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          電火花成形加工的基本原理

          電火花加工是在液體介質中進行的,機床的自動進給調節裝置使工件和工具電極之間保持適當的放電間隙,當工具電極和工件之間施加很強的脈沖電壓(達到間隙中介質的擊穿電壓)時,會擊穿介質絕緣強度最低處,如圖所示。由于放電區域很小,放電時間極短,所以,能量高度集中,使放電區的溫度瞬時高達10000-12000℃,工件表面和工具電極表面的金屬局部熔化、甚至汽化蒸發。局部熔化和汽化的金屬在爆炸力的作用下拋入工作液中,并被冷卻為金屬小顆粒,然后被工作液迅速沖離工作區,從而使工件表面形成一個微小的凹坑。一次放電后,介質的絕緣強度恢復等待下一次放電。如此反復使工件表面不斷被蝕除,并在工件上復制出工具電極的形狀,從而達到成型加工的目的。

           

                  電火花成形加工原理圖

          1-工件  2-脈沖電源  3-自動進給裝置  4-工具電極  5-工作液  6-過濾器  7-

           

          電火花加工是不斷放電蝕除金屬的過程。雖然一次脈沖放電的時間很短,但它是電磁學、熱力學和流體力學等綜合作用的過程,是相當復雜的。綜合起來,一次脈沖放電的過程可分為以下幾個階段:

          (1)極間介質的電離、擊穿及放電通道的形成

          當脈沖電壓施加于工具電極與工件之間時,兩極之間立即形成一個電場。電場強度與電壓成正比,與距離成反比,隨著極間電壓的升高或是極間距離的減小,極間電場強度也將隨著增大。由于工具電極和工件的微觀表面是凸凹不平的,極間距離又很小,因而極間電場強度是很不均勻的,兩極間離得最近的突出點或尖端處的電場強度一般為最大。當電場強度增大到一定數量時,介質被擊穿,放電間隙電阻從絕緣狀態迅速降低到幾分之一歐姆,間隙電流迅速上升到最大值。由于通道直徑很小,所以通道中的電流密度很高。間隙電壓則由擊穿電壓迅速下降到火花維持電壓(一般約為20~30V),電流則由0上升到某一峰值電流。

          (2)介質熱分解、電極材料熔化、汽化熱膨脹

          極間介質一旦被電離、擊穿,形成放電通道后,脈沖電源使通道間的電子高速奔向正極,正離子奔向負極。電能變成動能,動能通過碰撞又轉變為熱能。于是在通道內正極和負極表面分別成為瞬時熱源,達到很高的溫度。通道高溫將工作液介質汽化,進而熱裂分解汽化。這些汽化后的工作液和金屬蒸汽,瞬間體積猛增,在放電間隙內成為氣泡,迅速熱膨脹并具有爆炸的特性。觀察電火花加工過程,可以看到放電間隙間冒出氣泡,工作液逐漸變黑,并聽到輕微而清脆的爆炸聲。電火花加工主要靠熱膨脹和局部微爆炸,使熔化、汽化了的電極材料拋出蝕除。

          (3)電極材料的拋出

          通道和正負極表面放電點瞬時高溫使工作液汽化和金屬材料熔化、汽化,熱膨脹產生很高的瞬時壓力。通道中心的壓力最高,使汽化了的氣體不斷向外膨脹,壓力高處的熔融金屬液體和蒸汽,就被排擠、拋出而進入工作液中。由于表面張力和內聚力的作用,使拋出的材料具有最小的表面積,冷凝時凝聚成細小的圓球顆粒。

          熔化和汽化了的金屬在拋離電極表面時,向四處飛濺,除絕大部分拋入工作液中并收縮成小顆粒外,還有一小部分飛濺、鍍覆、吸附在對面的電極表面上。這種互相飛濺、鍍覆以及吸附的現象,在某些條件下可以用來減少或補償工具電極在加工過程中的損耗。

          實際上,金屬材料的蝕除、拋出過程比較復雜的,目前,人們對這一復雜的機理的認識還在不斷深化中。

          (4)極間介質的消電離

          隨著脈沖電壓的結束,脈沖電流也迅速降為零,但此后仍應有一段間隔時間,使間隙介質消電離,即放電通道中的帶電粒子復合為中性粒子,恢復本次放電通道處介質的絕緣強度,以及降低電極表面溫度等,以免下次總是重復在同一處發生放電而導致電弧放電,從而保證在兩極間最近處或電阻率最小處形成下一次擊穿放電通道。

          由此可見,為了保證電火花加工過程正常地進行,在兩次脈沖放電之間一般要有足夠的脈沖間隔時間。此外,還應留有余地,使擊穿、放電點分散、轉移,否則僅在一點附近放電,易形成電弧。