【正文】 況，促進(jìn)了對(duì)微細(xì)電火花加工機(jī)理的理解。摘 要微細(xì)電火花加工是電力、磁力、熱力、流體動(dòng)力、電化學(xué)等綜合作用的過(guò)程，但其本質(zhì)是熱過(guò)程，其中熱力在微細(xì)電火花加工過(guò)程中起了決定性的作用。因此，研究微細(xì)電火花加工中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律是十分必要的。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，模擬微細(xì)電火花加工中工具電極和工件材料溫度場(chǎng)對(duì)于改進(jìn)其加工方法，預(yù)測(cè)工藝參數(shù)，提高加工零件表面質(zhì)量等方面也具有很重要的意義。而微細(xì)電火花加工方法由于具有在加工過(guò)程中對(duì)工件的宏觀作用力小，加工精度高，能加工微三維結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在微細(xì)加工中具有重要的作用。在微細(xì)電火花加工過(guò)程中，對(duì)工件的蝕除作用力雖然很多很復(fù)雜，但熱力起了最主要的作用。 微細(xì)電火花加工的研究現(xiàn)狀及成果現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有兩大趨勢(shì)，一個(gè)是向著自動(dòng)化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展，即現(xiàn)代制造系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)；另一個(gè)就是尋求現(xiàn)有制造技術(shù)的自身微細(xì)加工極限。由于微細(xì)電火花加工（MicroEDM，以下簡(jiǎn)稱為 MEDM)擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以能制成各種極微細(xì)的高硬度（金剛石燒結(jié)體，硬質(zhì)合金等）工具、模具及復(fù)雜形狀的三維工件。因此，微細(xì)電火花加工技術(shù)將會(huì)成為微細(xì)三維結(jié)構(gòu)模具型腔制作的主流技術(shù)之一。在多數(shù)情況下用其他加工方法，如銑削﹑車削﹑磨削等加工方法也能使工件較容易地加工出來(lái)，所以電火花加工所起的作用便不是唯一的。微細(xì)電火花加工一般應(yīng)用于以下加工：（1）微細(xì)軸、銷、棒類的加工。如果用 CNC 控制線電極的導(dǎo)向器位置，還能加工出帶有錐度﹑斜面及螺旋面等復(fù)雜形狀的凸形工件。（2）微小孔、 維形狀、3 維形狀加工。目前其應(yīng)用范圍是：圓孔直徑為 Φ5μm 左右；方孔單邊為 10μm 左右；可加工材料為金屬、合金、導(dǎo)電性陶瓷等；在加工深度上，可以加工出微孔深度超過(guò)直徑 2倍或在直徑超過(guò) Φ50μm 的情形下加工出孔深達(dá)到直徑 5 倍的深孔。但是最近研制成功的利用簡(jiǎn)單的棒狀電極，邊借助于 CNC 掃描、邊進(jìn)行加工的方法已使 3 維型腔加工成為可能。因此人們可以以此作為制造微細(xì)模具的有力手段。模具制造已成為電火花加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域，而隨著一部分模具的微細(xì)化，MEDM 的應(yīng)用是必然趨勢(shì)。以往與微細(xì)加工相關(guān)的，多數(shù)為孔或狹縫加工，而現(xiàn)在已擴(kuò)大到加工 3 維形狀的型腔及凸形零件，同時(shí)還能直接用于加工微細(xì)凸透鏡及表面裝飾用鑄模、壓印模等模具。我國(guó)目前的微細(xì)電火花加工技術(shù)和用于該技術(shù)的微小驅(qū)動(dòng)裝置也已經(jīng)取得了階段性的突破和成果，用微細(xì)電火花加工技術(shù)已經(jīng)能制作 Φ15μm 的微細(xì)軸和Φ19μm 的微小孔，接近國(guó)際先進(jìn)水平。結(jié)合我國(guó)微細(xì)電火花成形加工技術(shù)的實(shí)際情況，比如在電火花成形加工工藝技術(shù)方面，我們有不少能工巧匠，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中積累了豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)，加工出許多具有國(guó)際領(lǐng)先水平的工件?，F(xiàn)在，國(guó)際上微細(xì)電火花加工技術(shù)發(fā)展主要有幾個(gè)趨勢(shì)，在某種程度上來(lái)說(shuō)，這也是它的發(fā)展特點(diǎn)：精密微細(xì)化微細(xì)加工在近代加工技術(shù)中是一個(gè)新的加工領(lǐng)域。圖 11 是日本東京生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授 [1]加工出的 Φ5um 的微細(xì)孔和 的微細(xì)軸，代表了當(dāng)前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。圖 12 硬質(zhì)合金微型銑刀及其加工形狀智能化雖然智能控制系統(tǒng)在微細(xì)電火花成形加工中得到了大量應(yīng)用，但仍有許多不完善之處，需解決一些問(wèn)題。具體為：（1）專家系統(tǒng)的應(yīng)用。（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。圖 13 是機(jī)床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)確定工藝參數(shù)的流程圖。目前，國(guó)外電火花成形機(jī)幾乎都應(yīng)用了模糊控制(FC)技術(shù)。即對(duì)檢測(cè)到的間隙放電狀態(tài)進(jìn)行模糊推理，以識(shí)別加工是否高效、穩(wěn)定，由此確定下階段新的加工參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的最優(yōu)化。高效化近年來(lái)在提高微細(xì)電火花成型加工效率方面有了新突破。新型電源和機(jī)器人技術(shù)也已應(yīng)用到了微細(xì)電火花加工機(jī)床中，使微細(xì)電火花線切割機(jī)床的加工速度和其他性能有了大幅度提高。在工程中，許多問(wèn)題都可以歸結(jié)為解某一個(gè)特定的微分方程組，但由于實(shí)際問(wèn)題多種多樣，邊界條件十分復(fù)雜，有限元方法就是把無(wú)法用理論方法精確求解的復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)一定的方法轉(zhuǎn)換為可計(jì)算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計(jì)算機(jī)對(duì)原問(wèn)題進(jìn)行近似求解的一種工程計(jì)算方法。微細(xì)電火花加工溫度場(chǎng)的研究工作受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。而有限元法克服了這一缺點(diǎn)。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué) [3]和廣東工業(yè)大學(xué)也相繼開(kāi)展了這方面的研究工作。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較后，基本上反映了單脈沖電火花加工的實(shí)際溫度場(chǎng)分布情況。圖15 單脈沖瞬態(tài)溫度場(chǎng)，工具電極放電中心的溫度隨時(shí)間變化曲線，并用此曲線預(yù)測(cè)工藝參數(shù)劃分了范圍，并把圖16陰影區(qū)域作為工藝參數(shù)的選擇區(qū)。加工介質(zhì)為空氣，電極材料為黃銅， ，接正極；工件為普通高速鋼，接?負(fù)極。表 11 沉積黃銅選用的工藝參數(shù)工藝參數(shù) 1 工藝參數(shù) 2 工藝參數(shù) 3峰值電流 I/A 脈沖寬度 ti/μs 4 8 8脈沖間隔 to/μs 30 120 120使用這三組工藝參數(shù)進(jìn)行加工，均有沉積物生成。其中峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。由此，驗(yàn)證了氣中微細(xì)電火花沉積溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析對(duì)預(yù)測(cè)其工藝參數(shù)適用。因此，我將以微細(xì)電火花加工為研究對(duì)象，研究其溫度場(chǎng)方面的一些相關(guān)內(nèi)容。（2）建立微細(xì)電火花加工的熱源模型，用 MARC 軟件模擬微細(xì)電火花加工過(guò)程中工具電極和工件溫度場(chǎng)變化。（4）分析模擬工具電極和工件溫度場(chǎng)變化對(duì)于研究微細(xì)電火花加工的重要作用和意義。當(dāng)兩極間加上脈沖電壓時(shí)，由于工具電極與工件表面微觀不平，使極間電場(chǎng)分布不均勻。由于受到放電時(shí)磁場(chǎng)力箍縮效應(yīng)和周圍工作介質(zhì)壓縮效應(yīng)的作用，通道瞬間擴(kuò)展受到限制，使放電能量集中于很小的范圍內(nèi)。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。由于這一加熱過(guò)程一般只有 107~104s，所以 使電極材料迅速熔化、氣化。在脈沖間隔期間，兩電極間消電離，工作介質(zhì)恢復(fù)絕緣狀態(tài)。圖 21 為微細(xì)電火花加工裝置示意圖 [6]。 微細(xì)電火花加工的微觀過(guò)程微細(xì)電火花加工過(guò)程大致分為以下幾個(gè)階段：（1）極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。由于放電開(kāi)始階段通道截面很小，而通道內(nèi)由于高溫?zé)崤蛎浶纬傻膲毫Ω哌_(dá)幾萬(wàn)帕，高溫高壓的放電通道急速擴(kuò)展，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。（2）電極材料的融化，汽化熱膨脹。高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面的金屬材料開(kāi)始熔化直至沸騰氣化。所以在觀察微細(xì)電火花加工時(shí)，可以看到工件與工具電極間有冒煙現(xiàn)象并聽(tīng)到輕微的爆炸聲。正負(fù)電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。加工中看到的桔紅色火花就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。在微細(xì)電火花放電加工過(guò)程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物如果來(lái)不及排除和擴(kuò)散，那么產(chǎn)生的熱量將不能及時(shí)傳出，使該處介質(zhì)局部過(guò)熱，局部過(guò)熱的工作液高溫分解，結(jié)碳，使加工無(wú)法進(jìn)行，并燒壞電極。實(shí)際上，微細(xì)電火花加工的過(guò)程遠(yuǎn)比上述復(fù)雜，它是電力、磁力、熱力、流體動(dòng)力、電化學(xué)和膠體化學(xué)等綜合作用的過(guò)程，但其本質(zhì)是熱過(guò)程 [6]。在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可以適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。兩電極之間必須充入介質(zhì)。輸送到兩電極間的脈沖能量密度應(yīng)足夠大。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(gè)腐蝕痕（凹坑） ，實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工。放電必須是短時(shí)間的脈沖放電。脈沖放電需重復(fù)多次進(jìn)行，并且多次脈沖放電在時(shí)間上和空間上是分散的。只有如此，才能避免發(fā)生電弧和局部燒傷。在微細(xì)電火花加工過(guò)程中中，上述過(guò)程通過(guò)兩個(gè)途徑完成。 微細(xì)電火花加工的工作介質(zhì)選擇微細(xì)電火花加工通常在液體介質(zhì)中進(jìn)行。工作液的氣化、膨脹部分的去除效果，會(huì)對(duì)熔化并要轉(zhuǎn)移到工件表面的電極材料有很強(qiáng)的沖刷作用，這對(duì)去除加工十分有利。中性的膠團(tuán)在電場(chǎng)作用下可能與其可動(dòng)層脫離，而成為帶負(fù)電的碳膠粒。該層黑膜可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這對(duì)傳統(tǒng)的去除加工是十分有利的。如果要進(jìn)行沉積加工，則最好不要選擇煤油作為工作液，因?yàn)樵诿河椭屑庸さ臅r(shí)候，由于工作液氣化、膨脹部分的去除效果會(huì)對(duì)熔化并要轉(zhuǎn)移到工件表面的電極材料有很強(qiáng)的沖刷作用會(huì)阻礙沉積層的形成 [8]。據(jù)研究表明，在氣體中進(jìn)行放電沉積加工比較理想，因?yàn)樵跉怏w介質(zhì)中加工對(duì)沉積材料的沖擊較弱，只有少部分碎屑飛出，對(duì)沉積物的形成十分有利。另外，氣體中進(jìn)行放電加工時(shí)，放電間隙內(nèi)部不存在液體加工時(shí)的加工屑漂浮現(xiàn)象，放電結(jié)束后可以迅速恢復(fù)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(jìn)行 [9]。 微細(xì)電火花加工過(guò)程中的極性效應(yīng)在微細(xì)電火花加工中存在極性效應(yīng)，所謂極性效應(yīng) [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。在微細(xì)電火花放電通道中，電子和正離子受電場(chǎng)力的作用分別向陽(yáng)極和陰極移動(dòng)。所以單純從帶電粒子對(duì)電極蝕除的影響角度考慮，在微細(xì)電火花加工中應(yīng)采用工具電極接負(fù)極的正極性加工。在短脈沖放電條件時(shí)，碳保護(hù)膜難以形成，所以不必考慮其保護(hù)作用對(duì)電極蝕除量的影響。在氣體介質(zhì)中加工時(shí)，則不存在炭黑膜的影響，對(duì)加工方式的選擇主要考慮極性效應(yīng)即可。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無(wú)明確的規(guī)定 [12]。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(jìn)行微細(xì)三維輪廓加工顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，人們開(kāi)始探索使用簡(jiǎn)單形狀的電極，借鑒數(shù)控銑削的方法進(jìn)行微細(xì)三維輪廓的電火花加工 [13]。目前，MEDM 應(yīng)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]。電火花加工是在大氣壓力條件下進(jìn)行的過(guò)渡性電弧放電。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(guò)減小脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)微小能量的簡(jiǎn)便放電方法。在這種極短脈沖的放電過(guò)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(zhuǎn)換為熱，最終產(chǎn)生在陽(yáng)極上。在使用工具的加工方法中 MEDM 具有以下的特點(diǎn)：（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(xì)、薄的工件，不會(huì)因工具的彈性變形而使精度受到影響。（3）工具的旋轉(zhuǎn)不再是絕對(duì)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。 本章小結(jié)本章研究了了微細(xì)電火花加工的基本原理，其本質(zhì)是個(gè)熱過(guò)程。在微細(xì)電火花加工中，選擇不同的工作介質(zhì)適合不同的加工，選擇液體工作介質(zhì)更適合于去除加工，而選擇氣體工作介質(zhì)更適合于沉積加工。最后分析了微細(xì)電火花加工技術(shù)的特點(diǎn)，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(diǎn)。第 3 章 單脈沖條件下微細(xì)電火花加工的溫度場(chǎng)仿真分析隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬技術(shù)的地位和作用越來(lái)越重要。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，這種方法更省時(shí)。放電通道中生成的大量熱能使材料熔化、氣化和拋出。本章通過(guò)建立微細(xì)電火花加工的熱源模型，利用 MARC 軟件，對(duì)單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。 熱源模型根據(jù)熱源形成的機(jī)理不同，電極上的熱源可以分為體積熱源與表面熱源兩種。因此，一般在放電初期或加工不良導(dǎo)體時(shí)，它的作用才較明顯。因而在微細(xì)電火花加工中，熱源形式將以表面熱源為主。研究表明瞬時(shí)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。它主要有兩個(gè)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。由于放電時(shí)能量比較集中，放電面積很小，高斯分布曲線在無(wú)限遠(yuǎn)處趨近于零，在放電通道中認(rèn)為當(dāng) q(r) 時(shí)，可以忽略不計(jì)。對(duì)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。圖31所示為模型的熱邊界條件。電極的側(cè)表面F 2和下表面F 3不發(fā)生熱量傳遞，均為絕緣。這樣就確定了模型的熱邊界條件。本文中假設(shè)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(duì)流換熱密度具體計(jì)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(xì)電火花加工的傳熱過(guò)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。當(dāng)峰值電流不變時(shí)，放電通道的半徑在放電的初期隨著放電的持續(xù)不斷地?cái)U(kuò)大，但等離子放電通道的振動(dòng)強(qiáng)度受到峰值電流的限制，到一定的時(shí)間后可以認(rèn)為半徑趨于穩(wěn)定，變化量很小。 極間放電能量的分配關(guān)于極間放電能量的分配各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究，但目前為止還沒(méi)有很精確的公式可以應(yīng)用。P．T．Eubank，M．R ．Patel經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)大概26%的能量分配在放電的兩極 [23]。日本學(xué)者夏恒通過(guò)對(duì)能量在兩極分配比例的研究認(rèn)為：無(wú)論脈沖寬度如何變化，工具陽(yáng)極獲得的能量總要比工件陰極大得多，其比例分別為40% 和25%左右 [25]。綜合上述各位學(xué)者的研究成果，本文仿真中電極材料為黃銅，工件材料為普通高速鋼，在氣體介質(zhì)中采用能量分配系數(shù)分別為 50%和 20%，在液體介質(zhì)中采用能量分配系數(shù)分別為 45%和 18%。 MARC 軟件簡(jiǎn)介及特點(diǎn)作為國(guó)際上第一個(gè)通用非線性商用有限元軟件，MSC．Marc 軟件從 20 世紀(jì)