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關于管理混氣電火花鏡面的論文
摘要：概述了電火花鏡面加工發展情況，提出了混氣電火花鏡面加工工藝。分析了混氣電火花鏡面加工的原理，設計了混氣裝置，并進行了加工實驗，實驗結果表明混氣電火花加工能夠有效地改善加工表面粗糙度和提高生產率。
關鍵詞：混氣電火花鏡面加工混氣裝置表面粗糙度生產率▲
電火花加工技術廣泛地應用于模具制造和難加工材料的加工中。普通電火花加工表面比較粗糙；工件表面往往有一梨皮狀白層，該層極脆，且有許多顯微裂紋，并存在拉應力，其耐疲勞性能相對較差，從而大大影響了零件的使用壽命［1～4］。試驗表明：當零件表面粗糙度小于Ra0.3μm，電加工表面的耐疲勞性能大致與機械加工表面相近，并且不會產生顯微裂紋［1］。因此實現電火花鏡面加工是電加工技術發展的一個重要方向。國外對電火花鏡面加工技術的研究開展得較早，并且取得了較好的效果。沙迪克(Sodick)公司早在70年代末首先開創了電火花鏡面加工技術的研究。早期的電火花鏡面加工技術的研究主要局限在減小和控制脈沖放電能量［5］，如Sodick公司在1980年推出了第一代窄脈寬、低峰值電流的PIKA電源，達到表面粗糙度小于Ra0.1μm。這一時期的鏡面加工主要限于小面積的超精加工［6］。對于較大面積的電火花加工，由于極間寄生電容的脈沖累積效應，使間隙的實際單次放電能量大于脈沖電源提供的單脈沖能量，從而影響了加工表面粗糙度值的減小，面積越大，影響也越大［6、7］。因此，國內外學者提出了許多工藝方法。例如：分割電極法［7］、簡單電極展成法、共軛回轉式加工法［8，9］、電火花磨削［10，11］、局部電場感應法［6］以及混粉加工法［12］等。其中，混粉加工法是由日本學者毛利尚武等提出的比較有影響的鏡面電火花加工方法，能有效地解決極間寄生電容的問題。但是混粉加工法也存在一些問題，如要解決微細粉末在工作液中的均勻混合，微細粉末會對環境造成污染，并且成本也比較高，因此在實際應用中有一定的局限。筆者在電火花鏡面加工技術的研究中發現，在加工間隙的工作液中混入氣體可以有效地減小工件的表面粗糙度值，并能大大提高生產率。
1混氣電火花鏡面加工原理分析
混氣電火花加工就是在電火花加工間隙的工作液中混入氣體，使氣體以大量的微細氣泡的形式參與工作。由于間隙中混入了氣泡，從而引起了間隙電場、流場及放電特性的變化。
混入間隙的氣泡使間隙電場發生了畸變，圖1所示為氣泡引起間隙電場畸變的示意圖。在以氣泡中心為坐標原點的球坐標系中，由高斯定律的拉普拉斯方程式可得到［13］氣泡外p點處r方向的電場強度
(1)
圖1氣泡引起間隙電場畸變示意圖
1.電極(+)2.氣泡3.工件(-)
氣泡外p點處?方向的電場強度
(2)
氣泡內的電場強度方向與Z向平行，大小為
(3)
式中r——間隙中一點與氣泡中心的距離
E0——極間勻場電場強度
ε1——工作液的介電系數
ε2——空氣的介電系數
α——氣泡半徑
?——r方向與z方向在紙平面上的夾角
從式(1)和(2)可知，在r=α，sin?=1處氣泡外工作液的電場強度最大，有
一般，電火花加工的工作液為煤油，則ε1=2.3ε2，得
可見，在氣泡邊緣處的電場強度要大于勻場電場強度值。由式(3)知氣泡內的電場強度為
由上式可知，氣泡中的電場強度同樣也要比勻場電場大。因此，加工間隙中混入氣泡后，間隙容易被擊穿。但是間隙容易被擊穿的最主要原因是，空氣的抗電強度(3×104V/cm)比煤油的抗電強度(16×104V/cm)小得多，當極間加上一個較小的電壓時，就能將氣泡的介電性能破壞，造成碰撞電離［13］，從而在間隙中產生大量帶電粒子，導致極間的擊穿幾率大大增加。
在鏡面電火花加工中，間隙中還存在許多細小的電蝕產物，當用煤油作工作液時，主要是碳黑微粒。當這些電蝕產物在間隙中分布適當時有助于放電分散以及細化單次放電能量，從而減小工件表面粗糙度值。在間隙中混入氣泡后，大量氣泡由于浮力和流速產生的無規則攪拌運動，使間隙中電蝕產物的分布更加均勻。
綜上所述，當間隙混入氣泡后，均勻分布的氣泡有助于放電分散，并且氣泡促使間隙電蝕產物的分布更加均勻；間隙擊穿電壓降低，放電間隙距離增大，提高了加工穩定性，另外也減小了極間寄生電容的儲能效應，降低了單脈沖放電能量。因此，混氣電火花加工有利于減小工件表面粗糙度值，并能大大地提高生產率。眾所周知，電火花加工一般是在煤油中進行的，煤油可以增大放電能量密度、壓縮放電通道、冷卻電極及有利于快速消電離等優點�；鞖怆娀鸹庸さ膶嵸|是兼有了氣體放電和液體放電的優點。
需要指出的是，混氣電火花加工間隙特性實際上是由間隙中液、氣、固三相共同作用的結果，間隙中的電場遠比上述分析的復雜得多。
2混氣裝置
在電火花加工中，只有當放電點分散時，才能達到加工目的，否則會因集中放電而燒傷工件，這就要求氣泡能夠比較均勻地分布在加工間隙之中。另外，在鏡面加工中間隙一般比較小，要求氣泡也應更小。因此，混氣電火花加工對混氣裝置的基本要求是：(1)產生大量微細的氣泡；(2)使氣泡能均勻地分散在間隙中。
內徑為d的小管一端與大氣相通，裝置中流過一定速度的工作液，扁口端為沖油嘴。設圖示虛線1～3處的通流面積分別為S1、S2和S3，且S1＜S2＜S3；相應的工作液的流速分別為V1、V2和V3。由于流過各個截面的流量相等，有
S1V1=S2V2=S3V3
因S1＜S2＜S3
則V1＞V2＞V3
由流體動力學原理可知，空氣將通過直徑為d的小管被抽入工作液中，并在液流中攪動形成微氣泡混入工作液中，抽入空氣的量可由d的大小來控制。工作時，將混氣裝置的沖油嘴對著加工間隙，當工作液從沖油口噴出時，工作液已成為煤油(若工作液為煤油)和大量微氣泡的混合液，比較巧妙地解決了混氣問題。
3混氣電火花鏡面加工實驗
為了驗證混氣電火花鏡面加工的效果，與加工間隙混氣的情況進行了對比實驗。加工條件如下：工件材料：優質模具鋼718；電極：紫銅，?12mm;加工機床：HCD—400，自行研制的精微脈沖電源；電參數：高低壓復合，Ie=1.76μs,t0=5μs，ti為變量；抬刀高度：第6檔；抬刀頻率：第3檔，平動；SV：第1.5檔。測量不同ti時的工件表面粗糙度值Ra(μm)和工件去除速度(mg/h)。實驗結果如表所示，由表中數據可看出，間隙混氣后，工件表面粗糙度值明顯比同樣條件下間隙不混氣時的要好，并且工件去除速度的提高也很顯著。這說明混氣加工能夠改善加工表面粗糙度，并能有效提高加工生產率。
間隙混氣和不混氣加工效果比較表
脈寬ti2468間隙不混氣工件表面粗糙度
Ra(μm)0.1680.2350.2450.386工件去除速度
(mg/h)1.54751.98824.6354.84間隙混氣工件表面粗糙度
Ra(μm)0.1450.210.2350.256工件去除速度
(mg/h)2.13512.658967.1568
本文分析混氣電火花鏡面加工原理，設計了混氣裝置。加工實驗結果表明了間隙混氣有利于減小加工表面粗糙度值，并能顯著提高生產率。但是對混氣電火花加工的機理以及工藝規律尚需進一步的研究。
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