蘇 銘

微細(xì)電火花加工 (Micro Electrical Discharge Machining, Micro EDM) 作為微細(xì)加工領(lǐng)域的一種有效加工手段，具有加工過程中不直接接觸被加工材料，宏觀作用力小，加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。電極表面材料被蝕除的過程可以分為四個連續(xù)階段：極間介質(zhì)被瞬時(shí)電離，介質(zhì)被擊穿后產(chǎn)生放電通道；介質(zhì)被加熱分解，電極表面材料受熱熔化、氣化甚至熱膨脹；電極反應(yīng)過程中材料被拋出；最后是極間介質(zhì)消離子。所以，對火花放電的加工程序可以概括為放電通道中的電極材料經(jīng)過反應(yīng)轉(zhuǎn)移形成電極表面和外觀形狀的過程。

1 電火花加工原理

1.1 原理和特點(diǎn)

微細(xì)電火花加工與普通電火花加工原理沒有根本上的差別，都是通過在陰極和陽極之間介質(zhì)進(jìn)行放電形成脈沖性火花，使材料表面受火花放電作用而蝕除材料。理論上講，只需有可控性好的脈沖電源提供特別小的能量，在較高精度伺服進(jìn)給系統(tǒng)控制下的機(jī)床上，即可實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工（見圖1）。

圖1 電火花加工系統(tǒng)

微細(xì)電火花加工的表面質(zhì)量主要取決于放電時(shí)一個脈沖所釋放的能量。加工的精度取決于電極損耗、脈沖電源和伺服系統(tǒng)。又由于加工尺寸微小，所以更加精確。微細(xì)電火花加工的特點(diǎn)如下:

（1） 放電所需的面積特別小。微細(xì)電火花加工時(shí)兩電極之間的直徑通常在5～100 μm[1]。

（2） 單個脈沖放電能量小。每個放電脈沖的能量一般在10-6～10-7J 之間，甚至更小[2]。

（3） 放電間隙很小。微細(xì)電火花設(shè)備對放電間隙的實(shí)時(shí)檢測和控制直接關(guān)系著放電加工的效率和精度，必須保證在加工過程中，能夠根據(jù)加工情況實(shí)時(shí)控制放電間隙。

1.2 電極材料的蝕除過程

微細(xì)電火花電極材料的蝕除過程，包括擊穿極間介質(zhì)，形成放電通道，材料表面發(fā)射電子等。

（1） 熱電子發(fā)射 當(dāng)陰極材料表面受到轟擊后溫度上升，內(nèi)部電子得到動能，熱運(yùn)動加快，當(dāng)熱運(yùn)動能量達(dá)到足以使一部分電子克服阻礙時(shí)，從電極內(nèi)部流出的電子進(jìn)入放電通道或介質(zhì)中。

（2） 場致發(fā)射 在電場很強(qiáng)的情況下，阻礙電子運(yùn)動的壁壘不再阻擋，則電子在陰極內(nèi)部隧道效應(yīng)的作用下到達(dá)陰極表面，造成陰極電子發(fā)射，該過程被稱為電子場致發(fā)射。

（3） 光電子發(fā)射 由于在陰極、陽極兩極之間放電是爆炸性的，在這一過程中伴隨有強(qiáng)光釋放，光的能量輻射到電極材料的表面，使很多電子得到能量，被稱為光電子發(fā)射。

（4） 二次電子發(fā)射 高速帶電粒子轟擊陰極、陽極表面，釋放能量而引發(fā)的電子發(fā)射，通常被稱二次電子發(fā)射。

1.3 放電能量的轉(zhuǎn)化、分配與傳遞

在穩(wěn)定的放電通道中，電能被轉(zhuǎn)化為磁能、光能、動能、熱能等形式。這其中，電能用于加熱兩極的放電點(diǎn)，使介質(zhì)及兩極的表面材料氣化，釋放的大部分能量為熱能。

在電火花放電過程中，陰、陽兩級放電能量的分布可表示為：

式中：p—放電功率（kW）；pa—陽極消耗功率，（kW）；pc—陰極消耗功率（kW）；pl—放電通道消耗功率（kW）；u()t —兩極放電通道中的電壓變化量（V）；i()t —峰值電流的大?。ˋ）。

在火花放電過程中，作用在兩極的電壓，在等離子區(qū)通過放電通道的變化很小，因而，有些專家認(rèn)為這一小塊區(qū)域產(chǎn)生能量很少，通常占兩極間總能量15%～40%[3]，很大一部分高速運(yùn)動的帶電粒子在撞擊到電極表面時(shí)把能量釋放到電極表面。在此過程中中，介質(zhì)被擊穿并形成放電通道，部分介質(zhì)被氣化，放電產(chǎn)生的熱量通過放電通道傳送，同時(shí)，電極材料表面還存留很多熱量。元木斡雄根據(jù)T-E 理論計(jì)算并證明能量在介質(zhì)和兩極之間的分配關(guān)系與電極材料及放電持續(xù)時(shí)間有關(guān)[4]。

Kong W[4]通過單脈沖放電試驗(yàn)，分析放電痕跡的形狀和尺寸。認(rèn)為約30%和60%的放電能量分別為陽極和陰極吸收；夏恒[5]通過將測量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對比證明，陰極中的能量總是比陽極少，但是兩級所獲得的能量與脈沖寬度不相關(guān)。

目前通常認(rèn)為，產(chǎn)生電極材料蝕除的幾種能量形式如下：

（1） 在兩極場強(qiáng)的作用下，帶電粒子對兩極表面的轟擊。

（2） 從電極材料逸出的粒子在電極之間的能量交換。

（2） 放電通道內(nèi)等離子體互相碰撞釋放的輻射。

（4） 兩極氣化粒子在放電通道中對兩極表面的熱沖擊。

上述四種能量中，起主導(dǎo)作用的是帶電粒子對兩極表面的轟擊。脈沖放電時(shí)，在放電通道中的等離子體中存在大量電子，這些電子轟擊陽極表面，將動能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給陽極。電子流密度越大，數(shù)目越多，傳遞給陽極的能量也越大。而其他幾種能量作用相對較小。但在微細(xì)電火花加工中，有學(xué)者認(rèn)為幾種能量所起作用的比重各有不同，還定量證明被加熱表面溫度過高是電火花蝕除材料的主要原因[6～8]

1.4 電蝕產(chǎn)物的拋出機(jī)理

陰、陽兩極材料表面吸收的熱能分為體積熱源和表面熱源。在極短時(shí)間里放電能夠形成放電通道，由于有趨膚效應(yīng)的電流密度在兩極之間的分布并不均勻，所以電極材料外部溫度的分布也是忽高忽低，與放電通道接觸的材料表面的電流密度非常大。在熱傳導(dǎo)作用下，電極中有電流快速通過。由于釋放出來的能量由電極內(nèi)部產(chǎn)生，所以被稱作體積熱源。而由于釋放的能量能夠促進(jìn)電極表面溫度升高，所以從電極材料外部看，又被稱為表面熱源。

這兩種熱源所起到的加工作用不同，傳遞的能量和作用時(shí)間也不同。在放電初期，兩極吸收能量的時(shí)間非常短，溫度在極短的時(shí)間內(nèi)迅速上升，電極瞬間被加熱而劇烈熔化，甚至氣化，此時(shí)起主要作用的是體積熱源。隨著時(shí)間延長，熱傳導(dǎo)作用更加明顯，在放電通道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，表面熱源起主要作用。從兩者的作用時(shí)間、傳遞能量的角度看，體積熱源在蝕除材料的過程中占主要地位，所以形成凹坑的主要能量源于體積熱源。電極材料表面吸收熱量后，表面溫度超過材料沸點(diǎn)，從而形成汽化區(qū)，較深的地方達(dá)到材料的熔點(diǎn)，而形成熔化區(qū)；另外，在放電過程中產(chǎn)生的氣泡在電流密度壓力下形成一定的真空空間，電極材料氣化產(chǎn)生的氣體在壓力作用下向外釋放。這些被汽化和熔化的蝕除材料被拋出電極后迅速冷凝成顆粒回落在凹坑的邊緣形成突起，而沒有被拋出的熔化材料，在溫度降低后，留在凹坑底部形成凝固層。在凝固層以下的電極內(nèi)部，雖然吸收的到一定的能量，但沒有引發(fā)相變，形成熱影響區(qū)。而遠(yuǎn)離放電點(diǎn)的更深的部分，理論上認(rèn)為能量沒有傳遞過去，所以被叫做無變化區(qū)（見圖2）。

圖2 單脈沖放電凹坑剖面示意圖

因此，電極材料的被拋出的過程，實(shí)際上是熱爆炸力、流體動力等綜合作用的結(jié)果。

2 單脈沖放電實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電火花的加工過程比較復(fù)雜，放電時(shí)間非常短，且有連續(xù)性，除了峰值電流和脈寬以外，脈間、空載電壓、放電間隙、沖液和極性效應(yīng)等對加工過程及加工質(zhì)量都有影響。同時(shí)，由于在連續(xù)加工過程中存在短路、過度電弧放電、拉弧、空載、正常放電五種放電狀態(tài)，所以放電機(jī)理十分復(fù)雜，無法確定對電火花加工的影響，增加了研究的難度。然而，由于可以將連續(xù)脈沖離散為多個單脈沖的有序組合。因此，本文通過單脈沖放電實(shí)驗(yàn)研究連續(xù)放電加工。

在微細(xì)電火花加工中，為控制脈沖放電能量通常采用窄脈寬加工，而且在實(shí)際電火花放電加工中，短脈沖加工更能反映電極材料蝕除過程中不同能量所起的作用。通常情況下，在其他電參數(shù)相同條件下，脈沖寬度越窄，放電初始階段的作用越明顯。因此，本文設(shè)計(jì)窄脈寬(1～5 μs) 下，單脈沖放電加工實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通常，單脈沖電源可用單片機(jī)等將電源改造而成。本文的實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)控制器電路及加工軟件等，實(shí)施過程有一定難度，由于存在人為因素的影響，產(chǎn)生誤差的風(fēng)險(xiǎn)增加。本文利用放電加工過程中電極損耗的原理設(shè)計(jì)單脈沖實(shí)驗(yàn)，并且獲得單脈沖放電時(shí)電極表面的形貌。

根據(jù)電極損耗原理，工具電極在放電加工中會有一定的損耗，當(dāng)電極單次運(yùn)動加工一定深度的淺槽時(shí)，當(dāng)電極損耗到最大放電距離的極限位置時(shí)，便會獲得單脈沖放電形成的加工表面痕（見圖3）。

圖3 單脈沖放電試驗(yàn)原理示意圖

本文工具材料為硬質(zhì)合金，工件材料為45#，介質(zhì)為煤油。加工深度為0.05 mm。

本文采用的微細(xì)電火花打孔成形機(jī)具有很高的加工精度，可以加工比較小且難加工的孔，還可以加工三維建模的小零件（見圖4～5，表1～2）。

表1 SX-100HPM 技術(shù)參數(shù)

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

表2 放電加工條件

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將單脈沖放電實(shí)驗(yàn)獲得的加工表面放在高倍光學(xué)顯微鏡下觀察獲得的凹坑（見圖6）。

圖6 單脈沖放電加工表面凹坑

可以看出，加工表面的凹坑形狀和大小都不同。由于電參數(shù)設(shè)置不同，由放電能量在表面形成不同程度的灼燒痕跡，但在電極運(yùn)動方向上形成的凹坑排列對稱均勻、大小接近、形狀相似（見圖7）。

圖7 單脈沖放電凹坑的排列

3 結(jié) 語

（1） 本文介紹電火花加工的基本原理和特點(diǎn)，分析電極材料的蝕除過程，電子發(fā)射方式和原因，極間放電能量的轉(zhuǎn)化、分配與傳遞，以及電蝕產(chǎn)物的拋出原理。設(shè)計(jì)實(shí)施單脈沖放電實(shí)驗(yàn)，得到單脈沖放電形成的材料表面形貌，以及單個脈沖形成凹坑的形貌和大小。

（2） 從電火花加工機(jī)理出發(fā)，總結(jié)在窄脈寬下，材料加工表面的形貌特征及形成原因，指出不同形貌凹坑的成因，得到不同放電參數(shù)下表面形貌、凹坑大小及形態(tài)之間的差別。