微細(xì)電火花加工中的材料微觀結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)研究.pdf

1、微細(xì)電火花加工是為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)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(xì)加工方法，是公認(rèn)的極具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓?xì)加工技術(shù)之一。由于其特殊的非接觸、電熱加工機(jī)理，微細(xì)電火花加工技術(shù)適用于任何導(dǎo)電材料的加工而不受材料強(qiáng)度、硬度等力學(xué)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(fù)雜微型三維結(jié)構(gòu)的加工。然而，由于尺度效應(yīng)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(xì)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(duì)常規(guī)宏觀電火花加工，微細(xì)電火花加工表現(xiàn)出許多異常特性。所以，揭示微細(xì)電火花加工中尺度效應(yīng)的作用機(jī)理及影響規(guī)律有助于更好地控制微細(xì)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(shí)間為切入點(diǎn)，通過分析微尺度放電條件下的的液體介質(zhì)擊穿及放電通道擴(kuò)展過程，建立放電等離子體模型?？紤]到表面張力、粘性力以及磁箍縮力的作用，建立放電通道擴(kuò)展加速度與其內(nèi)部壓強(qiáng)的關(guān)系式。理論分析結(jié)果表明，

3、放電通道的內(nèi)部壓強(qiáng)、溫度、電子密度和擴(kuò)展加速度隨放電持續(xù)時(shí)間的增加而降低，而放電通道的半徑和擴(kuò)展速度隨放電持續(xù)時(shí)間的增加而增大，放電通道不斷擴(kuò)展并最終達(dá)到形位平衡狀態(tài)。
　　借助單脈沖放電實(shí)驗(yàn)開展對(duì)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(zhì)狀態(tài)變化及電極微觀表面不平整等因素導(dǎo)致微尺度放電條件下的放電狀態(tài)非常不穩(wěn)定，單個(gè)脈沖期間可能出現(xiàn)多次放電，且放電并不總是持續(xù)到脈沖結(jié)束，這是導(dǎo)致微尺度條件下的電火花加工特性異

4、常的一個(gè)重要原因。開路電壓和放電持續(xù)時(shí)間對(duì)放電維持電壓和電流基本沒有影響，單個(gè)脈沖的放電能量和放電凹坑體積與放電持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)線性關(guān)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(nèi)波動(dòng)。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(shí)間的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，隨著放電持續(xù)時(shí)間增加，經(jīng)由熱傳導(dǎo)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(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式，為微尺度電火

5、花加工放電參數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。
　　基于單脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合理論分析對(duì)微尺度放電條件下的放電通道的振蕩特性進(jìn)行了研究，形成放電通道振蕩擴(kuò)展理論。分析了放電通道橫振和縱振作用對(duì)材料蝕除過程的影響，并代入相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，估算了放電通道的振蕩頻率，其值約為132.8MHz。基于放電通道徙動(dòng)理論，建立單個(gè)脈沖放電的材料蝕除模型，分析發(fā)現(xiàn)，除了放電持續(xù)時(shí)間、電流密度、放電通道的振蕩頻率，電極材料的微觀結(jié)構(gòu)特性也會(huì)對(duì)放電凹坑的體積產(chǎn)生影響

6、。通過計(jì)算放電通道中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)放電通道的極性效應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，由于放電間隙非常小，放電通道中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于放電持續(xù)時(shí)間。電子的加速度和速度非常高，即使正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，轟擊電極表面時(shí)，正離子的動(dòng)能依然小于電子的動(dòng)能，而且，相同時(shí)間內(nèi)電子轟擊正極電極表面的次數(shù)是正離子轟擊負(fù)極電極表面次數(shù)的600多倍，因而，正極的材料去除量遠(yuǎn)高于負(fù)極。
　　開展材料微觀結(jié)構(gòu)尺度對(duì)微細(xì)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(duì)材料微觀物理特性及微細(xì)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(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，多晶材料的晶界包含大量會(huì)降低其熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)的雜質(zhì)，而晶粒尺寸的減小伴隨著晶界體積分?jǐn)?shù)的增大，使材料的有效熱導(dǎo)率和局部有效熔點(diǎn)降低，從而使微細(xì)電火花加工過程中有更少的能量消耗于熱傳導(dǎo)和熔化潛熱，即能量利用率增大，進(jìn)而引起材料去除率的增大;放電持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，靜電

8、力、熱應(yīng)力和焦耳熱在脆性材料去除過程中起到重要作用，微細(xì)電火花加工單晶硅時(shí)不僅存在熱蝕除，還存在應(yīng)力蝕除;由于各向異性的影響，微細(xì)電火花加工單晶硅時(shí)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(huì)引起材料有效熱導(dǎo)率的降低，并有助于儲(chǔ)存碎屑顆粒，減少異常放電次數(shù)，從而使加工狀態(tài)更穩(wěn)定，材料去除率增大，相對(duì)工具損耗率減小。
　　開展了工具電極尺度和工件表面層對(duì)微細(xì)電火花加工性能影響的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，

9、在特定工具直徑范圍(100～500μm)內(nèi)，由于面積效應(yīng)的影響，工具電極直徑的增大會(huì)引起實(shí)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(yīng)和面積效應(yīng)的作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致工具電極的端面、棱角和側(cè)面劇烈損耗，且側(cè)面放電次數(shù)增加，相對(duì)工具損耗率和微孔錐形度隨之增大;建立微細(xì)電火花加工中的表面層模型，分析發(fā)現(xiàn)，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(rùn)濕性越好，越容易誘導(dǎo)放電，同時(shí)，好的潤(rùn)濕性

10、還可以加速電極的冷卻和極間消電離，進(jìn)而改善放電狀態(tài)，使材料去除率增大;由于未經(jīng)表面處理的工件表面自由能最低，相對(duì)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(xì)電火花加工過程中的放電狀態(tài)惡化，出現(xiàn)更多的側(cè)面放電，從而導(dǎo)致更大的微孔錐形度;放電能越低，工件表面層對(duì)微細(xì)電火花加工性能的影響越顯著。
　　引入相似性理論并開展對(duì)開路電壓和電容的單因素實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算相應(yīng)的相似差和相似精度，開展對(duì)微細(xì)電火花加工中尺度效應(yīng)的量化