（机械制造及其自动化专业论文）添加粉末对混粉电火花加工作用机制的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 混粉电火花加工是通过在常规的煤油工作液中添加硅、铝等导电性微细粉末来改善 放电状态，从而迅速提高表面质量、精加工效率的一种新型加工工艺，能够有效地缓解 放电面积和表面质量之间的矛盾、并可显著提高被加工工件的表面性能。因此，混粉电 火花加工技术在模具型腔的大面积光整加工中表现出优越的潜在能力，越来越受到航空 航天、汽车、精密机械等行业的重视。 混粉电火花加工技术的机理非常复杂，悬浮粉末的尺寸及其性质改变了工作液的介 电性能，从而影响到电火花放电机制。因此，结合粉末之间的相互影响以及粉末特性来 探讨粉末一工作液两相混合体系，研究添加粉末对放电击穿的作用机理，分析电极损耗 的机理规律及其解决方法，必将对混粉电火花加工工艺的实用化起到推动的作用，同时 有助于粉末的国产化研发和其加工范围的扩展，降低精密电火花加工的经济成本。 论文的主要研究工作包括如下内容： 1 根据工艺过程对粉末材料多样性的要求，研究了不同粉末材料对混粉电火花加工质 量的影响规律；通过改变铝粉工作液的浓度，研究了粉末浓度对加工工艺特性的影响，发 现粉未浓度保持在一个适宜的范围内对于改善加工表面粗糙度和提高材料去除率均有积极 意义；针对不同工件材料分析了加工表面的微观形貌，为加工参数的选取提供了合理的依 据。 2 在讨论粉末性质、尺寸、浓度对加工质量的影响的基础上，提出新型粉末结构并 进行系统分析；研究粉末团聚机理并提出防止粉末团聚的措施；为自主开发更符合混粉 电火花加工要求的新型粉末提供理论支持。 关键词：混粉电火花加工；添加粉末；作用机制；液固两相混合体系 添加粉末对混粉电火花加工作用机制的研究 s t u d yo nt h ee f f e c t so fp o w d e r s o np o w d e rm i x e de d m a b s 仃a c t p o w d e rm i x e de l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g ( p m e d m ) i sar e l a t i v e l y n o v e l m a c h i n i n gm e t h o dw h i c hc o u l de n h a n c et h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c ea n dt h e e f f i c i e n c yo ft h ef i n i s h i n gm a c h i n i n gt h r o u g ht h ef a c i l i t a t i o no ft h ed i s c h a r g i n gs t a b i l i t y , d e p e n d i n go na d d i n gp o w d e rp a r t i c l e sw h o h a v et h ep r o p e r t yo ft h ee l e c t r i cc o n d u c t i o n , s u c h a st h es i l i c o na n da l u m i n u mp o w d e r , i n t ot h ew o r k i n gf l u i d ( s u c ha sk e r o s e n e ) i tm a y e f f e c t i v e l yr e l i e ft h ec o n f l i e t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i ca r e aa n dt h es u r f a c eq u a l i t yd u r i n gt h e m a c h i n i n gp r o c e s s ，a n da l s oc o u l di m p r o v et h ep r o p e r t i e so ft h ew o r k p i e c es u r f a c e ，t h u s p m e d mh a sag r e a tp o t e n t i a li nt h ep o l i s h i n gm a c h i n i n g , e s p e c i a l l yt h el a r g ea r e ap o l i s h i n g m a c h i n i n go ft h em o l dc a v i t y t h e r e f o r e ，p m e d mr a i s e sm o r ea n dm o r ec o n c e r n i n gi nt h e i n d u s t r i e so fa e r o s p a c e ，a u t o m o b i l ea n dp r e c i s em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g t h em e c h a n i s mc o n c e r n i n ga b o u tt h ee d m m a c h i n i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d ，t h e s i z ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n d e dp o w d e rp a r t i c l e sc h a n g et h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h e w o r k i n gf l u i d , t h u si t a f f e c t st h em a c h i n i n gm e c h a n i s mo fe d m i no r d e rt os t u d yt h e m e c h a n i s mh o wt h ea d d i t i o no fp o w d e rp a r t i c l e sa f f e c tt h ed i s c h a r g i n gb r e a k d o w n , t h ew o r k o ft h i st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d y i n go ft h em i x e dp o w d e r - w o r k i n gf l u i ds y s t e m ，a n a l y z e st h e m e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o d ee r o s i o na n dt h ea p p r o p r i a t es o l u t i o ni nr e d u c i n gt h ee r o s i o n t h i s m a yp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fp m e d ma n di t sp r a c t i c e i nt h em e a nt i m e ，i tm a ya l s o b e n e f i tt h es t u d yo fp m e d mi nb r o a d ，d e c r e a s et h em a c h i n i n gc o s to ft h i sk i n do fm a c h i n i n g p r o c e s s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so ns t u d y i n gt h ef o l l o w i n gp e r s p e c t i v e so fp m e d m ： 1 i no r d e rt os a t i s f yt h ev e r s a t i l ed e m a n do ft h ep o w d e rp a r t i c l em a t e r i a l s ，t h ep r i n c i p l e h o wv a r i o u sk i n d so fp o w d e rp a r t i c l e sa f f e c tt h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c em a c h i n e d b yt h em p e d m i ss t u d i e si nt h et h e s i s ；a n dt h e nt h et h e s i sa l s op r e s e n t sh o wt h ed e n s i t yo f p o w d e rp a r t i c l e sa f f e c tt h ep r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g hc h a n g i n gt h ed e n s i t yo f a l u m i n u mp o w d e rp a r t i c l e si nt h ew o r k i n gf l u i d ，a n dm e n t i o n st h a ti tw i l lb eag r e a th e l pt o i m p r o v et h es u r f a c er o u g h n e s so ft h ew o r k p i e c ea n de n h a n c et h er e m o v a lr a t ew h e nt h e d e n s i t yo fp o w d e rp a r t i c l e si sk e p ti na na p p r o p r i a t er a n g e 2 w h e ni tc o m e st od i f f e r e n tm a t e r i a l so ft h ew o r k p i e c e ，t h em i c r o - p r o f i l eo ft h es u r f a c e o ft h ew o r k p i e c em a c h i n e db yp m e d mi sa n a l y z e d t h et h e s i sa l s op r e s e n t sar e l a t i v e l y n o v e lc o n s t r u c t i o no fp o w d e rp a r t i c l e s ，a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fm e c h a n i s ma b o u tt h e a g g r e g a t i o no fp o w d e rp a r t i c l e s ，a n dm e n t i o n ss o m em e a s u r e sf o ra v o i d i n gt h ea g g r e g a t i o n i t i i 大连理工火学硕+ 学位论文 o f f e r st h et h e o r e t i c a ls u p p o r ti nt h ep e r s p e c t i v eo fi n i t i a t i v ed e v e l o p m e n to fn o v e lp o w d e r p a r t i c l e sw h i c hi sm o r ec o m m i t t e dt ot h ed e m a n do fp m e d m o ns o m ed e g r e e k e yw o r d s ：p o w d e rm i x e de l e c t d c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ；a d d i t i o no fp o w d e r p a r t i c l e s ；p r o c e s sm e c h a n i s m ；m i x t u r es y s t e mo fs o l i d - l i q u i dp h a s e s i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：缝鱼蚴丝趁鱼缝垒! 三堕复叠到鱼塑覆 作者签名： 垂缝 日期：巡年旦l 月三生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 盗垒趁堇孥i 丝趣盥。丝鱼望缝l 塑缉耋 作者签名： 盔绻，日期：出4年丝- 月日 导师签名：丝壅! 望至 日期：丝旦年厶l 月兰日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 电火花加工技术已是世界上仅次于车、铣、磨的第四大机械加工手段，对于高硬度、 高韧性的难加工材料以及高复杂型腔、深槽或凹型的尖锐棱线等，电火花加工技术可以针 对常规加工中刀具无法加工的部分进行局部、复杂形状的精细加工，在光盘、通讯、电脑、 消费类电子产品外壳的制造中得到广泛应用，成为航空航天、汽车、模具制造业等各个领 域中的重要支撑和关键技术。电火花加工在国民经济的一些重要领域发挥着不可替代的作 用，其发展状况影响着我国的综合国力及国防实力的提高。随着国民经济的不断发展，对 于大型和精密模具、精密零件、锥孔或异型孔加工及一些特殊领域的需求不断加大，必然 对电火花加工提出新的要求，混粉电火花加工技术的出现在一定程度上满足了上述需求【l 】。 国内外对于混粉电火花加工技术的研究表明，混粉电火花加工技术较好地解决了电火 花加工效率和加工表面质量之间的突出矛盾，即便是在大面积加工条件下，也可以得到好 的加工表面质量，可以使加工的工件一次成型，省去了抛光工序，因而提高了加工效率； 同时，工件的抗腐蚀能力和抗疲劳能力也随之增强，加工模具的脱模性好，模具的使用寿 命明显提高，这都为电火花加工技术的发展提供了强有力的支持。 与此同时混粉电火花加工技术也存在着许多不足之处，目前其机理的研究仍主要停 留在假设与猜测阶段；对其物理本质的认识仍不全面；由于其现有理论成果是仅关注某 一方面的实验现象而得到的，因此不可避免地带有局限性，缺乏严格的理论依据、数学 模型和实验验证等。实际应用表明：由于工作液中所添加的硅、铝等半导体或导体粉末 材料密度与工作液密度相差较大，粉末会在工作液中产生沉淀，最终影响加工效果和表 面质量，使表面质量显著下降。因此混粉电火花镜面加工技术在实际应用中，需要采用 冲液搅拌、加工间隙冲液、增加工具电极抬刀频率等防止粉末沉淀的措施，这样虽然增 加了储液箱设计、制造难度，但在一定程度上降低了加工效率。除了对工件材料性能有 要求外，加工后工件表面的变质层具有高硬度和耐磨性，也给后续工序增加了困难。此 外所添加的粉末一般均有互相聚合的特性，故使用时还需再添加一种分散剂。而大部分 分散剂是有毒的，并且会缩短混粉的使用寿命。 混粉电火花加工技术虽然在应用研究方面取得了长足的进步，总结出了较多有实用价 值的工艺规律，为生产实际提供了技术指导，但是从长远来看，对加工机理认识的不足， 缺乏严格的理论依据等都限制了其进一步的推广应用。可见，对于混粉电火花加工机理的 研究任重而道远，并直接影响着该技术在国民经济发展中所起的作用。 添加粉末对混粉电火花加工作用机制的研究 对于混分电火花加工，如果把在电火花工作液中混入粉末的行为看作是一种在介质中 掺杂杂质的行为，那么其相关的研究工作就应该从进一步比较不同粉末颗粒对于加工过程 产生影响的机理进行理论推导，并通过实验手段对此获得验证。 1 2 混粉电火花加工技术概述 电火花加工是一种被广泛应用的加工技术。它可以在保证很高精度的情况下，在高硬 度的材料上加工出复杂的几何形态，这是电火花加工应用于精密加工、微小零件加工等其 它加工场合的原因。电火花加工技术特别应用于模具的生产加工当中。在这一领域中，电 火花可以加工出小于l o - - 一5 x 1 0 5i t l n l 2 范围内的加工区域。随着待加工工件尺寸的增加，电 火花加工需要具有保持其加工精度和加工复杂几何形态的能力。尽管如此，加工时间和工 件表面质量还是会受到一定程度的影响，同时电极加工面积的增加也会使得工件表面形态 和粗糙度产生异变【2 】。 在以往的研究中，对于这一现象存在着多种解释。电火花加工抛光的过程中，其需要 较低的放电能量以及较小的放电间隙。但是在放电间隙较小的情况下电火花加工中产生的 杂质很难被排除，这就导致电极加工区域产生的杂质有聚集在放电区域的趋势。从而很难 保证放电间隙有一个很清洁的环境而发生异常放电现象，比如由于在电极和工具间形成的 金属桥而产生的短路现象，以及由于放电难度的增加而产生的长时间放电停滞。这些异常 的放电现象使得工件加工表面的质量降低，也使得加工时间大大增加。 为了解决电火花加工局限性的问题，专家学者们提出了一些研究方法。例如采用硅电 极的方法，因为这样可以在加工过程中使用较大的放电间隙，从而减小电容效应。另外一 种方法是基于感生电场，可以在避免电容效应的同时，使得加工杂质在电场的约束下集中 在一个较小的区域从而容易排出。但这些方法取得的成果都是有限的。 1 2 1 混粉电火花技术的产生 上世纪4 0 年代以来，国内外学者开始对电火花加工的过程理解、预测以及控制方面进 行深入研究。其中涉及比较多的领域是关于加工表面质量的分析，这就是电火花精加工和 抛光加工初步研究的开始。在这一领域的研究中，电火花加工的效果并不太好【3 】。事实上， 较低的放电能量及较小的电极与工件的距离，使得放电间隙间加工废屑的清除变得很困难， 这样就增大了电容效应以及加工放电延迟现象发生的几率【4 5 】。在不考虑电火花加工精度的 情况下，上面所述的约束会在电火花加工过程中产生异常放电、延长加工时间以及使得工 件表面产生不均匀的现象【6 7 】。 大连理工人学硕士学位论文 历经长时期的研究发展，不断涌现出多种提高加工工件表面质量和抛光加工效果的研 究手段，它们涉及到放电过程的修正【8 一，电极的形态调整【1 0 1 1 1 以及电极的运动轨迹变化【1 2 1 3 1 。其加工方法是将电火花加工与电化学加工联系起来【1 4 1 5 1 ，随后又与超声波加工【1 6 】和轮 廓机器人【1 7 】结合在一起进行加工。其中有一种研究方法，达到了预期可靠的效果，即使用 可以导电的半导体粉末材料悬浮在工作液中。 通过更加深入的研究表明，这些颗粒的加入不但可以减小电容效应对加工的影响，又 可以减少异常放电现象的发生，从而增加了放电间隙。伴随着加工稳定性的增加，抛光加 工的时间和加工电极的面积对工件表面粗糙度的影响也减小了【9 ，1 8 】。而且，即便是大电极， 由于在电极的加工区域发生的都是稳定放电，所以也可以加工出较低粗糙度的均匀工件表 面【4 刀。这种加工手段就是日本学者毛利尚武等人发现的混粉电火花加工。 混粉电火花加工不但能够显著降低加工表面粗糙度值，而且能够提高加工表面的耐磨 性、耐腐蚀性和表面显微硬度。研究表明，混粉电火花加工表面性能之所高于常规电火花 加工，主要原因在于混粉电火花加工在工件表面形成了非晶态的变质层【5 1 3 1 ，具有良好的耐 磨性和耐腐蚀性，而常规电火花加工表面的变质层存在微裂纹，在一定程度上降低了其耐 磨性和耐腐蚀性。 1 2 2 混粉电火花加工技术的研究现状 近年来，混粉电火花加工技术主要在三个方面被深入研究。其中包括对于电火花精加 工和抛光加工阶段的研究，另一方面是在使用初步的放电参数下，来测评混粉电火花加工 的效果，其主要目的是为了增加金属去除率( m ) 并减少工具电极的损耗率( t w r ) 【5 1 9 】。 另外，也有一些研究通过控制粉末颗粒在放电间隙的混合程度，来测评混粉电火花加工对 工件表面加工处理的效果 2 0 , 2 1 】。 ( 1 ) 精加工和抛光加工 混粉电火花加工中，工作液中的粉末颗粒可以大大降低加工表面粗糙度。y a h 、l v l i n g 等发现粉末颗粒的加入使得工件表面的裂纹减少，白层变得光滑均化。击穿电压的降低和 放电能量的减小，使得工件表面仅有极少量的材料被加热至熔融状态，其冲击力不足以使 通道中心的大部分熔融金属喷溅出来，而只是在冲击力的作用下使其向四周延展，形成浅 而平的凹坑圈。u n o ( 1 9 9 7 ) 和t a m u r a ( 2 0 0 4 ) 分析了悬浮颗粒对于放电凹坑形成的影响。由 于放电通道的增粗，必然使工件受带电粒子轰击的面积增大，从而使放电凹坑变得大而浅。 对于这一问题的理解并没有真正地达成一致。尽管如此，悬浮颗粒对凹坑固化的缓和作用 是不可否定的。 w o n g 等人全面分析了在电火花抛光加工工件表面过程中，粉末颗粒的材料类型对于加 工的影响，采用低浓度的硅和石墨颗粒进行混粉电火花加工，取得了很好的表面精加工效 添加粉末对混粉电火花加t 作用机制的研究 果。他们提出粉末颗粒材料必须要有很高的导电性，但是不宜采用过高的导电性粉末材料， 因为这样会使得放电间隙增大而超出一定的范围，对放电加工有害。 ( 2 ) 材料去除率 应用精加工的放电能量级以及在工作液中加入悬浮的石墨颗粒，j e s w m a i 1 9 1 提出粉末的 浓度对放电加工的影响很大，同时增加了放电间隙和放电频率。在他所提及的加工条件下， 最理想的加工效果在粉末浓度为4 9 0 ( 在0 2 5 到6 9 0 的范围内) 时可以达到。同时使用该 粉末浓度可以提高材料去除率6 0 左右。结果表明，悬浮导电微粒的工作液可以增大放电 间隙和提高能量分布、表面粗糙度和材料去除率。赵万生教授等 2 3 】应用4 0 鲫、粒度为1 0p m 的粉末研究了混粉电火花加工在粗加工中的加工效率和表面粗糙度变化规律，结果表明 加工效率从2 0 61 1 1 】一m i i l 增大到3 4r n r n 3 n 1 i ：n ，增加幅度为7 0 。加工效率的增加可以通 过选择放电参数( 增大峰值电流、降低脉冲宽度) 来实现，与常规电火花加工相比加工表 面质量更好。 ( 3 ) 粉末浓度 k l o c h e 等人【2 4 】使用硅粉作为加入工作液中的粉末颗粒，颗粒的平均尺寸为1 0 p m ，浓度 为l o g o ，主要研究悬浮着的粉术颗粒对热影响区产生的效应。通过高速分幅照相机，学者 们发现，悬浮在工作液中的粉术颗粒改变了热能材料的去除机理。在放电过程中，硅粉颗 粒储存了热能，在放电加工与快速冷却的熔融工件表面达到热平衡之后，这些热能会转移 到工件当中。因此，悬浮在工作液中的硅粉颗粒会促使白层向母料轻微的转化。 在p e c a s 和h 即d q u e s 【4 】的研究工作当中所使用的硅粉浓度为2 9 0 。这是首次提及一系列 加工阶段( 多个独立放电参数间的组合) ，而不仅只是抛光加工阶段的刊发研究。这一系 列加工模拟了使用精密电极的电火花加工过程，从粗加工阶段开始，然后是精加工阶段， 最后是抛光加工阶段。这一系列实验测试了在使用铜电极的抛光加工下，传统电火花和混 粉电火花的工作液加工条件。在放电间隙中的硅粉颗粒的存在，使得抛光加工过程中，很 大程度上减少了异常放电现象的发生，并减小了精加工后工件表面的粗糙度。 1 2 3 混粉电火花加工原理 电火花加工过程中在电极的使用上有两个阶段。粗加工阶段电极作用于工件上主要是 为了去除工件表面的材料并加工出一定的形状。而在精加工阶段电极用于减小工件表面的 粗糙度并达到一定的目标值。混粉电火花加工与常规电火花加工的本质区别就在于工作液 中悬浮的粉末颗粒也参与加工放电，从而使得其在加工质量上存在差异。在混粉电火花加 工中，工作介质是煤油和粉末颗粒的混合物，火花放电时只需击穿煤油与粉末粒子组成的 双重介质中的薄弱环节即可。因此，粉末颗粒的存在可以降低工作介质的击穿电压。 大连理工大学硕七学位论文 混合介质的抗击穿能力降低，使得两极间距离较大时就会发生火花放电，放电间隙增 大。对此，有学者从聚结不稳定性和胶体系统动力稳定性两个方面进行分析，认为正是由 于粉末添加剂与工作液形成的胶体系统增大了放电间隙。而放电间隙的增大对放电加工， 尤其对精加工极为有利。 混粉电火花因常采用小规准、正极性加工，其放电通道中的载流子主要为电子，放电 时电子首先从工具电极( 负极) 表面逸出并在电场的作用下向工件表面运动，运动中不断和 工作液中的极性分子及粉末颗粒碰撞，使其释放出更多的电子，致使放电通道逐渐变粗， 电子在较大面积内对工件表面进行撞击，产生热量。 由于工件表面受撞击面积越大，单位面积上所获得的能量越小，因而对工件表层材料 的熔化深度及熔融材料的抛出能力也就越小，从而在工件表面形成大而浅的放电蚀坑，这 也是混粉电火花加工能改善工件表面粗糙度的原因。 1 3 混粉电火花技术存在的问题及发展趋势 电火花加工技术由于其自身的加工特点对加工工艺要求非常高，影响因素众多，所以 在加工过程中若想充分利用电火花加工的技术优势，就必然要不断有设备上及工艺上的更 新。随着研究的不断深入，近年来我国在精密电火花加工方面虽然已经缩短了与国外的差 距，新的加工设备和技术也独具自身特色。但还需要有更深入和系统性的进一步研究，进 而使其形成相对成熟与稳定的技术能力。这也是电火花加工仍然不能被广泛应用于工业生 产上的关键所在。 现代科研发展日新月异，可以预想随着人们对特种加工工艺的基本现象、基本原理、 基本规律的不断深入研究，必将能揭示出电火花加工技术的物理本质和规律，也必将促进 其取得长远的进步，使得其在国家航空、航天、能源、军工、微电子等领域起到更加关键 性的作用。 1 3 1混粉电火花技术存在的问题 相对于传统电火花加工，混粉电火花加工中要加入粉末颗粒，这就使得加工过程更加 复杂化。现有的研究理论及成果大都是建立在对单一加工参数的改变、对某些因素的简化、 取舍及假设的基础上的。又因为这些理论成果中所研究的前提条件并不十分准确，使其不 可避免的带有局限性，从而只能解释加工过程中的部分现象或着某些方面。这就需要更多 的实验研究来对其形成合理可靠的支持。 混粉电火花加工技术具有其它技术无法媲美的优点，但是由于粉末的参与放电，使 得其加工过程中影响因素众多，至今人们对其放电机理未能形成统一的认识，而在工艺 方面，尚有许多规律未被详尽揭示，工艺特性也仍有进一步提升的空间，因此，目前对 添加粉末对混粉电火花加t 作用机制的研究 于混粉电火花加工技术的研究不充分，阻碍了混粉电火花加工技术在实际生产中推广应 用的进程，仍需进行大量的工作。 ( 1 ) 在加工机理方面，与常规电火花加工相比，混粉电火花加工中，粉末与粉末之 间、粉末与工作液之间的相互影响等加工的机理还不甚明了。因此，混粉电火花加工放 电过程有待于进一步的探索求证，仍需进行大量的研究工作，一旦人们明确了它的机理， 一定会引发这项技术的更大的发展。 ( 2 ) 在工艺方面，目前的研究尚不充分。以往的工作主要集中在某一加工参数对某 一加工效果的单因素影响，即随着加工参数的变化，加工效果的变化趋势如何，但是对 于加工参数对加工效果的影响程度研究甚少，尚有许多规律未被详尽揭示。同时，各加 工参数交互作用下，加工参数对加工效果影响能力的变化也未见报道。全面了解各加工 参数的交互作用，以及其对加工效果的影响能力，对于在实际操作中，在满足加工要求 的前提下，设计工艺参数和降低能耗有重要的指导意义。 ( 3 ) 作为零件表面加工工艺的最终阶段，加工工件表面的特性是我们所关注的。目 前更多的工作是关于表面粗糙度和表面质量的研究，而忽视对于尺寸精度的研究。工作 液中的粉末增大了放电间隙，增加了精密加工中尺寸精度控制的难度，而且会对棱边处、 锐角处造成影响，目前混粉电火花加工技术还不能用于精密型腔加工中。 1 3 2 发展趋势 随着人们对混粉电火花加工这项技术研究的深入，一些新的应用领域又陆续被开辟 出来，其研究和应用领域主要有以下几个方面： ( 1 ) 混粉电火花加工表面改质技术 常规的电火花表面改质技术是直接利用具有高能量密度的电能对工件表面进行强 化处理。它是通过火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，形成合金 化的表面强化层，从而使工件的物理、化学和机械性能得到改善【2 5 筇】。这往往需要制作 特殊材料的工具电极，使工具电极中的特定成分在放电过程中进入工件表面，以实现对 工件表面的强化。如需要在工件表面形成碳化钛( t i c ) 或碳化钨( w c ) 层时，必须采用钛 合金粉末或钨粉末烧结材料制作工具电极，电极的制作难度比较大，成本较高。 而混粉电火花表面改质技术是工作液中的粉末元素在放电过程中进入高热的工件 表面，在放电过程中以固溶体的形式渗入工件表面，从而使工件表面的成分和性能发生 改变【2 7 1 。因而，根据对工件表面性能的要求，添加特定材料的粉末，可以获得不同性能 的表面，实现加工表面的强化。更进一步，控制不同的加工参数，从而控制渗入加工表 面粉末元素的含量，达到表面改质的效果，不需专门制造强化电极，缩短了生产周期， 大连理工大学硕士学位论文 节约了成本。 目前，混粉电火花的表面改质技术已经广泛的引起了学术界的注意，伯明翰大学的 j s i m a o 等人，作了许多有益的工作，其加工表面的强化层厚度达到了3 0 i t m 2 。日本学 者白木腾己等发现在工作液中添m o s 2 粉末，可使加工表面的润滑性大大提高，而同时 添加铝粉和m o s 2 粉末，则可以在改善加工表面粗糙度的同时提高表面的润滑性，从而 实现精加工表面和润滑面的同时形成【2 9 1 。工作液中添加的粉末为硅粉时也会使工件表面 性能发生变化，耐磨、耐蚀性及显微硬度得以提高。当然，混粉电火花表面强化的工艺 还需要进一步的完善，其涂层的厚度还比较薄；此外，如何通过加工工艺和放电参数来 控制涂层的厚度和表面质量还需要进一步的深入研究。 ( 2 ) 混粉电火花加工表面镀覆技术 在电火花表面强化技术基础上发展起来的电火花表面镀覆技术是利用火花放电作 用将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，并且在工件表面上形成具有一定厚度的 镀覆层，表面镀覆技术可实现工件表面强化与尺寸修复的同步进行。 混粉电火花加工的工件表面存在镀覆层，厚度约为3 1 0 i _ t m ，硬度高且不易脱落。 该层的耐腐蚀度高，对水有排斥性，而且加工速度快，因而有可能使混粉电火花加工成 为一种新的镀覆工艺【3 】。研究实验表明，通过在工作液中添加特定材料的粉末，也同样 能够达到表面镀覆的效果。k a t s u s h i 等在以钛粉作为添加粉末材料，以紫铜作为工具电 极，碳钢作为工件进行电火花表面改性实验时，发现在工件表面基体材料之上形成了厚 度为1 6 0 t t m 的t i c 层，并且其硬度达到了1 6 0 0 h v ，从而证明了混粉电火花表面镀覆技 术的可行性【3 1 。 ( 3 ) 混粉电火花沉积加工 电火花沉积是通过工具电极在z 轴方向进给，两极间脉冲放电的情况下，电极材料 在放电能量作用下熔化、气化，加工蚀除物在重力和电场力等共同作用下被带到工件上 冷却形成沉积物，在这个过程中只有少部分熔融物被当作废屑排出【3 2 1 。 如果考虑将混粉电火花加工表面的镀覆层限定在指定区域，生长成指定形状，就可 以形成一种新的加工方式，即混粉电火花沉积加工。沉积加工无需加工余量，而且可以 方便的通过改变添加粉末元素来改变生成工件的成分，这种加工技术在理论上具有很高 的应用价值，但是，如何控制不同的粉末元素在不同的位置按指定要求生长，其可行性 还有待于证实。 添加粉末对混粉电火花加_ 丁作用机制的研究 1 4 实验材料、设备和研究方法 1 4 1实验材料 ( 1 ) 添加粉末及工作液 表1 1 铝和硅的材料物理特性 t a b 1 1 p h y s i c a lp l l l p e r t i e so f a l u m i n i u ma n ds i l i c o n 实验选取日本沙迪克公司生产的煤油工作液作为传统电火花加工的工作液，选取该 公司生产的铝粉和硅粉作为混粉电火花加工的添加剂。铝和硅两种粉末的主要物理特性 如表1 1 所示，其中硅的热传导率和比热为其在温度为3 0 0k 时的值。随着温度的升高， 其热传导率会随之变小，而比热则会变大【3 3 1 。铝粉以其较低的密度、良好的导电性及其 在混粉电火花加工中可以获得良好的加工表面质量和较高的加工速度等特点，可以与硅 粉媲美。而且其价格适中，因此具有广阔的应用前景。本文中的实验主要是以硅粉和铝 粉作为加工添加剂，来研究这两种混粉工作液的加工性能，并通过对比分析，探讨不同 粉末特性对混粉电火花加工的影响规律及影响机理。 ( 2 ) 电极材料 在电火花加工过程中，电极是一个不可或缺的工具，在选择电极材料时要考虑多种 因素。电极在加工中被用于传输电脉冲、蚀除工件材料等。材料的选取直接关系到放电 加工的效果，在很大程度上，材料的选取是否恰当，决定了放电速度，加工精度以及表 面粗糙度的最终情况。应根据不同类型模具的实际需求，有针对性地对材料进行选择使 用。因此，在选择电极材料时，应考虑其导电性、耐腐蚀及材料普遍等特点。常用的电 极材料有石墨和紫铜。少数情况下也有采用合金作为电极材料的。 铜电极加工稳定性好。在电火花加工中，常用的铜为纯铜和紫铜。纯铜电极的导电 性好、加工过程中损耗低。适合用于形状精细要求较高的中小型型腔加工。而紫铜则是 目前在电加工领域应用最多的电极材料。它的材料塑性好，可采用机械加工成形、锻造 成形及电火花线切割成形等手段，制成各种复杂的电极形状。应用于电火花加工中的紫 铜必须是无杂质的电解铜，最好经过锻打。由于紫铜加工的稳定性好，被越来越多地应 大连理工大学硕十学位论文 用于电火花加工中。紫铜的物理性能稳定，在比较困难的条件下也能容易获得稳定的加 工状态，不易产生电弧等不良现象。在精加工中采用低损规准可获得轮廓清晰的型腔， 其组织结构致密，加工表面光洁度高，在一定的加工工艺手段和电源的条件下，能使用 于表面加工粗糙度达r a 0 0 2 5 1 a m 的镜面超光加工。但由于其本身熔点低，不能承受较大 的电流密度，一般加工的电流不能超过3 0 a ，否则会使电极表面严重受损、龟裂，影响 加工效果。紫铜热膨胀系数较大，在加工深窄筋位部分，较大电流下产生的局部高温很 容易使电极发生变形。紫铜电极通常采用低损耗的加工条件，由于低损耗加工的平均电 流较小，其生产率不高，故常对工件进行预加工。紫铜电极特别适合较高精度模具的电 火花加工，像加工中、小型型腔，花纹图案，细微部位等。 石墨也是一种比较常用的电极材料。石墨作为电极材料具有加工速度更快、重量更 轻、放电消耗更小、没有毛刺、更容易研磨和抛光、材料成本更低，价格更稳定等特 点。通常情况下，石墨的机械加工速度比铜快2 - - - , 5 倍，而放电加工速度比铜快2 - - 3 倍； 在薄筋电极的加工上优势明显，铜的软化点在1 0 0 0 度左右，容易因受热而产生变 形，石墨的升华温度为3 6 5 0 度，热膨胀系数仅有铜的1 3 0 ；石墨的密度只有铜的1 5 ， 大型电极进行放电加工时，能有效降低机床( e d m ) 的负担，更适合于在大型模具上的 应用；由于火花油中也含有c 原子，在放电加工时，高温导致火花油中的c 原子被分 解出来，转而在石墨电极的表面形成保护膜，补偿了石墨电极的损耗：铜电极在加工完 成后，还需手工进行修整以去除毛刺，而石墨加工后没有毛刺，节约了大量成本，同时 更容易实现自动化生产；由于石墨的切削阻力只有铜的1 5 ，更容易进行手工的研磨和 抛光；近几年铜价上涨，各向同性石墨的价格比铜更低，相同体积下，东洋炭素的普遍 性石墨产品的价格比铜的价格低3 0 - 6 0 ，并且价格更稳定，短期价格波动非常小。 综合上述可知，铜电极有着优良的光整性能，在加工中能有效的降低工件表面粗糙 度，达到接近镜面的效果。相比之下石墨电极适于中、粗加工的去除材料阶段，所以在 混粉镜面加工实验中选择铜作为工具电极材料。成形前经过精锻，以保证其致密度及均 匀性。 银钨合金电极与铜钨合金电极在理论上讲，作为金属中最好电极材料的钨，具有硬 度和强度高、密度大，熔点高等特点，其在加工中可以有效地减少电火花加工时的损耗。 这两种合金的含钨量都很高，所以在加工应用中电极损耗相对较小，机械加工成形也较 容易，并且特别适用于硬质合金、工具钢等模具加工及特殊异孔、槽的加工。其缺点是 价格较贵，尤其是银钨合金电极。除此之外，其它类型的电极如利用快速原型技术制造 电极技术【3 6 】能够生产在外层沉积铜的复杂形状电极，这样不仅可以节约成本，而且生成 添加粉末对混粉电火花加工作用机制的研究 的电极加工性能好；在有些加工中也利用铜钢爆炸复合材料做为工具电极【3 7 1 ，在本中 不再过多讲述。 ( 3 ) 工件材料 用于混粉电火花加工的工件材料对于加工后表面粗糙度影响很大。在相同条件下， 不同材料加工出来的表面粗糙度相差很多。有些材料适合混粉电火花镜面加工，有些材 料则截然不同。s k h 5 1 、e l m a x 、s k d 6 1 和s t a v a x 等材料适用于作为混粉电火花 镜面加工材料；而n a k 5 5 、s k d l1 等材料在用于混粉电火花加工时，则很难达到镜面 效果 3 8 1 。这是由于被加工材料所含有成分与材料的特性不同，例如工件材料中所含的硅 成分有利于加工表面粗糙度的降低，但是所含的硫成分和粗大晶粒会造成加工表面粗糙 度值增大【3 4 1 。此外，由于工件材料晶界和晶粒间存在较大差异，其微观导热性、导电性 以及机械强度等特性不同，加工表面均会产生不同的放电蚀坑和不均匀的分布【3 9 1 。 表1 2n a k 8 0 材料的成分 t a b 1 2 c o m p o s i t i o no f n a k 8 0 m a t e r i a l s 本文实验中选用的工件材料是目前模具行业中非常广泛使用的典型模具钢材料 n a k 8 0 。n a k 8 0 属于冷作模具钢，为n i a 1 c u 系时效硬化钢，具有良好的镜面研磨性 和切削加工性，被广泛应用于高性能、精密塑胶模具及冲压模具等。表1 2 为不同成分 在工件材料中的主要分布情况。 1 4 2 实验设备 。 本文中应用的实验设备为传统电火花加工设备与混粉电火花加工设备两种，分别进行 传统工作液的电火花加工和混粉电火花加工。混粉电火花加工设备是由日本沙迪克公司生 产的精密电火花加工机床，如图2 1 所示。 大连理。大学硕十学位论文 附11 具有取j 作液循环系统的精密电火花加i ：机床 f i gi 1 p r e c i s i o ne d mm a c h i n ew i t hd o u b l ew o r k i n gf l u i dc y c l es y s t e m 143 实验方法 ( 1 ) 悬浮体中固相体积分数计算式 v ，： ! 旦! 。 m p , h + n * m 式( 11 ) 中m 、卅分别粉末的理论密度及质量， 散剂的加入量以粉术的质量百分数计算。 ( 2 ) 加工表面元素分布 矿- * s 为混合液中煤油的体积。分 实验采用荷兰f e i 公司产扫描电子显微镜( q u a n t a2 0 0 ) 观察加工表面元素分布。 ( 3 ) 加工表面微观形貌的观察 实验中t 利用m x 4 0 倒置科研检测显微镜与o l y m p u sd p l 2 数码相机组合直接观 察拍摄加工表面的微观形貌。同时采用日本的j s m 5 6 0 0 l v 扫捕电子显微镜来观察添加 粉末的外貌。 ( 4 ) 表面粗糙度测定 借助k o s a k al a b o r a t o r y 公司生产的表面粗糙度测量仪来测量加工工件的表面粗糙 度数值。 ( 5 1 放电加工过程波形采集 利用美国横河公司产数字示波器( d l l 6 0 0 ) 来采集放电过程中的电流波形及电玉。 r 6 ) 实际加工深度的测定 添加粉末对混粉电火花加工作用机制的研究 实际加工深度跟标定深度由于放电间隙的原因并不一致，为了准确测定加工深度， 在放电加工机床的z 轴上固定一台电感测微仪( d o r a 4 ) ，通过测量工件表面与放电部位 的高度差计算实际加工深度。 ( 7 ) 损耗测定与计算 电极损耗的测定是通过加工机床来完成，在工作台上固定一基准球，通过读取一次 加工前后电极端面接触基准球的z 轴坐标值，计算出两者的差值，即为电极损耗数值。 1 5 本论文的主要研究内容 对混粉电火花加工技术本质上的探讨，无论是在理论研究上还是在实际应用中都有着 重要的意义。如果人们深入的明确了其加工机理及应用工艺，那么必然会为其进步发展开 拓出巨大的空间。因此，在本文中重点的研究了混粉电火花加工技术的加工工艺及机理。 同时本论文的主要目的在于研究混粉电火花加工过程中粉末颗粒对加工的影响，进而分析 新型粉末结构并对其进行验证。 本论文主要包括如下几个方面： 1 观察实验中加工表面粗糙度和凹坑形态的不同，比较研究混粉电火花与传统电火花 加工的差别，分析在混粉电火花加工过程中，不同粉末颗粒的性质、尺寸、浓度以及其相