象。长期以来， 人们为了延长电器触头的使用寿命，曾对电腐蚀现象进行了大量研究，并提出了许 多有效的抗腐蚀方法。当人们掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电 腐蚀应用于生产。到十九世纪末，美国人发明了用低压大电流施加在电极与工件之 阅的方法来刻印文字和花纹。二十世纪初，人们又发现，在电解液中放电时，会产 生许多金属粉末。苏联学者拉扎林科夫妇为了解释和应用这种现象，积极开展研究 工作，于1 9 4 3 年成功地利用电腐蚀原理在金属上打出了小孔，刨立了电火花加工方 法( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n g i n g ，简称e 咖) “1 。 自从1 9 4 3 年前苏联科学家拉扎林科夫妇发明电火花加工方法以来，经过半个世 纪的研究和开发，电火花加工已成为一种重要的加工手段。它在机械、宇航、电子、 仪器、轻工、汽车等领域获得了广泛的应用。近年来，随着现代科学技术，尤其是 微电子、自动控制和计算机技术的不断进步，电火花加工技术得到了飞速发展阳1 。 1 2 电火花加工的实现条件随埘 利用电腐蚀现象对材料进行加工。应具备以下条件： ( 1 ) 作为工具和工件的两极之间要有一定的距离( 通常为数微米到数百微米) 。 ( 2 ) 两极之间应充入电介质。介质的介电系数要足够大，保证形成火花放电。 ( 3 ) 输送到两极的能量要足够大，即放电通道要有足够大的电流密度( 一般为 1 0 51 0 6 a c m 2 ) 。这样，放电时产生大量的热，足 ；i 使任何导电材料局部熔化或气化。 ( 4 ) 放电应是短时间的脉冲放电，放电的持续时间为l o l o d 秒，由于放电 的时间短，使放电产生的热来不及传导扩散，从丙把放电点局限在很小的范围，保 持火花放电的冷极特性。 ( 5 ) 脉冲放电需重复多次进行，并且每次脉冲放电在时间上和空间上是分教的， 即每次脉冲放电一般不在同一点进行，避免产生局部烧伤。 山东大学博士论文：超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究 ( 6 ) 脉冲放电产生的电蚀产物能及时从放电间隙排出，使重复性的脉冲放电顺 利进行。 在进行电火花加工时，工具电极接脉冲电源的一极，工件接另一极，两极间充 满液体介质，放电间隙自动控制系统控制工具电极向工件方向移动。当两极间达到 一定距离时，极间的液体介质被击穿，发生脉冲放电，使工件被蚀除形成一个小坑， 工具电极也会因放电而出现损耗。放电后的电蚀产物由液体介质排放至电极间隙之 外，同时经过短暂的间隔时间，使极间恢复绝缘，即消电离。然后再进行下一次脉 冲放电，使工件又蚀除一个小坑。如此不断地进行放电蚀除，工具电极不断地向工 件移动，维持适当的放电间隙，便能在工件上加工出与工具电极形状相似的型孔或 型腔。 1 3 电火花加工的特点和应用范围 电火花加工的特点： ( 1 ) 由于电火花加工是基于脉冲放电时的电腐蚀原理，其脉冲放电的能量密度 很高，因而可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料。 ( 2 ) 脉冲放电持续时间极短，放电所产生的热量来不及扩散，因而材料被加工 表面受热影响的范围小，不会引起被加工材料性能的变化。 ( 3 ) 加工时，工具电极与工具材料不接触，二者之问宏观作用力极小，工具材 料不必比工件材料硬，因而工具电极制造容易。加工时的宏观作用力极小有利于小 孔、薄壁、窄槽以及各种复杂截面的型孔、曲线孔、型腔等零件的加工，也适合于 精密微细加工。 ( 4 ) 直接利用电能进行加工，便于实现加工过程的自动化；可减少机械加工工 序，加工周期短，劳动强度低，使用和维护方便。 电火花加工的主要用途如下： ( 1 ) 加工各种金属及其合金材料、特殊的热敏感材料、半导体和非导电材料。 ( 2 ) 加工各种复杂形状的型孔和型腔工件，包括加工圆孔、方孔、多边孔、异 型孔、曲线孔、螺纹孔、微孔、深孔等，以及各种型面的型腔工件。 ( 3 ) 各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构零件的切断，切割微 细窄缝。 ( 4 ) 加工各种成型刀、样板、工具、量具、螺纹等成型零件。 ( 5 ) 工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、外圆、平面等磨削和成型磨削。 ( 6 ) 刻写、打印铭牌和标记。 2 出东大学辩士论文 ( 7 ) 表面强化，如金属袭面高速淬火、渗氮、渗碳、涂覆特殊材料及合金化镣。 ( 8 ) 辅助用途，如去除攒断在零件中的丝锥、钻头，修复磨损件，跑和齿轮啮 合传簿。 1 4 电火花加工技术的研究现状 近年来，醚罄瑗戎辩学按笨，茏其楚徽宅子、自动较箍l 窝谤羹辊技术戆不攀遴 步，电火花加工技术得到了飞速发展。具体可以归纳为以下几个方面： 1 4 1 电火花加黑基础理论研究 在电火花加忑基础理论研究领域，由予放电过程本身的复杂性、隧梳性，人们辩 放电间隙物理状淼和过程的研究，近几年来取得突破性进展，但仍裔一些研究成聚 值 罄注意。 上海交逶大学鹣亓稠箨等入磷究发黎“”，在豫i 孛藏羲持续期阕，放电透遵纛孽霞嚣 和形状并非一成不变放电通道中的等离予体很容易受平扰而产生剧烈震荡，使放 电通道出现扭折，表现出波动特性。这是蹦为带电粒予在放电通道中的振荡可分解 爻缀振彝壤摄瑟令分耋，凌摄努耋是雩l 蒸敖耄逶逶波动熬豹强嚣。教泡逶遂麴波动 使放电通道中心带电粒子密度最大的点不余始终落在放眩瀣点的中心点，而是在放 电区域内游动。这种情况下，电极表面上的放电区域内桨点所受到的冲击压力照 交识抟，放电所形成静鹫坑毽醚之交辱 二。敷邀逶道达到憾形平衡后，茭横振对材辩 的撇出起主导佟掰。 日本东京农墨大学的m k u n i e d a 等人也进行了类似的研究“”，观察了单脉冲放 电之后的放电凹城，发现很多较小的放电凹坑围绕在较大的放电凹坑周围。据此搬 叛绥，在萃踩冷蔽毫翳阖，壤激璇寒速奁今圣鹣嚣域穗运动，产雯运动戆蒙嚣鬣 阴极表面和内部材料功函数的潍异以及放电凹坑底部和上缘的电场力簇异。 澳大利亚的y c h e n 和s m m a h d i v i a n 对电火花放电加工过程谶行了系统地分 孝嚣“”，分裂瘸苓溺憨燕工放惫泡滚、不同豹辣宽、不同豹辣阂参数醭究其薅敦毫翔 工效率和表面加置质量的影喻，建立了放漱加工中材辩藩除率和加忑袭面租糙度躲 理论模型，推导出材料去除率公式。公式液明材料去除举随着放电电流、脉冲宽度 豹增加恧增热，髓着脉冲阉耀豹增加恧酶低。经过实验骚证，热工表颟粒髓度隧教 电惫流、脉i 串宽度的的凄鲡谣壤加。 印度的a j i ts i n g h 和r m i t a b h ag h o s h 通过大量的研究得出“”，放电加工过稷 中，材料的熔化建树料去除的燕要原因，德对短脉冲( 小于5 p s ) 放魄加工，材料的 山东大学博士论文：超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究 熔化不再是材料去除的主要原因。在短脉冲放电时，材料没有足够的时间吸收足以 使其局部熔化的热量，因此短脉冲放电中几乎没有熔融现象发生。短脉冲放电加工 中，材料的去除主要靠作用在工件表面的静电力。对于长脉冲( 大于l o o 筒) 放电加 工，静电力的作用变得微不足道。h j i ts i n g h 推导出了计算短脉冲放电加工中的静 电力公式。 在e d m 不同加工条件下，c c o g u n 发现不同放电延迟脉冲数量存在着系统的变 化“”。不同放电延迟脉冲的频率曲线具有左斜和高顶点特征，改变脉宽、脉冲间隔 和放电频率，频率曲线的斜度和高度会发生系统变化。工件和工具电极的蚀除主要 发生在2 0 0 n s 和1 5 脉冲放电的初始阶段。 西北工业大学的赵伟在研究电火花放电通道中带电粒子运动规律时发现放电通 道中主要是电子在运动，即使在大脉宽条件下放电正离子的运动也远弱于电子的运 动“。此结论打破了传统的放电通道是由数量大体相等的带正电和带负电以及中性 离子组成的观点。 另外，一些研究工作者针对电极损耗进行了理论研究。南京航空航天大学的周 勇、刘正埙认为“”，采用负极性进行电火花加工时，工具电极的损耗主要是由于火 花放电前几百纳秒出现的电子流对工具表面的轰击造成的，并指出所造成的工具损 耗仅与脉冲电压、电流及极间介质常数有关。j r c r o o k a l l 理论推导出了电极磨损 锥度公式，建立了多电极重复精加工使用电极数与加工的槽孔锥角之间的关系，为 选择精加工电极数量提供了依据“”。 工作液中加入微粉，可以改变放电通道的形状，使放电点分散。y s w a n g 和 h a n - m i n gc h o w 等人研究了混粉加工中的火花放电机理，工作液中加入微粉使放电电 压降低、放电间隙增大、放电点移动更快，并且更加分散，可获得镜面效果的加工 工件表面“”“。哈尔滨工业大学何广敏、李立青等人研究电火花镜面加工技术时在工 作液中混入气体，当间隙混入气泡后，均匀分布的气泡有助于放电分散，并且气泡 促使间隙电蚀产物的分布更加均匀；间隙击穿电压降低，放电间隙距离增大，加工 稳定性提高“”。 1 4 2 电火花加工工艺理论研究 电火花加工工艺理论研究是电火花加工中研究比较活跃的一个领域，其研究成 果可直接指导生产实践，提高电火花加工的加工性能。评价e d m 加工性能的指标主 要有加工速度、表面粗糙度、电极损耗率和过蚀等。另外，开拓电火花加工的加工 范围，探索细微复杂结构的加工，也是当前的研究热点之一。 4 山东大学博士论文 ( 1 ) 高效加工技术 日本的m k u n i e d a 等采用水作工作液，并向放电间隙通入氧气，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。这是因为氧化反应产生大 量的热量，有利于工件材料的融熔气化，并增加抛出熔融物质的爆炸力汹1 。 0 k r e m e r 和s t e n a c h e 等人在研究中使工具电极振动，改善了间隙中杂质的排 除和工作液介电性能的恢复，并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，可以大幅度地提高加工速度。7 4 1 。 在传统的纵向进给e 咖中，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。m k u n i e d a 等人把纵向进给变为横向进给，研究表明：横向进给e d m 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。”。 ( 2 ) 镜面加工技术 混粉电火花镜面加工技术是国际上近十几年来才问世的- - i 1 新技术，通过在工 作液中添加一定浓度的导电性硅、铝等微细粉末，改交电火花放电状态，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。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。鸪1 。y s w a n g 和索来春等国内外学者都对混粉电火花镜面加工技术进行 了一系列研究，取得了很好的效果删。合肥工业大学的高正一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。 镜面电火花加工技术中，脉冲电源的优劣对获得高质量的表面起着至关重要的 作用。国外已经对脉冲电源进行了深入的研究，瑞士公司1 9 7 6 年发明了等脉宽放电 加工电源i s o c u t ，克服了电火花加工不能同时实现高生产率、低电极损耗、低表面 粗糙度值的缺点。瑞士c h a r m i l l e s 公司近几年又研制了纳秒级的脉冲电源s p s ，用 以实现小面积镜面电火花加工，其最佳加工表面粗糙度可达到脚0 5 5 朋；日本 s o d i c k 公司的p i k a 系列电源都实现了如小于0 1 朋的镜面加工水平，可在较大的 加工面积( 3 0 0 0 岫2 ) 条件下达到粗糙度为g a 0 3 2 p ，n 的加工效果“。 山东大学博士论文：超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究 ( 3 ) 低损耗技术 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“2 。通常采用工件接负极和长脉冲加工，电极 选用高熔点高传热系数的材料，可使电极损耗降低。加工中由于工作液中碳的析出， 并附着在电极表面上，电极损耗很少，甚至可以进行电极无损耗加工。 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1 。 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“”。 ( 4 ) 微细加工技术 电火花微细加工主要指小于0 3 m m 的孔径、沟槽、型腔等的加工。近几年微细 加工技术发展很快，国内外研究者众多。日本东京大学的z y y u 。t m a s u z a w a 和 美国内布拉斯加林肯大学z y y u 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 脚深径比大于1 0 的微孔“”1 。清华大学李勇、 王显军等对微细电火花的关键技术进行了研究“”，开发出蠕动式微进给机构、微小 能量放电电源、微小线电极磨削机构等微细电火花加工装置，实验加工出直径分别 为巾2 5 ，删和巾5 0 ，册轴和孔，其最大深径比超过2 0 。南京航空航天大学宋小中、刘 正埙以工艺实验为基础，结合火花放电机理、固体材料传热理论，研究了微能脉冲 放电波形与加工表面形貌的关系及脉冲能量在工件与电极上的分配，指出要获得适 合于微细加工的放电痕形状，最大脉冲放电能量必须控制在1 酽焦耳量级以下洲。哈 尔滨工业大学的狄士春、王振龙在综合国内外微细电火花加工技术最新发展的基础 上，提出了逐层扫描法微细轮廓电火花加工，即通过工具与工件间不同的相对运动 轨迹及工具的补偿进给实现高精度的三维轮廓加工“。 ( 5 ) 非导电材料加工技术 一般说来，电火花加工只适于加工具有良好导电率工件，目前的研究成果表明， 当被加工材料的电阻率低于i 0 0 q c m 时，可有效地利用电火花技术对材料进行加 工。近年来有人试图用电火花技术加工非导电材料，取得了不错的效果。日本的n m o h r i y f u k u z a w a h e 和华中理工大学徐盛林采用辅助电极法实现了对非导电陶 6 山东大学博士论文 瓷的电火花加工“，该方法利用电极和辅助导电电极之间电火花放电使煤油工作液 中产生热分解出的碳沉积物在绝缘陶瓷加工表面形成导电膜，使绝缘陶瓷的加工表 面具有导电性来实现对绝缘陶瓷的电火花放电加工。哈尔滨工业大学的刘永红、郭 永丰也作了有益的尝试，利用物理充气和工具电极超声振动方法可以提高非导电材 料的电火花加工效率“1 。 ( 6 ) 弯曲孔电火花加工技术 电火花加工一般只适于加工轴线为直线的孔，但近几年有人研制成功弯曲孔的 电火花加工技术。日本电气通信大学机械工程与智能控制系的石田与竹内发明了一 种用于模具三维冷却通道加工用的自主式弯曲孔加工装置3 ，称为“自动放电间隙 控制器”。这一装置巧妙的运用了一个螺旋压缩弹簧和一个由形状记忆合金制成的伸 长式弹簧使之具有自行走和放电间隙自动调节功能。电极被安装在轴上，形状记忆 合金弹簧在没有放电电流流过时处于收缩状态，被偏置弹簧顶住。当整个机构距离 工件足够近时，电极与工件问产生火花放电，放电电流通过形状记忆合金弹簧，产 生热量使得弹簧温度升高，导致形状记忆合金弹簧伸长使电极远离工件，放电间隙 增大，其结果将使空载率增加、有效放电率降低，流过形状记忆合金的平均放电电 流也随之下降，从而引起形状记忆合金的收缩，带动电极向工件方向移动。当达到 一定平衡时就可以稳定地进行加工。日本东京大学的m f u k u i 发明了一种与鼹鼠掘 洞相类似的电火花加工装置，该加工装置前端为一半球形的电极，由一钢丝绳转向 节和柔性管支撑，可加工任何方向的孔嘟1 。 ( 7 ) 气中放电加工技术 一般认为，液体绝缘性工作液( 如煤油或去离子水等) 在电火花加工中是不可 替代的，其在加工中所起的冷却、排屑和压缩放电通道等作用，使得电火花加工得 以稳定可靠地进行。液中放电加工也同样带来了加工设备庞大复杂、电极损耗较大 等显而易见的缺点。如果能实现真正意义上的气中放电加工，无异将