Abstract　　The discharge crater formed by EDM has important influence to the EDMing workpiece surface roughness,and the discharge crater is influenced by temperature field formed by electric discharge.In this paper the temperature field in workpece surface layer is calculated.The factors that influence the discharge crater depth and their rules are discussed.By using the discuss result the mechanism for powder-mixed fluid EDM is made clear.

1　引言

　　混粉電火花加工是一門新技術，它通過在電火花工作液中添加硅、鋁等導電性微粉而使工件加工表面粗糙度明顯降低，同時使工件表面的耐磨、耐蝕等性能得到改善。從根本上克服了電火花加工表面粗糙度不佳、性能差的缺點，使電火花加工作為零件表面的最終加工成為可能，從而降低了工人的勞動強度和生產成本，縮短了產品的制造周期。因此該技術一問世就受到電加工界的廣泛重視。
　　電火花加工表面是由無數多個放電蝕坑組成，加工表面粗糙度取決于放電蝕坑的深度和分布均勻程度。對于小面積的電火花加工，人們可通過降低單個放電脈沖能量的方法來減小放電蝕坑的深度，以降低加工表面粗糙度。但對于大面積電火花加工，由于極間寄生電容的影響，單個放電脈沖能量的降低受到限制，因此普通加工條件下的大面積電火花加工，其加工表面粗糙度難以改善。但混粉電火花加工，事實證明即使在大面積加工條件下，也能得到表面粗糙度值較小的加工表面，其形成的放電蝕坑大而淺，與普通電火花加工的放電蝕坑不同，說明混粉電火花加工與普通電火花加工相比，在加工表面形成機理上不同。火花放電時，工件表層的溫度場分布是形成放電蝕坑的關鍵，因此對放電加工時工件表層溫度場進行計算與分析，對于預測工件表面放電蝕坑的形貌，進而揭示混粉電火花加工的機理具有重要意義。

2　脈沖放電時工件表層溫度場的計算

　　研究表明，脈沖放電的能量多數轉化成熱量而傳遞給工件、工具電極和工作液，工件上放電點處的金屬受熱而發生熔化和汽化，并被工作液“拋出”，最終在工件表層形成放電蝕坑。因此放電蝕坑的大小與形狀與工件表層受熱而形成的溫度場密切相關。由火花放電機理可知，放電時在工件和電極間形成能量高度集中的放電通道，該通道使工件和電極表面受熱。為簡化計算，假定放電通道的橫截面為圓形，且放電通道中的能量均布，這樣工件表層溫度場的計算就可簡化為平面均布熱源對半無限大介質連續加熱時溫度場的計算。由文獻［2］可知，點熱源對半無限大介質連續加熱時溫度場的計算式為：

(1)

式中　θ——介質中某點處的溫度
　　　λ——介質導熱系數
　　　q——點熱源強度
　　　Φ——計算點與點熱源間的距離
　　　erf(u)——誤差函數
　　　t——熱源作用時間
　　　a——介質導溫系數
　　圓形平面熱源對半無限大介質的連續加熱，又可看成無數多個點熱源單獨作用的疊加，因此由式(1)可推出此時溫度場的計算式為：

　(2)

式中　q′——面熱源平均熱源強度
　　　R——面熱源作用半徑
　　公式(2)的計算相當復雜，由于在同一深度處，以熱源中心線上的溫度為最高，因此放電蝕坑的深度最終取決于熱源中心線上的溫度分布，為簡化式(2)的計算，只討論熱源中心線上的溫度變化規律。將x=0、y=0代入(2) 式得：

　(3)

式中　θ_m——熱源中心線上不同Z值處溫度值
　　對于式中的平均熱源強度q′，取決于脈沖放電能量，放電能量轉化為工件受熱量的比例系數及工件表面的受熱面積。因此：

　(4)

式中　I_p——脈沖峰值電流
　　　V——火花放電維持電壓
　　　α——比例系數
將式(4)代入式(3)得：

　(5)

　　對公式(5)進行分析可知，由于比例系數α、放電維持電壓V、導溫系數a的變化較小，對θ_m的影響較小，因此影響θ_m的主要參數為I_p、t和R。
　　由于放電蝕坑的深度取決于工件表層的熔化深度，而熔化深度又與θ_m有關，亦即θ_m越大，金屬的熔化深度越大，所形成的放電蝕坑的深度也越大，反之則放電蝕坑深度變小。因此θ_m的影響因素也是放電蝕坑深度的影響因素。
　　(1) 峰值電流I_p對放電蝕坑深度的影響
　　由式(5)可知，I_p對θ_m的影響是線性的，I_p增大，θ_m也增大，最終導致放電蝕坑深度變大，加工表面粗糙度值變大。由此可知，要想降低加工表面粗糙度，峰值電流I_p要盡可能小。
　　(2) 脈沖寬度t對放電蝕坑深度的影響
　　針對式(5)，在其它參數均不變的條件下，分別給定t=1μs、t=2μs、t=4μs,計算得θ_m的分布曲線分別如圖1中的a、b、c所示。由圖1可知，脈寬加大，同一深度處的θ_m變大。假設材料的熔化溫度線如圖中所示，則由圖可知，隨著脈寬的加大，材料的熔化深度加大，相應所形成的放電蝕坑的深度也變大，但脈寬對放電蝕坑深度的影響較峰值電流I_p小。

圖1　不同脈沖寬度下熱源中心線上溫度隨深度變化的曲線
I_p=2A,V=25V,α=0.2,λ=42J/m^.s^.℃,
a=1×10^-5m²/s,R=5μm

　　(3)熱源作用半徑R對放電蝕坑深度的影響
　　同樣在保持其它參數不變的條件下，分別給定R=1μm、R=5μm、R=10μm、R=15μm,由式(5)計算得θ_m的分布曲線如圖2所示。

圖2　不同熱源作用面積下熱源中心線上溫度隨深度變化的曲線
I_p=2A,V=25V,α=0.2，λ=42J/m^.s^.℃，
a=1×10^-5m²/s,t=2μs

　　由圖2可知，隨著熱源作用半徑R的增大，同樣深度處的θ_m值減小，所產生的放電蝕坑的深度也變小，也就是說在峰值電流和脈沖寬度不變的條件下，隨著放電通道的擴展，其對工件表面熱作用面積增大，所產生的放電蝕坑深度變小，這將有利于降低加工表面粗糙度。

3　混粉電火花加工的機理解釋

　　混粉電火花加工與普通電火花加的本質區別在于工作液中添加了導電的微粉，由于微粉的粒徑很小，能夠均勻分布于放電間隙中，因此相當于在放電間隙中添加了許多小導體，從而使工作液的絕緣強度下降，有利于火花放電的形成，宏觀上表現為放電間隙變大，因此混粉電火花加工的放電間隙要比普通電火花加工的放電間隙大幾倍到十幾倍。混粉電火花加工屬于精加工，一般均采用小峰值電流、小脈沖寬度和正極性(工件接正極)加工，由電火花加工理論可知，此時的放電載流子主要為電子，即電子從工具電極(負極)表面溢出并在電場力的作用下加速向工件表面移動，移動中不斷和放電間隙中的導電微粉及極性分子發生碰撞，使它們釋放出更多的電子，使載流子的數目急劇增大，形成“雪崩”式發展，放電通道迅速擴張，最終使放電通道呈圖3a所示喇叭口形。顯然，隨著放電間隙的增大，載流子移動路徑的增長，放電通道的擴張加大，最終在工件表面形成的熱源作用半徑增大。由前面的分析可知，此時所產生的放電蝕坑的深度變小，在工件表面形成大而淺的放電蝕坑，如圖3a所示。相反，由于普通電火花加工的放電間隙小，且載流子在放電間隙中移動時，僅同工作液中的極性分子碰撞，產生的載流子數目少，使放電通道不能夠充分擴展，從而在工件表面形成面積小而深度大的放電蝕坑，如圖3b所示。另外，放電間隙的增大及導電粉末在放電間隙中的分布，削弱了間隙中電蝕產物對放電的引發作用，有利于放電分散，使放電蝕坑均勻分布。因此混粉電火花加工的機理可歸納為：混粉工作液使放電間隙變大，使放電通道得到充分擴展，在工件表面形成大而淺的放電蝕坑，同時導電性粉末及增大的放電間隙利于放電分散，使放電蝕坑在工件表面形成均勻分布，兩者的綜合作用使工件表面粗糙度降低。

圖3　兩種條件下放電蝕坑形狀的比較

4　結論

　　通過對火花放電時工件表層溫度場的分析與計算，指出影響放電蝕坑深度的主要因素為：脈沖峰值電流、脈沖寬度和放電通道在工件表面的作用面積。它們對放電蝕坑深度的影響規律分別為：
　　(1) 放電蝕坑深度隨峰值電流線性增加；
　　(2) 脈沖寬度增加，放電蝕坑深度也增加；
　　(3) 在放電能量不變的條件下，放電通道對工件表面的作用面積大，放電蝕坑深度小，就形成大而淺的放電蝕坑。
　　根據以上規律，混粉電火花加工的機理可解釋為混粉使放電間隙加大，放電通道變粗，放電通道對工件表面的作用面積加大，從而在工件表面形成均勻分布的大而淺的放電蝕坑，使加工表面粗糙度降低。