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1、上海交通大学 硕士学位论文 微细液态添加剂电火花光整加工工艺研究 姓名：鞠强 申请学位级别：硕士 专业：航空宇航制造工程 指导教师：赵万生 20090201 上海交通大学硕士学位论文 微细液态添加剂光整电火花加工工艺研究微细液态添加剂光整电火花加工工艺研究 摘摘 要要 混粉电火花加工是获得高质量表面的一种新型方法。但在混粉电火 花加工中，粉末会沉积，从而影响加工效果。在实际应用中，需要采用 冲液搅拌等防止粉末沉淀的措施，这既增加储液箱设计制造难度、提高 了生产成本，又在一定程度上降低了加工效率。因此，寻求一种新的工 作液添加剂，使该添加剂能够在工作液中以微颗粒状稳定存在，不沉淀、 不析出，来代
2、替硅、铝等粉末添加剂，对电火花精密加工将会有重大实 际意义。 在混粉电火花加工的基础上，提出在普通煤油工作液中添加微细液 态添加剂实现电火花镜面加工的方法。不同峰值电流、脉冲宽度、加工 极性、加工面积、精加工时间等加工条件下的实验表明，液相添加剂中 的加工稳定性和加工后的工件表面粗糙度均优于普通工作液。用面积 490mm 2 的紫铜电极进行了普通工作液和微细液态添加剂混合工作液中加 工的对比实验，工件的表面粗糙度分别达到 Ra0.81m 和 Ra0.26m，这 充分证明了微细液态添加剂降低表面粗糙度、实现光整加工的可行性。 在工艺试验的基础上，深入研究了液相添加剂的作用机理。通过测 试发现微细
3、液态添加剂混合工作液中的炭黑能够长期稳定悬浮在工作液 中，炭黑颗粒平均直径为 1130nm，改善了工作液循环条件，提高加工过 程的稳定性。相关分析表明，炭黑可起到类似混粉颗粒的作用，达到降 低表面粗糙度的目的。 关键词：关键词：微细液态添加剂,电火花加工,光整加工技术，加工机理 第 I 页 上海交通大学硕士学位论文 RESEARCH ON MICROEMULISION MIXED EDM FINISH MACHINING ABSTRACT Firstly, the basic theory of near-mirror-EDM is introduced. Methods to achieve
4、 Near-mirror-EDM are analyzed according to the influence factors of EDM. Then the processing properties of EDM are recommended which includes basic properties and technic indexes. The basic theories and applications of new powder supply units, fuzzy control technology and powder-mixed EDM (PMEDM). T
5、hrough summarizing the research results both at home and abroad, fine surface finish machining based on microemulsion is proposed. Experiments based on different peak current, pulse-on time, processing area and finish machining time show microemulsion is effective to better surface roughness. With t
6、raditional EDM and microemulsion mixed EDM, two planes of 490mm2 are gained, whose surface roughness are 0.81m and 0.26m respectively. The results show microemulsion is feasible to improve the surface roughness and the machining stability. Finally, research on machining mechanism is done based on th
7、e experiments and tests. The results reveal that black pigments can suspend in the kerosene stably with the average diameter is 1130nm, which can improve the circulation condition and the machining stability. At the meantime, black pigments also can improve the surface roughness, which function as p
8、owders in PMEDM. Keywords: Microemulsion，EDM，Fine Surface Finishing，Machining Mechanism 第 II 页 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鞠强 日期： 年 月 日 上海交通大学上
9、海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：鞠强 导教师签名： 赵万生 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 现代消费
10、者对产品多样化和个性化的追求要求产品功能和结构越来越复杂， 促使 结构复杂的零件大量出现。同时材料科学的发展和进步，也不断给我们提供具有高熔 点、高硬度、高强度、高韧性等性能的新材料。这些高性能的材料往往难以通过传统 的加工手段进行加工，给制造技术提出了新的难题。 在制造技术领域的众多加工方法中， 电火花加工技术由于能够加工任意导电性的 材料，不受材料硬度、强度、韧性等的限制，同时可以实现复杂形状的成型。因此， 在解决上述制造技术的难题时起到十分重要的作用， 有效提升了电火花加工技术在制 造领域的地位。 目前，电火花加工技术已经广泛应用于航空、航天、模具、刀具、精密仪器、微 细加工等领域，尤其
11、在模具制造领域的应用最为普遍。在模具制造过程中，电火花加 工技术所占的比重远远高于其它加工方法，有着不可代替的作用。有资料表明，模具 行业中 30%50%的加工量是由电火花加工机床直接完成的；在机床行业中所生产的 电火花加工设备中，80%直接用于模具加工。80 年代，日本冷冲模的 50%由线切割 机床完成；美国型腔模的 70%是在电火花成形加工机上完成的。 尽管电火花加工在复杂型腔加工和微细加工中得到广泛应用， 但电火花加工效率 和加工表面质量间的矛盾非常突出，特别是在大面积加工条件下，即使采用很低的加 工效率，也难以得到好的加工表面粗糙度，为此，在电火花加工后，常常采用表面抛 光工序来提高加
12、工表面粗糙度，费时费力，成为电火花加工的应用“瓶颈” 。为提高 大面积加工条件下的加工表面粗糙度和加工效率， 国内外许多学者开展了这方面的研 究，其中以日本学者毛利尚武发明的“混粉电火花镜面加工技术”为代表，该项技术 是在实验研究发现1，其主要内容是通过在工作液中添加硅、铝等半导电和导电性微 粉末，来改变工具电极和工件间的火花放电状态，最终在大面积加工条件下能够在工 件表面加工出类似镜面的加工表面，使加工效率和加工表面粗糙度都得到显著改善。 尽管混粉电火花镜面加工技术能够显著改善加工表面粗糙度，但实际应用表明， 由于工作液中所添加的硅、铝等导电或半导电性粉末密度与工作液密度相差较大，粉 第 1
13、 页 上海交通大学硕士学位论文 末会在工作液中产生沉淀，如果这种沉淀发生在机床储液箱或工作液箱，会影响工作 液中粉末含量浓度，最终影响加工效果；如果沉淀发生在放电间隙中，则会使表面质 量显著下降。因此，混粉电火花镜面加工技术在实际应用中，需要采用冲液搅拌、加 工间隙冲液、增加工具电极抬刀频率等防止粉末沉淀的措施，这既增加储液箱设计制 造难度、提高了生产成本，又在一定程度上降低了加工效率。因此，寻求一种新的工 作液添加剂，使该添加剂能够在工作液中以微颗粒状稳定存在，不沉淀、不析出，来 代替硅、铝等粉末添加剂，对电火花镜面加工技术的推广应用将会有重大实际意义。 1.2 电火花加工技术原理和研究现状
14、 1.2.1 电火花加工技术的基本原理 电火花加工是利用两极间脉冲放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属， 以达到一 定形状、尺寸和表面质量要求的加工方法。前苏联学者拉扎连科夫妇于年成功地利用 电腐蚀原理在金属工件上打出了小孔，标志了电火花加工技术的诞生。英国、美国、 日本等国称之为放电加工，而前苏联及俄罗斯则称之为电蚀加工。 要实现电火花加工，应具备以下几个条件： （1）工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离，即相应于脉冲电压和相应 于介质的绝缘强度的距离。在该距离范围内，既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产 生火花放电，又可以适应在火花通道熄灭后介质消电离以及排出电蚀产物的要求。 （2）两电极
15、之间必须冲入绝缘介质。在进行电火花加工或表面强化时，两极间 为液体介质或气体介质。两极间没有介质（即真空）的自激放电属于辉光放电，不能 实现电火花加工2。 （3）输送到两极间的脉冲能量密度必须足够大。一般情况下，通道一般必须有 105106A/cm2的电流密度，否则金属只是发热，而不能熔化和气化。 （4）放电必须是短时间的脉冲放电。放电持续时间一般为 10-610-8s。如果放电 时间大于 10-2s，则必然使放电沿火花过渡电弧弧光放电这一规律发展，从而使 放电不能正常进行，使得整个工件发热，表面“烧糊” 。 （5）脉冲放电需要重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间和空间上是分散。 这样的意义有
16、两方面：其一，时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成放电通道；其 二，如果在一定时间范围内脉冲放电集中放生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲 第 2 页 上海交通大学硕士学位论文 放电应转移到另一区域。 （6）脉冲放电后电蚀产物及时排至放电间隙之外，使重复性放电能够顺利进行。 电火花加工的基本原理如图 1-1 所示3,4。工具电极和工件分别接脉冲电源的两 极，并浸入工作液中。工具电极在伺服机构的控制下向工件进给，当两电极间的间隙 减小到一定值时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电，并形成火 花放电通道，此时，放电电压瞬间降至火花维持电压，一般约 25V 左右，而放电电 流增加至所设定的值。 1工件 2脉冲电源 3伺服机构 4工具电极 5工作液 6工作液泵 图 1-1 电火花加工基本原理图 Fig.1-1 Schematic diagram of EDM 由于受到放电时磁场力箍缩效应和周围液体介质压缩效应的作用， 放电通道的扩 张受到限制，使放电能量集中于很小的范围内，因而通道电流密
