電火花放電加工中工具電極損耗理論研究(1)

1、設(shè)計(jì)與研究電火花放電加工中工具電極損耗理論研究南京航空航天大學(xué)󰀁󰀁周󰀁勇󰀁劉正塤摘󰀁要󰀁󰀁在電火花放電加工過(guò)程中,采用負(fù)極性加工時(shí),工具電極的損耗主要是由于火花放電前幾百納秒出現(xiàn)的電子流對(duì)工具電極表面的轟擊造成的。本文對(duì)極間脈沖電流和電壓的變化進(jìn)行研究,推導(dǎo)出電子流傳遞給工具的能量,并考慮到放電過(guò)程中出現(xiàn)的正極積碳現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上建立工具電極損耗量的模型。最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Abstract󰀁󰀁InEDMprocesswithtoolasanode,too

2、lwearislargelyproducedbyelectroncurrentingapduringthefristhundredsnanosecondsofthesparkignition.Inthispaper,throughtheinvestagetiononthechangeofcurrentandvoltage,thepowerproducedbyelectrodecurrentisformulatedandsomecarbonprecipitatedonthesurfaceoftoll,namelyanode,isthoughtofhavingafunctionofcompensa

3、tiontotoolswear.Onthisbaiss,atheoreticalmodeloftoolwearisbuiltup.Atlast,someexperimentsismadeinordertotestedthemode.關(guān)鍵詞󰀁󰀁電火花放電加工󰀁󰀁工具電極損耗󰀁󰀁電子流󰀁󰀁積碳1󰀁前言電火花放電加工是利用兩電極極間脈沖火花放電產(chǎn)生大量的熱能,熔化、蒸發(fā)和拋出電極材料,達(dá)到加工的目的。由于放電點(diǎn)面積小,其能量密度可達(dá)1010W/mm。放電能量

4、大部分被工件電極吸收,工具電極也吸收一部分能量,不可避免地造成工具電極的損耗,直接影響到工件成形精度。關(guān)于工具電極的損耗,國(guó)內(nèi)外已有大量的文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了深入的、卓有成效的研究,然而,如何對(duì)工具電極損耗量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè),目前仍然存在相當(dāng)大的難度。本文對(duì)負(fù)極性加工時(shí)工具電極損耗機(jī)理進(jìn)行了研究,認(rèn)為工具電極損耗是由脈沖放電前幾百納秒極間出現(xiàn)的電子流對(duì)工具表面轟擊造成的1。由此推導(dǎo)出該時(shí)間內(nèi)傳遞到工具電極表面的能量,并考慮到放電中出現(xiàn)的正極積收稿日期:1998-03-16572碳現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上建立工具電極損耗量的數(shù)學(xué)模型,最后用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。2󰀁工具電極去除機(jī)理從電火花放電加工過(guò)

5、程可以看出,在極間火花放電初期幾百納秒時(shí)間內(nèi),產(chǎn)生的電流主要是電子流1,2,正極主要受電子流的轟擊。反映在放電電壓和電流波型中(見(jiàn)圖1),這段時(shí)間對(duì)應(yīng)著電壓由開(kāi)路電壓值下降圖1󰀁脈沖放電電流及電壓波形到維持火花放電電壓值,而電流由約為零上升到約為最大值的時(shí)間,即圖1中的tf。由󰀂此可認(rèn)為,工具電極損耗量與放電初期tf時(shí)間內(nèi)傳遞到工具的能量有關(guān)。此外,一部分熔化、氣化的金屬和油性液體介質(zhì)裂變產(chǎn)物(主要為碳黑)涂覆在工具表面形成的積碳層,對(duì)工具電極損耗起到補(bǔ)償作用。綜上所述,為簡(jiǎn)化電極材料去除過(guò)程,本文提出如下假設(shè)和觀點(diǎn):(1)在火花放電發(fā)生初期tf時(shí)間內(nèi),極間產(chǎn)生

6、的電流僅為電子流。由于電子流而傳遞給工具電極表面的能量與工具損耗關(guān)系式如下:󰀁󰀁󰀁󰀁WD=M(Pt-PR)(1)ta󰀂󰀂󰀂穩(wěn)定放電持續(xù)時(shí)間,ston󰀂󰀂󰀂脈沖持續(xù)時(shí)間,std󰀂󰀂󰀂放電延時(shí),s(3)由以上分析可知,單個(gè)脈沖放電引起的實(shí)際工具電極損耗量為:WE=WD-WT(7)󰀁󰀁對(duì)于一段加工時(shí)間,工具損耗量可看作此時(shí)間內(nèi)所有單個(gè)脈沖去除量的總和,即:WET%

7、WEton+toff(8)式中󰀁󰀁T󰀂󰀂󰀂加工時(shí)間,sWET󰀂󰀂󰀂加工時(shí)間為T(mén)時(shí)的工具損耗量,g󰀁󰀁󰀂󰀂󰀂T時(shí)間內(nèi)發(fā)生放電的脈沖數(shù)占整個(gè)脈沖數(shù)的百分比,%󰀁toff󰀂󰀂󰀂脈沖間隔,s式中󰀁WD󰀂󰀂󰀂單個(gè)脈沖放電時(shí)因電子流轟擊而產(chǎn)生的工具損耗量,gM󰀂

8、;󰀂󰀂比例系數(shù),g/JPt󰀂󰀂󰀂單個(gè)脈沖放電時(shí)電子流傳遞給工具的能量,JPt=U(t)I(t)dttf0(2)3󰀁工具電極能量分配和工具電極損耗在極間形成放電通道過(guò)程中,極間電壓和電流的變化如圖1所示,電壓迅速下降,而電流迅速上升。據(jù)文獻(xiàn)1,電流和電壓U(t)󰀂󰀂󰀂極間電壓,VI(t)󰀂󰀂󰀂極間電流,A󰀁tf󰀂󰀂󰀂電壓下降時(shí)間,s♦

9、41;PR󰀂󰀂󰀂潛熱,JPR=C#(Tt-T0)+󰀁#WD󰀁(3)的這種變化可以用下式表示:U(t)=(U0-Ud)#e-I(t)=Im(1-e-t/tft/tf󰀁C󰀂󰀂󰀂工具材料比熱,J/(g#)󰀁Tt,T0󰀂󰀂󰀂分別為工具材料熔點(diǎn)及放󰀁電前的溫度,󰀁󰀁󰀂󰀂󰀂熔化潛熱,J/g-Ud(9)(10

10、)式中󰀁U0󰀂󰀂󰀂脈沖開(kāi)路電壓,VIm󰀂󰀂󰀂脈沖峰值電流,A󰀂󰀂󰀂󰀂系數(shù),與液體介質(zhì)有關(guān)由此,導(dǎo)出極間電阻為󰀁R(t)=do=+#f(11)ImIme-1I(t)由文獻(xiàn)3,R(t)隨時(shí)間的變化(見(jiàn)圖2(2)積碳層重量與放電過(guò)程中分配給極間和工件電極的能量關(guān)系式如下:WT=M1#PT層重量,gM1󰀂󰀂󰀂比例系數(shù),g/JPT󰀂󰀂󰀂單個(gè)脈沖放電時(shí)形成穩(wěn)定放電通道而傳遞給介質(zhì)和工件的能量,JPT=(4)式