電火花放電加工中工具電極損耗理論研究

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。AbstractInEDMprocesswithtoolasbyelectroncurrentingapduringthefristInthispaper,throughthe,thepowerproducedbyelectrodecurrentispre

2、cipitatedonthesurfaceoftoll,namelyanode,isthoughtofafunctionofcompensationtotoolswear.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。放電能量大部分被工件電極吸收,

3、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程可以看出,在極間火花放電初期幾百納秒時(shí)

4、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(見圖1),這段時(shí)間對(duì)應(yīng)著電壓由開路電壓值下降圖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1電加工1998年第4期此可認(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

5、量與工具損耗關(guān)系式如下:(1)WD=M(Pt-PR)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,M比例系數(shù)Pt,JPt=U(t)I(t)tfta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:(8)WETWton+toffE式中T加工時(shí)間,sWT時(shí)的工具損,數(shù)占整個(gè)脈沖數(shù)的百分比,%toff脈沖間隔,s(2)dt3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

6、迅速上升。據(jù)文獻(xiàn)1,電流和電壓的這種變化可以用下式表示:(9)U(t)=(U0-Ud)e-t/tf-UdI(t)=Im(1-e-t/tfU(t)極間電壓,VI(t)極間電流,Atf電壓下降時(shí)間,sPR潛熱,J(Tt-T0)+PR=CWD(3)C工具材料比熱,J/(gTt,T0分別為工具材料熔點(diǎn)及放電前的溫度,熔化潛熱,J/g(2)積碳層重量與放電過程中分配給極)(10)式中U0脈沖開路電壓,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)=(11)=+t/tI(t)ImImef-1由文獻(xiàn)3,R(t)隨時(shí)間的變化(見圖2間和工件電極的能量關(guān)系式如下:WT=M1PT(4)式中

7、WT單個(gè)脈沖放電時(shí)出現(xiàn)的積碳層重量,gM1比例系數(shù),g/JPT單個(gè)脈沖放電時(shí)形成穩(wěn)定放所示)可由下式表示:電通道而傳遞給介質(zhì)和工件的能量,JPT=U(t)I(t)dttftt(5)(6)圖2極間電阻隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖電加工1998年第4期ta=ton-td-tf=ton-td22tR(t)=(R0-Rf)e+Rf(12)式中R0極間初始電阻,Rf當(dāng)t=時(shí)的電阻(約等于Ud/Im),大,從而對(duì)工具損耗起到更大的補(bǔ)償作用是一致的。采用本文式(17)所計(jì)算的結(jié)果比較符合實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果,誤差約在5%左右。介質(zhì)衰敗常數(shù)(DielectricDecayConstant)對(duì)比式(11)和(12),可取:)tf=

8、1/(2(13)將式(9)、(10)、(11)代入式(2)、(3)得:(14)Pt=Im(0.532U0-0.348Ud)PTIm(0.218U0-0.902Ud)+ImUdta(15)圖3,得出以下結(jié)論:(1)在tf時(shí)間內(nèi),極間出現(xiàn)的電子流對(duì)將各已知條件代入式(7)WE=M1)(Tt-T0)+1+C-()Im0.218U0-0.902Ud+ImUdta(16)其中M、M1須由實(shí)驗(yàn)確定。將式(16)代入式(8)得:WET=工具表面的沖擊是造成工具損耗的主要原因,因此而造成的工具損耗僅與脈沖電壓、電流及極間介質(zhì)常數(shù)有關(guān)。(2)放電中出現(xiàn)的工具表面涂覆物對(duì)工具損耗起補(bǔ)償作用,實(shí)際工具損耗等于電子流

9、引起的損耗減去正極積碳層的重量。(3)由極間電流和電壓以及電阻變化規(guī)律,推出在tf時(shí)間內(nèi)傳遞給工具表面的能量以及tf與的關(guān)系。由此得出工具電極損耗量經(jīng)驗(yàn)公式,(4)實(shí)驗(yàn)中觀察到脈沖持續(xù)時(shí)間的增大,工具電極損耗量減小,此現(xiàn)象與工具表面積碳量隨脈沖持續(xù)時(shí)間的增大而成正比增大有關(guān)。參考文獻(xiàn)1D.dauw.OntheDerivationandApplicationofaReal-TimeToolWearSwnsorinEDM.AnnalsoftheCIRP,1986,35(1)2余承業(yè)等編著.特種加工新技術(shù).北京:國防工業(yè)出版ton+toff()(Tt-T0)+1+MC-M1Im(0.218U0-0.902Ud)+ImUdta(17)4實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用M25精密數(shù)控電火花成形機(jī),負(fù)極性加工,工具材料為紫銅,工件為45鋼,煤油作為液體介質(zhì),加工時(shí)間10min,加工時(shí)僅改變脈沖持續(xù)時(shí)間。加工中記錄火花放電電壓及電流波形,平均放電延時(shí),放電脈沖數(shù)。結(jié)果見圖3所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行回歸計(jì)算,結(jié)果見圖3中虛線所示。由圖3可見,工具損耗量隨脈沖持續(xù)時(shí)間ton增大而減小,該現(xiàn)