混气电火花镜面加工的研究晾干架
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混气电火花镜面加工的研究
混气电火花镜面加工的研究 2011年12月09日 来源： 摘 要：概述了电火花镜面加工发展情况，提出了混气电火花镜面加工工艺。分析了混气电火花镜面加工的原理，设计了混气装置，并进行了加工实验，实验结果表明混气电火花加工能够有效地改善加工表面粗糙度和提高生产率。关键词：混气电火花镜面加工 混气装置 表面粗糙度 生产率▲ 电火花加工技术广泛地应用于模具制造和难加工材料的加工中。普通电火花加工表面比较粗糙；工件表面往往有一梨皮状白层，该层极脆，且有许多显微裂纹，并存在拉应力，其耐疲劳性能相对较差，从而大大影响了零件的使用寿命［1～4］。试验表明：当零件表面粗糙度小于Ra0.3μm，电加工表面的耐疲劳性能大致与机械加工表面相近，并且不会产生显微裂纹［1］。因此实现电火花镜面加工是电加工技术发展的一个重要方向。国外对电火花镜面加工技术的研究开展得较早，并且取得了较好的效果。沙迪克(Sodick)公司早在70年代末首先开创了电火花镜面加工技术的研究。早期的电火花镜面加工技术的研究主要局限在减小和控制脉冲放电能量［5］，如Sodick公司在1980年推出了第一代窄脉宽、低峰值电流的PIKA电源，达到表面粗糙度小于Ra0.1μm。这一时期的镜面加工主要限于小面积的超精加工［6］。对于较大面积的电火花加工，由于极间寄生电容的脉冲累积效应，使间隙的实际单次放电能量大于脉冲电源提供的单脉冲能量，从而影响了加工表面粗糙度值的减小，面积越大，影响也越大［6、7］。因此，国内外学者提出了许多工艺方法。例如：分割电极法［7］、简单电极展成法、共轭回转式加工法［8，9］、电火花磨削［10，11］、局部电场感应法［6］以及混粉加工法［12］等。其中，混粉加工法是由日本学者毛利尚武等提出的比较有影响的镜面电火花加工方法，能有效地解决极间寄生电容的问题。但是混粉加工法也存在一些问题，如要解决微细粉末在工作液中的均匀混合，微细粉末会对环境造成污染，并且成本也比较高，因此在实际应用中有一定的局限。笔者在电火花镜面加工技术的研究中发现，在加工间隙的工作液中混入气体可以有效地减小工件的表面粗糙度值，并能大大提高生产率。1 混气电火花镜面加工原理分析 混气电火花加工就是在电火花加工间隙的工作液中混入气体，使气体以大量的微细气泡的形式参与工作。由于间隙中混入了气泡，从而引起了间隙电场、流场及放电特性的变化。 混入间隙的气泡使间隙电场发生了畸变，图1所示为气泡引起间隙电场畸变的示意图。在以气泡中心为坐标原点的球坐标系中，由高斯定律的拉普拉斯方程式可得到［13］气泡外p点处r方向的电场强度(1)图1 气泡引起间隙电场畸变示意图1.电极(+) 2.气泡 3.工件(-)气泡外p点处?方向的电场强度 (2)气泡内的电场强度方向与Z向平行，大小为 (3)式中 r——间隙中一点与气泡中心的距离 E0——极间匀场电场强度 ε1——工作液的介电系数 ε2——空气的介电系数 α——气泡半径 ?——r方向与z方向在纸平面上的夹角 从式(1)和(2)可知，在r=α，sin?=1处气泡外工作液的电场强度最大，有一般，电火花加工的工作液为煤油，则ε1=2.3ε2，得 (4)可见，在气泡边缘处的电场强度要大于匀场电场强度值。由式(3)知气泡内的电场强度为 (5) 由上式可知，气泡中的电场强度同样也要比匀场电场大。因此，加工间隙中混入气泡后，间隙容易被击穿。但是间隙容易被击穿的最主要原因是，空气的抗电强度(3×104V/cm)比煤油的抗电强度(16×104V/cm)小得多，当极间加上一个较小的电压时，就能将气泡的介电性能破坏，造成碰撞电离［13］，从而在间隙中产生大量带电粒子，导致极间的击穿几率大大增加。 在镜面电火花加工中，间隙中还存在许多细小的电蚀产物，当用煤油作工作液时，主要是碳黑微粒。当这些电蚀产物在间隙中分布适当时有助于放电分散以及细化单次放电能量，从而减小工件表面粗糙度值。在间隙中混入气泡后，大量气泡由于浮力和流速产生的无规则搅拌运动，使间隙中电蚀产物的分布更加均匀。 综上所述，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，提高了加工稳定性，另外也减小了极间寄生电容的储能效应，降低了单脉冲放电能量。因此，