【正文】 產(chǎn)生的，它的形成在很大程度上依賴于電流的趨膚效應(yīng)，因此它只有在電流急劇變化時(shí)才可能產(chǎn)生大量的焦?fàn)枱?；如果放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，放電電流的變化率較小，產(chǎn)生的焦?fàn)枱崾怯邢薜?[17]。 微細(xì)電火花加工溫度場(chǎng)分析 微細(xì)電火花加工模型假設(shè) 微細(xì)電火花加工的加工過(guò)程具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，但它遵循電火花加工和熱力學(xué)的基本規(guī)律，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)該熱模型作如下假設(shè)： （ 1） 一個(gè)脈沖放電只存在一個(gè)放電通道； （ 2） 熱傳導(dǎo)模型為軸向?qū)ΨQ； （ 3） 電極材料為各向同性的均勻物質(zhì)； （ 4） 不考慮材料的去除問(wèn)題； （ 5） 熱傳導(dǎo)過(guò)程的輻射熱損失轉(zhuǎn)換成對(duì)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。通過(guò)對(duì)微細(xì)電火花加工放電過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究有很多好處，如預(yù)測(cè)工藝參數(shù)，比較清晰的看出能量，熱量的分布特點(diǎn)，并且這對(duì)于研究工件表面加工質(zhì)量也有很大的意義 [16]。 微細(xì)電火花加工本質(zhì)上屬于電火花加工，主要是一個(gè)熱過(guò)程。只要通過(guò)少量驗(yàn)證試驗(yàn)，證明數(shù)值方法在處理某一問(wèn)題上的適用性，那么大量的篩選工作便可在計(jì)算機(jī)上完成。通過(guò)這章，可以更深入的了解 微細(xì)電火花加工的基本理論和特點(diǎn)，也為對(duì)微細(xì)電火花加工進(jìn)行下一步分析和研究奠定理論基礎(chǔ)。在微細(xì)電火花加工過(guò)程中存在極性效應(yīng)，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。微細(xì)電火花加工的 微觀過(guò)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(zhì)的消電離。 也就是說(shuō)， MEDM 在微細(xì)程度、加工精度、加工對(duì)象的材質(zhì)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(diǎn)和優(yōu)越性。 （ 2）能加工硬度高，韌性大的材料。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(fù)極。所以， MEDM 所設(shè)定的脈寬要比一般電火花加工短很多。如果脈寬固定不變，就不可能使電流值減少到最低程度。 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。 由于加工尺寸極小，加工表面更加致密，所以， MEDM 的關(guān)健問(wèn)題之一便是如何設(shè)定加工尺寸更小的放電條件。這是因?yàn)樾螤顝?fù)雜的微小電極本身就極難制作，而且由于加工過(guò)程中嚴(yán)重的電極損耗現(xiàn)象，使成形電極的形狀很快改變而無(wú)法進(jìn)行高精度的三維曲面加工。微細(xì)電火花加工的原理與普通電火花加工并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，不同之處在于其自身的工藝特點(diǎn)。 微細(xì)電火花加工技術(shù)的特點(diǎn) 在各種不同的電火花加工應(yīng)用中，通常把尺寸特別小的加工稱作微細(xì)電火花加工。在較長(zhǎng)脈沖條件下放電時(shí)，會(huì)隨加工時(shí)間的增加在正極表面形成碳保護(hù)膜，而保護(hù)膜對(duì)正極的保護(hù)作用也會(huì)不斷增強(qiáng)，這會(huì)嚴(yán)重減弱電子轟擊對(duì)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(fù)增長(zhǎng)；與此同時(shí)，負(fù)極的蝕除量卻始終按放電次數(shù)的增加成比例增加，結(jié)果導(dǎo)致負(fù)極的蝕除量大于正極的蝕除量，所以此時(shí)要采用負(fù)極性加工 [11]。 但在煤油介質(zhì)中進(jìn)行微細(xì)電火花加工，必須充分考慮碳保護(hù)膜對(duì)正極的保護(hù)作用會(huì)對(duì)工具電極和 工件的蝕除量的變化產(chǎn)生很大的影響。由于電子質(zhì)量小、加速度大，很容易獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度，并通過(guò)碰撞傳遞能量給陽(yáng)極；相比之下，正離子質(zhì)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(duì)陰極表面的傳能作用很小。當(dāng)電極和工件的材料不同時(shí)，這種差異會(huì)更加明顯。 本文在溫度場(chǎng)模擬中也考慮在氣體和液體介質(zhì)中兩種不同的情況，對(duì)兩種情況都進(jìn)行了分析和研究。同時(shí)，在 氣體介質(zhì)中熔融金屬的冷卻速度比在液體介質(zhì)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，在煤油中加工時(shí)，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。因此，如果進(jìn)行工件去除加工，采用液體介質(zhì)作為工作液是相對(duì)來(lái)說(shuō)是非常合適的。碳膠粒在電場(chǎng)的作用下會(huì)向正極移動(dòng)，并吸附在正極表面，進(jìn)而在正極表面生成一層碳黑膜。一般來(lái)說(shuō)微細(xì)電火花加工用煤油作為工作液，在放電過(guò)程中將發(fā)生熱分解，而產(chǎn)生大量的碳，還能和金屬結(jié)合形成金屬碳化物的顆粒，即膠團(tuán) [7]。工作液密度和粘度 較大，壓縮放電通道的能力強(qiáng)，產(chǎn)生較大的爆炸力，強(qiáng)化電蝕產(chǎn)物的拋出效應(yīng)。一方面，火花放電以及電腐蝕過(guò)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(zhì)的汽化物）亦可以促進(jìn)上述過(guò)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(guò)濾，加工中采用的沖、抽油措施等等 。 脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時(shí)排放至放電間隙之外，使重復(fù)性放電順利進(jìn)行。 這里包含兩個(gè)方面的意義：其一，時(shí)間上相鄰的兩個(gè)脈沖不在同一點(diǎn)上形成通道；其二，若在一定時(shí)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(shí) 間內(nèi)，脈沖放電應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。 由于放電時(shí)間短，使放電時(shí)產(chǎn)生的熱能來(lái)不及在被加工材料內(nèi)部擴(kuò)散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)。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。 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。 在進(jìn)行微細(xì)電火花加工時(shí)，兩極間一般采用液體介質(zhì)；進(jìn)行沉積加工時(shí)，采用氣體介質(zhì)效果更好。若兩電極距離過(guò)大，則脈沖電壓不能擊穿介質(zhì)、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極距離過(guò)短，則會(huì)造成短路，在兩電極間沒(méi)有脈沖能量消耗，也不可能實(shí)現(xiàn)電腐蝕加工。 微細(xì)電火花加工 的實(shí)現(xiàn)條件 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 11 實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工，應(yīng)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。因此為了保證微細(xì)電火花加工過(guò)程的正常進(jìn)行，在兩次放電之間必須有足夠的時(shí)間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排除，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作介質(zhì)消電離。 （ 4） 極間介質(zhì)的消電離。通道中心的壓力最高，金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸汽被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作介質(zhì)中。 （ 3） 電極材料的拋出。通道高溫高壓，形成了爆炸膨脹的特性。 工作介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負(fù)電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負(fù)極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。在放電的同時(shí)還伴隨著光效應(yīng)和聲效應(yīng)，這就形成了肉眼所能看到的電火花。 放電通道是由大量帶正電和負(fù)電的粒子以及中性粒子組成， 帶電粒子高速運(yùn)動(dòng)，相互碰撞，產(chǎn)生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達(dá)到 10000 攝氏度以上。 1自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置 2工具 3工作液 4工件 5工作液泵 6脈沖電源 圖 21 微細(xì)電火花加工裝置示意圖 。 重復(fù)上述過(guò)程，雖然脈沖放電蝕除的工件材料量極少，但因每秒有成千上萬(wàn)次脈沖放電作用，就能蝕除較多的工件材料，完成微細(xì)電火花加工。這些氣化后的金屬蒸汽瞬時(shí)間體積猛增，快速熱膨脹，導(dǎo)致氣壓升高，產(chǎn)生很大的熱爆炸力，使熔融態(tài)的電極材料被排擠、拋出而進(jìn)入工作介質(zhì)中。在這種時(shí)間和空間高度集中的情況下，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(yáng)極運(yùn)動(dòng)并發(fā)生劇烈碰撞，動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，在工件表面形成熱源。在放電通道非常小的空間內(nèi)將瞬時(shí)流過(guò)放 電電流， 電流密度極大，可達(dá) 104~107 A/cm2。工具電極在伺服機(jī)構(gòu)的控制下向工件進(jìn)給，當(dāng)極間 的 間隙減小到一定值時(shí)，導(dǎo)致介質(zhì)在相對(duì)最小間隙處或絕緣強(qiáng)度最低處電離擊穿，形成放電通道，在該局部產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖火花放電。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 9 第 2 章 微細(xì)電火花 加工的相關(guān)原理 微細(xì)電火花加工的基本原理 工具電極和工件分別接在脈沖電源的兩極，兩極之間有一定的間隙，間隙充滿工作介質(zhì)。 （ 3）通過(guò)對(duì)比氣體和液體介質(zhì)中，不同極性，不同材料的溫度場(chǎng)變化，分析和揭示 微細(xì)電火花加工過(guò)程中工具電極和工件 溫度場(chǎng)變化規(guī)律及特性。本課題將就微 細(xì)電火花加工技術(shù)的以下問(wèn)題進(jìn)行研究： （ 1） 以傳統(tǒng)電火花加工理論為基礎(chǔ)，從電火花加工中影響材料放電蝕除的主要因素入手，分析微細(xì)電火花加工的機(jī)理 和特點(diǎn) 。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 微細(xì)電火花加工是從傳統(tǒng)電火花加工中演變出來(lái)的一種新的加工方法，雖然機(jī)理方面和傳統(tǒng)的電火花加工并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，但其能加工微細(xì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)還是與電火花加工有著很多的區(qū)別的。沉積柱直徑 ，高 ，加工時(shí)間 180min，加工過(guò)程中火花微弱，沉積增長(zhǎng)緩慢但十分穩(wěn)定，沉積效果良好。如圖 17 所示為 氣中微細(xì)電火花沉積加工實(shí)例。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了三組工藝參數(shù) (見(jiàn)表 11)。 圖 16 氣中微細(xì)電火花沉積的工藝參數(shù)范圍圖 最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì) 模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn) 選擇在普通電火花成形機(jī)床 DP30 上進(jìn)行。 國(guó)內(nèi)也有研究人員曾用有限元仿真方法模擬氣中微細(xì)電火花沉積加工 [5]的工具電極和工件 的單脈沖溫度場(chǎng)，如圖 15所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。 圖 14 電火花加工的溫度場(chǎng)分析 [14] a)電火花加工 有限元模型 b)溫度模擬結(jié)果 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 6 J． Marafona[4]利用有限元法模擬了放電加工的電熱過(guò)程，模型正極為銅，負(fù)極為鋼，放電通道抽象為均勻的圓柱體，使用定半徑的表面熱源，并對(duì)放電后電極和工件的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析（見(jiàn)圖 14）。 B． Revaz， Anjali V． Kulkarni， Yadava Vinod， J． Marafona等分別開(kāi)展了這方面的研究工作。使用高分辨率的測(cè)溫儀雖然可以采集溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，但是費(fèi)用昂貴，而且采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響；應(yīng)用有限差分法研究溫度場(chǎng)雖有精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但不適用于復(fù)雜的邊界條件。 自上個(gè)世紀(jì) 80 年代以來(lái)，有限元方法就被國(guó)內(nèi)外的很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者應(yīng)用到了電火花加工的研究當(dāng)中，并在溫度場(chǎng)等方面的研究取得了顯著的進(jìn)展。 有限元法仿真在電火花加工中的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使仿真技術(shù)在工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其中數(shù)值模擬方法，特別是有限元方法，作為一種先進(jìn)的科學(xué)手段，具有物理意義明確和易于考慮邊界條件等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行電火花加工機(jī)理研究的有效途徑。利用非燃性工作液或在青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 5 工作液中加入添加劑的 微細(xì) 電火花成形加工機(jī)可成倍提高加工速度。 個(gè)性化 隨著生產(chǎn)的需要，各行各業(yè)出現(xiàn)了許多特殊的零件與結(jié)構(gòu)，與之對(duì)應(yīng)，為了適應(yīng)零件多品種、小批量的特點(diǎn)， 微細(xì) 電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能也呈現(xiàn)個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)。用模糊控制理論可以起到替代一個(gè)熟練操作人員的作用。 圖 13 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)確定 工 藝參數(shù)的流程圖 （ 3）模糊控制技術(shù)的應(yīng)用。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自學(xué)習(xí)、容錯(cuò)性和并行處理信息的能力，可以提高對(duì)放電狀態(tài)、加工效率、放電位置等的預(yù)測(cè)精度，提高在線實(shí)時(shí)控制效果，推動(dòng) 微細(xì) 電火花成形加上過(guò)程控制向更高層次發(fā)展。 國(guó)外 微細(xì) 電火花成形機(jī)床在專家系統(tǒng)方而有了新的進(jìn)展，加工時(shí)可自動(dòng)選取最優(yōu)參 數(shù)，自動(dòng)監(jiān)控加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化最優(yōu)控制。為此， 微細(xì) 電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)研究和應(yīng)用以下技術(shù)。 圖 11 Φ5μm的微細(xì)孔和 德國(guó)卡爾斯魯厄 (karlsruhe)大學(xué)和日本東京大學(xué) [2]利用線電極電火花磨削（ WEDG)技術(shù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了硬質(zhì)合金微型銑刀的加工技術(shù)，并利用該銑刀進(jìn)行了銑削加工試驗(yàn) (圖12)。微細(xì)電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標(biāo)之一。也就是說(shuō)，在工藝領(lǐng)域我們具有相對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如果投入一定的技術(shù)力量認(rèn)真研究，我國(guó)微細(xì)電火花成形加工技術(shù)將會(huì)有更大的進(jìn)展和突破。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 3 微細(xì)電火花加工技術(shù)具有電極制作簡(jiǎn)單、電極與工件間宏觀作用力小、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，微細(xì)電火花加工技術(shù)已成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，在精密機(jī)械加工、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、光學(xué)、通訊、模具等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 從總體來(lái)說(shuō)，微細(xì)電火花加工技術(shù)在國(guó)際和國(guó)內(nèi)都取得了較大進(jìn)展，日本已到了實(shí)用化的階段?？梢哉J(rèn)為，今后在模具尺寸上會(huì)提出更加微細(xì)化的需求，因此，有必要以沖壓模、壓鑄模、精密鑄造模等模具為中心，按照 100μm 以下的尺寸加工要求來(lái)進(jìn)行應(yīng)用研究。 （ 3）微小模具加工。特別是當(dāng)與 WEDG 方法相結(jié)合時(shí)，能加工出拐角銳利的 3 維微細(xì)型腔。 利用微細(xì)電火花線切割能很容易地加工出 維形狀的工件，但是在其拐角處會(huì)帶有超出線電極半徑的圓??； 3 維型腔加工困難更大。 利用微細(xì)電極，日本已能較容易地加工出圓、方、三角形以及各種剖面形狀的微細(xì)孔。此外，只要加工裝置的行程允許，能制成很長(zhǎng)的棒形件。 利用微細(xì)電火花加工方法可制成直徑為 Φ5μm 左右的微細(xì)軸及單邊為 10μm 左右的異形銷等工件。但是，在進(jìn)行微細(xì)尺寸加工青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 2 時(shí)，例如像切削微細(xì)軸這類工件用一般切削方法就會(huì)因受切削力等方面的影響而引起彎曲，此時(shí) MEDM 便能起 重要作用。 電火花加工的成形加工是以孔 、 溝槽 、 型腔等凹形工件為主體的一種加工方法。相對(duì)于微電子機(jī)械技術(shù)而言，微細(xì)電火花加工具有設(shè)備造價(jià)低廉，加工精度高且適應(yīng)性廣，并可加工出