電火花介質(zhì)擊穿放電微觀物理過程和電火花加工新技術(shù)

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1、第 二 章 電 火 花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電 微 觀 物 理 過 程和 電 火 花 加 工 新 技 術(shù)第 一 節(jié) 放 電 的 伏 安 特 性 和 電 火 花 加 工 的 基本 原 理 一 、 放 電 的 伏 安 特 性二 、 電 火 花 加 工 原 理 三 、 條 件 四 、 特 點 五 、 分 類 一 、 放 電 的 伏 安 特 性1.放 電 現(xiàn) 象 與 電 加 工 方 法 放 電 現(xiàn) 象 的 基 礎(chǔ) 和 放 電 的 伏 安 特 性 1.放 電 現(xiàn) 象 與 電 加 工 方 法放 電 加 工 是 通 過 人 工 設(shè) 定 的 放 電 現(xiàn) 象 ， 利 用 其 能 量 進(jìn)行 加 工 的 方 法 。

2、19世 紀(jì) 末 期 ， 在 美 國 發(fā) 明 了 電 筆 ， 它 是 在 電 極 與 被 加工 工 件 金 屬 之 間 ， 通 過 低 電 壓 、 大 電 流 時 進(jìn) 行 刻 印 或?qū)?字 的 ； 進(jìn) 入 20世 紀(jì) 后 ， 通 過 在 介 電 液 體 中 放 電 ， 能 夠 制 作 金屬 粉 末 等 ； 蘇 聯(lián) 學(xué) 者 拉 扎 連 柯 夫 婦 1943年 在 金 屬 上 打 孔 獲 得 成 功 發(fā) 明 電 火 花 加 工日 本 把 電 火 花 加 工 作 為 精 密 加 工 ， 用 于 金 屬 模 具 加 工來 研 究 。 電 火 花 加 工 已 經(jīng) 成 為 金 屬 模 具 加 工 的 主 要

3、 手段 放 電 現(xiàn) 象 的 基 礎(chǔ) 和 放 電 的 伏 安特 性把 在 固 體 、 液 體 、 氣 體 的 絕 緣 體 內(nèi) 通 過 電 流 時 的 現(xiàn) 象 稱 為 放 電 。使 其 產(chǎn) 生 絕 緣 破 壞 ， 就 會 從 電 暈 放 電 (corona)開 始 ， 經(jīng) 過 火 花 放 電(spark)、 電 弧 放 電 (arc)的 形 式 ， 完 成 絕 緣 的 破 壞 。 暗 流 ： a-b段電 暈 放 電 (b) 火 花 放 電 (b-c段 ) 電 弧 放 電 (d-e段 以 后 ) 氣 體 中 放 電 類 型 起 始 放 電 間 隙 與 放 電 電 壓 二 、 電 火 花 加 工 原

4、理電 火 花 加 工 原 理 ： 工 件 和 工 具 之 間 脈 沖 性 放 電 的 電 腐 蝕 現(xiàn)象 來 蝕 除 多 余 金 屬 ， 以 達(dá) 到 對 零 件 的 尺 寸 、形 狀 及 表 面 質(zhì) 量 預(yù) 定 的 加 工 要 求 。 二 、 條 件 經(jīng) 常 保 持 一 定 的 間 隙 幾 微 米 到 幾 百 微 米 脈 沖 放 電 1s 1000s 絕 緣 介 質(zhì) 10 3 107 三 、 電 火 花 加 工 的 特 點 ： 優(yōu) 點 ： 難 切 削 材 料 特 殊 、 復(fù) 雜 零 件 無 明 顯 作 用 力 缺 點 ： 導(dǎo) 電 材 料 加 工 速 度 慢 電 極 損 耗 角 半 徑 有 限 制

5、 四 、 電 火 花 加 工 的 分 類 ： 穿 孔 成 型 加 工 線 切 割 加 工 電 火 花 磨 、 鏜 削 同 步 共 軛 回 轉(zhuǎn) 加 工 高 速 小 孔 加 工 表 面 強(qiáng) 化 、 刻 字 電 火 花 銑 削 加 工 微 細(xì) 電 火 花 加 工 電 火 花 表 面 沉 積 加 工 電 火 花 表 面 著 色 第 二 節(jié) 電 火 花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電 微 觀 物 理 過 程 電 火 花 加 工 過 程 中 ， 包 含 著 加 工 間 隙 中的 電 蝕 產(chǎn) 物 產(chǎn) 物 從 工 件 電 極 和 工 具 電 極上 蝕 除 、 間 隙 中 電 蝕 產(chǎn) 物 從 間 隙 中 排 出 、間

6、隙 尺 寸 增 大 、 電 極 跟 進(jìn) 等 過 程 。 從 微 觀 上 看 ， 加 工 間 隙 中 的 電 蝕 產(chǎn) 物 產(chǎn)物 是 如 何 （ 怎 樣 ） 從 工 件 電 極 和 工 具 電極 上 蝕 除 下 來 的 ？ 電 火 花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電微 觀 物 理 過 程 。 第 二 節(jié) 電 火 花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電 微 觀 物 理 過 程 一 、 極 間 介 質(zhì) 的 電 離 、 擊 穿 、 形 成 放 電 通 道二 、 介 質(zhì) 熱 分 解 、 電 極 材 料 熔 化 、 氣 化 熱 膨 脹三 、 電 極 材 料 的 拋 出四 、 極 間 介 質(zhì) 的 消 電 離 第 二 節(jié) 電 火

7、花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電 微 觀 物 理 過 程 第 二 節(jié) 電 火 花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電 微 觀 物 理 過 程一 、 極 間 介 質(zhì) 的 電 離 、 擊 穿 、 形成 放 電 通 道 場 強(qiáng) ： 105V mm（ 100 V m）時 間 ： 0.1 0.01s電 阻 ： 絕 緣 幾 分 之 一 歐 姆電 流 密 度 ： 10 5 106 A cm2（ 103 104 A mm2） 20 25 V溫 度 ： 10000初 始 壓 力 ： 數(shù) 至 數(shù) 十 Mpa 二 、 介 質(zhì) 熱 分 解 、 電 極 材料 熔 化 、 氣 化 熱 膨 脹電 子 正 極正 離 子 負(fù) 極電 能 動 能

8、熱 能通 道 高 溫 工 作 液 熱 分 解表 面 瞬 時 熱 源熱 膨 脹小 氣 泡 爆 炸 聲 第 二 節(jié) 電 火 花 介 質(zhì) 擊 穿 放 電 微 觀 物 理 過 程三 、 電 極 材 料 的 拋 出向 外 膨 脹氣 泡 內(nèi) 外 各 處 壓 力 不 等排 擠 、 拋 出 ， 進(jìn) 入 工 作 液飛 濺鍍 覆吸 附拋 出 作 用 ：熱 爆 炸 力 電 動 力流 體 動 力 四 、 極 間 介 質(zhì) 的 消 電 離恢 復(fù) 絕 緣消 電 離 時 間電 蝕 產(chǎn) 物 排 除 第 三 節(jié) 電 火 花 加 工 方 法 和 新 技 術(shù)一 、 電 火 花 加 工 方 法二 、 電 火 花 加 工 新 技 術(shù) 一

9、 、 電 火 花 加 工 方 法 沖 模 的 電 火 花 加 工 型 腔 模 的 電 火 花 加 工 小 孔 加 工 異 形 小 孔 的 電 火 花 加 工 電 火 花 小 孔 磨 削 電 火 花 鏟 磨 硬 質(zhì) 合 金 小 模 數(shù) 齒 輪 滾 刀 電 火 花 共 軛 同 步 回 轉(zhuǎn) 加 工 螺 紋 金 屬 電 火 花 表 面 強(qiáng) 化 和 刻 字 電 火 花 雙 軸 回 轉(zhuǎn) 展 成 法 磨 削 凹 凸 球 面 球 頭 一 、 電 火 花 加 工 方 法電 火 花 穿 孔 成 型 加 工電 火 花 穿 孔 加 工 電 火 花 成 型 加 工 沖模（凸凹模 、卸料板 、固定板） 粉末冶金模 擠壓模

10、（型腔） 型孔零件 小孔（0.01 3mm 小圓 孔、異形孔） 型腔零件 型腔模（鍛模、壓鑄模、塑 料模、膠木模） 沖 模 的 電 火 花 加 工一 、 沖 模 的 電 火 花 加 工 沖 模 的 電 火 花 加 工 工 藝 工 具 電 極優(yōu) 點 ： 在 工 件 淬 火 后 進(jìn) 行 加 工 ， 避 免 熱 處 理 變 形 。 配 合 間 隙 均 勻 ， 刃 口 耐 磨 。 不 受 材 料 硬 度 限 制 ， 擴(kuò) 大 了 模 具 材 料 的 選 用 范 圍 。 中 、 小 型 復(fù) 雜 凹 模 、 整 體 式 、 簡 化 結(jié) 構(gòu) 、 提 高 強(qiáng) 度 。 沖 模 的 電 火 花 加 工 沖 模 的

11、電 火 花 加 工 工 藝 凹 模 的 尺 寸 精 度 ： 主 要 靠 電 極 來 保證 。 L2=L1 2SL L2： 凹 模 的 尺 寸 L1： 工 具 電 極 的 尺 寸 SL： 單 面 火 花 間 隙 值 直 接 配 合 法 ： 直 接 用 加 長 的 鋼 凸 模 作 為 電 極 加 工 凹模 ， 反 向 加 工 ， 加 工 后 把 損 耗 部 分切 除 或 低 熔 點 合 金 澆 固 。 鋼 打 鋼 ： 磁 性 ， 300V高 低 壓 復(fù) 合 回 路 。 絕 大 多 數(shù) 沖 模 采 用 線 切 割 加 工 沖 模 的 電 火 花 加 工 工 具 電 極 電 極 材 料 ： T8A，

12、T10A Cr12， GCr15 硬 質(zhì) 合 金 電 極 的 設(shè) 計電 極 結(jié) 構(gòu) ： 整 體 式 鑲 拼 式 組 合 式 ： 多 孔 落 料 模 、 級 進(jìn) 模 沖 模 的 電 火 花 加 工 硬 質(zhì) 合 金 ： 電 極 適 當(dāng) 加 長 。 工 具 電 極 的 截 面 輪 廓 尺 寸 比 預(yù) 定 加 工 的 型 孔 尺 寸 均 勻 地 縮 小 一 個 加 工 間隙 。 重 心 位 于 主 軸 中 心 線 上 。 電 極 減 重 ： 開 減 輕 孔 （ 不 能 是 通 孔 ） 電 極 的 制 造 機(jī) 加 成 型 磨 鉗 工 精 修 線 切 割 加 工 酸 洗 鍍 銅 、 鍍 鋅 型 腔 模 的

13、 電 火 花 加 工 型 腔 模 電 火 花 加 工 的 工 藝 方 法 鍛 模 、 壓 鑄 模 、 膠 木 模 、 塑 料 模 、 擠 壓 模 。 特 點 ： 盲 孔 加 工 ， 循 環(huán) 、 排 除 差 ， 無 法 靠 進(jìn) 給 補(bǔ) 償精 度 ， 加 工 面 積 大 ， 損 耗 不 均 勻 ， 精 度 。加 工 方 法 : 單 電 極 平 動 法 多 電 極 更 換 法 分 解 電 極 法 型 腔 模 的 電 火 花 加 工 單 電 極 平 動 法一 個 電 極 ： 粗 、 中 、 精主 軸 頭 上數(shù) 控 ： 搖 動 加 工 ： 工 作 臺 按 一 定 軌 跡 做微 量 移 動 型 腔 模 的

14、 電 火 花 加 工 多 電 極 更 換 法 多 電 極 依 次 更 換 加 工 同 一 型 腔 型 腔 模 的 電 火 花 加 工 分 解 電 極 法 單 電 極 平 動 加 工 法 和 多 電 極 更 換加 工 法 的 綜 合 應(yīng) 用 。 主 型 腔 和 副 型 腔 電 極 先 主 后 副 型 腔 模 的 電 火 花 加 工 型 腔 模 的 電 火 花 加 工 型 腔 模 加 工 用 工 具 電 極 電 極 材 料 的 選 擇銅 鎢 合 金 、 銀 鎢 合 金 、 石墨常 用 ： 紫 銅 、 石 墨 型 腔 模 加 工 用 工 具 電 極 電 極 的 設(shè) 計截 面 尺 寸 ：a=A Kba

15、 電 極 水 平 方 向 的 尺 寸A 型 腔 圖 紙 上 名 義 尺 寸K 與 型 腔 尺 寸 注 法 有 關(guān) 的 系 數(shù)直 徑 方 向 （ 雙 邊 ） ： K=2半 徑 方 向 （ 單 邊 ） ： K=1b 電 極 半 徑 縮 放 量 （ 或 平 動 頭 偏 心 量 0.7 0.9 ）b=S L Hmax hmaxSL 單 面 加 工 間 隙Hmax 前 一 規(guī) 準(zhǔn) 加 工 時 表 面 微 觀 不 平 度 最 大 值hmax 本 規(guī) 準(zhǔn) 加 工 時 表 面 微 觀 不 平 度 最 大 值 ：縮 ： 放 ： 型 腔 模 加 工 用 工 具 電 極電 極 高 度 ：H=L lH 總 高 度l

16、有 效 長 度L 增 加 長 度 排 氣 孔 和 沖 油 孔 設(shè) 計 直 徑 ： 1 2mm 孔 距 ： 20 40mm 拐 角 、 窄 縫 、 凹 入 小 孔 加 工特 點 ： 加 工 面 積 小 、 深 度 大 ， 直 徑 一 般 為 0.05 2 ， 深 徑 比 達(dá) 20以 上 。 盲 孔 加 工 ， 排 屑 困 難 。 電 極 截 面 積 小 ， 容 易 變 形 ， 不 易 散 熱 ， 排 屑 困 難 ， 電 極 損 耗 大 ，電 極 ： 銅 鎢 合 金 絲 、 鎢 絲 、 鉬 絲 、 黃 銅 絲 導(dǎo) 向 裝 置 電 磁 振 動 頭 超 聲 波 振 動 小 孔 加 工電 火 花 高 速

17、 小 孔 加 工 管 狀 電 極 ： 回 轉(zhuǎn) 、 軸 向 進(jìn) 給 1 5Mpa高 壓 工 作 液 去 離 子 水 、 蒸 溜 水 、 乳 化 液 、 煤 油 加 工 速 度 ： 可 達(dá) 60 /min左 右 0.3mm 3mm， 深 徑 比 超 過 100 3mm深 330 預(yù) 穿 絲 孔 噴 嘴 異 形 小 孔 的 電 火 花 加 工噴 絲 板電 極 制 造 ： 冷 拔 整 體 電 極 線 切 割 加 工 整 體 電 極 電 火 花 反 拷 加 工 整 體 電 極 電 火 花 小 孔 磨 削 電 火 花 小 孔 磨 削 電 火 花 鏜 磨 與 磨 削 不 同 點 是 ： 只 有 工 件 的

18、旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動 ， 電 極 的 往 復(fù) 運(yùn)動 和 進(jìn) 給 運(yùn) 動 ， 而 電 極 工 具 沒 有 轉(zhuǎn) 動運(yùn) 動 。 鏜 ： 錐 度 、 橢 圓 度 達(dá) 0.003 0.005 ， 表 面 粗 糙 度 優(yōu) 于 Ra0.32 m。 電 火 花 小 孔 磨 削 電 火 花 鏟 磨 硬 質(zhì) 合 金 小 模 數(shù) 齒 輪 滾 刀 電 火 花 共 軛 同 步 回 轉(zhuǎn) 加 工 螺 紋電 火 花 鏟 磨 硬 質(zhì) 合 金 小 模 數(shù) 齒 輪 滾 刀電 火 花 共 軛 同 步 回 轉(zhuǎn) 加 工 螺 紋 優(yōu) 點 ： 沒 有 喇 叭 口 好 的 幾 何 精 度 ， 表 面 粗 糙 度 、 高 的 穩(wěn) 定 性 降 低 對

19、電 極 設(shè) 計 和 制 造 的 要 求 材 料 ： 紫 銅 、 黃 銅 。 應(yīng) 用 ： 各 類 螺 紋 環(huán) 規(guī) 、 塞 規(guī) 。 精 密 內(nèi) 、 外 齒 輪 加 工 。 精 密 旋 轉(zhuǎn) 圓 弧 面 、 錐 面 加 工 。 靜 壓 軸 承 油 腔 、 回 轉(zhuǎn) 泵 體 。 梳 刀 、 滾 刀 電 火 花 共 軛 同 步 回 轉(zhuǎn) 加 工 螺 紋各 類 螺 紋 環(huán) 規(guī) 、 塞 規(guī) 金 屬 電 火 花 表 面 強(qiáng) 化 和 刻 字 電 火 花 表 面 強(qiáng) 化特 性 ： 當(dāng) 采 用 硬 質(zhì) 合 金 作 電 極 時 ， 硬 度 可 達(dá) 1100 1400HV（ 約 70HRC以 上 ） 或更 高 。 當(dāng) 使 用

20、 鉻 錳 、 鎢 鉻 鈷 合 金 、 硬 質(zhì) 合 金 作 工 具 電 極 強(qiáng) 化 45鋼 時 ， 其 耐 磨 性 比原 表 層 提 高 2 2.5倍 。 用 石 墨 作 電 極 材 料 強(qiáng) 化 45鋼 ， 用 食 鹽 水 作 腐 蝕 性 試 驗 時 ， 其 耐 腐 蝕 性 提 高90 。 用 WC、 CrMn作 電 極 強(qiáng) 化 不 銹 鋼 時 ， 耐 蝕 性 提 高 3 5倍 。 耐 熱 性 大 大 提 高 ， 提 高 了 工 件 使 用 壽 命 。 疲 勞 強(qiáng) 度 提 高 2倍 左 右 。 硬 化 層 厚 度 約 為 0.01 0.08 。 金 屬 電 火 花 表 面 強(qiáng) 化 和 刻 字 金

21、 屬 電 火 花 表 面 強(qiáng) 化 和 刻 字 電 火 花 刻 字 工 藝 及 裝 置 電 火 花 雙 軸 回 轉(zhuǎn) 展 成 法 磨 削 凹 凸 球 面 球 頭 二 、 電 火 花 加 工 新 技 術(shù)微 小 孔 加 工 ：區(qū) 別 在 于 制 造 電 極反 拷 電 極 ： 用 電 火 花 加 工方 法 加 工 電 極 塊 規(guī) 法WEDG法單 次 放 電掃 描 創(chuàng) 成 （ 電 火 花 銑 削 ）氣 體 放 電 銑 削多 次 反 拷 加 工 法 混 粉 電 火 花 加 工氣 體 電 火 花 加 工 電 火 花 掃 描 創(chuàng) 成 （ 電 火 花銑 削 ）液 中 電 火 花 放 電 表 面 改 性電 火 花

22、放 電 沉 積電 火 花 表 面 著 色電 火 花 彎 曲 孔 加 工電 火 花 鏜 削 加 工絕 緣 材 料 電 火 花 加 工 WEDG法 圖 19氣 中 WEDG加 工 的 微 細(xì) 軸直 徑 25m,長 1mm 單 次 放 電 多 次 反 拷 加 工 法 掃 描 創(chuàng) 成 （ 電 火 花 銑 削 ） 混 粉 電 火 花 加 工 粉 末 顆 粒工 件電 極電 蝕 產(chǎn) 物 電 極工 件放 電 間 隙 增 大減 小 了 放 電 集 中 發(fā) 生 混 粉 電 火 花 加 工 混 粉 電 火 花 加 工 鏡 面 電 火 花 加 工 樣 件 照 片面 積 分 別 為 100100mm 2和 100mm時 加 工 表 面 液 中 電 火 花 放 電 表 面 改 性 液 中 電 火 花 放 電 表 面 改 性 距 表 面 的 距 離 （ m）硬度（HV）圖 5表 面 處 理 WC的 斷 面 硬 度 分 布 和 材 料 分 布硬 度