混粉準(zhǔn)干式放電加工機(jī)理及工藝研究.pdf

1、氣中放電加工以氣體介質(zhì)取代傳統(tǒng)液體介質(zhì)進(jìn)行電火花加工，具有工具電極損耗低、工件表面受到的破壞力小、以氧氣為介質(zhì)時(shí)材料去除率高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，備受人們關(guān)注。但是，氣中放電加工的放電間隙小、氣體的比熱低，存在加工區(qū)域熱量傳散困難、熔融材料冷卻緩慢、加工屑難于從放電間隙排出等固有缺陷，造成短路率高、脈沖利用率低、加工過(guò)程不穩(wěn)定。采取恰當(dāng)措施，抑制氣中放電加工缺點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，是推進(jìn)氣體介質(zhì)中放電加工技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵?；旆蹨?zhǔn)干式放電加

2、工技術(shù)在氣體連續(xù)介質(zhì)中加入微量的固、液相成分，在有效提高加工效率的同時(shí)保留氣中放電加工技術(shù)工具電極損耗率低的優(yōu)勢(shì)，是一種極具潛力的高效、綠色電火花加工技術(shù)。本文重點(diǎn)研究混粉準(zhǔn)干式放電加工機(jī)理，確定基礎(chǔ)工藝參數(shù)，研究加工工藝規(guī)律，并進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化。
　　從微量固、液成分的作用機(jī)制入手，開展混粉準(zhǔn)干式放電加工機(jī)理研究。借助Wagner模型對(duì)固液混合相的介電系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析固相、液相和固液混合相的介電性能，證實(shí)氣體連續(xù)相的介電系數(shù)小

3、于其內(nèi)分散相的介電系數(shù)?；诜菃我唤橘|(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度變化對(duì)介質(zhì)放電特性的影響，開展三相流介質(zhì)的擊穿機(jī)理研究。選用球面坐標(biāo)系中高斯定律微分形式的拉普拉斯方程對(duì)三相流介質(zhì)中的電位分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明，分散相的加入引發(fā)了極間均勻電場(chǎng)畸變;在一定的假設(shè)條件下，建立三相流介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式，得到放電間隙計(jì)算公式，并對(duì)三相流引起的放電間隙變化進(jìn)行分析，分析結(jié)果證實(shí)，三相流介質(zhì)能夠增大放電間隙，有利于介質(zhì)擊穿和電蝕產(chǎn)物的排出;通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證三相流

4、介質(zhì)的放電間隙增大效果，通過(guò)放電電壓波形對(duì)比分析，證實(shí)了介質(zhì)擊穿頻率的提高。理論計(jì)算得出分散相所在位置場(chǎng)強(qiáng)畸變嚴(yán)重，易于引發(fā)“工具電極-分散相-工件電極”串聯(lián)放電，據(jù)此建立了串聯(lián)放電理論模型。研究工具電極表面的材料附著現(xiàn)象，借助掃描電鏡觀察工具電極表面微觀形貌，利用能譜分析儀分析薄膜狀附著區(qū)、片狀附著區(qū)、含球狀附著物區(qū)和孔隙狀附著區(qū)的成分組成，證實(shí)工具電極表面存在來(lái)自工件的附著物成分，提出了混粉準(zhǔn)干式放電加工的工具電極損耗機(jī)理。研究結(jié)果

5、表明，混粉準(zhǔn)干式放電加工技術(shù)的工具電極損耗是材料去除過(guò)程和材料附著過(guò)程綜合作用的結(jié)果。
　　將混粉準(zhǔn)干式放電加工的工藝參數(shù)劃分為基礎(chǔ)工藝參數(shù)和加工工藝參數(shù)兩大類，并進(jìn)行了相關(guān)研究。
　　從放電加工常用粉末材料入手，綜合考慮粉末材料的加入對(duì)放電加工效果、工作介質(zhì)穩(wěn)定性和工件被加工表面綜合機(jī)械性能的影響，分析粉末材料和粒徑對(duì)沉降穩(wěn)定性的影響，并從充分發(fā)揮粉末性質(zhì)對(duì)固相成分放電改善作用的角度出發(fā)，選用粒徑2.5μm的硅粉顆粒作為混

6、粉準(zhǔn)干式放電加工用固態(tài)相。從放電加工常用電極材料入手，選用紫銅作為混粉準(zhǔn)干式放電加工試驗(yàn)研究用工具電極材料。開展加工極性對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，工具電極接脈沖電源負(fù)極時(shí)（正極性加工時(shí)），能夠獲得更高的工件材料去除率和更低的工具電極損耗率，因此，混粉準(zhǔn)干式放電加工適于采用正極性加工。在傳統(tǒng)極性效應(yīng)理論的基礎(chǔ)上開展混粉準(zhǔn)干式放電加工技術(shù)極性效應(yīng)理論分析;計(jì)算得到等離子放電通道中的電子群和正離子群撞擊正負(fù)極時(shí)的動(dòng)能差異，建立適于混粉準(zhǔn)干式放電加工

7、技術(shù)的極性效應(yīng)理論;實(shí)驗(yàn)結(jié)果與極性效應(yīng)理論分析結(jié)果一致。
　　基于單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，開展混粉準(zhǔn)干式放電加工工藝研究，獲取峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔、固液混合物流量、粉末顆粒的濃度和工具電極轉(zhuǎn)速對(duì)工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度的影響規(guī)律，揭示其規(guī)律成因。研究表明，峰值電流主要通過(guò)改變工件被加工表面獲取的脈沖放電能量密度影響放電加工效果。隨著峰值電流的增大，蝕坑變得大而深，工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度值（Ra值）均增大。

8、脈寬主要通過(guò)改變脈沖能量供給時(shí)間影響放電加工效果。隨著脈寬的增大，脈沖能量供給時(shí)間延長(zhǎng)，且等離子通道沿徑向擴(kuò)展，蝕坑變得大而深，工件材料去除率增大，工件被加工表面Ra值增大。脈間對(duì)放電加工效果的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是影響極間介質(zhì)的消電離效果，二是影響脈沖放電占空比。消電離效果間接影響單脈沖放電過(guò)程和單脈沖放電能量，進(jìn)而影響工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度。隨著脈間增大，工件材料去除率降低，工件被加工表面Ra值降低。流量的變化引

9、起進(jìn)入放電間隙的固相體積和液相體積的變化，液相和固相體積的變化影響介質(zhì)擊穿過(guò)程和消電離效果;隨著流量的增長(zhǎng)，工件材料去除率增大，工件被加工表面Ra值降低。顆粒濃度的變化能夠影響介質(zhì)擊穿過(guò)程和極間介質(zhì)消電離效果;隨著濃度的增長(zhǎng)，工件材料去除率先增大后減小，工件被加工表面Ra值先減小后增大。工具電極旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的存在對(duì)于混粉準(zhǔn)干式放電加工效果的改善意義顯著，但轉(zhuǎn)速的過(guò)分增大使得放電加工穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致工件材料去除率和工件被加工表面Ra值均隨轉(zhuǎn)速

10、增大而減小。從穩(wěn)定放電過(guò)程進(jìn)而改善加工效果的角度考慮，應(yīng)選取較小的工具電極轉(zhuǎn)速。
　　借助正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)研究工件材料去除率、工件被加工表面粗糙度和工具電極損耗率的變化規(guī)律。根據(jù)望大特性信噪比計(jì)算公式將工件材料去除率的正交試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信噪比值，根據(jù)望小特性信噪比計(jì)算公式分別將工具電極損耗率和工件被加工表面粗糙度值的正交試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信噪比值;借助信噪比分析方法和理論，分別得到取得最大工件材料去除率、最小

11、工具電極損耗率和最小Ra值的最優(yōu)加工工藝參數(shù)組合。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
　　對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果開展方差分析，找到混粉準(zhǔn)干式放電加工各個(gè)加工效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的信噪比的顯著影響因子。工件材料去除率信噪比的顯著影響因子是峰值電流、脈寬和流量;工具電極損耗率信噪比的顯著影響因子是峰值電流;工件被加工表面粗糙度Ra值信噪比的顯著影響因子是脈寬和峰值電流。以非線性回歸分析的相關(guān)理論和方法為指導(dǎo)，借助統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab16進(jìn)行非

12、線性回歸計(jì)算，分別得到工件材料去除率、工具電極損耗率和工件被加工表面粗糙度Ra值的信噪比數(shù)學(xué)表達(dá)式;借助顯著性檢驗(yàn)證實(shí)回歸結(jié)果的顯著性，借助驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和回歸方程預(yù)測(cè)結(jié)果誤差分析證實(shí)回歸分析數(shù)學(xué)表達(dá)式的預(yù)測(cè)效果。綜合考慮工件材料去除率、工具電極損耗率和工件被加工表面粗糙度，借助粒子群算法開展混粉準(zhǔn)干式放電加工多目標(biāo)優(yōu)化研究，得到工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度Ra值、工件材料去除率和工具電極損耗率、工件被加工表面粗糙度Ra值和工具電極損