超声辅助电火花加工电介质击穿电压研究*

常伟杰 张建华 朱 涛 王 涛

(山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南 250061)

复合加工技术综合多种加工方法，利用多种能量形式的综合作用实现对工件材料的加工，其中包括传统加工与特种加工的复合、特种加工与特种加工的复合等。超声振动辅助电火花放电加工技术是近年来研究发展的新型电火花加工技术之一，在工具电极上施加超声振动，参数选择合理不仅可以提高加工效率，而且可以降低电极损耗，是21世纪有可能取得突破的绿色加工技术之一［1－3］。

1989 年，法国的 D.Kremer，J.L.Lebrun，B.Hosari和A.Mosisan系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响［4－5］。结果表明，超声振动提高了加工速度，粗加工提高10%，精加工提高400%，并使加工过程更稳定。笔者把超声振动引入到电火花放电加工过程中，取得了良好的效果［6］。在电火花放电加工中引入超声振动，可以改善电火花放电的间隙状态，增加火花放电，减少电弧放电，减少电极在加工过程中的抬刀次数，提高电火花放电加工的加工效率。

超声振动在复合加工过程中的作用机理主要包括［7］:超声振动可以改善电火花放电加工的间隙状态，减少短路与电弧放电;影响放电通道的形成;超声空化作用、搅拌破碎作用促进电蚀材料的抛出，提高加工速度。此外，超声振动还可以降低电介质的击穿电压，本文将对此进行深入的研究。

1 理论推导

1.1 极间电容计算

如图1a所示，假设工具电极与工件组成一对平行板电容器，其极板面积为S，极板间距为放电间距d，其间为真空，当给两极接通电压为UV的电源时，电容器将充电至UV。假设充电之后极板上带有的电荷量为Q0，则定义该电容器的电容量为:

式中:C0为电容量，F;Q0为电荷量，C;U为极板间的电位差，即极间电压，V。

当极板间充满电介质(如煤油)之后(如图1b所示)，

式中:C为充有电介质的平行板电容器的电容，F;S为两极板的正对面积，cm2;σ为充有电介质的平行板电容器极板上的电荷密度，C/cm2;σ0为极间为真空的平行板电容器极板上的电荷密度，C/cm2;σ'为束缚电荷密度，C/cm2;εr为电介质的相对介电系数。

平行板电容器的电容值C与两极板正对面积S成正比，与两极板间距离d成反比，与极间电介质的介电常数成正比。

两极板间场强公式为

式中:E为板间场强，V/cm。

超声振动振幅的变化规律为

式中:A为振幅，μm。

工具电极施加轴向超声振动之后，极间距d的变化规律为

电容值的变化规律为

电容的变化范围为(εrS/(4πk(d+A))，εrS/(4πk(d－A)))。当极间距达到最大时，电容值达到最小，根据式(1)可得极板上的电量变化规律为

当板间距最大时，极板上的电量值为

当板间距达到最小时，极板上的电量值为

假设极间电压U不变，放电间距为10 μm，超声振幅为 5 μm，则Q2=3Q1。

极间电场的变化规律为

极间电场的变化区间为(U/(d+A)，U/(d－A))。

1.2 击穿电压计算

在电火花放电加工过程中，由于煤油的裂解会产生大量的碳粒，放电时金属溅射出的微粒也分布在煤油中，导致煤油里混合了大量的碳粒和金属微粒。煤油中混入碳粒与金属微粒会导致电场的畸变，使均匀的电场变得不再均匀(如图2所示)。

叠加之后的电场［8］为

式中:EM为加工介质的临界场强，V/cm;E0为均匀电场场强，V/cm;ε1为加工介质的相对介电系数;ε2为混入介质的相对介电系数。

煤油中混有碳粒或金属微粒时，由于碳粒和金属微粒都是导体，在静电场中的计算可以认为它们的介电系数无穷大，即ε2=∞。煤油的相对介电系数为2.3。由式(8)可得

极间介质的耐压变为

式中:Ukp为极间介质的耐压，V;d为加工间隙距离，cm;Ukp0为纯净极间介质的耐压，V。

可见击穿电压的大小取决于极间电介质的临界电场强度与两极间距。

对工具电极附加超声振动之后，把式(5)代入式(9)得

极间介质的耐压变化范围为(Ukp0/3－EMA/3，Ukp0/3+EMA/3)。假设极间电压U不变，放电间距为10 μm，超声振幅为5 μm，则当极间距离最大时极间介质的耐压变化范围为(Ukp0/6，Ukp0/2)。

当极间距离最小时，极间电介质的耐压值达到最小，而极间电场达到最大，极间电荷量达到最大，有利于击穿放电;当极间距离达到最大时，极间电介质的耐压值达到最大，极间电场达到最小，极间电荷量达到最小，有利于放电通道的消电离。

2 验证实验

实验采用阿奇SF201电火花成型机床，Z轴垂直进给分辨率为1 μm;脉冲电源为HELI－50A型脉冲电源，其脉宽范围为 1 ～2 000 μs，脉间为 1 ～500 μs，输出电压为100～300 V，最大输出电流为40 A;工具电极与工件均采用45钢;加工电介质为煤油;工具沿Z轴轴向超声振动;放电的间隙电压信号采用普源DS5102CAE型数字示波器采集。

实验原理如图3所示，装置如图4所示，主要由脉冲电源、工具电极、工件、数字示波器、超声波发生器、超声换能器、变幅杆以及机床进给系统等组成。脉冲电源用于提供放电脉冲，其波形为梳状波形，电源的两极分别接工具电极与工件;数字示波器直接测量工具电极与工件之间的电压，并通过PC机读取和保存电压波形;超声波发生器提供超声振动所需的电能，并通过换能器和变幅杆转化成一定振幅的超声振动，实验中的超声振动频率为20 kHz，振幅5 μm;进给由机床的进给系统完成，有3级进给速度，最低进给分辨率为1 μm，实验中采用机床的正常加工进给策略;实验外部条件为常温常压。实验中的脉冲与进给参数如表1所示。

表1 实验参数

实验采集的电压波形如图5和图6所示。对比两图可知，对工具电极施加超声振动之后，出现了较多的低压击穿现象。

3 结语

通过理论推导和实验验证，证明超声振动对极间电场、极间电介质的耐压值都有影响，影响的结果是降低了极间电介质的耐压值。极间耐压值最小时，极间电荷量与极间电场达到最大，有利于击穿放电。极间耐压值达到最大时，极间电荷量与极间电场都达到最小，有利于放电通道的消电离，可以减少电弧放电与短路的发生。在电火花加工过程中，对工具电极施加超声振动可以改善放电状态，提高加工效率。

［1］赵万生.先进电火花加工技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［2］Masanori Kunieda，Masahiro Yoshida.Electrical discharge machining in gas［J］.Annals of the CIRP，1997，46(1):143 － 146.

［3］Masanori Kunieda，Yukinori Miyoshi，Tsutomu Takaya，et al.High speed 3d milling by dry EDM［J］.Annals of the CIRP.2003，52(1):147－150.

［4］KREMER D，LEBRUN J L，HOSARI B，et al.Effects of ultrasonic vibrations on the performances in EDM［J］.Annals of the CIRP，1989，38(1):199－202.

［5］KREMER D，LHIAUBT C，MOISAN A.A study of the effect of synchronizing ultrasonic vibrations with pulses in EDM［J］.Annals of the CIRP，1991，40(1):211 －214.

［6］ZHANG J H，DENG J X，QIN Y，et al.Ultrasonic vibration electrical discharge machining in gas［J］.Journal of the Materials Processing Technology，2002，129(1/3):135 －138.

［7］徐明刚.超声震动——气体介质电火花复合加工技术与机理研究［D］.济南:山东大学，2007:72－81.

［8］李明辉.电火花加工理论基础［M］.北京:国防工业出版社，1989:34－60.