混粉准干式放电加工机理及工艺研究

摘要

气中放电加工以气体介质取代传统液体介质进行电火花加工，具有工具电极损耗低、工件表面受到的破坏力小、以氧气为介质时材料去除率高、对环境污染小等优点，备受人们关注。但是，气中放电加工的放电间隙小、气体的比热低，存在加工区域热量传散困难、熔融材料冷却缓慢、加工屑难于从放电间隙排出等固有缺陷，造成短路率高、脉冲利用率低、加工过程不稳定。采取恰当措施，抑制气中放电加工缺点，充分发挥其优势，是推进气体介质中放电加工技术实用化的关键。混粉准干式放电加工技术在气体连续介质中加入微量的固、液相成分，在有效提高加工效率的同时保留气中放电加工技术工具电极损耗率低的优势，是一种极具潜力的高效、绿色电火花加工技术。本文重点研究混粉准干式放电加工机理，确定基础工艺参数，研究加工工艺规律，并进行加工参数优化。
　　从微量固、液成分的作用机制入手，开展混粉准干式放电加工机理研究。借助Wagner模型对固液混合相的介电系数进行计算，分析固相、液相和固液混合相的介电性能，证实气体连续相的介电系数小于其内分散相的介电系数。基于非单一介质中电场强度变化对介质放电特性的影响，开展三相流介质的击穿机理研究。选用球面坐标系中高斯定律微分形式的拉普拉斯方程对三相流介质中的电位分布进行分析，结果表明，分散相的加入引发了极间均匀电场畸变;在一定的假设条件下，建立三相流介质中的电场强度表达式，得到放电间隙计算公式，并对三相流引起的放电间隙变化进行分析，分析结果证实，三相流介质能够增大放电间隙，有利于介质击穿和电蚀产物的排出;通过对比试验验证三相流介质的放电间隙增大效果，通过放电电压波形对比分析，证实了介质击穿频率的提高。理论计算得出分散相所在位置场强畸变严重，易于引发“工具电极-分散相-工件电极”串联放电，据此建立了串联放电理论模型。研究工具电极表面的材料附着现象，借助扫描电镜观察工具电极表面微观形貌，利用能谱分析仪分析薄膜状附着区、片状附着区、含球状附着物区和孔隙状附着区的成分组成，证实工具电极表面存在来自工件的附着物成分，提出了混粉准干式放电加工的工具电极损耗机理。研究结果表明，混粉准干式放电加工技术的工具电极损耗是材料去除过程和材料附着过程综合作用的结果。
　　将混粉准干式放电加工的工艺参数划分为基础工艺参数和加工工艺参数两大类，并进行了相关研究。
　　从放电加工常用粉末材料入手，综合考虑粉末材料的加入对放电加工效果、工作介质稳定性和工件被加工表面综合机械性能的影响，分析粉末材料和粒径对沉降稳定性的影响，并从充分发挥粉末性质对固相成分放电改善作用的角度出发，选用粒径2.5μm的硅粉颗粒作为混粉准干式放电加工用固态相。从放电加工常用电极材料入手，选用紫铜作为混粉准干式放电加工试验研究用工具电极材料。开展加工极性对比试验，结果表明，工具电极接脉冲电源负极时（正极性加工时），能够获得更高的工件材料去除率和更低的工具电极损耗率，因此，混粉准干式放电加工适于采用正极性加工。在传统极性效应理论的基础上开展混粉准干式放电加工技术极性效应理论分析;计算得到等离子放电通道中的电子群和正离子群撞击正负极时的动能差异，建立适于混粉准干式放电加工技术的极性效应理论;实验结果与极性效应理论分析结果一致。
　　基于单因素试验设计，开展混粉准干式放电加工工艺研究，获取峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔、固液混合物流量、粉末颗粒的浓度和工具电极转速对工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度的影响规律，揭示其规律成因。研究表明，峰值电流主要通过改变工件被加工表面获取的脉冲放电能量密度影响放电加工效果。随着峰值电流的增大，蚀坑变得大而深，工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度值（Ra值）均增大。脉宽主要通过改变脉冲能量供给时间影响放电加工效果。随着脉宽的增大，脉冲能量供给时间延长，且等离子通道沿径向扩展，蚀坑变得大而深，工件材料去除率增大，工件被加工表面Ra值增大。脉间对放电加工效果的影响主要表现在两个方面:一是影响极间介质的消电离效果，二是影响脉冲放电占空比。消电离效果间接影响单脉冲放电过程和单脉冲放电能量，进而影响工件材料去除率和工件被加工表面粗糙度。随着脉间增大，工件材料去除率降低，工件被加工表面Ra值降低。流量的变化引起进入放电间隙的固相体积和液相体积的变化，液相和固相体积的变化影响介质击穿过程和消电离效果;随着流量的增长，工件材料去除率增大，工件被加工表面Ra值降低。颗粒浓度的变化能够影响介质击穿过程和极间介质消电离效果;随着浓度的增长，工件材料去除率先增大后减小，工件被加工表面Ra值先减小后增大。工具电极旋转运动的存在对于混粉准干式放电加工效果的改善意义显著，但转速的过分增大使得放电加工稳定性变差，导致工件材料去除率和工件被加工表面Ra值均随转速增大而减小。从稳定放电过程进而改善加工效果的角度考虑，应选取较小的工具电极转速。
　　借助正交设计方法进行试验设计，系统研究工件材料去除率、工件被加工表面粗糙度和工具电极损耗率的变化规律。根据望大特性信噪比计算公式将工件材料去除率的正交试验结果转换成相应的信噪比值，根据望小特性信噪比计算公式分别将工具电极损耗率和工件被加工表面粗糙度值的正交试验结果转换成相应的信噪比值;借助信噪比分析方法和理论，分别得到取得最大工件材料去除率、最小工具电极损耗率和最小Ra值的最优加工工艺参数组合。验证实验证实单目标优化结果的可靠性。
　　对正交试验结果开展方差分析，找到混粉准干式放电加工各个加工效果评价指标的信噪比的显著影响因子。工件材料去除率信噪比的显著影响因子是峰值电流、脉宽和流量;工具电极损耗率信噪比的显著影响因子是峰值电流;工件被加工表面粗糙度Ra值信噪比的显著影响因子是脉宽和峰值电流。以非线性回归分析的相关理论和方法为指导，借助统计分析软件Minitab16进行非线性回归计算，分别得到工件材料去除率、工具电极损耗率和工件被加工表面粗糙度Ra值的信噪比数学表达式;借助显著性检验证实回归结果的显著性，借助验证实验和回归方程预测结果误差分析证实回归分析数学表达式的预测效果。综合考虑工件材料去除率、工具电极损耗率和工件被加工表面粗糙度，借助粒子群算法开展混粉准干式放电加工多目标优化研究，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电极损耗率、工件被加工表面粗糙度Ra值和工具电极损耗率的帕累托前沿。当以较大的加工效率进行加工时，并不会造成工具电极的过快损耗及其带来的电极频繁更换等一系列问题;当以获取较低的被加工表面粗糙度Ra值为目的进行加工的同时，也能够获得较小的工具电极损耗。