【文章內(nèi)容簡介】 熱力、流體動力、電化學和膠體化學等綜合作用的過程，但其本質是熱過程 [6]。 微細電火花加工的實現(xiàn)條件實現(xiàn)微細電火花加工，應具備如下條件：工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離。在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質，產(chǎn)生火花放電，又可以適應在火花通道熄滅后介質消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極距離過短，則會造成短路，在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現(xiàn)電腐蝕加工。兩電極之間必須充入介質。在進行微細電火花加工時，兩極間一般采用液體介質；進行沉積加工時，采用氣體介質效果更好。輸送到兩電極間的脈沖能量密度應足夠大。在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑） ，實現(xiàn)微細電火花加工。所以，放電通道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。放電必須是短時間的脈沖放電。由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)。脈沖放電需重復多次進行，并且多次脈沖放電在時間上和空間上是分散的。這里包含兩個方面的意義：其一，時間上相鄰的兩個脈沖不在同一點上形成通道；其二，若在一定時間范圍內(nèi)脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時間內(nèi)，脈沖放電應轉移到另一區(qū)域。只有如此，才能避免發(fā)生電弧和局部燒傷。脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時排放至放電間隙之外，使重復性放電順利進行。在微細電火花加工過程中中，上述過程通過兩個途徑完成。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物（如介質的汽化物）亦可以促進上述過程；另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等。 微細電火花加工的工作介質選擇微細電火花加工通常在液體介質中進行。工作液密度和粘度較大，壓縮放電通道的能力強，產(chǎn)生較大的爆炸力，強化電蝕產(chǎn)物的拋出效應。工作液的氣化、膨脹部分的去除效果，會對熔化并要轉移到工件表面的電極材料有很強的沖刷作用，這對去除加工十分有利。一般來說微細電火花加工用煤油作為工作液，在放電過程中將發(fā)生熱分解，而產(chǎn)生大量的碳，還能和金屬結合形成金屬碳化物的顆粒，即膠團 [7]。中性的膠團在電場作用下可能與其可動層脫離，而成為帶負電的碳膠粒。碳膠粒在電場的作用下會向正極移動，并吸附在正極表面，進而在正極表面生成一層碳黑膜。該層黑膜可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這對傳統(tǒng)的去除加工是十分有利的。因此，如果進行工件去除加工，采用液體介質作為工作液是相對來說是非常合適的。如果要進行沉積加工，則最好不要選擇煤油作為工作液，因為在煤油中加工的時候，由于工作液氣化、膨脹部分的去除效果會對熔化并要轉移到工件表面的電極材料有很強的沖刷作用會阻礙沉積層的形成 [8]。另外，在煤油中加工時，碳黑膜的形成可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這也不利于沉積加工。據(jù)研究表明，在氣體中進行放電沉積加工比較理想，因為在氣體介質中加工對沉積材料的沖擊較弱，只有少部分碎屑飛出，對沉積物的形成十分有利。同時，在氣體介質中熔融金屬的冷卻速度比在液體介質中熔融金屬的冷卻速度慢很多，使熔化的電極材料容易附著在工件表面上。另外，氣體中進行放電加工時，放電間隙內(nèi)部不存在液體加工時的加工屑漂浮現(xiàn)象，放電結束后可以迅速恢復間隙的絕緣狀態(tài)，減少了電弧放電的發(fā)生，這樣更有利于沉積加工的穩(wěn)定進行 [9]。本文在溫度場模擬中也考慮在氣體和液體介質中兩種不同的情況，對兩種情況都進行了分析和研究。 微細電火花加工過程中的極性效應在微細電火花加工中存在極性效應，所謂極性效應 [10]即盡管使用相同材料的電極和工件，兩極的蝕除量仍然存在一定的差異現(xiàn)象。當電極和工件的材料不同時，這種差異會更加明顯。在微細電火花放電通道中，電子和正離子受電場力的作用分別向陽極和陰極移動。由于電子質量小、加速度大，很容易獲得較高的運動速度，并通過碰撞傳遞能量給陽極；相比之下，正離子質量大、加速度小，很難獲得較高的速度，加之通道中粒子密度很高的原因，正離子對陰極表面的傳能作用很小。所以單純從帶電粒子對電極蝕除的影響角度考慮，在微細電火花加工中應采用工具電極接負極的正極性加工。但在煤油介質中進行微細電火花加工，必須充分考慮碳保護膜對正極的保護作用會對工具電極和工件的蝕除量的變化產(chǎn)生很大的影響。在短脈沖放電條件時，碳保護膜難以形成，所以不必考慮其保護作用對電極蝕除量的影響。在較長脈沖條件下放電時，會隨加工時間的增加在正極表面形成碳保護膜，而保護膜對正極的保護作用也會不斷增強，這會嚴重減弱電子轟擊對正極材料的蝕除所起的作用，甚至使這種作用逐漸趨于零，正極表現(xiàn)為零損耗或負增長；與此同時，負極的蝕除量卻始終按放電次數(shù)的增加成比例增加，結果導致負極的蝕除量大于正極的蝕除量，所以此時要采用負極性加工 [11]。在氣體介質中加工時，則不存在炭黑膜的影響，對加工方式的選擇主要考慮極性效應即可。 微細電火花加工技術的特點在各種不同的電火花加工應用中，通常把尺寸特別小的加工稱作微細電火花加工。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無明確的規(guī)定 [12]。微細電火花加工的原理與普通電火花加工并無本質區(qū)別，不同之處在于其自身的工藝特點。但使用微小成形電極，利用傳統(tǒng)的電火花成形加工方法進行微細三維輪廓加工顯然是不現(xiàn)實的。這是因為形狀復雜的微小電極本身就極難制作，而且由于加工過程中嚴重的電極損耗現(xiàn)象，使成形電極的形狀很快改變而無法進行高精度的三維曲面加工。因此，人們開始探索使用簡單形狀的電極，借鑒數(shù)控銑削的方法進行微細三維輪廓的電火花加工 [13]。由于加工尺寸極小，加工表面更加致密，所以，MEDM 的關健問題之一便是如何設定加工尺寸更小的放電條件。目前，MEDM 應用的放電能量粗加工為 100μJ，精加工為 10μJ 左右，大體上是通常電火花加工能量 1J~100J 的 1/10000 左右 [14]。由于 MEDM 的放電能量與通常的電火花加工不同，因而有其自身的特殊狀況。電火花加工是在大氣壓力條件下進行的過渡性電弧放電。如果脈寬固定不變，就不可能使電流值減少到最低程度。為此，不得不采取一方面將電流值保持在一定的程度，另一方面則通過減小脈寬來實現(xiàn)微小能量的簡便放電方法。所以，MEDM 所設定的脈寬要比一般電火花加工短很多。在這種極短脈沖的放電過程中，形成濃度極低的等離子放電，而電子流則成為主要的載流子，即變成一種接近于電子束的加工狀態(tài)，放電能量主要轉換為熱，最終產(chǎn)生在陽極上。因此，在 MEDM 中，為降低電極的損耗率，一般將工件接于正極，電極接于負極。在使用工具的加工方法中 MEDM 具有以下的特點：（1）同其他加工法相比，由于 MEDM 的宏觀作用力極小 [15]，所以能加工細、薄的工件，不會因工具的彈性變形而使精度受到影響。（2）能加工硬度高，韌性大的材料。（3）工具的旋轉不再是絕對的條件，由于工具的所有表面都起到加工作用，所以工具的形狀及被加工形狀的自由度都很高。也就是說，MEDM 在微細程度、加工精度、加工對象的材質以及加工形狀等許多方面同使用其他工具的加工方法相比，有其顯著的特點和優(yōu)越性。 本章小結本章研究了了微細電火花加工的基本原理，其本質是個熱過程。微細電火花加工的微觀過程為：（1）放電通道的形成；（2）電極材料的融化，汽化熱膨脹；（3）電極材料的拋出；（4）極間介質的消電離。在微細電火花加工中，選擇不同的工作介質適合不同的加工，選擇液體工作介質更適合于去除加工，而選擇氣體工作介質更適合于沉積加工。在微細電火花加工過程中存在極性效應，即盡管使用同種材料的工具電極和工件，兩極的蝕除量仍然存在差異的現(xiàn)象。最后分析了微細電火花加工技術的特點，也是這種加工方法的優(yōu)越性，即宏觀作用力極小，加工材料選擇性廣，加工自由度、靈活性高等特點。通過這章，可以更深入的了解微細電火花加工的基本理論和特點，也為對微細電火花加工進行下一步分析和研究奠定理論基礎。第 3 章 單脈沖條件下微細電火花加工的溫度場仿真分析隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，數(shù)學模型和數(shù)值模擬技術的地位和作用越來越重要。只要通過少量驗證試驗，證明數(shù)值方法在處理某一問題上的適用性，那么大量的篩選工作便可在計算機上完成。相對于實驗來說，這種方法更省時。微細電火花加工本質上屬于電火花加工，主要是一個熱過程。放電通道中生成的大量熱能使材料熔化、氣化和拋出。通過對微細電火花加工放電過程的溫度場進行分析研究有很多好處，如預測工藝參數(shù)，比較清晰的看出能量，熱量的分布特點，并且這對于研究工件表面加工質量也有很大的意義 [16]。本章通過建立微細電火花加工的熱源模型，利用 MARC 軟件，對單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場進行模擬分析。 微細電火花加工溫度場分析 微細電火花加工模型假設微細電火花加工的加工過程具有很強的隨機性和復雜性，但它遵循電火花加工和熱力學的基本規(guī)律，為了簡化計算，對該熱模型作如下假設：（1）一個脈沖放電只存在一個放電通道；（2）熱傳導模型為軸向對稱；（3）電極材料為各向同性的均勻物質；（4）不考慮材料的去除問題；（5）熱傳導過程的輻射熱損失轉換成對流換熱的方式考慮；（6）把放電通道看做等能量密度分布的均勻圓柱體考慮。 熱源模型根據(jù)熱源形成的機理不同，電極上的熱源可以分為體積熱源與表面熱源兩種。體積熱源是放電電流通過電極表面放電點時，由于電阻熱效應而產(chǎn)生的，它的形成在很大程度上依賴于電流的趨膚效應，因此它只有在電流急劇變化時才可能產(chǎn)生大量的焦爾熱；如果放電持續(xù)時間較長，放電電流的變化率較小，產(chǎn)生的焦爾熱是有限的 [17]。因此，一般在放電初期或加工不良導體時，它的作用才較明顯。在加工優(yōu)良導體時，其金屬蝕除量只占蝕除金屬總量的 1~2%，基本可以忽略不計。因而在微細電火花加工中，熱源形式將以表面熱源為主。由于放電通道的不均勻性，電極表面熱源也是不均勻的。研究表明瞬時放電通道中帶電粒子的密度符合高斯分布，即放電通道中心處帶電粒子的密度最高，而邊緣處帶電粒子的密度最低，作用在電極表面的平面熱源的熱流密度呈現(xiàn)高斯分布 [18]如圖 31所示。qm圖 31 熱流密度高斯分布示意圖因此，高斯熱源是等離子體溫度場模擬中使用最廣泛的熱源模型，是最能反映實際情況的一種熱源。它主要有兩個要素：第一，熱源在分布區(qū)域上的能量；第二，熱源在分布區(qū)域的半徑，在這里即為放電通道半徑。高斯熱源的數(shù)學表達式 [19]為q(r)=qm exp(k ) (31)(2tRr式中 q(r)——半徑 r 處的熱流密度(W/m 2)；qm——最大熱流密度 (W/m2)；k——熱源集中系數(shù)；R(t)——t 時刻放電通道半徑(m)。由于放電時能量比較集中，放電面積很小，高斯分布曲線在無限遠處趨近于零，在放電通道中認為當 q(r) 時，可以忽略不計。由此可以得到式(32)：q[R(t)]= (32) 當 r=R(t)時，由式 (32)可得q[R(t)]=qm exp(k) (33)通過式(32)，式(33)，可以求得能量集中系數(shù) kk=－=3 (34)設高斯熱源在分布區(qū)域上的總功率輸入為 Q，放電電壓為 U，峰值電流為 I，能量分配系數(shù)為 η，則最大的熱流密度 qm[20]可解 (35)ms qktRrdtkdrQ)()(exp)(2202??? ???????ηUItRQtkqm)(3)(22 (36))(exp)((22trItr???式中 η——能量分配系數(shù)；U——放電電壓(V)；I——峰值電流(A)。對放電通道半徑內(nèi)的能量密度采用通道內(nèi)中心密度與半徑邊緣處密度之和的一半,即 （37 ）????)0.(3RUIUIRqm????其中，R 為等值的放電通道通道半徑。 熱邊界條件和初始條件為了得到每一節(jié)點熱平衡方程的唯一解，需給出一定的邊界條件和初始條件。圖31所示為模型的熱邊界條件。放電通道傳遞給工件的能量以熱能形式進行，所以上表面F 1以放電通道形位半徑為界線，半徑以內(nèi)施加熱源，半徑外以對流換熱的方式考慮能量損耗 [21]。電極的側表面F 2和下表面F 3不發(fā)生熱量傳遞，均為絕緣。F 4為對稱邊界，亦為絕緣。這樣就確定了模型的熱邊界條件。在F 2，F(xiàn) 3，F(xiàn) 4上， (38)0??nT當 t=0 時，兩極具有均勻的初始溫度，T=T 0=25℃。本文中假設放電通道半徑內(nèi)的能量密度分布是等值的，在放電通道半徑外，為對流換熱密度具體計算式為 （39 ）???2RUI具體模型邊界條件如圖 32：圖 32 模型的熱邊界條件 放電通道半徑在微細電火花加工的傳熱過程研究中，我們需要知道放電通道半徑的大小，也就是熱源在材料表面加載半徑的大小。實際上，放電通道半徑并非一個常值，而是隨放電時間的持續(xù)而發(fā)生變化 [22]。當峰值電流不變時，放電通道的半