電火花加工原理

1、電火花加工原理電火花加工時(shí)一種非接觸式的、宏觀加工力很小的加工方法，這使得其在微細(xì)加工、精加工方面發(fā)揮了極大的作用。而電火花加工機(jī)理則是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電極損耗、提高加工精度的重要理論支持和有力手段。尤其是對(duì)復(fù)雜零件的精加工，準(zhǔn)確模擬電極損耗是決定零件最終形狀精度的關(guān)鍵技術(shù)。但由于缺乏研究手段以及放電過程本身的復(fù)雜性、隨機(jī)性，使得目前電火花加工機(jī)理的研究還相對(duì)滯后，這在一定程度上制約了電火花加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也使電火花加工本身存在的一些基本矛盾變得更加突出，同時(shí)也使人們認(rèn)識(shí)到有必要在理論上對(duì)電火花加工機(jī)理展開進(jìn)一步的研究。1 電火花加工的基本原理圖1.1電火花加工基本原理21- 工件；2-脈沖電源

2、；3-自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵如圖1.1所示，工件1和工具4分別與脈沖電源2的兩輸入端相連接。自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置3（此處為電動(dòng)機(jī)及絲杠螺母機(jī)構(gòu)）使工具和工件經(jīng)常保持一個(gè)很小的放電間隙，當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間時(shí)，便在當(dāng)時(shí)條件下相對(duì)某一間隙最小處或絕緣強(qiáng)度最低處擊穿介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生火花放電，瞬時(shí)高溫時(shí)工具和工件表面都蝕除掉一小部分金屬，各自形成一個(gè)小凹坑，如圖1.2所示。其中1.2（a）是單個(gè)脈沖放電后的電蝕坑，圖1.2（b）是多次脈沖放電后的電極表面。脈沖放電結(jié)束后，經(jīng)過一段間隔時(shí)間，使工作液恢復(fù)絕緣后第二個(gè)脈沖電壓又加到兩極上，又會(huì)在當(dāng)時(shí)機(jī)間距離相對(duì)最近

3、處或絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿放電，又電蝕出一個(gè)小凹坑。這樣以相當(dāng)高的頻率，連續(xù)不斷地重復(fù)放電，工具電極不斷地向工件進(jìn)給，就可以將工具的形狀反向復(fù)制在工件上，加工出所需要的零件，整個(gè)加工表面是由無數(shù)個(gè)小凹坑所組成的。圖1.2（a） 圖1.2(b)2 加工過程中的能量分配 在電火花加工中，極間介質(zhì)一旦被擊穿，放電通道就瞬時(shí)釋放能量，把電能轉(zhuǎn)換為熱能、動(dòng)能、磁能、光能、聲能以及電磁波輻射等，放電過程中，能量的消耗轉(zhuǎn)化如圖1.3 所示圖2.1放電過程能量的消耗過程在脈沖放電過程中，放電通道等離子區(qū)壓降一般都較小，所以這個(gè)區(qū)域釋放的能量只占極間釋放能量的15%40% ，且絕大多數(shù)由高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子傳遞給電極

4、表面，在周圍介質(zhì)中散失的僅僅是一小部分。在介質(zhì)中損耗的主要是初始放電時(shí)加熱放電通道、周圍介質(zhì)的氣化分解的能量以及放電結(jié)束時(shí)高溫通道中的熱量在介質(zhì)中的傳散，因而分配在電極對(duì)上的能量占總能量的絕大部分。有關(guān)焊接熱過程的能量分配表明，在氣中放電時(shí)，分配在工件上的能量約為70%85% ，而在焊劑層下放電時(shí)，由于對(duì)流傳散熱量的減少，分配在工件上的能量可達(dá)80%95% 。電火花加工是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的，不僅極間距離小，而且也有類同焊劑中放電的傳熱條件，雖然液體介質(zhì)中還會(huì)有一定的熱量傳散，但是分配在電極對(duì)上的熱量還是很可觀的。但要準(zhǔn)確計(jì)算出能量在工具、工件和極間工作液三者之間的分配關(guān)系卻非常困難。3 放電通

5、道的變化3.1 放電通道的形成脈沖放電期問，極問所形成的放電通道中除陰極和陽極的表面分別為一層極薄的電子和正離子外，其余絕大部分都是由數(shù)量大致相等的正離子、自由電子及中性粒子所組成的等離子體放電通道實(shí)際上是種高溫導(dǎo)電氣體通道中數(shù)量大致相等的正負(fù)粒子的動(dòng)力學(xué)行為受電場(chǎng)力支配，其運(yùn)動(dòng)受自生磁場(chǎng)的電磁力的約束放電持續(xù)期間，通道自身有較大的擴(kuò)張壓力作用于周劇介質(zhì)，同時(shí)放電通道中等離子體的徑向運(yùn)動(dòng)也受到自生磁場(chǎng)的約束力作用在通道和周圍介質(zhì)的界面上還受到流體介質(zhì)的阻力作用當(dāng)放電通道剛形成時(shí)通道擴(kuò)張壓力遠(yuǎn)大于自生磁場(chǎng)的約束力和流體介質(zhì)阻力之和等離子體沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，使放電通道迅速擴(kuò)張隨著通道的擴(kuò)張，其壓力急

6、劇下降，當(dāng)此壓力等于自生磁場(chǎng)所產(chǎn)生的約束力和流體介質(zhì)阻力之和時(shí)等離子體停止徑向的進(jìn)一步擴(kuò)張，此時(shí)放電通道處于平衡狀態(tài)若忽略帶電粒子高速運(yùn)動(dòng)而引起的位形擴(kuò)散和通道的波動(dòng)性，放電通道的直徑將保持不變。通道應(yīng)呈圓柱形通道任一橫截面上的粒子濃度為中心處最密，沿半徑方向遠(yuǎn)離中心逐漸減小符合正態(tài)分布但由于通道周圍介質(zhì)備處的運(yùn)動(dòng)阻力不一樣(介質(zhì)與屯極表面之問的摩擦力將會(huì)增大該處的運(yùn)動(dòng)阻力)，使得放電通道各處的擴(kuò)展速度也不一樣，即靠近電極表面的擴(kuò)展速度慢。而極問中心處擴(kuò)張速度快使放電通道呈圖3.1所示的腰鼓形圖3.13.2 放電通道的擴(kuò)散放電通道中的壓力和溫度很高，帶電粒子在高速運(yùn)動(dòng)過程中必然發(fā)生劇烈碰撞，即

7、電子與離子、電子與電子、離子與離子之問的碰撞將使帶電粒子偏離電力線而發(fā)牛散射擴(kuò)散的程度主要取決于粒子的密度梯度、質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)而言，電子的擴(kuò)散遠(yuǎn)較離子的擴(kuò)散明顯，且擴(kuò)散主要在放電通道的兩端電子和離子的不同擴(kuò)散會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此電場(chǎng)義使電子擴(kuò)散減小而離子擴(kuò)散增大帶電粒子磁撞所引起的擴(kuò)散作用，必然會(huì)使放電通道的位置和形狀發(fā)生變化由于電子的速度遠(yuǎn)比離子的運(yùn)動(dòng)速度大故電子流的擴(kuò)散較離子流的擴(kuò)散明顯，電子流的擴(kuò)散(即陽極擴(kuò)散)是主要的，從而使平衡時(shí)的放電通道呈現(xiàn)圖3.2所示的喇叭口形(忽略放電通道的波動(dòng)性時(shí))4。圖3.24 電極材料的蝕除4.1 陽極電極材料的蝕除過程電火花加工過程中 存在著明顯的極性效

8、應(yīng)，這是因?yàn)樵诜烹娺^程中 電極材料的蝕除率與該電極上所消耗的功率是密切相關(guān)的。電火花放電過程中極間放電能量的分布可表示為Pe=0teut itdt=Pa+Pc+Pl式中：Pe為放電功率；Pc為陰極消耗功率；極間介質(zhì)被擊穿后 放電通道等離子體的導(dǎo)電率極高 其消耗的功率極小 。由于電子的質(zhì)量比離子小得多，因此在放電脈寬極窄的微細(xì)電火花加工中，放電通道的電流主要是電子電流陽極材料的蝕除過程可以解釋為電子的高速轟擊作用而將放電能量的絕大部分傳遞給陽極表面，并在陽極表面的微小區(qū)域形成瞬時(shí)的高溫表面熱源，從而使材料產(chǎn)生熔化或氣化。南京航空航天大學(xué)劉正塤教授等人用實(shí)驗(yàn)方法研究了窄脈寬微細(xì)電火花加工中，放電能

9、量在陰極和陽極上的分布情況。實(shí)驗(yàn)表明，在放電脈寬小于 1us時(shí)，陽極上所獲得的能量遠(yuǎn)大于陰極表面，并且脈寬越窄，兩者的差距越大。 這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步證明了在窄脈寬放電條件下，電子與離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)特性的異同對(duì)放電能量分布的巨大影響。4.2 陰極材料的蝕除過程圖4.1火花放電時(shí)極間電位的分布由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，因此在窄脈寬微細(xì)電火花加工過程中，正離子對(duì)陰極表面的轟擊作用較小(粒子所獲動(dòng)能正比于速度的平方)，且放電通道熱源所傳播的輻射熱也十分有限。 此時(shí)陰極表面所獲得的熱量較小，使其沒有足夠的時(shí)間產(chǎn)生熔化或氣化，因此將窄脈寬微細(xì)電火花加工中陰極材料的蝕除過程簡(jiǎn)單地歸結(jié)為熱作用過程顯然是

10、不夠全面的。當(dāng)極間介質(zhì)被擊穿而形成高溫等離子通道后，極間電位的分布情況可用圖 4.1 示意。極間介質(zhì)被擊穿后，等離子通道可以認(rèn)為是電的良導(dǎo)體， 因此其間壓降極小。陽極電位出現(xiàn)略微降低現(xiàn)象，表明還有相當(dāng)一部分電子不能到達(dá)陽極。 在陰極附近，由于電子發(fā)射和正離子的積聚而形成一層極薄的空間電荷層(大約只有一個(gè)電子自由程，這一空間電荷層存在著電荷不平衡并能維持較大的電勢(shì)梯度，因此幾乎極間所有壓降都集中在此極薄的區(qū)域內(nèi)。 這樣在陰極附近就會(huì)形成一個(gè)極強(qiáng)的電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下， 由于靜電力的作用， 陰極表面的負(fù)電荷將受到激發(fā)并被拖出， 因此導(dǎo)致了陰極表面形成較強(qiáng)的拉應(yīng)力。 同時(shí)， 由于正離子的轟擊及通道高

11、溫輻射，也會(huì)使陰極表面加熱，進(jìn)而使材料的屈服強(qiáng)度降低， 加劇了材料的屈服破壞。因此在窄脈寬微細(xì)電火花加工中，電極陰極材料的蝕除過程(電極損耗) ，應(yīng)是以靜電力作用為主，熱作用為輔的過程。 當(dāng)放電脈沖寬度較大時(shí)， 放電斑的直徑將增大，表面的應(yīng)力作用將十分微弱; 同時(shí)由于大量正離子的高速轟擊，使得電極材料的蝕除過程以熱作用為主，靜電力幾乎不再起到蝕除作用5?？偨Y(jié): 當(dāng)脈沖電壓施加到工具與工件電極之間時(shí)極間介質(zhì)被擊穿并形成一個(gè)極為細(xì)小的放電通道。由于放電通道中電子和離子受到放電時(shí)的電磁力和周圍液體介質(zhì)的壓縮 因此其截面積很小，通道中的電流密度極大可達(dá)104107A/ cm20 通道中的介質(zhì)以等離子體狀態(tài)存在 其離子與電子的數(shù)量幾乎相等。因此，該通道是電的良導(dǎo)體并呈電中性。在極間電場(chǎng)作用下， 通道中的正離子與電子高速地向陰極和陽極運(yùn)動(dòng)并發(fā)生劇烈碰撞，從而在放電通道中產(chǎn)生大量