微細電火花加工機理研究

2022-03-26 02:43:54蘇銘

一重技術 2022年1期

蘇銘

微細電火花加工 (Micro Electrical Discharge Machining, Micro EDM) 作為微細加工領域的一種有效加工手段，具有加工過程中不直接接觸被加工材料，宏觀作用力小，加工精度高等優點。電極表面材料被蝕除的過程可以分為四個連續階段：極間介質被瞬時電離，介質被擊穿后產生放電通道；介質被加熱分解，電極表面材料受熱熔化、氣化甚至熱膨脹；電極反應過程中材料被拋出；最后是極間介質消離子。所以，對火花放電的加工程序可以概括為放電通道中的電極材料經過反應轉移形成電極表面和外觀形狀的過程。

1 電火花加工原理

1.1 原理和特點

微細電火花加工與普通電火花加工原理沒有根本上的差別，都是通過在陰極和陽極之間介質進行放電形成脈沖性火花，使材料表面受火花放電作用而蝕除材料。理論上講，只需有可控性好的脈沖電源提供特別小的能量，在較高精度伺服進給系統控制下的機床上，即可實現微細電火花加工（見圖1）。

圖1 電火花加工系統

微細電火花加工的表面質量主要取決于放電時一個脈沖所釋放的能量。加工的精度取決于電極損耗、脈沖電源和伺服系統。又由于加工尺寸微小，所以更加精確。微細電火花加工的特點如下:

（1）放電所需的面積特別小。微細電火花加工時兩電極之間的直徑通常在5～100 μm[1]。

（2）單個脈沖放電能量小。每個放電脈沖的能量一般在10-6～10-7J 之間，甚至更小[2]。

（3）放電間隙很小。微細電火花設備對放電間隙的實時檢測和控制直接關系著放電加工的效率和精度，必須保證在加工過程中，能夠根據加工情況實時控制放電間隙。

1.2 電極材料的蝕除過程

微細電火花電極材料的蝕除過程，包括擊穿極間介質，形成放電通道，材料表面發射電子等。

（1）熱電子發射當陰極材料表面受到轟擊后溫度上升，內部電子得到動能，熱運動加快，當熱運動能量達到足以使一部分電子克服阻礙時，從電極內部流出的電子進入放電通道或介質中。

（2）場致發射在電場很強的情況下，阻礙電子運動的壁壘不再阻擋，則電子在陰極內部隧道效應的作用下到達陰極表面，造成陰極電子發射，該過程被稱為電子場致發射。

（3）光電子發射由于在陰極、陽極兩極之間放電是爆炸性的，在這一過程中伴隨有強光釋放，光的能量輻射到電極材料的表面，使很多電子得到能量，被稱為光電子發射。

（4）二次電子發射高速帶電粒子轟擊陰極、陽極表面，釋放能量而引發的電子發射，通常被稱二次電子發射。

1.3 放電能量的轉化、分配與傳遞

在穩定的放電通道中，電能被轉化為磁能、光能、動能、熱能等形式。這其中，電能用于加熱兩極的放電點，使介質及兩極的表面材料氣化，釋放的大部分能量為熱能。

在電火花放電過程中，陰、陽兩級放電能量的分布可表示為：

式中：p—放電功率（kW）；pa—陽極消耗功率，（kW）；pc—陰極消耗功率（kW）；pl—放電通道消耗功率（kW）；u()t —兩極放電通道中的電壓變化量（V）；i()t —峰值電流的大小（A）。

在火花放電過程中，作用在兩極的電壓，在等離子區通過放電通道的變化很小，因而，有些專家認為這一小塊區域產生能量很少，通常占兩極間總能量15%～40%[3]，很大一部分高速運動的帶電粒子在撞擊到電極表面時把能量釋放到電極表面。在此過程中中，介質被擊穿并形成放電通道，部分介質被氣化，放電產生的熱量通過放電通道傳送，同時，電極材料表面還存留很多熱量。元木斡雄根據T-E 理論計算并證明能量在介質和兩極之間的分配關系與電極材料及放電持續時間有關[4]。

Kong W[4]通過單脈沖放電試驗，分析放電痕跡的形狀和尺寸。認為約30%和60%的放電能量分別為陽極和陰極吸收；夏恒[5]通過將測量結果和計算結果對比證明，陰極中的能量總是比陽極少，但是兩級所獲得的能量與脈沖寬度不相關。

目前通常認為，產生電極材料蝕除的幾種能量形式如下：

（1）在兩極場強的作用下，帶電粒子對兩極表面的轟擊。

（2）從電極材料逸出的粒子在電極之間的能量交換。

（2）放電通道內等離子體互相碰撞釋放的輻射。

（4）兩極氣化粒子在放電通道中對兩極表面的熱沖擊。

上述四種能量中，起主導作用的是帶電粒子對兩極表面的轟擊。脈沖放電時，在放電通道中的等離子體中存在大量電子，這些電子轟擊陽極表面，將動能轉化為熱能傳遞給陽極。電子流密度越大，數目越多，傳遞給陽極的能量也越大。而其他幾種能量作用相對較小。但在微細電火花加工中，有學者認為幾種能量所起作用的比重各有不同，還定量證明被加熱表面溫度過高是電火花蝕除材料的主要原因[6～8]

1.4 電蝕產物的拋出機理

陰、陽兩極材料表面吸收的熱能分為體積熱源和表面熱源。在極短時間里放電能夠形成放電通道，由于有趨膚效應的電流密度在兩極之間的分布并不均勻，所以電極材料外部溫度的分布也是忽高忽低，與放電通道接觸的材料表面的電流密度非常大。在熱傳導作用下，電極中有電流快速通過。由于釋放出來的能量由電極內部產生，所以被稱作體積熱源。而由于釋放的能量能夠促進電極表面溫度升高，所以從電極材料外部看，又被稱為表面熱源。

這兩種熱源所起到的加工作用不同，傳遞的能量和作用時間也不同。在放電初期，兩極吸收能量的時間非常短，溫度在極短的時間內迅速上升，電極瞬間被加熱而劇烈熔化，甚至氣化，此時起主要作用的是體積熱源。隨著時間延長，熱傳導作用更加明顯，在放電通道達到穩定狀態后，表面熱源起主要作用。從兩者的作用時間、傳遞能量的角度看，體積熱源在蝕除材料的過程中占主要地位，所以形成凹坑的主要能量源于體積熱源。電極材料表面吸收熱量后，表面溫度超過材料沸點，從而形成汽化區，較深的地方達到材料的熔點，而形成熔化區；另外，在放電過程中產生的氣泡在電流密度壓力下形成一定的真空空間，電極材料氣化產生的氣體在壓力作用下向外釋放。這些被汽化和熔化的蝕除材料被拋出電極后迅速冷凝成顆粒回落在凹坑的邊緣形成突起，而沒有被拋出的熔化材料，在溫度降低后，留在凹坑底部形成凝固層。在凝固層以下的電極內部，雖然吸收的到一定的能量，但沒有引發相變，形成熱影響區。而遠離放電點的更深的部分，理論上認為能量沒有傳遞過去，所以被叫做無變化區（見圖2）。

圖2 單脈沖放電凹坑剖面示意圖

因此，電極材料的被拋出的過程，實際上是熱爆炸力、流體動力等綜合作用的結果。

2 單脈沖放電實驗的設計與實現

電火花的加工過程比較復雜，放電時間非常短，且有連續性，除了峰值電流和脈寬以外，脈間、空載電壓、放電間隙、沖液和極性效應等對加工過程及加工質量都有影響。同時，由于在連續加工過程中存在短路、過度電弧放電、拉弧、空載、正常放電五種放電狀態，所以放電機理十分復雜，無法確定對電火花加工的影響，增加了研究的難度。然而，由于可以將連續脈沖離散為多個單脈沖的有序組合。因此，本文通過單脈沖放電實驗研究連續放電加工。

在微細電火花加工中，為控制脈沖放電能量通常采用窄脈寬加工，而且在實際電火花放電加工中，短脈沖加工更能反映電極材料蝕除過程中不同能量所起的作用。通常情況下，在其他電參數相同條件下，脈沖寬度越窄，放電初始階段的作用越明顯。因此，本文設計窄脈寬(1～5 μs) 下，單脈沖放電加工實驗。