混粉电火花加工介质击穿机理及工艺特性仿真研究①

王新荣,任城龙,王 冬,张 霞

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

混粉电火花加工是近年来新兴的一种精密加工技术，在模具制造行业及精密型腔零件加工领域具有十分广阔的应用前景。该技术通过在煤油介质中添加一定浓度和粒度的导电性粉末，并使之在煤油介质中均匀悬浮，改变了工件与工具两极之间放电间的状态，从而使加工表面粗糙度降低，加工表面的耐磨性、耐蚀性、精加工效率得到提高。如果将混粉加工用作大型型腔模具的最终精密加工方法，取代后续手工抛光工序，还能大大减轻工人劳动强度，缩短产品生产周期，进一步拓宽电火花加工的应用范围[1]。因此，开展混粉电火花加工的介质击穿机理及加工工艺特性仿真研究，对在加工实践中正确选择混粉加工工艺参数、提高加工表面质量具有重要的意义[2]。同时也为推广应用混粉电火花加工技术，使其成为制造技术领域中有效的加工方法提供一定的理论依据。

1 粉末特性对混粉加工表面粗糙度影响机理的研究

1.1 粉末种类的影响

相对于绝缘性粉末来说，如果在工作液中加入导电性粉末，能减小加工表面粗糙度。因为绝缘性粉末进入放电间隙，不但不能改变工作液的介电强度，还会影响工作液的循环与流动，对正常放电带来不利影响。对于添加了导电性粉末的极间加工介质，其被击穿特性及难易程度与粉末原子第Ⅰ电离能有直接关系。第Ⅰ电离能越小，粉末原子就越容易失去外层电子，产生大量等离子体，也就越容易被电离击穿[3]。几种常用粉末原子第Ⅰ电离能如表1所示，由于Al第Ⅰ电离能最小，在低电压下更容易被击穿，使带电粒子轰击动能减弱，使工件表层金属蚀除量减少，因此使用添加了铝粉的工作液进行加工，能获得更低的表面粗糙度。再从分子量的大小及粉末粒子沉淀方面来分析，由于Al的分子量比Cr、Ni、W更小，所以在重力场作用下沉降现象减弱，有利于在工作液中均匀悬浮，能进一步减小加工表面粗糙度。另外，铝的导热性能好，传导散失的热量多，使放电热源的强度降低，使工件表层材料去除量减少。铝还易于制作成细小均匀的粉末颗粒，混粉加工时能促使放电点分散和均匀分布，使放电蚀坑的一致性好。

表1 几种粉末原子的第Ⅰ电离能

Si元素的第Ⅰ电离能虽然比Al 、Cr、Ni、W大，但Si与C同族，能促使煤油分子产生化学分解，使C原子与Si原子进行交换。Si原子与H+离子之间亲合力更强，能加快促进煤油分子分解，使击穿放电次数增多，能量消耗增多，从而使工件和工具电极表面获得的能量减少，使加工表面产生的放电蚀坑变浅，所以，选用添加了硅粉的工作液进行加工，也能获得小的表面粗糙度。

1.2 粉末浓度的影响

由于铝、硅粉末的介电常数大于煤油介质的介电常数，所以当在煤油中混入铝或硅粉末时，混粉工作液的介电常数就会大于煤油介质的介电常数。而且随着粉末浓度的逐步增大，混粉工作液的介电常数也增大，绝缘强度相应降低，使极间工作液介质更容易产生击穿放电。另外，粉末浓度进一步增大，被电离出来的带电粒子数目也越多，消耗能量也随之增多，导致脉冲放电能量被分散了。随着粉末浓度的增大，工作液的击穿电压下降,加速电场的场强减小，带电粒子的轰击作用减弱，使放电蚀坑深度减小。

此外，随着粉末浓度增大，工作液中带电粒子数目增多，有利于极间介质消电离，复合成中性粒子，使火花放电均匀分散。因为带电粒子数越多，相互撞击的概率就越大，带电粒子所携带的动能会因撞击次数增多而消耗增多。动能减少了，就会显著增加带电粒子复合的概率，使消电离充分，有利于放电点顺利转移，并在加工表面均匀分布。

虽然增大粉末浓度有利于减小表面粗糙度，但不能过大，否则工作液流动性变差，严重影响其循环与更新。还容易产生粉末沉淀，使放电间隙的状态受到破坏，出现放电集中现象，对加工效果产生不利影响。所以混粉工作液的浓度以(30～40)g/L为宜。

1.3 粉末粒度的影响

混粉加工常混入铝粉或硅粉等，由于不同材质的粉末其制造工艺不同，因此粉末粒度就不同。对于铝或者硅粉来说，如果粉末粒度细小，就能获得小的加工表面粗糙度。因为混入粉末虽然能使放电间隙增大，但最大不会超过100μm。当有粗大粉末颗粒进入放电间隙，由于颗粒的尺寸及重量大，在放电间隙容易产生沉淀，造成新的火花放电诱发源，引发出放电集中或短路现象，使加工过程不稳定，使正常火花放电遭到破坏，放电蚀坑出现重叠，形成既大又深的放电蚀坑，使加工表面质量变差。相反，当有细小的粉末颗粒进入放电间隙时，有利于保持均匀悬浮，使火花放电在加工表面均匀分布，因此粉末粒度以小于15μm为宜。

2 脉冲放电参数对混粉工艺特性影响的仿真研究

由电火花加工基本原理得知，加工表面由无数个相互重叠的放电蚀坑所组成，放电蚀坑深度以及均匀分布情况决定了加工表面粗糙度，而单个脉冲放电产生热源作用而形成的温度场，对放电蚀坑半径及深度有着重要影响。所以对单脉冲放电温度场进行仿真研究，对预测和改善加工表面粗糙度，揭示材料去除机理具有重要意义。

2.1 放电蚀坑深度与工件表层温度场的关系分析

电火花加工脉冲放电所释放的能量，绝大部分被转化成热能，而这些热能将分别传递给工件、工具电极和液体介质等[4]。火花放电在加工间隙中形成一条高能量密度的放电通道，分别使工件和工具放电点周围受到热源作用，使放电点处的温度逐步升高，当温度升高超过材料熔点和沸点时，就会产生熔化和汽化现象，然后通过热膨胀将这些熔融材料抛离工件表面。火花放电时放电点中心处温度最高，放电点周围沿深度及径向方向温度逐步降低。放电蚀坑深度与加工材料表面放电点附近的熔化层深度密切相关，放电点处温度场的温度越高，熔化、汽化层越深，放电蚀坑就越深，也就是放电温度场分布决定了放电蚀坑深度。

混粉电火花加工工件表层所形成的放电蚀坑深度，与工件材料、工作液介质成分及脉冲放电参数等直接相关。在所有脉冲放电参数中以峰值电流和脉冲宽度对放电蚀坑深度的影响最为明显[5]。下面采用ANSYS有限元分析软件对峰值电流对放电蚀坑深度的影响进行仿真研究。

2.2 峰值电流对单脉冲放电蚀坑深度影响的仿真研究

仿真研究的工况条件：工件选材45钢，放电电压25V，脉冲宽度选择4μs，在上述工艺参数不变的条件下，改变峰值电流的大小分别为2A、4A、6A和8A。基于ANSYS软件，对工件进行有限元瞬态热分析，获得单脉冲放电时放电点周围四分之一模型的温度场分布，如图1所示。由仿真结果看出，工件表层放电中心处温度最高，高达9000℃左右，且峰值电流越大，放电中心温度越高。由于工件材料本身的热传导，以及工件材料与工作液介质间的热对流等作用，使放电点温度由放电中心向周围逐步降低，呈现出不均匀的梯度分布[6]。假定不考虑白层的影响，那么超过材料熔点(约1500℃)区域的金属将被全部蚀除，从而得到不同峰值电流下电蚀坑的深度值，表2列出了不同峰值电流下的有限元仿真结果。

图1 不同峰冲电流下工件材料放电点温度场分布图

表2 加工参数及仿真结果

脉冲宽度4μs，峰值电流取值2A、6A时，采用有限元仿真得到工件放电点中心沿深度方向的温度分布曲线，如图2所示。由图可以看出，在工件表层放电点中心处温度最高，由放电点中心沿深度方向温度逐步降低，变化趋势是先快后慢。而且峰值电流越大，温度场的温度就越高，工件表面熔化层越深，则放电蚀坑变深，加工表面就更粗糙。

图2 工件放电点中心沿深度方向的温度分布曲线

脉冲宽度4μs，峰值电流分别取值2A、4A、6A和8A，通过仿真计算得到电蚀坑深度值如表1所示。依据仿真计算得到的结果数据，绘制出放电蚀坑深度随峰值电流大小而变化的曲线，如图3所示。由图3得知，在相同脉冲宽度下，放电蚀坑深度随峰值电流的增大而增大，加工表面粗糙度值也相应增大。因为脉冲宽度大小不变时，峰值电流越大，单个脉冲放电能量也越大，使每次放电蚀除量增多，导致放电蚀坑加深。所以，混粉加工欲改善加工表面粗糙度，就应选用小的峰值电流值。

图3 脉冲宽度一定时不同峰值电流下电蚀坑深度曲线

3 结 语

解释了混粉电火花加工击穿放电的机理和材料去除机制，探讨了影响放电蚀坑深度及加工表面粗糙度的主要因素及其影响规律，具体结论如下：

(1)混粉加工通过在煤油介质中添加一定数量导电性粉末，并适当增大粉末的浓度，选用粒度细小的粉末颗粒，均能改善模具型腔表面粗糙度，提高混粉技术的工艺效果。

(2)通过有限元仿真，获得单个脉冲放电材料表层温度场分布及放电蚀坑深度随峰值电流大小而变化规律。在混粉加工中随着峰值电流的减小，放电蚀坑深度也相应减小，利于改善加工表面质量。