高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计_毕业设计(编辑修改稿)

高速走丝气中电火花线切割精加工编程设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

编程设计 2。 铜陵学院 毕业 设计 3 第 二 章 电火花加工基本原理 气体的放电特性 放电时指电流通过绝缘介质（气、液或固） 的一种现象，放电是一种极为复杂的过程，对于电火花加工条件下微小电极间隙内的放电现象， 目前探讨的还不深入，通常引用大间隙条件下的气体放电过程来说明。 这种放电的伏安特性随时间变化关系如图 21 所示。 当置于气体中的两金属电极上的电压逐渐 升高时，由于外界的高能粒子能使介质电离，形成了很小的电离电流，即 0a 段对于液体，因为会产生气体，也存在电离电流，电压继续提高会使绝缘部分破坏，造成电晕放电，即 ab 段，这是一种不稳定的放电状态，带电粒子不能自行增殖，只能在某些局部产生和消灭，保持平衡的放电。 若继续提高电压，带电粒子的速度增加，能事被碰撞的分子、原子电离，造成带电粒子不断增殖，向全路绝缘破坏转移， 电流急剧增大，成为不稳定的放电，电弧放电，即 de 段，这种放电在时间上连续在空间上集中，放电加工中如出现这一种情况常引起电极和工件的烧伤。 但电弧放电在工业上可用作光源、热源、焊接等用处。 靠外界因素激发才能维持的放电称为非自持放电；靠本身带电粒子增殖就能的放电称为自持放电，两种放电之间的转折点，即自持放电的初始阶段，称为介质击穿。 从介质击穿到电弧放电之间的过渡形式称为脉冲放电（即为广义火花放电）。 这种放电在时间上断续、在空间上分散，是电火花加工所采用的放电形式。 脉冲放电又可分为火花放电和过渡电弧放电，前者的特 点是放电电流密度和伏安特性有急剧的变化（ bc）段，后者的特点是放电电流密度随时间而下降，放电电压随电流的增加而降低（ cd）段。 图 21 气体放电特性 电火花加工的机理 电火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的物理过程也就是电火花加工的物理本质，或称机理。 了解这一微观过程，有助于掌握电火花加工工：高速走丝电火花线切割精加工编程设计 4 艺的基本规律，对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求。 从大量实验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程 [1]。 这一过程大致可分为以下四个连续阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离。 介质间的电离、击穿，形成放电通道 当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。 电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。 由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。 液体介质中不可避 免地含有某种杂质 (如金属微粒、碳粒子、胶体粒子等 )，也有一些自由电子，使介质呈现一定的电导率。 在电场作用下，这些杂质将使极间电场更不均匀，当阴极表面某处的电场强度增加到 105V/mm (100V/μm)左右时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。 在电场作用下电子高速向阳极运动，并撞击工作液介质中的分子或中性原子 (在化学，物理中任何分子都是由一种或多种元素的原子组成的。 任何原 子 都是由带正电荷的原子核和围绕原子核高速运动着的带负电荷的电子所组成，不同元素的原子有不同的电子数，但整个原子的正负电荷都相 等．因而是中性的 )，产生碰撞电离。 把最外层轨道上的负电子撞离出去，形成带负电的粒子 (主要是电子 )和带正电的粒子 (子核和轨道剩余的电子构成的正离子 )。 导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而电阻率迅速降低，形成放电通道，如图 22 所示。 这种由于电场强度增高引起电子发射形成的间隙击穿称为场致发射击穿。 另有一种由于阴极表面温度高，局部过热而引起大量电子发射形成的间隙击穿称为热击穿 [2]。 电火花加工中，热击穿过多，易引起放电点集中而不分散，导致积碳而转为电弧放电。 从雪崩电离开始到建立放电通道的过程非常迅速，理论上仅需 107s～ 108s(～)，间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值 (几安到几百安 )。 由于通道直径很小，所以通道中的电流密度可高达 105～ 106A/cm2。 间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压 (一般约为 20～ 30V)，电流则由零上升到某一峰值电流。 间隙电路中导线有了电感，或脉冲电源开关元件频率响应低，则上升下降的都会不陡。 放电通道是由数量大体相等的带正电 (正离子 )和带负电粒子 (电子 )以及中性粒子 (原子或分子 )组成的等离子体。 正负带电粒子相反方向高速运动相互碰 撞。 产生大量的热，使通道温度相当高。 但分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低。 图 22 击穿放电 铜陵学院 毕业 设计 5 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀 极间介质一旦被电离、击穿、形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。 电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。 于是在通道内正极和负极表面分别为瞬时热源，达到很高的温度。 通道高温将工作液介质气化，进而热烈分解气化，如煤油等碳氢化合物工作液，高温后裂解成氢气、乙炔、甲烷、乙烯、游离碳黑等；水基工作液则热分解成氢气、氧气的分子甚至原子等。 正负极表面的高温除使工作液汽化、热分解气化外，也使金属材料熔化甚至沸腾气化。 这些气化后的工作液和金属蒸气，瞬间体积猛增，在放电间隙内形成气泡，迅速热膨胀。 就象火药、爆竹点燃后具有爆炸性，如图 23 所示。 电火花加工过程中，可看到放电间隙冒出气泡，工作液逐渐变黑，听到轻微的清脆爆炸声。 电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、气化了的电极材料抛出蚀除。 图 23气化膨胀 电极材料的抛出 通道和正负极表面放电瞬时高温使工作液气和金属材料熔化、气化，热膨胀产生很高的瞬时压力。 通道中心压力最高，使气化 了的气体体积不断向外膨胀，形成一个扩张的“气泡”。 气泡上下、内外的瞬时压力并不相等，压力高处的熔融金属液体和蒸气，就被排挤、抛出而进入工作液中，如图 24 所示。 由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小表面积，冷凝时形成细小的圆球颗粒 (直径约 ～ 300μ m 随脉冲能量而异 )。 实际上熔化和气化了的金属抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中收缩小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面电极表面上。 这种互相飞溅、镀覆、吸附的现象，在某种条件下可用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。 半裸在 空气中的电火花加工时，可看见到桔红色甚至蓝白色的火花四溅，它们就是被瞬时局部高压微爆炸抛出的金属高温熔滴和小屑，与磨削时看到的火花类似。 观察铜打钢电火花加工后的电极表面，可看到钢上粘有铜、铜上粘有钢的痕迹。 进一步分析电加工后的产物，在显微镜下可看到除了游离的碳粒、大小不等的铜和钢的球状颗粒之外，还有一些钢包铜、铜包钢、互相飞溅包容的颗粒。 图 24电极料抛出 ：高速走丝电火花线切割精加工编程设计 6 极间介质的消电离 随着脉冲电压的结束，脉冲电流迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒 子，恢复本次放电通道处间隙介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，如图 25 所示。 从而保证在别处按两极相对最近处或电阻率最小处形成下一 击穿放电通道。 在加工过程中产生的电蚀产物 (如金属微粒、碳粒子、气泡等 )如果来不及排除、扩散出去，就会改变隙介质的成分，并降低绝缘强度。 脉冲火火花放电时产生的热量不及时传出，带电粒子的自由能不易降低，将大大减少复合的几率，使消电离过程不充分，结果将使下一个脉冲放电通道始终集中在某一部位，使介质和金属表面局部过热而破坏消电离过程。 这样脉冲火花放电将恶性循环，转变为有害的稳定电弧放电。 同时工作液局部高温分解后可能结碳，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，使加工无法进行下去，并烧伤电极和工件。 由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间 to，这一脉冲间隔时间的选择，不仅要考虑介质本身消电离所需的时间 (与脉冲能量有关。 但总的来说，消电离时间较快，只需 5～ 50μs)，还要考虑电蚀产物排离放电区域的难易程度 (与脉冲爆炸力大小、放电间隙大小、抬刀及加工面积有关 )。 此外还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否 则若在一点附近放电，易形成电弧。 到目前为止，人们对于电火花加工的微观过程的了解还是很不够，诸如工作液成分作用间隙介质的击穿，放电间隙内的状况，正负电极间能量的转换与分配，材料的抛出，电火花加工中热场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡，以及煤油工作液的热分解、裂变、带电碳微粒在正电极上的吸附等胶体化学现象等等，都还需要进一步探讨。 图 25 极间恢复绝缘 电火花加工的基本规律 金属材料热物理常数对电蚀量的影响 所谓热物理常数是指熔点、沸点（气化点）、导热系数、比热（热容）、溶解热、气化热 等，其中前三个热物理常数对电蚀量影响较大。 每次脉冲放电时，通道内及正、负极放电点瞬时分别获得大量热能。 正、负电极放电点的热能中，除一部分由于热传导散失到电极、工件和工作液外，另一部分依次消耗在以下几方面： 1)金属材料的局部表面温度升高，直至达到熔点，每克金属升高 1℃所需热量（ cal），称为该金属的比热（热容）； 2)处于熔点的固体金属熔化成液体，每熔化一克固体金属所需的热量，称为该金属的熔化潜热； 3)熔化的金属液体继续升温至沸点，每克金属液体升高 1℃所需热量，称为该熔液的铜陵学院 毕业 设计 7 热容； 4)使处于沸点的熔液蒸发 成金属蒸汽，每蒸发一克液体金属所需的热量称为气化热； 5)金属蒸汽继续加热成过蒸汽，每克金属蒸汽升高 1℃所需的热量称为该蒸汽的热容。 能量和脉冲频率对电蚀量的影响 实践表明，无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量 Vwe与单个脉冲的能量 We 成正比的关系。 而总的蚀除量等于总的有效脉冲蚀除量的总和，至于正极或负极的加工速度 Vw即单位时间内的蚀除量）基本上与单个脉冲能量和脉冲频率成正比。 由于火花放电间隙的负阻特性，击穿后的火花维持电压 20～ 25V 左右的常值，而与空载电压击穿电压的关系不大。 脉冲频率 fp 为 脉冲周期 tp 的倒数，而脉冲周期又为脉冲宽度 ti与脉冲间隔 to 之和。 但实际加工中，存在着开路（未击穿）、正常电火花放电、不稳定电弧、稳定电弧和短路等。 除正常火花放电外，其它几种放电状态都不利于加工，因此实际有效放电频率 fe 低于电源脉冲频率 fp。 即脉冲利用率λ小于 1。 提高电蚀量和切割速度的途径，在于提高脉冲频率fe 增加单个脉冲能量 We 或提高脉冲利用率λ。 当然实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其工艺指标的影响。 例如频率过高，脉冲间隔过小，将产生电弧放电；单个脉冲能量大，表面粗糙。 极性效应 和脉冲宽度对电蚀量的影响 实验证明，即使所有的加工参数相同，电火花线切割加工时工件接正极或负极，其蚀除量或切割速度也是不一样，这种由于正、负极性接法不同而蚀除量不一样的现象叫做“极性效应”。 产生极性效应的基本原因如下：在火花放电过程中，正、负电极表面分别受到负电子和正离子的轰击和瞬时热源作用，在两极表面所分配的能量不一样，因而熔化、气化和抛出的金属量也不一样。 一般而言，电火花线切割加工脉宽为 ～ 40μs，即用短脉冲加工时，负极的蚀除量小于正极。 这是因为每次放电时，负电子的质量和惯性较小，容易获得动能和加速度，很快奔向正极。 其电能和动能较多地转换成热能用以蚀除金属。 而正离子由于质量和惯性较大，起动，加速较慢，有一大部分尚未来得及到达负极表面，脉冲便以结束，所以正极的蚀除量大于负极。 在这种情况下切割时工件应接正极，称为“正极性加工”或“正极性接法”。 反之当用较长的脉冲（例如脉宽大于 300μs）加工时，则负极的蚀除量将大于正极，此时工件应接负极，称为“负极性加工”或“负极性接法”。 这是因为随着脉冲宽度和放电时间 的加长，质量和惯性较大的正离子也逐渐获得了加速，陆续地轰击在负极表面上。 正是由于正离子的质量较大，因此它对阴极的轰击破坏作用也比电子显著。 但是电火花线切割加工中，加工脉宽大于 300μs 时，加工电流可达 30～ 50A 左右，由于电极丝很细（一般为 ～ ）承受不了这么大的电流而被烧毁。 即使承受了，由于电流大，单个脉冲能量大，加工表面粗糙度大，因此电火花线切割加工中一般不采用“负极性”加工，而多数采用“正极性”加工。 从提高切割速度和减少电极丝损耗来看（对于 WEDMHS 而言），极性效应越显著越 好。 当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，总的极性效应便为零，增加了电极丝的损耗。 因此一般都采用单向、直流脉冲电源进行电火花线切割加工，或者用阻尼二极管把负半波消除掉。 这是对电火花线切割加工用的脉冲电源基本要求之一。 但现在也有人探索采用电压、无极性的加工工艺。 当电极丝和工件材料不同时，仍然有极性效应现象，不过这时变得复杂了，：高速走丝电火花线切割精加。