超声辅助电火花加工电介质击穿电压研究.pdf

计与研
Design and Research
超声辅助电火花加工电介质击穿电压研究
常伟杰张建华朱涛王涛
(山东大学机械工程学院高效洁净机槭制造教育部重点实验室,山东济南250061)
摘要:分析了超声辅助电火花复合加工过程中超声振动对电介质击穿电压的影响,并进行了对比验证实
验。研究结果表明,工具电极附加超声振动后,火花放电比附加超声振动前有所增加,并且出现了大
量的低压放电现象,超声振动可以降低电介质的击穿电压。
关键词:超声电火花复合加工击穿电压
中图分类号:TG661文献标识码:A
Study on the dielectric breakdown voltage of ultrasonic vibration aided EDM
CHANG Weijie, ZHANG Jianhua, ZHU Ta0, WANG Tao
School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, CHN
Abstract: The influence of ultrasonic vibration on EDM dielectric breakdown voltage was analysed theoretical-
and verification experiments were caried out. Results of the research showed that spark discharge is
more than that without ultrasonic vibration. The phenomenon of low-voltage discharged if tool electrode
was assisted with ultrasonic vibration. Dielectric breakdown voltage can be reduced when ultrasonic v
bration added
Keywords Ultrasonic Vibration; EDM; Combined Machining; Breakdown Voltage
复合加工技术综合多种加工方法,利用多种能量态,减少短路与电弧放电;影响放电通道的形成;超声
形式的综合作用实现对工件材料的加工,其中包括传空化作用搅拌破碎作用促进电蚀材料的抛出,提高加
统加工与特种加工的复合、特种加工与特种加工的复工速度。此外,超声振动还可以降低电介质的击穿电
合等。超声振动辅助电火花放电加工技术是近年来研压,本文将对此进行深入的研究。
究发展的新型电火花加工技术之一,在工具电极上施
加超声振动,参数选择合理不仅可以提高加工效率,而
理论推导
且可以降低电极损耗,是21世纪有可能取得突破的绿1.1极间电容计算
色加工技术之
如图1a所示,假设工具电极与工件组成一对平行
1989年,法国的D. Kremer,L. Lebrun,B. Hosari板电容器,其极板面积为S,极板间距为放电间距d,其
和A. Mosisan系统地研究了超声振动对电火花加工性间为真空,当给炳极接通电压为UV的电源时,电容
能的影响*。结果表明,超声振动提高了加工速度,器将充电至びV。假设充电之后极板上带有的电荷量
粗加工提高10%,精加工提高400%,并使加工过程更为Q。,则定义该电容器的电容量为
稳定。笔者把超声振动引入到电火花放电加工过程
Co=Q/U
中,取得了良好的效果?。在电火花放电加工中引入式中:Co为电容量,F;Q。为电荷量,C;为极板间的电
超声振动,可以改善电火花放电的间隙状态,增加火花位差,即极间电压,V
放电,减少电弧放电,减少电极在加工过程中的抬刀次
当极板间充满电介质(如煤油)之后(如图1b所
数,提高电火花放电加工的加工效率。
超声振动在复合加工过程中的作用机理主要包
gs (0+'S &,o
括?:超声振动可以改善电火花放电加工的间隙状
国家863计划重点项目(2009A044204)
和
2012年第
Design and Research
设计与究
式中:C为充有电介质的平行板电容器的电容,F;S为
极间电场的变化区间为(U/(d+A),U/(d-A)
两极板的正对面积,cm2;o为充有电介质的平行板电1.2击穿电压计算
容器极板上的电荷密度,C/cm2;o为极间为真空的平
在电火花放电加工过程中,由于煤油的裂解会产
行板电容器极板上的电荷密度,C/cma2;r'为束缚电荷生大量的碳粒,放电时金属溅射出的微粒也分布在煤
密度,C/cm2;e,为电介质的相对介电系数。
油中,导致煤油里混合了大量的碳粒和金属微粒。煤
油中混入碳粒与金属微粒会导致电场的畸变,使均匀
创l@le
的电场变得不再均匀(如图2所示)。
(a)极间为真空
(b)极间充有电介质
图1平行板电容器
(a)均匀外电场(b)東缚电荷的电场(c)叠加后的实际电场
平行板电容器的电容值C与两极板正对面积
图2磯粒与金属微粒使均匀电场变
成正比,与两极板间距离成反比,与极间电介质的介
电常数成正比
叠加之后的电场为
C=6.S/4 mkd
(3)
2
炳极板间场强公式为
E2+2s
E=4TKO/(,S)
4)式中:Ew为加工介质的临界场强,V/em;E。为均匀电场
式中:E为板间场强,V/em
场强,V/em;s为加工介质的相对介电系数;s2为混入
超声振动振幅的变化规律为
介质的相对介电系数。
x(t)=Asin(ot+小)
煤油中混有碳粒或金属微粒时,由于碳粒和金属
式中:A为振幅,μm。
微粒都是导体,在静电场中的计算可以认为它们的介
工具电极施加轴向超声振动之后,极间距d的変电系数无穷大,即2=。煤油的相对介电系数为
化规律为
2.3。由式(8)可得
d(t)=d +x(t)=d +Asin(at+o)(5)
电容值的变化规律为
+2
e2+2E1
C=4rkd(に)-4r[d+Asin(a+d)(6)极间介质的耐压变为
电容的变化范围为(e,S/(4mh(d+A),s,S/(4mh
Uh= Eod =Exd/3 Um0/3
(d-A)))。当极间距达到最大时,电容值达到最小,
式中:V为极间介质的耐压,V;d为加工间隙距离,
根据式(1)可得极板上的电量变化规律为
cm;n为纯净极间介质的耐压,V
SU
可见击穿电压的大小取决于极间电介质的临界电
Q=CU=
4mk[ d +Asin(at +o)J
场强度与两极间距。
当板间距最大时,极板上的电量值为
对工具电极附加超声振动之后,把式(5)代入式
ESU
(9)得
4mk(d +A)
d(t) Exld Asin(at +9)
当板间距达到最小时,极板上的电量值为
A SU
Q2=CU=
4TK(d-a
3+al Asin(ot +o
假设极间电压U不变,放电间距为10以m,超声振
极间介质的耐压变化范固为(/3-Ew4/3,
幅