混粉電火花加工介質(zhì)擊穿機(jī)理及工藝特性仿真研究①

王新榮,任城龍,王 冬,張 霞

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

混粉電火花加工是近年來新興的一種精密加工技術(shù)，在模具制造行業(yè)及精密型腔零件加工領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)通過在煤油介質(zhì)中添加一定濃度和粒度的導(dǎo)電性粉末，并使之在煤油介質(zhì)中均勻懸浮，改變了工件與工具兩極之間放電間的狀態(tài)，從而使加工表面粗糙度降低，加工表面的耐磨性、耐蝕性、精加工效率得到提高。如果將混粉加工用作大型型腔模具的最終精密加工方法，取代后續(xù)手工拋光工序，還能大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，進(jìn)一步拓寬電火花加工的應(yīng)用范圍[1]。因此，開展混粉電火花加工的介質(zhì)擊穿機(jī)理及加工工藝特性仿真研究，對(duì)在加工實(shí)踐中正確選擇混粉加工工藝參數(shù)、提高加工表面質(zhì)量具有重要的意義[2]。同時(shí)也為推廣應(yīng)用混粉電火花加工技術(shù)，使其成為制造技術(shù)領(lǐng)域中有效的加工方法提供一定的理論依據(jù)。

1 粉末特性對(duì)混粉加工表面粗糙度影響機(jī)理的研究

1.1 粉末種類的影響

相對(duì)于絕緣性粉末來說，如果在工作液中加入導(dǎo)電性粉末，能減小加工表面粗糙度。因?yàn)榻^緣性粉末進(jìn)入放電間隙，不但不能改變工作液的介電強(qiáng)度，還會(huì)影響工作液的循環(huán)與流動(dòng)，對(duì)正常放電帶來不利影響。對(duì)于添加了導(dǎo)電性粉末的極間加工介質(zhì)，其被擊穿特性及難易程度與粉末原子第Ⅰ電離能有直接關(guān)系。第Ⅰ電離能越小，粉末原子就越容易失去外層電子，產(chǎn)生大量等離子體，也就越容易被電離擊穿[3]。幾種常用粉末原子第Ⅰ電離能如表1所示，由于Al第Ⅰ電離能最小，在低電壓下更容易被擊穿，使帶電粒子轟擊動(dòng)能減弱，使工件表層金屬蝕除量減少，因此使用添加了鋁粉的工作液進(jìn)行加工，能獲得更低的表面粗糙度。再?gòu)姆肿恿康拇笮〖胺勰┝Ｗ映恋矸矫鎭矸治觯捎贏l的分子量比Cr、Ni、W更小，所以在重力場(chǎng)作用下沉降現(xiàn)象減弱，有利于在工作液中均勻懸浮，能進(jìn)一步減小加工表面粗糙度。另外，鋁的導(dǎo)熱性能好，傳導(dǎo)散失的熱量多，使放電熱源的強(qiáng)度降低，使工件表層材料去除量減少。鋁還易于制作成細(xì)小均勻的粉末顆粒，混粉加工時(shí)能促使放電點(diǎn)分散和均勻分布，使放電蝕坑的一致性好。

表1 幾種粉末原子的第Ⅰ電離能

Si元素的第Ⅰ電離能雖然比Al 、Cr、Ni、W大，但Si與C同族，能促使煤油分子產(chǎn)生化學(xué)分解，使C原子與Si原子進(jìn)行交換。Si原子與H+離子之間親合力更強(qiáng)，能加快促進(jìn)煤油分子分解，使擊穿放電次數(shù)增多，能量消耗增多，從而使工件和工具電極表面獲得的能量減少，使加工表面產(chǎn)生的放電蝕坑變淺，所以，選用添加了硅粉的工作液進(jìn)行加工，也能獲得小的表面粗糙度。

1.2 粉末濃度的影響

由于鋁、硅粉末的介電常數(shù)大于煤油介質(zhì)的介電常數(shù)，所以當(dāng)在煤油中混入鋁或硅粉末時(shí)，混粉工作液的介電常數(shù)就會(huì)大于煤油介質(zhì)的介電常數(shù)。而且隨著粉末濃度的逐步增大，混粉工作液的介電常數(shù)也增大，絕緣強(qiáng)度相應(yīng)降低，使極間工作液介質(zhì)更容易產(chǎn)生擊穿放電。另外，粉末濃度進(jìn)一步增大，被電離出來的帶電粒子數(shù)目也越多，消耗能量也隨之增多，導(dǎo)致脈沖放電能量被分散了。隨著粉末濃度的增大，工作液的擊穿電壓下降,加速電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)減小，帶電粒子的轟擊作用減弱，使放電蝕坑深度減小。

此外，隨著粉末濃度增大，工作液中帶電粒子數(shù)目增多，有利于極間介質(zhì)消電離，復(fù)合成中性粒子，使火花放電均勻分散。因?yàn)閹щ娏Ｗ訑?shù)越多，相互撞擊的概率就越大，帶電粒子所攜帶的動(dòng)能會(huì)因撞擊次數(shù)增多而消耗增多。動(dòng)能減少了，就會(huì)顯著增加帶電粒子復(fù)合的概率，使消電離充分，有利于放電點(diǎn)順利轉(zhuǎn)移，并在加工表面均勻分布。

雖然增大粉末濃度有利于減小表面粗糙度，但不能過大，否則工作液流動(dòng)性變差，嚴(yán)重影響其循環(huán)與更新。還容易產(chǎn)生粉末沉淀，使放電間隙的狀態(tài)受到破壞，出現(xiàn)放電集中現(xiàn)象，對(duì)加工效果產(chǎn)生不利影響。所以混粉工作液的濃度以(30～40)g/L為宜。

1.3 粉末粒度的影響

混粉加工?；烊脘X粉或硅粉等，由于不同材質(zhì)的粉末其制造工藝不同，因此粉末粒度就不同。對(duì)于鋁或者硅粉來說，如果粉末粒度細(xì)小，就能獲得小的加工表面粗糙度。因?yàn)榛烊敕勰╇m然能使放電間隙增大，但最大不會(huì)超過100μm。當(dāng)有粗大粉末顆粒進(jìn)入放電間隙，由于顆粒的尺寸及重量大，在放電間隙容易產(chǎn)生沉淀，造成新的火花放電誘發(fā)源，引發(fā)出放電集中或短路現(xiàn)象，使加工過程不穩(wěn)定，使正常火花放電遭到破壞，放電蝕坑出現(xiàn)重疊，形成既大又深的放電蝕坑，使加工表面質(zhì)量變差。相反，當(dāng)有細(xì)小的粉末顆粒進(jìn)入放電間隙時(shí)，有利于保持均勻懸浮，使火花放電在加工表面均勻分布，因此粉末粒度以小于15μm為宜。

2 脈沖放電參數(shù)對(duì)混粉工藝特性影響的仿真研究

由電火花加工基本原理得知，加工表面由無數(shù)個(gè)相互重疊的放電蝕坑所組成，放電蝕坑深度以及均勻分布情況決定了加工表面粗糙度，而單個(gè)脈沖放電產(chǎn)生熱源作用而形成的溫度場(chǎng)，對(duì)放電蝕坑半徑及深度有著重要影響。所以對(duì)單脈沖放電溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，對(duì)預(yù)測(cè)和改善加工表面粗糙度，揭示材料去除機(jī)理具有重要意義。

2.1 放電蝕坑深度與工件表層溫度場(chǎng)的關(guān)系分析

電火花加工脈沖放電所釋放的能量，絕大部分被轉(zhuǎn)化成熱能，而這些熱能將分別傳遞給工件、工具電極和液體介質(zhì)等[4]?；鸹ǚ烹娫诩庸らg隙中形成一條高能量密度的放電通道，分別使工件和工具放電點(diǎn)周圍受到熱源作用，使放電點(diǎn)處的溫度逐步升高，當(dāng)溫度升高超過材料熔點(diǎn)和沸點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熔化和汽化現(xiàn)象，然后通過熱膨脹將這些熔融材料拋離工件表面。火花放電時(shí)放電點(diǎn)中心處溫度最高，放電點(diǎn)周圍沿深度及徑向方向溫度逐步降低。放電蝕坑深度與加工材料表面放電點(diǎn)附近的熔化層深度密切相關(guān)，放電點(diǎn)處溫度場(chǎng)的溫度越高，熔化、汽化層越深，放電蝕坑就越深，也就是放電溫度場(chǎng)分布決定了放電蝕坑深度。

混粉電火花加工工件表層所形成的放電蝕坑深度，與工件材料、工作液介質(zhì)成分及脈沖放電參數(shù)等直接相關(guān)。在所有脈沖放電參數(shù)中以峰值電流和脈沖寬度對(duì)放電蝕坑深度的影響最為明顯[5]。下面采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)峰值電流對(duì)放電蝕坑深度的影響進(jìn)行仿真研究。

2.2 峰值電流對(duì)單脈沖放電蝕坑深度影響的仿真研究

仿真研究的工況條件：工件選材45鋼，放電電壓25V，脈沖寬度選擇4μs，在上述工藝參數(shù)不變的條件下，改變峰值電流的大小分別為2A、4A、6A和8A?；贏NSYS軟件，對(duì)工件進(jìn)行有限元瞬態(tài)熱分析，獲得單脈沖放電時(shí)放電點(diǎn)周圍四分之一模型的溫度場(chǎng)分布，如圖1所示。由仿真結(jié)果看出，工件表層放電中心處溫度最高，高達(dá)9000℃左右，且峰值電流越大，放電中心溫度越高。由于工件材料本身的熱傳導(dǎo)，以及工件材料與工作液介質(zhì)間的熱對(duì)流等作用，使放電點(diǎn)溫度由放電中心向周圍逐步降低，呈現(xiàn)出不均勻的梯度分布[6]。假定不考慮白層的影響，那么超過材料熔點(diǎn)(約1500℃)區(qū)域的金屬將被全部蝕除，從而得到不同峰值電流下電蝕坑的深度值，表2列出了不同峰值電流下的有限元仿真結(jié)果。

圖1 不同峰沖電流下工件材料放電點(diǎn)溫度場(chǎng)分布圖

表2 加工參數(shù)及仿真結(jié)果

脈沖寬度4μs，峰值電流取值2A、6A時(shí)，采用有限元仿真得到工件放電點(diǎn)中心沿深度方向的溫度分布曲線，如圖2所示。由圖可以看出，在工件表層放電點(diǎn)中心處溫度最高，由放電點(diǎn)中心沿深度方向溫度逐步降低，變化趨勢(shì)是先快后慢。而且峰值電流越大，溫度場(chǎng)的溫度就越高，工件表面熔化層越深，則放電蝕坑變深，加工表面就更粗糙。

圖2 工件放電點(diǎn)中心沿深度方向的溫度分布曲線

脈沖寬度4μs，峰值電流分別取值2A、4A、6A和8A，通過仿真計(jì)算得到電蝕坑深度值如表1所示。依據(jù)仿真計(jì)算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出放電蝕坑深度隨峰值電流大小而變化的曲線，如圖3所示。由圖3得知，在相同脈沖寬度下，放電蝕坑深度隨峰值電流的增大而增大，加工表面粗糙度值也相應(yīng)增大。因?yàn)槊}沖寬度大小不變時(shí)，峰值電流越大，單個(gè)脈沖放電能量也越大，使每次放電蝕除量增多，導(dǎo)致放電蝕坑加深。所以，混粉加工欲改善加工表面粗糙度，就應(yīng)選用小的峰值電流值。

圖3 脈沖寬度一定時(shí)不同峰值電流下電蝕坑深度曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

解釋了混粉電火花加工擊穿放電的機(jī)理和材料去除機(jī)制，探討了影響放電蝕坑深度及加工表面粗糙度的主要因素及其影響規(guī)律，具體結(jié)論如下：

(1)混粉加工通過在煤油介質(zhì)中添加一定數(shù)量導(dǎo)電性粉末，并適當(dāng)增大粉末的濃度，選用粒度細(xì)小的粉末顆粒，均能改善模具型腔表面粗糙度，提高混粉技術(shù)的工藝效果。

(2)通過有限元仿真，獲得單個(gè)脈沖放電材料表層溫度場(chǎng)分布及放電蝕坑深度隨峰值電流大小而變化規(guī)律。在混粉加工中隨著峰值電流的減小，放電蝕坑深度也相應(yīng)減小，利于改善加工表面質(zhì)量。