摘 要火花放電時(shí)形成的放電蝕坑的大小與形狀對(duì)電火花加工表面粗糙度有重要影響，而放電蝕坑的形成又與放電時(shí)在工件表層產(chǎn)生的溫度場(chǎng)有關(guān)。本文通過對(duì)火花放電時(shí)在工件表層形成的溫度場(chǎng)的計(jì)算，分析了影響放電蝕坑深度的因素及影響規(guī)律，并利用該規(guī)律對(duì)混粉電火花加工的機(jī)理進(jìn)行了解釋。
abstractthe discharge crater formed by edm has important influence to the edming workpiece surface roughness,and the discharge crater is influenced by temperature field formed by electric discharge.in this paper the temperature field in workpece surface layer is calculated.the factors that influence the discharge crater depth and their rules are discussed.by using the discuss result the mechanism for powder-mixed fluid edm is made clear.
1 引言
混粉電火花加工是一門新技術(shù)，它通過在電火花工作液中添加硅、鋁等導(dǎo)電性微粉而使工件加工表面粗糙度明顯降低，同時(shí)使工件表面的耐磨、耐蝕等性能得到改善。從根本上克服了電火花加工表面粗糙度不佳、性能差的缺點(diǎn)，使電火花加工作為零件表面的zui終加工成為可能，從而降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，縮短了產(chǎn)品的制造周期。因此該技術(shù)一問世就受到電加工界的廣泛重視。
電火花加工表面是由無數(shù)多個(gè)放電蝕坑組成，加工表面粗糙度取決于放電蝕坑的深度和分布均勻程度。對(duì)于小面積的電火花加工，人們可通過降低單個(gè)放電脈沖能量的方法來減小放電蝕坑的深度，以降低加工表面粗糙度。但對(duì)于大面積電火花加工，由于極間寄生電容的影響，單個(gè)放電脈沖能量的降低受到限制，因此普通加工條件下的大面積電火花加工，其加工表面粗糙度難以改善。但混粉電火花加工，事實(shí)證明即使在大面積加工條件下，也能得到表面粗糙度值較小的加工表面，其形成的放電蝕坑大而淺，與普通電火花加工的放電蝕坑不同，說明混粉電火花加工與普通電火花加工相比，在加工表面形成機(jī)理上不同。火花放電時(shí)，工件表層的溫度場(chǎng)分布是形成放電蝕坑的關(guān)鍵，因此對(duì)放電加工時(shí)工件表層溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算與分析，對(duì)于預(yù)測(cè)工件表面放電蝕坑的形貌，進(jìn)而揭示混粉電火花加工的機(jī)理具有重要意義。
2 脈沖放電時(shí)工件表層溫度場(chǎng)的計(jì)算
研究表明，脈沖放電的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化成熱量而傳遞給工件、工具電極和工作液，工件上放電點(diǎn)處的金屬受熱而發(fā)生熔化和汽化，并被工作液“拋出”，zui終在工件表層形成放電蝕坑。因此放電蝕坑的大小與形狀與工件表層受熱而形成的溫度場(chǎng)密切相關(guān)。由火花放電機(jī)理可知，放電時(shí)在工件和電極間形成能量高度集中的放電通道，該通道使工件和電極表面受熱。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定放電通道的橫截面為圓形，且放電通道中的能量均布，這樣工件表層溫度場(chǎng)的計(jì)算就可簡(jiǎn)化為平面均布熱源對(duì)半無限大介質(zhì)連續(xù)加熱時(shí)溫度場(chǎng)的計(jì)算。由文獻(xiàn)［2］可知，點(diǎn)熱源對(duì)半無限大介質(zhì)連續(xù)加熱時(shí)溫度場(chǎng)的計(jì)算式為：
?。?）
式中 θ——介質(zhì)中某點(diǎn)處的溫度
λ——介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)
q——點(diǎn)熱源強(qiáng)度
φ——計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)熱源間的距離
erf（u）——誤差函數(shù)
t——熱源作用時(shí)間
a——介質(zhì)導(dǎo)溫系數(shù)
圓形平面熱源對(duì)半無限大介質(zhì)的連續(xù)加熱，又可看成無數(shù)多個(gè)點(diǎn)熱源單獨(dú)作用的疊加，因此由式（1）可推出此時(shí)溫度場(chǎng)的計(jì)算式為：
?。?）式中 q′——面熱源平均熱源強(qiáng)度
r——面熱源作用半徑
公式（2）的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，由于在同一深度處，以熱源中心線上的溫度為zui高，因此放電蝕坑的深度zui終取決于熱源中心線上的溫度分布，為簡(jiǎn)化式（2）的計(jì)算，只討論熱源中心線上的溫度變化規(guī)律。將x=0、y=0代入（2） 式得：
?。?）式中 θm——熱源中心線上不同z值處溫度值
對(duì)于式中的平均熱源強(qiáng)度q′，取決于脈沖放電能量，放電能量轉(zhuǎn)化為工件受熱量的比例系數(shù)及工件表面的受熱面積。因此：
?。?）式中 ip——脈沖峰值電流
v——火花放電維持電壓
α——比例系數(shù)
將式（4）代入式（3）得：
（5）對(duì)公式（5）進(jìn)行分析可知，由于比例系數(shù)α、放電維持電壓v、導(dǎo)溫系數(shù)a的變化較小，對(duì)θm的影響較小，因此影響θm的主要參數(shù)為ip、t和r。
由于放電蝕坑的深度取決于工件表層的熔化深度，而熔化深度又與θm有關(guān)，亦即θm越大，金屬的熔化深度越大，所形成的放電蝕坑的深度也越大，反之則放電蝕坑深度變小。因此θm的影響因素也是放電蝕坑深度的影響因素。
（1） 峰值電流ip對(duì)放電蝕坑深度的影響
由式（5）可知，ip對(duì)θm的影響是線性的，ip增大，θm也增大，zui終導(dǎo)致放電蝕坑深度變大，加工表面粗糙度值變大。由此可知，要想降低加工表面粗糙度，峰值電流ip要盡可能小。
（2） 脈沖寬度t對(duì)放電蝕坑深度的影響
針對(duì)式（5），在其它參數(shù)均不變的條件下，分別給定t=1μs、t=2μs、t=4μs,計(jì)算得θm的分布曲線分別如圖1中的a、b、c所示。由圖1可知，脈寬加大，同一深度處的θm變大。假設(shè)材料的熔化溫度線如圖中所示，則由圖可知，隨著脈寬的加大，材料的熔化深度加大，相應(yīng)所形成的放電蝕坑的深度也變大，但脈寬對(duì)放電蝕坑深度的影響較峰值電流ip小。
圖1 不同脈沖寬度下熱源中心線上溫度隨深度變化的曲線
ip=2a,v=25v,α=0.2,λ=42j/m.s.℃,
a=1×10-5m2/s,r=5μm
（3）熱源作用半徑r對(duì)放電蝕坑深度的影響
同樣在保持其它參數(shù)不變的條件下，分別給定r=1μm、r=5μm、r=10μm、r=15μm,由式（5）計(jì)算得θm的分布曲線如圖2所示。
圖2 不同熱源作用面積下熱源中心線上溫度隨深度變化的曲線
ip=2a,v=25v,α=0.2，λ=42j/m.s.℃，
a=1×10-5m2/s,t=2μs
由圖2可知，隨著熱源作用半徑r的增大，同樣深度處的θm值減小，所產(chǎn)生的放電蝕坑的深度也變小，也就是說在峰值電流和脈沖寬度不變的條件下，隨著放電通道的擴(kuò)展，其對(duì)工件表面熱作用面積增大，所產(chǎn)生的放電蝕坑深度變小，這將有利于降低加工表面粗糙度。
3 混粉電火花加工的機(jī)理解釋
混粉電火花加工與普通電火花加的本質(zhì)區(qū)別在于工作液中添加了導(dǎo)電的微粉，由于微粉的粒徑很小，能夠均勻分布于放電間隙中，因此相當(dāng)于在放電間隙中添加了許多小導(dǎo)體，從而使工作液的絕緣強(qiáng)度下降，有利于火花放電的形成，宏觀上表現(xiàn)為放電間隙變大，因此混粉電火花加工的放電間隙要比普通電火花加工的放電間隙大幾倍到十幾倍?；旆垭娀鸹庸儆诰庸?，一般均采用小峰值電流、小脈沖寬度和正極性（工件接正極）加工，由電火花加工理論可知，此時(shí)的放電載流子主要為電子，即電子從工具電極（負(fù)極）表面溢出并在電場(chǎng)力的作用下加速向工件表面移動(dòng)，移動(dòng)中不斷和放電間隙中的導(dǎo)電微粉及極性分子發(fā)生碰撞，使它們釋放出更多的電子，使載流子的數(shù)目急劇增大，形成“雪崩”式發(fā)展，放電通道迅速擴(kuò)張，zui終使放電通道呈圖3a所示喇叭口形。顯然，隨著放電間隙的增大，載流子移動(dòng)路徑的增長，放電通道的擴(kuò)張加大，zui終在工件表面形成的熱源作用半徑增大。由前面的分析可知，此時(shí)所產(chǎn)生的放電蝕坑的深度變小，在工件表面形成大而淺的放電蝕坑，如圖3a所示。相反，由于普通電火花加工的放電間隙小，且載流子在放電間隙中移動(dòng)時(shí)，僅同工作液中的極性分子碰撞，產(chǎn)生的載流子數(shù)目少，使放電通道不能夠充分?jǐn)U展，從而在工件表面形成面積小而深度大的放電蝕坑，如圖3b所示。另外，放電間隙的增大及導(dǎo)電粉末在放電間隙中的分布，削弱了間隙中電蝕產(chǎn)物對(duì)放電的引發(fā)作用，有利于放電分散，使放電蝕坑均勻分布。因此混粉電火花加工的機(jī)理可歸納為：混粉工作液使放電間隙變大，使放電通道得到充分?jǐn)U展，在工件表面形成大而淺的放電蝕坑，同時(shí)導(dǎo)電性粉末及增大的放電間隙利于放電分散，使放電蝕坑在工件表面形成均勻分布，兩者的綜合作用使工件表面粗糙度降低。
圖3 兩種條件下放電蝕坑形狀的比較
4 結(jié)論
通過對(duì)火花放電時(shí)工件表層溫度場(chǎng)的分析與計(jì)算，指出影響放電蝕坑深度的主要因素為：脈沖峰值電流、脈沖寬度和放電通道在工件表面的作用面積。它們對(duì)放電蝕坑深度的影響規(guī)律分別為：
（1） 放電蝕坑深度隨峰值電流線性增加；
（2） 脈沖寬度增加，放電蝕坑深度也增加；
（3） 在放電能量不變的條件下，放電通道對(duì)工件表面的作用面積大，放電蝕坑深度小，就形成大而淺的放電蝕坑。
根據(jù)以上規(guī)律，混粉電火花加工的機(jī)理可解釋為混粉使放電間隙加大，放電通道變粗，放電通道對(duì)工件表面的作用面積加大，從而在工件表面形成均勻分布的大而淺的放電蝕坑，使加工表面粗糙度降低。