微细电火花加工中电极材料的蚀除机理研究_王振龙

MECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY

文章编号:1003-8728(2002)01-0124-03

Vol.21No.1January　2002

微细电火花加工中电极材料的蚀除机理研究

王振龙,赵万生

(哈尔滨工业大学机械工程系,哈尔滨　150001)

王振龙

摘　要:在微细电火花加工过程中,由于放电时间极短,使得其阴阳两极的电极材料蚀除过程产生较大的差异。本文应用传热学和电场的基本理论,分别对微细电火花加工阴阳两极的材料蚀除机理进行了理论研究,得出了在窄脉宽微细电火花加工中,尽量缩短脉宽可提高阳极材料的去除效率,同时又不会明显增加阴极材料损耗的结论。为微细电火花加工脉冲电源设计及加工工艺的改进提供了理论依据。关　键　词:微细电火花加工;传热学;电场中图分类号:TG661　　　文献标识码:A

ResearchontheErosionProcessofElectrodeMaterialsinMicro-EDM

WANGZhen-long,ZHAOWan-sheng

(DepartmentofMechanicalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001)

Abstract:Theelectrodematerialserosionprocessisratherdifferentbetweenanodeandcathodebecauseofthebriefdischargeinmicro-EDM.Thispaperstudiestheerosionmechanismproducedinanodeandcathodeinmicro-EDMbyusingthebasictheoryofheattransferandelectricfield.Researchesshowthattoshortenthepulsewidthaspossibleinmicro-EDM,themachiningefficiencyinanodecanbeincreased,buttheelectrodewearincathodewillhardlyincrease.Theaboveconclusionwillbeveryusefultothedesigningofpulsegeneratorandtheimprovingofthemachiningprocessinmicro-EDM.

Keywords:Micro-EDM;Heattransfer;Electricfield;Electrodewear　　通常认为,电火花加工中电极材料的蚀除过程是火花放电时的电场力、磁力、热力、流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的过程[1]。当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时,极间介质被击穿并形成一个极为细小的放电通道。由于放电通道中电子和离子受到放电时的电磁力和周围液体介质的压缩,因此其截面积很小,通道中的电流密度极大,可达10～10A/cm。通道中的介质以等离子体状态存在,其离子与电子的数量几乎相等,因此,该通道是电的良导体并呈电中性。在极间电场作用下,通道中的正离子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞,从而在放电通道中产生大量的热量;同时,阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的高速冲击,动能也转换为热能,在电极放电点表面产生大量的热,整个放电通道形成一个瞬时热源,其温度可达10000℃左右。这一热源足可以使参与放电的电极材料表面局部熔化和气化蒸发。由于这一加热过程一般只有10-7～10-4s,因此金属的熔化、气化以及介质的汽化都具有明显的爆炸特征,爆炸力将熔化和气化的金属抛入周围的工作液

4

7

2

介质中,在电极表面上就形成了蚀除凹坑[1,2]。

可以看出,在上述电极材料的蚀除过程中,火花放电的热效应是起主导作用的。但是在微细电火花加工过程中,由于放电时间极短,te一般小于10μs,这使得微细电火花加工过程中,电极材料的蚀除过程具有相当的特殊性。只以传热学理论,将很难解释微细电火花加工中的阴极材料(电极损耗)蚀除过程。

1　微细电火花加工时阳极材料的蚀除过程

电火花加工过程中,存在着明显的极性效应。这是因为在放电过程中,电极材料的蚀除率与该电极上所消耗的功率是密切相关的。电火花放电过程中,极间放电能量的分布可表示为

Pe=

u(t) ∫

0te

i(t)dt=Pa+Pc+Pl(1)

式中:Pe为放电功率;Pa为阳极消耗功率;Pc为阴极消耗功

率;Pl为放电通道中消耗的功率。

极间介质被击穿后,放电通道等离子体的导电率极高,其消耗的功率极小(通常只占总功率的1%～5%

[3]

收稿日期:20001110

作者简介:王振龙(1963-),男(汉),山东,副教授,博士,通常可

以忽略。由于电子的质量比离子小得多,因此在放电脉宽极第1期王振龙等:微细电火花加工中电极材料的蚀除机理研究

　　因此,当z=0时,阳极上被加热表面的温度为

4q0at1/2

T(0,t)=()

λπ125

窄的微细电火花加工中,放电通道的电流主要是电子电流。阳极材料的蚀除过程可以解释为电子的高速轰击作用而将放电能量的绝大部分传递给阳极表面,并在阳极表面的微小区域形成瞬时的高温表面热源,从而使材料产生熔化或气化。南京航空航天大学刘正埙教授等人用实验方法研究了窄脉宽微细电火花加工中,放电能量在阴极和阳极上的分布情况[3,4]。实验表明,在放电脉宽小于1μs时,阳极上所获得的能量远大于阴极表面,并且脉宽越窄,两者的差距越大。这一实验结果,进一步证明了在窄脉宽放电条件下,电子与离子在电场中运动特性的异同对放电能量分布的巨大影响。

基于热效应蚀除机理,阳极材料上的温度分布和电蚀坑大小可由基本热传导方程进行定性的描述。

将阳极表面的加热过程看作是一个半无限大物体的热传导问题,则其热传导微分方程为[2]

cd( T/ t)=λ 2T+Zd(T)j2

(2)

(10)

　　可以看出,电极表面的温度除受材料本身物理性能影响

外,将随着热流密度和加热时间的增加而升高。而电极表面的输入能量

E=q0t

(11)

　　因此当输入能量一定时,增加热流密度(与峰值电流成正比),减小放电时间,材料表面的温升将加快,有助于将加热限制在局部范围内,并相应地提高材料的气化比率。

微细电火花加工过程中,阳极材料的蚀除过程主要是由于电子轰击所造成的表面热源的热作用过程。从以上分析可知,缩短放电脉宽、增加电流峰值密度将有助于微细电火花加工中的阳极材料蚀除过程。2　微细电火花加工时阴极材料的蚀除过程

由于离子的质量远大于电子质量,因此在窄脉宽微细电火花加工过程中,正离子对阴极表面的轰击作用较小(粒子所获动能正比于速度的平方),且放电通道热源所传播的辐射热也十分有限。此时阴极表面所获得的热量较小,使其没有足够的时间产生熔化或气化,因此将窄脉宽微细电火花加工中阴极材料的蚀除过程简单地归结为热作用过程显然是不够全面的。

当极间介质被击穿而形成高温等离子通道后,极间电位的分布情况可用图1示意[5]。

极间介质被击穿后,等离子通道可以认为是电

的良导体,因此其间压降

极小。阳极电位出现略微图1　火花放电时极间电位的分布降低现象,表明还有相当

一部分电子不能到达阳极。在阴极附近,由于电子发射和正离子的积聚而形成一层极薄的空间电荷层(大约只有一个电子自由程[2,6],这一空间电荷层存在着电荷不平衡并能维持较大的电势梯度,因此几乎极间所有压降都集中在此极薄的区域内。这样在阴极附近就会形成一个极强的电场。在强电场作用下,由于静电力的作用,阴极表面的负电荷将受到激发并被拖出,因此导致了阴极表面形成较强的拉应力。同时,由于正离子的轰击及通道高温辐射,也会使阴极表面加热,进而使材料的屈服强度降低,加剧了材料的屈服破坏。因此在窄脉宽微细电火花加工中,电极阴极材料的蚀除过程(电极损耗),应是以静电力作用为主,热作用为辅的过程。当放电脉冲宽度较大时,放电斑的直径将增大,表面的应力作用将十分微弱;同时由于大量正离子的高速轰击,使得电极材料的蚀除过程以热作用为主,静电力几乎不再起到蚀除作用。

以等离子体电势为参考零电势,H0为电荷层与等离子体交界面的电势,Hw为阴极空间电荷层的最低电势。由于在

式中:c为电极材料的比热(J/(g·K));d为电极材料的密度(g/cm3);T为电极材料内的温度(K);t为传热时间(s);λ为导热系数(J/(cm·s·K));d(T)为电极材料的电阻率(Ψ·cm);j为电流密度(A/cm2); 为拉普拉斯算子

式(2)中,如果忽略方程式右边的第二项,就是基于表面热源的热传导基本方程,它描述了在没有内热源条件下的导热情况;如果忽略方程式右边的第一项,则方程式就是基于体积热源的热传导基本方程,它描述了不考虑传热情况下,内部体积热源所引起的温度变化。

在窄脉宽微细电火花加工中,电子对阳极表面的高速冲击作用使得放电点附近形成局部高温而将材料局部熔化或气化,因此可以认为,材料的热去除过程主要以表面热源的作用为主。此时式(2)可写成

222

T T T T2cd=λ T=λ(2+2+2) t x y z

(3)

即

222222

Tλ T T T T T T=(2+2+2)=a(2+2+2) tcd x y z x y z

(4)

式中:a=λ/cd为材料的导温系数。

当采用矩形波脉冲电流微细电火花加工中,可以认为热流密度在整个加热面内处处相等,且在整个加热期间不随时间变化,即热流密度q(x,y)=q0。同时由于加热时间极短,材料上的加热深度将极小。此时式(4)的边界条件为

t=0,T=0;z=∞,T=0z=0,-λ( T/ z)=q(x,y)=q0

则此时方程(4)的解为

T(z,t)=

(5)(6)

2q0(at)1/2z

ierfc)(7)λ2(at)1/2

式中:erfc(u)为误差补函数,ierfc(u)为误差补函数的定积分。其表达式为

erfc(u)=ierfc(u)=

2

∞u∫π

u

∞

e-sds

2

(8)(9)

∫erfc(s)ds

126机械科学与技术第21卷

窄脉宽微细电火花加工中,放电凹坑的深度远小于其直径,因此可以假设电极为半无限大区域。并且假设放电过程中火花通道是均匀的圆形热源作用在电极表面上,且其直径不变;除屈服强度外,材料的其它性能均不随温度变化;在放电期间,热流输入密度恒定。则根据带电粒子在电场中的受力情况以及点作用力作用于材料表面时材料的屈服状态,可以得出阴极材料放电区域的应力分布和放电坑深度的解析式。图2是阴极材料任意点的应力分布示意图。

社,1999

[2]　李明辉.电火花加工理论基础[M].北京:国防工业出版社,

1989

[3]　宋小中,刘正埙.电火花微细加工的工艺研究[J].电加工,

1995,(2):14～18

[4]　周勇,刘正埙.电火花放电加工中工具电极损耗理论研究[J].

电加工,1998(4):1～3[5]　A.

SinghandA.

Ghosh.AThermo-electricModelof

MaterialRemovalduringElectricDischargeMachining[J].MachineTools&Manufacture.1999,39:669～682

[6]　陈熙著.高温电离气体的传热与流动[M].北京:科学出版社,

1993

[参考文献]

[1]　刘晋春,赵家齐,赵万生.特种加工[M].北京:机械工业出版

图2　阴极表面受力及内部任意点的应力分布(上接第123页)3　结论

(1)利用均值导纳法可以得到多子结构串联系统中任意两个结构之间的振动能量比;

(2)用均值导纳来代替结构的输入点导纳和传递点导纳,可以大大简化多点连接情况下的结构耦合问题;(3)封闭圆柱壳系统中壳板的耦合可以看成是多点连接下的三子结构串联系统;

(4)用均值导纳法来研究封闭圆柱壳系统的振动响应比较简单,实验结果也证明这种方法比较可靠。

[参考文献]

[1]　L.

Cheng.

Fluid-StructuralCouplingofaPlate-ended

在点作用力作用下,设应力按圆形分布。则显然当r′为0时,应力最大。此时沿z向的应力

ez(0,z)=

3I

2mi(-He)w/

2

π z

(12)

式中:I为极间电流;mi为离子质量;-Hw为阴极电势;e为离子电量。

据前面的假设,材料的屈服强度是随温度的变化而变化的,而电极表面的温度受放电通道对其的作用,阴极材料内部任意点的温度则是热源作用半径(火花通道半径)r、深度z以及放电时间t的函数。因此材料的屈服强度也是r,z,t的函数。当材料所受应力ez超过材料的屈服极限Sy时,在阴极表面将形成裂纹,并形成电蚀坑。电蚀坑的深度可通过变换式(12)得到

z=

3I2mi(-Hw/e)π Sy(13)CylindricalShell:VibrationandInternalSoundField[J].J.Sou.Vib.,1994,174(5):641～654

[2]　M.S.TavakoliandR.Singh.ModalAnalysisofaHermetic

Can[J].J.Sou.Vib.,1990,136(1):141～145

[3]　钱斌,杨世兴,盛美萍.利用均值导纳法研究圆柱壳组合结构的

振动能量比[J].西北工业大学学报已接收,待发表。

[4]　盛美萍,孙进才,王敏庆.经典参数在多结构耦合系统统计能量

分析中的应用[J].振动工程学报,1998,11(3):281～290[5]　盛美萍.复杂耦合系统的统计能量分析及其应用[D].西北工

业大学,1997

[6]　盛美萍,王敏庆,孙进才.多点连接结构振动响应的均值导纳法

预测[J].西北工业大学学报,1999,17(2):171～175

　　式(12),(13)的物理意义在于,在窄脉宽微细电火花加工中,阴极表面所受的应力及电蚀坑的深度将随极间电流和电压的增加而增大,而与放电时间无关。文献[5]的实验表明,当脉宽ti小于5μs时,上述结论是成立的。3　结束语

电火花加工时,电极材料的蚀除过程是极为复杂的。以上基于极间电场和材料传热学的基本理论分析了窄脉宽放电过程中阴极与阳极材料的基本蚀除过程。可以看出,在窄脉宽微细电火花加工过程中,增加峰值电流将有助于阳极材料的蚀除过程,但同时也将带来阴极(工具)材料损耗的加剧。而输入能量一定时,减小脉冲宽度则不但能增加阳极材料的蚀除过程,而且还不会引起阴极电极损耗的增加。因此在微细电火花加工中,应尽可能地减小脉冲宽度。这进一步为微细电火花加工的脉冲电源设计提供了理论依据。