微細電火花加工中的材料微觀結構尺度效應研究.pdf

1、微細電火花加工是為了適應市場對產品微型化及精密化越來越高的要求而發(fā)展起來的一種新型微細加工方法，是公認的極具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓毤庸ぜ夹g之一。由于其特殊的非接觸、電熱加工機理，微細電火花加工技術適用于任何導電材料的加工而不受材料強度、硬度等力學性能的影響，所以特別適合于難加工材料、低剛度和薄壁工件、以及微軸、微孔、復雜微型三維結構的加工。然而，由于尺度效應的影響，許多在宏觀電火花加工中沒有顯著影響的因素在微細電火花加工中不能再被忽略。由于工具

2、電極尺度微小、放電能極小以及放電頻率極高，相對常規(guī)宏觀電火花加工，微細電火花加工表現出許多異常特性。所以，揭示微細電火花加工中尺度效應的作用機理及影響規(guī)律有助于更好地控制微細電火花加工過程，從而提高加工效率和加工精度。
　　以放電持續(xù)時間為切入點，通過分析微尺度放電條件下的的液體介質擊穿及放電通道擴展過程，建立放電等離子體模型。考慮到表面張力、粘性力以及磁箍縮力的作用，建立放電通道擴展加速度與其內部壓強的關系式。理論分析結果表明，

3、放電通道的內部壓強、溫度、電子密度和擴展加速度隨放電持續(xù)時間的增加而降低，而放電通道的半徑和擴展速度隨放電持續(xù)時間的增加而增大，放電通道不斷擴展并最終達到形位平衡狀態(tài)。
　　借助單脈沖放電實驗開展對微尺度放電條件下的放電波形和放電凹坑形貌、尺寸的研究。極間介質狀態(tài)變化及電極微觀表面不平整等因素導致微尺度放電條件下的放電狀態(tài)非常不穩(wěn)定，單個脈沖期間可能出現多次放電，且放電并不總是持續(xù)到脈沖結束，這是導致微尺度條件下的電火花加工特性異

4、常的一個重要原因。開路電壓和放電持續(xù)時間對放電維持電壓和電流基本沒有影響，單個脈沖的放電能量和放電凹坑體積與放電持續(xù)時間呈正相關線性關系，通過放電維持電壓與放電電流的比值估算出放電通道的電阻值在38～45Ω的范圍內波動。通過分析放電凹坑半徑和熱影響區(qū)半徑隨放電持續(xù)時間的變化趨勢發(fā)現，隨著放電持續(xù)時間增加，經由熱傳導消耗的能量比例增大，電火花放電的能量利用率降低。通過回歸分析得到放電凹坑半徑和體積隨放電持續(xù)時間變化的經驗公式，為微尺度電火

5、花加工放電參數的選擇提供了理論依據。
　　基于單脈沖實驗結果，結合理論分析對微尺度放電條件下的放電通道的振蕩特性進行了研究，形成放電通道振蕩擴展理論。分析了放電通道橫振和縱振作用對材料蝕除過程的影響，并代入相關實驗參數，估算了放電通道的振蕩頻率，其值約為132.8MHz?；诜烹娡ǖ泪銊永碚摚蝹€脈沖放電的材料蝕除模型，分析發(fā)現，除了放電持續(xù)時間、電流密度、放電通道的振蕩頻率，電極材料的微觀結構特性也會對放電凹坑的體積產生影響

6、。通過計算放電通道中帶電粒子的運動特性對放電通道的極性效應進行了分析，結果表明，由于放電間隙非常小，放電通道中帶電粒子的運動時間遠小于放電持續(xù)時間。電子的加速度和速度非常高，即使正離子的質量遠大于電子的質量，轟擊電極表面時，正離子的動能依然小于電子的動能，而且，相同時間內電子轟擊正極電極表面的次數是正離子轟擊負極電極表面次數的600多倍，因而，正極的材料去除量遠高于負極。
　　開展材料微觀結構尺度對微細電火花加工性能的影響研究。分

7、析晶粒尺寸、晶向以及晶體缺陷對材料微觀物理特性及微細電火花加工性能的影響，并分別采用不同晶粒尺寸的304不銹鋼、單晶硅和不同規(guī)格的多孔鋼為工件開展微細電火花加工實驗。研究結果表明，多晶材料的晶界包含大量會降低其熱導率和熔點的雜質，而晶粒尺寸的減小伴隨著晶界體積分數的增大，使材料的有效熱導率和局部有效熔點降低，從而使微細電火花加工過程中有更少的能量消耗于熱傳導和熔化潛熱，即能量利用率增大，進而引起材料去除率的增大;放電持續(xù)時間較短時，靜電

8、力、熱應力和焦耳熱在脆性材料去除過程中起到重要作用，微細電火花加工單晶硅時不僅存在熱蝕除，還存在應力蝕除;由于各向異性的影響，微細電火花加工單晶硅時的表面粗糙度和材料去除率隨著晶向的變化而變化;孔隙度和孔徑尺寸的增大會引起材料有效熱導率的降低，并有助于儲存碎屑顆粒，減少異常放電次數，從而使加工狀態(tài)更穩(wěn)定，材料去除率增大，相對工具損耗率減小。
　　開展了工具電極尺度和工件表面層對微細電火花加工性能影響的理論分析和實驗研究。結果表明，

9、在特定工具直徑范圍(100～500μm)內，由于面積效應的影響，工具電極直徑的增大會引起實際放電能和放電頻率的升高，材料去除率隨之增大;工具電極直徑的增大使集膚效應和面積效應的作用增強，從而導致工具電極的端面、棱角和側面劇烈損耗，且側面放電次數增加，相對工具損耗率和微孔錐形度隨之增大;建立微細電火花加工中的表面層模型，分析發(fā)現，隨著工件尺度的減小，表面晶粒層的影響增大;表面自由能越高，工件表面潤濕性越好，越容易誘導放電，同時，好的潤濕性

10、還可以加速電極的冷卻和極間消電離，進而改善放電狀態(tài)，使材料去除率增大;由于未經表面處理的工件表面自由能最低，相對于高自由能表面，其抑制了電極冷卻和極間消電離能力，使微細電火花加工過程中的放電狀態(tài)惡化，出現更多的側面放電，從而導致更大的微孔錐形度;放電能越低，工件表面層對微細電火花加工性能的影響越顯著。
　　引入相似性理論并開展對開路電壓和電容的單因素實驗，根據實驗結果計算相應的相似差和相似精度，開展對微細電火花加工中尺度效應的量化