王新榮,任城龍,王 冬,張 霞

(佳木斯大學機械工程學院，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強度，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，進一步拓寬電火花加工的應用范圍[1]。因此，開展混粉電火花加工的介質(zhì)擊穿機理及加工工藝特性仿真研究，對在加工實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]。同時也為推廣應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 粉末特性對混粉加工表面粗糙度影響機理的研究

1.1 粉末種類的影響

相對于絕緣性粉末來說，如果在工作液中加入導電性粉末，能減小加工表面粗糙度。因為絕緣性粉末進入放電間隙，不但不能改變工作液的介電強度，還會影響工作液的循環(huán)與流動，對正常放電帶來不利影響。對于添加了導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行加工，能獲得更低的表面粗糙度。再從分子量的大小及粉末粒子沉淀方面來分析，由于Al的分子量比Cr、Ni、W更小，所以在重力場作用下沉降現(xiàn)象減弱，有利于在工作液中均勻懸浮，能進一步減小加工表面粗糙度。另外，鋁的導熱性能好，傳導散失的熱量多，使放電熱源的強度降低，使工件表層材料去除量減少。鋁還易于制作成細小均勻的粉末顆粒，混粉加工時能促使放電點分散和均勻分布，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)生化學分解，使C原子與Si原子進行交換。Si原子與H+離子之間親合力更強，能加快促進煤油分子分解，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)，所以當在煤油中混入鋁或硅粉末時，混粉工作液的介電常數(shù)就會大于煤油介質(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，絕緣強度相應降低，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,加速電場的場強減小，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，復合成中性粒子，使火花放電均勻分散。因為帶電粒子數(shù)越多，相互撞擊的概率就越大，帶電粒子所攜帶的動能會因撞擊次數(shù)增多而消耗增多。動能減少了，就會顯著增加帶電粒子復合的概率，使消電離充分，有利于放電點順利轉(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，否則工作液流動性變差，嚴重影響其循環(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。對于鋁或者硅粉來說，如果粉末粒度細小，就能獲得小的加工表面粗糙度。因為混入粉末雖然能使放電間隙增大，但最大不會超過100μm。當有粗大粉末顆粒進入放電間隙，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?；鸹ǚ烹娫獾狡茐?，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，當有細小的粉末顆粒進入放電間隙時，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，而單個脈沖放電產(chǎn)生熱源作用而形成的溫度場，對放電蝕坑半徑及深度有著重要影響。所以對單脈沖放電溫度場進行仿真研究，對預測和改善加工表面粗糙度，揭示材料去除機理具有重要意義。

2.1 放電蝕坑深度與工件表層溫度場的關(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周圍受到熱源作用，使放電點處的溫度逐步升高，當溫度升高超過材料熔點和沸點時，就會產(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?；鸹ǚ烹姇r放電點中心處溫度最高，放電點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附近的熔化層深度密切相關(guān)，放電點處溫度場的溫度越高，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有限元分析軟件對峰值電流對放電蝕坑深度的影響進行仿真研究。

2.2 峰值電流對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，對工件進行有限元瞬態(tài)熱分析，獲得單脈沖放電時放電點周圍四分之一模型的溫度場分布，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，以及工件材料與工作液介質(zhì)間的熱對流等作用，使放電點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(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溫度場分布圖

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，采用有限元仿真得到工件放電點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，在工件表層放電點中心處溫度最高，由放電點中心沿深度方向溫度逐步降低，變化趨勢是先快后慢。而且峰值電流越大，溫度場的溫度就越高，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，通過仿真計算得到電蝕坑深度值如表1所示。依據(jù)仿真計算得到的結(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增大。因為脈沖寬度大小不變時，峰值電流越大，單個脈沖放電能量也越大，使每次放電蝕除量增多，導致放電蝕坑加深。所以，混粉加工欲改善加工表面粗糙度，就應選用小的峰值電流值。

圖3 脈沖寬度一定時不同峰值電流下電蝕坑深度曲線

3 結(jié) 語

解釋了混粉電火花加工擊穿放電的機理和材料去除機制，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)量導電性粉末，并適當增大粉末的濃度，選用粒度細小的粉末顆粒，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，獲得單個脈沖放電材料表層溫度場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減小，利于改善加工表面質(zhì)量。