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摘 要：概述了电火花镜面加工发展情况，提出了混气电火花镜面加工工艺。分析了混气电火花镜面加工的原理，设计了混气装置，并进行了加工实验，实验结果表明混气电火花加工能够有效地改善加工表面粗糙度和提高生产率。
关键词：混气电火花镜面加工 混气装置 表面粗糙度 生产率▲
电火花加工技术广泛地应用于模具制造和难加工材料的加工中。普通电火花加工表面比较粗糙；工件表面往往有一梨皮状白层，该层极脆，且有许多显微裂纹，并存在拉应力，其耐疲劳性能相对较差，从而大大影响了零件的使用寿命［1～4］。试验表明：当零件表面粗糙度小于Ra0.3μm，电加工表面的耐疲劳性能大致与机械加工表面相近，并且不会产生显微裂纹［1］。因此实现电火花镜面加工是电加工技术发展的一个重要方向。国外对电火花镜面加工技术的研究开展得较早，并且取得了较好的效果。沙迪克(Sodick)公司早在70年代末首先开创了电火花镜面加工技术的研究。早期的电火花镜面加工技术的研究主要局限在减小和控制脉冲放电能量［5］，如Sodick公司在1980年推出了第一代窄脉宽、低峰值电流的PIKA电源，达到表面粗糙度小于Ra0.1μm。这一时期的镜面加工主要限于小面积的超精加工［6］。对于较大面积的电火花加工，由于极间寄生电容的脉冲累积效应，使间隙的实际单次放电能量大于脉冲电源提供的单脉冲能量，从而影响了加工表面粗糙度值的减小，面积越大，影响也越大［6、7］。因此，国内外学者提出了许多工艺方法。例如：分割电极法［7］、简单电极展成法、共轭回转式加工法［8，9］、电火花磨削［10，11］、局部电场感应法［6］以及混粉加工法［12］等。其中，混粉加工法是由日本学者毛利尚武等提出的比较有影响的镜面电火花加工方法，能有效地解决极间寄生电容的问题。但是混粉加工法也存在一些问题，如要解决微细粉末在工作液中的均匀混合，微细粉末会对环境造成污染，并且成本也比较高，因此在实际应用中有一定的局限。笔者在电火花镜面加工技术的研究中发现，在加工间隙的工作液中混入气体可以有效地减小工件的表面粗糙度值，并能大大提高生产率。
1 混气电火花镜面加工原理分析
混气电火花加工就是在电火花加工间隙的工作液中混入气体，使气体以大量的微细气泡的形式参与工作。由于间隙中混入了气泡，从而引起了间隙电场、流场及放电特性的变化。
混入间隙的气泡使间隙电场发生了畸变，图1所示为气泡引起间隙电场畸变的示意图。在以气泡中心为坐标原点的球坐标系中，由高斯定律的拉普拉斯方程式可得到［13］气泡外p点处r方向的电场强度
 (1)
图1 气泡引起间隙电场畸变示意图
1.电极(+) 2.气泡 3.工件(-)
气泡外p点处Ø方向的电场强度
 (2)
气泡内的电场强度方向与Z向平行，大小为
 (3)
式中 r——间隙中一点与气泡中心的距离
E0——极间匀场电场强度
ε1——工作液的介电系数
ε2——空气的介电系数
α——气泡半径
Ø——r方向与z方向在纸平面上的夹角
从式(1)和(2)可知，在r=α，sinØ=1处气泡外工作液的电场强度最大，有
一般，电火花加工的工作液为煤油，则ε1=2.3ε2，得
(4)
可见，在气泡边缘处的电场强度要大于匀场电场强度值。由式(3)知气泡内的电场强度为
(5)
由上式可知，气泡中的电场强度同样也要比匀场电场大。因此，加工间隙中混入气泡后，间隙容易被击穿。但是间隙容易被击穿的最主要原因是，空气的抗电强度(3×104V/cm)比煤油的抗电强度(16×104V/cm)小得多，当极间加上一个较小的电压时，就能将气泡的介电性能破坏，造成碰撞电离［13］，从而在间隙中产生大量带电粒子，导致极间的击穿几率大大增加。
在镜面电火花加工中，间隙中还存在许多细小的电蚀产物，当用煤油作工作液时，主要是碳黑微粒。当这些电蚀产物在间隙中分布适当时有助于放电分散以及细化单次放电能量，从而减小工件表面粗糙度值。在间隙中混入气泡后，大量气泡由于浮力和流速产生的无规则搅拌运动，使间隙中电蚀产物的分布更加均匀。
综上所述，当间隙混入气泡后，均匀分布的气泡有助于放电分散，并且气泡促使间隙电蚀产物的分布更加均匀；间隙击穿电压降低，放电间隙距离增大，提高了加工稳定性，另外也减小了极间寄生电容的储能效应，降低了单脉冲放电能量。因此，混气电火花加工有利于减小工件表面粗糙度值，并能大大地提高生产率。众所周知，电火花加工一般是在煤油中进行的，煤油可以增大放电能量密度、压缩放电通道、冷却电极及有利于快速消电离等优点。混气电火花加工的实质是兼有了气体放电和液体放电的优点。
需要指出的是，混气电火花加工间隙特性实际上是由间隙中液、气、固三相共同作用的结果，间隙中的电场远比上述分析的复杂得多。
2 混气装置
在电火花加工中，只有当放电点分散时，才能达到加工目的，否则会因集中放电而烧伤工件，这就要求气泡能够比较均匀地分布在加工间隙之中。另外，在镜面加工中间隙一般比较小，要求气泡也应更小。因此，混气电火花加工对混气装置的基本要求是：(1)产生大量微细的气泡；(2)使气泡能均匀地分散在间隙中。
图2所示为混气装置原理图，图中内径为d的小管一端与大气相通，装置中流过一定速度的工作液，扁口端为冲油嘴。设图示虚线1～3处的通流面积分别为S1、S2和S3，且S1＜S2＜S3；相应的工作液的流速分别为V1、V2和V3。由于流过各个截面的流量相等，有
S1V1=S2V2=S3V3
因S1＜S2＜S3
则V1＞V2＞V3
由流体动力学原理可知，空气将通过直径为d的小管被抽入工作液中，并在液流中搅动形成微气泡混入工作液中，抽入空气的量可由d的大小来控制。工作时，将混气装置的冲油嘴对着加工间隙，当工作液从冲油口喷出时，工作液已成为煤油(若工作液为煤油)和大量微气泡的混合液，比较巧妙地解决了混气问题。
图2 混气装置原理图
3 混气电火花镜面加工实验
为了验证混气电火花镜面加工的效果，与加工间隙混气的情况进行了对比实验。加工条件如下：工件材料：优质模具钢718；电极：紫铜，Ø12mm;加工机床：HCD—400，自行研制的精微脉冲电源；电参数：高低压复合，Ie=1.76μs,t0=5μs，ti为变量；抬刀高度：第6档；抬刀频率：第3档，平动；SV：第1.5档。测量不同ti时的工件表面粗糙度值Ra(μm)和工件去除速度(mg/h)。实验结果如表所示，由表中数据可看出，间隙混气后，工件表面粗糙度值明显比同样条件下间隙不混气时的要好，并且工件去除速度的提高也很显著。这说明混气加工能够改善加工表面粗糙度，并能有效提高加工生产率。
间隙混气和不混气加工效果比较表
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