关键词：
电火花加工
电弧加工
振动辅助
加工机理
工艺规律
摘要：
电弧加工是为弥补传统电火花加工较低的加工速度而提出的一种新型电火花加工技术。该技术采用高能量电弧放电蚀除材料,具有加工速度快、能量利用率高、电极相对损耗率低、放电介质绿色环保等优点,近年来受到越来越多的关注。但电弧加工开路电压低、峰值电流大、脉冲宽度长,使击穿间隙小、电蚀凹坑凸缘大、电蚀产物多、蚀除颗粒大,容易造成间隙放电状态恶化,影响加工过程的稳定性与加工速度、加工质量的提升。振动辅助电弧铣削加工技术通过工件电极叠加机械振动,可以有效增大平均电极间隙,改善间隙放电状态和扰动电弧等离子体,进而提高加工速度,降低电极相对损耗率和加工表面粗糙度,是一种极具优势的新型电火花加工技术。通过观察分析电弧等离子体的形成、稳态和扰动以及电蚀凹坑形貌,开展对振动辅助电弧铣削加工机理的研究。采用等离子体物理中的电弧理论建立电弧加工中的电弧等离子体模型,分析电弧等离子体的形成过程,以及电弧等离子体稳态的建立与维持,外部扰动对电弧等离子体的作用,并建立了电弧等离子体的弧柱特征参数和弧柱能量的关系。对电弧等离子体、电蚀凹坑形貌和加工结果的关系进行研究,形成了电弧等离子体-电蚀凹坑形貌-材料去除率、电极相对损耗率和表面粗糙度之间的理论模型。理论研究结果表明,电源特性决定弧柱最大长度与弧柱电流,进而影响弧柱压强、弧柱温度、弧柱直径、弧柱功率和极性效应,使两极电蚀凹坑直径、深度、深径比和去除体积发生变化,最终影响材料去除率、电极相对损耗率和表面粗糙度。对传统电火花加工与电弧加工的峰值电流和脉冲宽度范围进行对比,开发了能够实现火花放电和电弧放电的单脉冲电源。开展以峰值电流和脉冲宽度为试验因素的面-面单脉冲放电试验,发现了峰值电流或脉冲宽度的增加会导致单脉冲放电短路现象。依据短路现象提出区分传统电火花加工与电弧加工的方法:电弧加工中放电能量的增大促使火花放电通道转化为电弧等离子体,弧柱直径增大,电蚀凹坑和凸缘随之增大,进而造成凸缘桥接形成短路,发生短路的峰值电流和脉冲宽度参数范围为电弧加工范围。并就振动辅助对平均电极间隙、冲液流量和桥接的作用进行分析,形成了振动辅助电弧铣削加工中的叠加振动作用机理。叠加振动拉长电弧等离子体,增加了电弧放电的能量,增强了弧柱能量分配中的极性效应,使阳极获得能量增多,阴极获得能量减少,使阳极凹坑变大,阴极凹坑变小,增大材料去除率,减小电极相对损耗率;叠加振动增大了平均电极间隙,促进了弧根在电极表面的运动,防止放电集中,改善间隙放电状态。通过针-面电极单脉冲放电试验对传统电火花加工到电弧加工的转变过程及转变特性进行研究,结果表明传统电火花加工到电弧加工的转变随着峰值电流和脉冲宽度的增大逐渐发生。峰值电流的增大使电蚀凹坑变大,变深,蚀除体积增大,造成工件表面粗糙度升高;脉冲宽度的增长强化了极性效应,减小了阴极凹坑深度;大峰值电流和长脉冲宽度使电弧加工获得极大材料去除率的同时降低了电极相对损耗率。通过单脉冲电弧放电对电弧加工中的流体冲液断弧进行试验研究和理论分析,获得断弧机理。流体冲液断弧是扰动电弧等离子体以避免放电集中,最终改良间隙放电状态促进加工。提出一种新的测量电弧加工中放电冲击力的方法并对放电冲击力的大小、变化和组成进行研究,放电冲击力由初期的气泡爆炸力与后续的电弧等离子体压强力组成,随峰值电流的增大而增大,与脉冲宽度无关。提出了一种适用于电弧加工的独立式间隙放电状态检测方法,采用此检测方法开发了控制系统。设计和制造了与控制系统匹配的直流电弧电源、电弧铣削主轴、工作液循环系统和振动平台,完成振动辅助电弧铣削加工试验样机的搭建。进行样机的电弧放电击穿试验,结果表明:采取80V开路电压与自来水作为放电介质时,击穿间隙小于20μm,水基介质中的放电击穿是极间电场与极间漏电流共同作用的结果;振动辅助电弧铣削试验样机实现了间隙放电状态自动检测与进给速度自适应调解,使加工稳定、高效进行;电弧铣削加工的电蚀产物以实心球体为主,工件材料主要以液态形式蚀除。利用试验样机,对峰值电流、电极转速、冲液压强进行单因素试验,对工件极性和叠加振动进行对比试验,结果表明:峰值电流的增大导致材料去除率和表面粗糙度增大,电极相对损耗率降低;电极转速或冲液压强取低值时,电弧放电集中,降低了材料去除率,增加了电极相对损耗率;电极转速或冲液压强取高值时断弧频繁,导致实际放电时间缩短,降低了材料去除率,增加了电极相对损耗率;工件正极性时,材料去除率高于负极性;叠加振动的振幅和频率共同对加工结果产生作用,同样频率下大振幅比小振幅能更有效的提高材料去除率、降低电极相对损耗率和表面粗糙度;过低的频率缩短了有效放电时间,过高的频率降低振幅并削弱叠加振动对电极间隙的影响,低频与高频都不利于提升加工效果。试验结果表明,叠加振动可以有效改善间隙放电状态,减少短路次数,提升加工过程的稳
