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微细电火花三维加工中电极损耗补偿新方法李剑忠;栾纪杰;虞慧岚;张余升;余祖元【摘要】为解决微细电火花三维加工中存在的电极损耗问题,提出了一种使线性补偿法与均匀损耗法相结合的新的补偿方法.加工实验结果表明,使用这一新补偿方法可明显提高三维微细电火花加工的加工效率和底面粗糙度,并且减少电极损耗.与均匀损耗法相比,电极损耗长度可减少17.8%,表面粗糙度可降低9.9%,材料去除速率可提高10.1%.%To solve the electrode wear problem in three-dimensional micro-electrical discharge machining（3D micro-EDM）,a new compensation method of combination of linear compensation method （LCM） with uniform wear method（UWM） is presented.The experimental results show that the machining efficiency and the roughness on the bottom surface are improved obviously in 3D micro-EDM,and the electrode wear is reduced using this new pared with the UWM,the length of electrode wear decreases by 17.8%,the surface roughness reduces by 9.9% and the material removal rate increases by 10.1%.【期刊名称】《大连理工大学学报》【年(卷),期】2011(051)004【总页数】4页(P525-528)【关键词】三维微细电火花加工;电极损耗;均匀损耗法;线性补偿法【作者】李剑忠;栾纪杰;虞慧岚;张余升;余祖元【作者单位】大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024;无锡微研有限公司,江苏无锡214072;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024;上海航天设备制造总厂,上海200245;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TG6610 引言近年来微型机械、微型传感器、微型机器人等技术的研究与进步，推动了三维微型零件加工制造技术的深入发展.微细电火花作为微细加工技术中的一种，可以加工任何导电材料，特别是近年来微细电极在线放电研削（wire electrical discharge grinding，WEDG）方法的发明，使得微细电火花加工技术结合CAD／CAM系统，利用简单形状的电极进行逐层铣削，成功制作出各种微三维结构，获得了明显的发展优势.微细电火花加工过程中，电极损耗会直接影响加工精度.微细电火花实现微三维结构精准加工的困难也主要来自于加工过程中对电极损耗的及时准确补偿.世界各国的专家学者为此进行了大量的研究，先后提出了均匀损耗法、线性补偿法以及在线监测电极损耗并加以补偿等方法.均匀损耗法（uniform wear method，UWM）是一种在微细电火花三维加工中，采用简单形状电极进行逐层铣削，通过电极微量进给将放电过程仅限于电极端部，同时通过合理规划铣削路径，使每层加工完成后除电极长度的损耗外电极端部无形状改变，进而在加工过程中根据工件去除体积确定电极损耗长度，并在每层加工的初始点对本层加工中的电极损耗长度进行一次性补偿的方法.20世纪90年代，Yu 等利用均匀损耗法成功制作了长0.5 mm、宽0.2 mm、深0.2 mm的微型汽车模型以及各种三维微细型腔结构［1］.线性补偿法（linear compensation method，LCM）是在微细电火花加工过程中，随电极加工的轨迹距离而对电极损耗长度进行线性补偿的一种方法.这种方法最早由日本三菱公司的一个研究小组在1995年提出.该小组使用该方法成功进行了三维微小形状的加工.除此之外，Kaneko等还研究了利用光学系统在线检测电极形状并对电极损耗进行实时补偿的方法［2］；Bleys等［3］以及赵万生等［4］还分别研究了基于放电状态的统计数据进行在线补偿的方法等.所有这些方法均在不同程度上解决了电极损耗的补偿问题，促进了微细电火花三维精准加工技术的研究与发展.但这些方法又都具有各自的局限性.均匀损耗法只在每层加工的轨迹起点进行一次性补偿，导致加工的初始阶段加工深度最大，加工过程不稳定，以后则随着加工过程中电极不断损耗，加工深度越来越小，最终使加工轨迹的起点处最深而终点处最浅，特别是当加工层的面积较大、路径轨迹较长时，往往得不到理想的轮廓形状，致使加工质量不够理想［5、6］.由于三维加工中每层的截面变化，线性补偿法也已从理论上被证明不适用于任意三维形状的加工［6］.裴景玉等研究了根据线性补偿法和加工路径的距离进行电极损耗补偿的定长补偿方法［7］，但没有对三维微结构进行加工验证.其他各种在线监测电极损耗并加以补偿的方法，则或者由于难以兼顾加工效率和加工精度，频繁测量电极损耗中断加工降低了加工效率，或者由于电火花放电加工过程的随机性影响了统计数据的可信程度，从而限制了实际加工中电极损耗的补偿效果.本文在上述研究工作的基础上，提出一种新的电极损耗补偿方法——均匀损耗微量补偿法（combination of LCM with UWM，CLU），并通过将该补偿方法集成到CAD／CAM系统中，在相同的加工条件下对同样的三维微型腔结构进行对比实验加工.1 电极均匀损耗微量补偿法本文提出的新方法在均匀损耗法的基础上借鉴了线性补偿法的原理，即在加工轨迹设计和层间电极损耗总补偿量的确定方面采用均匀损耗法，而在每一层内的加工则根据加工设备的精度将该层的总补偿量均匀地分配到该层内的加工轨迹上，从而不仅兼顾了两者的长处，而且避免了两者的不足，使加工效率和加工精度获得了显著的提高.新的电极损耗补偿方法CLU包括层内加工轨迹设计、层间补偿量的确定和层内补偿量的实施3个环节.层内加工轨迹设计完全采用了均匀损耗法的原理.即在微细电火花三维加工中，采用简单形状电极在深度方向微量进给逐层进行铣削，电极加工轨迹往复扫描并适当重叠，型腔中心与边缘交替加工，从而将加工时的放电过程仅限于电极端部，避免电极侧面损耗和加工后电极形状发生改变，进而确保所形成的微小加工形状是电极端部轨迹的包络面.层间补偿量即每层加工时的电极损耗长度，由预先经实验确定的电极损耗体积与工件去除体积的比值以及本层欲去除的工件体积确定.若设Lw为加工层深，Se为电极端部面积，Sw为欲加工层的加工面积，ν为经实验确定的电极损耗体积与工件去除体积的比值，即相对体积损耗率，则加工该层时电极总进给量（包括补偿长度）可由下式求出：其中加工该层时需要补偿的电极总的损耗长度，即层间补偿量为在均匀损耗法中，层间补偿量是在该层加工轨迹的起点一次进行补偿.本文所述方法与之不同，采用了将层间补偿量在层内多次微量线性实施的方法进行补偿，每次补偿的电极长度由加工装置的运动控制精度（进给分辨率）限定.因此，加工装置在深度方向的运动控制精度越高，则补偿效果越好，加工的准确性与精密程度也就越高.设加工装置在深度方向的运动控制精度即每次补偿的电极长度为l，则加工该层时电极长度的实际补偿次数式（3）表示对实际补偿次数进行四舍五入后取整运算，以便最大限度提高加工后的精准程度.设L为该层加工的路径总长度，则电极每次补偿后可以进行加工的路径长度即每次电极长度补偿l后，完成加工路径长度为s，如此重复N次，直至完成本层的加工.2 对比实验的加工过程加工实验在图1所示的自主开发的微细电火花数控加工装置上利用均匀损耗法和本文提出的新方法分别进行.图1中，X、Y、Z三轴高精度工作台的运动控制精度均为0.1μm；主轴回转控制精度为0.09°，转速连续可调；工具电极夹持在主轴上，工件固定于大理石基座上.加工对象均为正四方台凹坑型腔.型腔的上表面为边长400μm的正方形，底面为边长200 μm的正方形，型腔深度为100μm，侧面与底面的夹角均为135°.工件材料均为304不锈钢.加工电源采用RC脉冲电源，加工液采用煤油，电极材料采用钨丝经线电极放电研削单元WEDG在线制作成圆柱形，直径为50μm.实际加工中，首先利用PRO／ENGINEER的CAD模块将零件模型从上表面到底面共分割200层，每层的厚度为0.5μm，并计算每层的面积.然后在CAM模块中，取刀具直径为50μm、轨迹重叠30μm、切深为0.5μm，分别生成需要的刀具加工轨迹.图1 实验设备简图Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment使用均匀损耗法UWM进行补偿加工时，利用式（1）根据面积数据生成每层的电极总进给量（包括补偿长度），同时根据均匀损耗法的轨迹规划，分别生成不同方向和切削角度的刀具加工轨迹数控指令代码，最终整理生成数控执行代码输入到图1所示的数控装置中进行加工.采用本文所述的CLU进行补偿加工时，利用式（2）根据面积数据生成每层的层间补偿量，同时根据均匀损耗法的轨迹规划分别生成不同方向和切削角度的刀具加工轨迹数控指令代码后，再通过独立开发的一套程序根据式（3）与（4）计算出每层的轨迹路径总长、补偿次数以及电极补偿位置，并调整生成的刀具加工轨迹数控指令代码，最终整理生成数控执行代码输入到图1所示的数控装置中进行加工. 以型腔加工的第1层为例，该层的加工面积为159 201μm2，电极端部的面积为1 963.5 μm2，经预先实验测定的电极相对体积损耗率为0.02，加工层深lw＝0.5μm.采用均匀损耗法UWM进行补偿加工时，电极在该层起点处一次进给，进给量根据式（1）确定为采用CLU进行补偿加工时，加工该层需要补偿的电极损耗长度，即层间补偿量为由于该层的加工路径总长为6 980μm，加工装置的运动控制精度为0.1μm，一次进给量l＝0.1μm，故根据式（3）和（4），加工该层的补偿次数N和每次补偿以后可以加工的路径长度s分别为实际加工时，电极在该层加工起点的进给量仅为0.5μm＋0.1μm＝0.6μm，其后每加工完成872.5μm的路径长度，再进给0.1μm，直至完成本层的加工.把均匀损耗法在该层起点处的一次补偿变为层内的多次补偿，从而使加工效果获得改善.3 实验加工的结果与分析实验加工结果的显微照片如图2、3所示.图2为采用本文所述的方法CLU所加工的型腔，图3为采用均匀损耗法UWM所加工的型腔.图2中加工痕迹明显是拍摄时调焦更为准确所致.图2 用均匀损耗微量补偿法加工的型腔Fig.2 The cavity generated by CLU图3 用均匀损耗法加工的型腔Fig.3 The cavity generated by UWM表1为采用UWM与CLU加工后的实际测量结果.其中，电极损耗长度采用电接触法，由加工前与加工完成后在工件上某一固定点测量电极的长度差值确定；加工型腔的深度也采用电接触法，通过在型腔上部的四角点的外沿所测得的高度平均值与型腔底面中心高度的差值确定；表面粗糙度采用粗糙度仪测量获得；加工去除体积与材料去除速率则通过计算确定.表1 采用UWM与CLU的实际加工结果比较Tab.1 Comparison of the experiments results by UWM and CLU实验加工方法电极损耗长度／μm型腔实际深度／μm底平面粗糙度／nm加工去除体积／μm3材料去除速率／（μm3·s －1）UWM 107.9 86.2 176.0 8 094 053.67 90.0 CLU 88.7 97.2 158.5 8 679 424.82 99.1对比表1中的数据结果可见，相比于均匀损耗法UWM，用本文所述的CLU加工同样型腔，电极损耗长度由107.9μm减少到88.7μm，减少了17.8%；底面粗糙度降低了9.9%；材料去除速率提高了10.1%.即在同样的工艺条件下加工同样的三维型腔，加工的效率和表面加工质量均得到了明显提高，电极损耗率降低.4 结论均匀损耗微量补偿法在加工层内实现了多次微量补偿，每次补偿量由加工装置的运动控制精度（进给分辨率）限定.加工装置在深度方向的运动控制精度越高，补偿效果越好，加工的准确与精密程度也就越高.在同样的工艺条件下加工同样的微型三维型腔，本文所述方法与均匀损耗法相比，不仅能够降低电极损耗率，更主要的是能够明显提高三维加工的准确与精密程度、表面质量以及实际加工效率.【相关文献】［1］YU Zu－yuan，MASUZAWA T，FUJINO M.Micro－EDM for three－dimensional cavities─Development of uniform wear method［J］.Annals of the CIRP，1998，47（1）：169－172［2］KANEKO T，TSUCHIYA M，KAZAMA A.The Improvement of 3D NC contouring EDM using cylindrical electrodes－optical measurement of electrode deformation and machining of free－curves［C］／／Proceedings of the 10th International Symposium for Electromachining.Pittsburgh：ISEM，1989：364－367［3］BLEYS P，KRUTH J P，LAUWERS B，etal.Realtime tool wear compensation in milling EDM［J］.Annals of the CIRP，2002，51（1）：157－160［4］赵万生，李志勇，王振龙，等.微三维结构电火花铣削关键技术研究［J］.微细加工技术，2003（3）：49－55［5］NARASIMHAN J，YU Zu－yuan，RAJURKAR K P.Tool wear compensation and path generation in micro and macro EDM［J］.Journal of Manufacturing Processes，2005，7（1）：75－82［6］YU Zu－yuan，KOZAK J，RAJURKAR K P.Modelling and simulation of micro EDM process［J］.Annals of the CIRP，2003，52（1）：143－146［7］裴景玉，邓容，胡德金.微细电火花加工的底面轮廓模型及定长补偿方法［J］.上海交通大学学报，2009，43（1）：42－46。
电火花成形加工工具电极损耗预测杨玉玄;康小明;梁为;赵万生【摘要】电火花成形加工过程中,极间放电在蚀除工件材料的同时,也会对工具电极带来一定程度的损耗,进而影响工件的尺寸及形状精度,降低加工效率.目前普遍采用更换电极重复加工的方式来获得最终形面,需要消耗大量的工具电极和工时.针对电火花加工的工具电极损耗展开了研究,通过系统地分析所得电极形面特征及进给方向与损耗量之间的关系,建立了实用的电极损耗预测模型.通过实验证明了该模型能准确预测工具电极形面损耗,为电火花加工的电极损耗预测提供了有效方法.%During the sinking electro-discharging machining (EDM) ,discharges between the electrode and the workpiece do not only cause the removal of workpiece material ,they also lead to a certain degree of electrode wear,which will affect the size and shape accuracy of the workpiece and reduction of machining efficiency. Generally ,the workpiece contour surface is achieved by frequent electrode replacement,which certainly wastes a lot of electrode material and working hours. The relationship among electrode wear,electrode feeding direction and electrode geometrical feature was analyzed. Based on the practicable electrode wear prediction model built ,a method for the prediction of electrode wear was proposed. The effectiveness of the method was verified by experiments.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P16-20)【关键词】电火花加工;电极损耗预测;电极形面特征;进给路径【作者】杨玉玄;康小明;梁为;赵万生【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TG661电火花加工依靠工具电极与工件之间的火花放电作用去除材料，已被广泛应用于航空航天、医疗器械、精密模具等领域[1-2]。
电火花加工中多材质电极损耗规律的实验研究刘宇;王文建;马付建;阎长罡;张生芳【摘要】针对电火花加工中多材质电极的损耗和形状变化,在模具钢工件上开展了电火花多材质电极加工实验研究,分析了电极材料、加工极性对多材质电极损耗的影响规律,并以黄铜-模具钢电极、紫铜-铜钨合金电极为研究对象,分析了多材质电极的形状变化规律.结果表明:长度损耗小的电极材料能辅助减小同组其他材料的电极损耗,但通常其角损耗较大;加工中多材质电极结合处形成过渡曲面,当加工进入均匀损耗阶段后,过渡曲面的圆弧半径和圆心角基本恒定不变.%Aiming at the tool wear and shape change of multi material electrode during EDM process,experimental study on EDM machining of die steel with multi material electrode is carried out.The influences of electrode material and workpiece polarity on tool wear of multi material electrode are analysed,and taking brass and die steel electrode,copper and Cu-W alloy electrode as the studying objects,the shape change law of multi material electrode is conducted.The results show that the electrode material with less length wear whose corner wear is often large can help to reduce the tool wear of the other material in the same group,and at the bonding area of multi material electrode it forms a transition surface during the machining process,in the uniform wear stage of machining,the radius and central angle of transition surface are basically constant.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】6页(P10-15)【关键词】电火花加工;多材质电极;电极损耗;电极形状变化【作者】刘宇;王文建;马付建;阎长罡;张生芳【作者单位】大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028【正文语种】中文【中图分类】TG661多材质电极电火花加工利用电火花加工时不可避免的电极损耗及形状变化，采用不同材料组成的多材质电极，对具有复杂曲面的模具微小型腔进行加工，拓宽了电火花成形加工的工艺范围。
微细电火花加工中电极损耗机理的研究王元刚1赵福令2刘 宇2王 津21.大连大学,大连,1166222.大连理工大学,大连,116023摘要:微细电火花加工中,因电极损耗引起的电极尺寸和形状的变化严重影响被加工工件的尺寸精度和形状精度。
在实验基础上分析了电极损耗的变化过程,并借助有限元方法和电磁理论研究了产生电极损耗的机理。
研究表明:电场集中是棱边损耗的根本原因,一定阶段后电极形状趋于稳定;击穿放电产生的超高频电流使电极横截面上的电流在边缘的集中是发生二次放电的主要根源。
关键词:微细电火花加工;电极损耗;二次放电;趋肤效应中图分类号:T G661 文章编号:1004)132X(2009)17)2116)04Study on Mechanism of Electrode Wear in Micro -EDM W ang Yuangang 1 Zhao Fuling 2 Liu Yu 2 Wang Jin 21.Dalian University,Dalian,Liaoning ,1166222.Dalian University of T echnolo gy,Dalian,Liaoning,116023Abstract :Wear o f electr odes in Micro EDM affects shape and dimension precision of w orkpieces.Situations and impacts of electro de w ear w ere analy zed by ex periments,and the m echanism of elec -tro de w ear w as discussed based o n finite elem ent analysis and electromag netic theor y.From the re -sults it is sho wn that electric field co ncentration is the basic reason of edge w ear,shape keeps steady w hen w ear develops to certain stag e and that the current density is not unv ar ying in a cro ss-section of the electrode but incr eases pow er fully tow ar ds the peripher y in the electrode at hig h frequency caused by discharge,w hich is the m ain sources of secondary discharge in m icro-EDM.Key words :micro-EDM;electrode w ear;secondary discharg e;skin effect收稿日期:2008)11)17基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50635040)0 引言微细电火花加工能够加工微型轴、孔、槽以及其他类型的三维复杂微结构,其表面粗糙度Ra 可达011L m [1]。
因此,微细电火花加工技术为微型部件的加工提供了经济、灵活的选择。
微细电火花加工所面临的问题是电极的制造[2]和损耗。
电极的制作成本和使用时间直接决定微细电火花加工的成本和效益,电极损耗会引起尺寸精度降低,从而导致加工轨迹路径更为复杂,束缚了微细电火花分层铣削加工工艺的发展。
能否用同样的工艺对同一尺寸工件进行重复加工成为一个非常关键的问题[3]。
补偿方法中,多电极重复加工直至达到尺寸要求的方法耗时而且不能准确预测电极的数量;均匀损耗方法[4]未考虑侧面放电,造成侧壁的尺寸精度下降,在实际应用中很难实现;加速端面损耗的方法尽管能有效缓解电极形状变化[5],但会增加生产成本,降低生产效率;组合电极法(薄壁空心套插入圆柱电极[6])可有效避免侧面放电,但增加了电极制作难度。
因此,研究损耗产生的机理进而从根本上寻找避免或补偿的措施就显得非常重要。
有关电极损耗机理的文献较少,通常认为尖端放电和二次放电是导致电极损耗和产生工件侧面锥度的主要因素。
本文在观察放电加工过程中电极损耗变化过程的基础上,对电极损耗进行仿真分析。
分析结果表明,间隙电场集中和火花放电引起的超高频电流在电极横截面上的分布不均是电极形状变化的根源。
1 电极损耗变化的情况在电火花加工过程中,电极端面和侧面都有不同程度的损耗,并且随着加工深度的增加越来越大,端面形状逐渐变成半球形[7],其原因跟电火花加工本身的放电机理有关。
电场强度最大的棱角部位是最容易发生放电的区域,而且残留在极间间隙的蚀除产物起到与混粉电火花加工中添加粉末同样的效果,在较大放电间隙中也可以产生较强的放电蚀除。
为了分析微细电火花加工中电极损耗的过程及其作用机理,本文在沙迪克小孔加工机床上进行了实验研究。
实验采用直径为015m m 的铜圆柱电极,在NAK80模具钢工件上进行孔加工,参数如下:高压峰值电流为410A,低压峰值电流为215A,空载电压170V,脉冲宽度为#2116#中国机械工程第20卷第17期2009年9月上半月2L s,脉冲间隔为2L s,极性为正。
加工中随时记录电极的变化(图1),加工得到的孔如图2所示。
由此可见,电极端面、棱边和侧面均有一定的损耗,被加工孔侧面有一定锥度且底面形状误差最大。
(a)0s(b)60s(c)300s(d)600s(e)2400s图1圆柱铜电极损耗随加工时间的变化(a)孔的形貌图(b)孔的轴向剖面图图2微细电火花加工损耗引起的加工部位形状变化2微细电火花加工损耗的机理2.1端面损耗仿真分析微细电火花加工主要组成包括工件和电极,工件和电极完全浸在工作液中,放电间隙约为5L m。
对电极、工件以及工作液应用诺伊曼边界条件。
在工件和电极之间加上170V的脉冲电压源,仿真计算的条件参数见表1。
建模和计算过程通过Max w ell软件完成。
表1微细电火花加工仿真中的条件参数材料电极工件工作液相对介电常数1@1071@1074电导率(S/m) 5.8@107 1.1@1065@10-8我们依照微细电极在加工中的损耗情况(图1),分别按加工起始、加工过程中、加工完成3种情况,对电极的电场强度进行了仿真分析,如图3所示。
2.2微细电火花加工损耗机理电极端面损耗引起的变化包括形状变化和长度变化。
值得注意的是,形状变化到一定程度后基本保持稳定。
主要原因如下:加工开始前两极(a)加工起始(b)加工过程中(c)加工完成图3微细电火花加工电极周围电场强度的变化产生的电场在棱边集中(图3a),致使棱边发生放电的概率增大,产生的热量较多因而损耗较快;随着电极棱边的损耗,电场集中现象得到缓解(图3b、图3c),损耗过程进入整体损耗阶段。
损耗长度为非线性变化[8]的原因如下:在电极装卡/制造过程中,不能保证电极端面和工件表面完全平行,放电容易发生在两极距离最小的位置,这时参与放电的面积小,因而损耗较快。
因此,在加工条件不变的前提下,电极端面损耗的情况可以总结如下:电极刚开始加工时,棱边损耗非常明显,损耗随着加工时间的增加而变慢,最终整个电极趋向均匀损耗,电极形状也趋向稳定。
由图3可以看出,最大电场强度随着加工的进行而逐步减小,最终电场强度分布均匀。
由此可以得出电场集中是#2117#微细电火花加工中电极损耗机理的研究)))王元刚赵福令刘宇等电极棱边损耗的主要原因。
因此在微细电火花铣削加工中可以把电极设计为端部带有一定圆弧的圆柱电极,以减小因电极形状的变化引起的加工误差。
从加工精度方面考虑,除了电极端面损耗这一因素外,通常认为蚀除产物带来的二次放电是电火花加工中工件侧壁产生锥度的另一重要因素。
随着脉冲电源频率的提高,二次放电所产生的影响越来越引起人们的重视。
研究发现[9],在放电通道形成和击穿的过程中,电极中电流I的波动频率远远大于脉冲频率f0。
电流I所产生的环形磁场B在电极内产生感应电动势和涡流I1。
在一个周期的绝大部分时间内I1与I的方向相反。
随着电流频率的增高,I1对电极轴线附近电子的阻力会增大,因而绝大部分电子都将沿电极边缘流动,宽度(趋肤深度)为[9]d=503H+214.5234.5f LR(m)(1)式中,R为电导率,S/m;L为磁导率,非磁性材料为1;f为电流的频率,H z;H为电极的温度,e。
从式(1)可知,宽度d与频率、电导率和磁导率的乘积的平方根成反比。
频率越高,电导率和磁导率越大,宽度d越小。
在20e时,铜(R=518@ 107S/m)通过不同频率电流所产生的环形宽度d 如表2所示。
因此,在微纳秒脉冲电源作用下,绝大部分电流由表层通过,这时,电极表面具有较大的电流密度。
表2不同频率电流下的有效宽度频率f(kH z)0.061101002003005001000106宽度d (mm)8.52.090.660.2080.1470.1200.0930.06580.0021电火花加工工件侧壁产生锥度原因如图4所示,假定某一时刻E处发生放电,则由式(1)可知在远离放电点的W处所在的横截面边缘上出现高频、高密度电流,电流不但为放电击穿提供了足够电子,而且高频、高密度电流在该位置产生的瞬时热量有利于电子发射的进行;同时,由于电场畸变,工件A处具有很大的电场强度,因此,工件A 处与电极W处之间发生放电的概率增加。
图4中,D处因电极棱边损耗使得工件的有效蚀除宽度减小,因此孔侧壁出现如图2所示的锥度。
随着微纳秒脉冲电源和微尺度电极的应用,上述问题对加工精度的影响所占比重必然会越来越大,成为制约微细电火花加工技术发展的重要因素。
图4电火花加工工件侧壁产生锥度原因的示意图考虑到电极的制造成本、周期以及实用性,笔者提出在电极侧面涂敷绝缘层材料的方法,使电极侧面和端面出现材料差异,从而减少极间间隙中二次放电的发生,进而实现电极端面内部与边缘位置的蚀除速度同步。
这里采用在铜电极侧面涂敷1L m陶瓷粉末复合材料层的方法制造出复合材料电极,微细电火花加工后的深孔如图5所示。
图5常规电极加工的孔(左)和涂层电极加工的孔(右) 3结论(1)产生形状损耗的根源是放电间隙电场的集中,当形状改变到一定程度后,极间电场趋于稳定,除了长度逐步减小外,电极形状不再明显变化。
(2)击穿放电时所引起的高频波动电流使电极侧面表层承受较大的电流密度,这是导致电极侧面损耗的主要原因之一。
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