超聲輔助電火花加工電介質(zhì)擊穿電壓研究*

常偉杰 張建華 朱 濤 王 濤

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250061)

復(fù)合加工技術(shù)綜合多種加工方法，利用多種能量形式的綜合作用實(shí)現(xiàn)對工件材料的加工，其中包括傳統(tǒng)加工與特種加工的復(fù)合、特種加工與特種加工的復(fù)合等。超聲振動(dòng)輔助電火花放電加工技術(shù)是近年來研究發(fā)展的新型電火花加工技術(shù)之一，在工具電極上施加超聲振動(dòng)，參數(shù)選擇合理不僅可以提高加工效率，而且可以降低電極損耗，是21世紀(jì)有可能取得突破的綠色加工技術(shù)之一［1－3］。

1989 年，法國的 D.Kremer，J.L.Lebrun，B.Hosari和A.Mosisan系統(tǒng)地研究了超聲振動(dòng)對電火花加工性能的影響［4－5］。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)提高了加工速度，粗加工提高10%，精加工提高400%，并使加工過程更穩(wěn)定。筆者把超聲振動(dòng)引入到電火花放電加工過程中，取得了良好的效果［6］。在電火花放電加工中引入超聲振動(dòng)，可以改善電火花放電的間隙狀態(tài)，增加火花放電，減少電弧放電，減少電極在加工過程中的抬刀次數(shù)，提高電火花放電加工的加工效率。

超聲振動(dòng)在復(fù)合加工過程中的作用機(jī)理主要包括［7］:超聲振動(dòng)可以改善電火花放電加工的間隙狀態(tài)，減少短路與電弧放電;影響放電通道的形成;超聲空化作用、攪拌破碎作用促進(jìn)電蝕材料的拋出，提高加工速度。此外，超聲振動(dòng)還可以降低電介質(zhì)的擊穿電壓，本文將對此進(jìn)行深入的研究。

1 理論推導(dǎo)

1.1 極間電容計(jì)算

如圖1a所示，假設(shè)工具電極與工件組成一對平行板電容器，其極板面積為S，極板間距為放電間距d，其間為真空，當(dāng)給兩極接通電壓為UV的電源時(shí)，電容器將充電至UV。假設(shè)充電之后極板上帶有的電荷量為Q0，則定義該電容器的電容量為:

式中:C0為電容量，F(xiàn);Q0為電荷量，C;U為極板間的電位差，即極間電壓，V。

當(dāng)極板間充滿電介質(zhì)(如煤油)之后(如圖1b所示)，

式中:C為充有電介質(zhì)的平行板電容器的電容，F(xiàn);S為兩極板的正對面積，cm2;σ為充有電介質(zhì)的平行板電容器極板上的電荷密度，C/cm2;σ0為極間為真空的平行板電容器極板上的電荷密度，C/cm2;σ'為束縛電荷密度，C/cm2;εr為電介質(zhì)的相對介電系數(shù)。

平行板電容器的電容值C與兩極板正對面積S成正比，與兩極板間距離d成反比，與極間電介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。

兩極板間場強(qiáng)公式為

式中:E為板間場強(qiáng)，V/cm。

超聲振動(dòng)振幅的變化規(guī)律為

式中:A為振幅，μm。

工具電極施加軸向超聲振動(dòng)之后，極間距d的變化規(guī)律為

電容值的變化規(guī)律為

電容的變化范圍為(εrS/(4πk(d+A))，εrS/(4πk(d－A)))。當(dāng)極間距達(dá)到最大時(shí)，電容值達(dá)到最小，根據(jù)式(1)可得極板上的電量變化規(guī)律為

當(dāng)板間距最大時(shí)，極板上的電量值為

當(dāng)板間距達(dá)到最小時(shí)，極板上的電量值為

假設(shè)極間電壓U不變，放電間距為10 μm，超聲振幅為 5 μm，則Q2=3Q1。

極間電場的變化規(guī)律為

極間電場的變化區(qū)間為(U/(d+A)，U/(d－A))。

1.2 擊穿電壓計(jì)算

在電火花放電加工過程中，由于煤油的裂解會(huì)產(chǎn)生大量的碳粒，放電時(shí)金屬濺射出的微粒也分布在煤油中，導(dǎo)致煤油里混合了大量的碳粒和金屬微粒。煤油中混入碳粒與金屬微粒會(huì)導(dǎo)致電場的畸變，使均勻的電場變得不再均勻(如圖2所示)。

疊加之后的電場［8］為

式中:EM為加工介質(zhì)的臨界場強(qiáng)，V/cm;E0為均勻電場場強(qiáng)，V/cm;ε1為加工介質(zhì)的相對介電系數(shù);ε2為混入介質(zhì)的相對介電系數(shù)。

煤油中混有碳粒或金屬微粒時(shí)，由于碳粒和金屬微粒都是導(dǎo)體，在靜電場中的計(jì)算可以認(rèn)為它們的介電系數(shù)無窮大，即ε2=∞。煤油的相對介電系數(shù)為2.3。由式(8)可得

極間介質(zhì)的耐壓變?yōu)?/p>

式中:Ukp為極間介質(zhì)的耐壓，V;d為加工間隙距離，cm;Ukp0為純凈極間介質(zhì)的耐壓，V。

可見擊穿電壓的大小取決于極間電介質(zhì)的臨界電場強(qiáng)度與兩極間距。

對工具電極附加超聲振動(dòng)之后，把式(5)代入式(9)得

極間介質(zhì)的耐壓變化范圍為(Ukp0/3－EMA/3，Ukp0/3+EMA/3)。假設(shè)極間電壓U不變，放電間距為10 μm，超聲振幅為5 μm，則當(dāng)極間距離最大時(shí)極間介質(zhì)的耐壓變化范圍為(Ukp0/6，Ukp0/2)。

當(dāng)極間距離最小時(shí)，極間電介質(zhì)的耐壓值達(dá)到最小，而極間電場達(dá)到最大，極間電荷量達(dá)到最大，有利于擊穿放電;當(dāng)極間距離達(dá)到最大時(shí)，極間電介質(zhì)的耐壓值達(dá)到最大，極間電場達(dá)到最小，極間電荷量達(dá)到最小，有利于放電通道的消電離。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用阿奇SF201電火花成型機(jī)床，Z軸垂直進(jìn)給分辨率為1 μm;脈沖電源為HELI－50A型脈沖電源，其脈寬范圍為 1 ～2 000 μs，脈間為 1 ～500 μs，輸出電壓為100～300 V，最大輸出電流為40 A;工具電極與工件均采用45鋼;加工電介質(zhì)為煤油;工具沿Z軸軸向超聲振動(dòng);放電的間隙電壓信號采用普源DS5102CAE型數(shù)字示波器采集。

實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示，裝置如圖4所示，主要由脈沖電源、工具電極、工件、數(shù)字示波器、超聲波發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿以及機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)等組成。脈沖電源用于提供放電脈沖，其波形為梳狀波形，電源的兩極分別接工具電極與工件;數(shù)字示波器直接測量工具電極與工件之間的電壓，并通過PC機(jī)讀取和保存電壓波形;超聲波發(fā)生器提供超聲振動(dòng)所需的電能，并通過換能器和變幅桿轉(zhuǎn)化成一定振幅的超聲振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中的超聲振動(dòng)頻率為20 kHz，振幅5 μm;進(jìn)給由機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)完成，有3級進(jìn)給速度，最低進(jìn)給分辨率為1 μm，實(shí)驗(yàn)中采用機(jī)床的正常加工進(jìn)給策略;實(shí)驗(yàn)外部條件為常溫常壓。實(shí)驗(yàn)中的脈沖與進(jìn)給參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采集的電壓波形如圖5和圖6所示。對比兩圖可知，對工具電極施加超聲振動(dòng)之后，出現(xiàn)了較多的低壓擊穿現(xiàn)象。

3 結(jié)語

通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明超聲振動(dòng)對極間電場、極間電介質(zhì)的耐壓值都有影響，影響的結(jié)果是降低了極間電介質(zhì)的耐壓值。極間耐壓值最小時(shí)，極間電荷量與極間電場達(dá)到最大，有利于擊穿放電。極間耐壓值達(dá)到最大時(shí)，極間電荷量與極間電場都達(dá)到最小，有利于放電通道的消電離，可以減少電弧放電與短路的發(fā)生。在電火花加工過程中，對工具電極施加超聲振動(dòng)可以改善放電狀態(tài)，提高加工效率。

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