超声频间隙脉冲放电加工研究──Ⅳ加工特性的实验研究哈尔滨工业大学贾志新山东工业大学张建华 ，艾兴【编者按】“超声频间隙脉冲放电加工研究”一文，本刊从９５年第５期起分四次刊出，这 是第４篇。本篇通过使用该技术加工ＳＧ４氧化铝基复合陶瓷的实验，系统地研究了超声频间隙脉 冲放电加工的加工特性。超声频间隙脉冲放电加工的基本思想过去也有人提出过，即短电弧放电加 工。由于短电弧放电加工的精度不高，所以应用不多。本文刊出的前三篇从理论上提出：只要严格 控制两电极间隙、工具超声振动的振帽和频率、直流电源的输出电压，则超声频间隙脉冲放电的加 工精度可以达到甚至超过普通电火花机床的加工精度。本篇则通过实验对理论研究进行验证。超声 频间隙脉冲放电加工的效率超声频间隙脉冲放电加工的效率和脉冲利用率、单次脉冲放电能量以及 单次脉冲放电后熔化材料的抛出比有关，分述如下：１．脉冲利用率在理想状态下，工具每振动一 个周期就能产生一次有效脉冲放电，即在整个加工过程中，没有一次断路、短路或电弧脉冲发生， 脉冲利用率η＝１。但在实际加工中，一直保持理想状态是不可能的，即脉冲利用率η＜１。通常 的电火花加工脉冲利用率只有０．３～０．６。在超声频间隙脉冲放电加工的实验中，利用ＬＦＤ Ｚ－２型电火花放电状态参数检测仪测量脉冲利用率，发现脉冲利用率η均超过了０．８，并且当 工具振动振动幅和频率提高时，脉冲利用率也会略有提高。这说明超声频间隙脉冲放电加工比普通 电火花加工具有高的脉冲利用率，是由于工具振动所产生的空化、泵吸和涡流作用改善了极间工作 液循环条件的结果。２．振动参数对加工效率的影响超声频间隙脉冲放电加工中的振动参数是工具 的振动振幅和频率。实验使用的工具振动频率为：１８．０５Ｈｚ，２０．１２Ｈｚ，２３．５６ Ｈｚ；工具振动振幅为：８～１８μｍ；被加工工件材料为：ＳＧ４氧化铝基复合陶瓷。使用电源 的输出电压为６０Ｖ；放电维持电压为：３０～４０Ｖ；放电电流为：２～３Ａ；工具材料为４５ ＃钢；工具直径为Φ５．７５ｍｍ；工作液为水基水溶液；加工时间为１５ｍｉｎ。实验加工的效 率曲线如图１所示。图１工具振动振幅和频率图２极间开路电压对加工效率的影响对加工效率的影 响从图１可看出，工具振动频率对加工效率影响不大。这与本文第３篇的理论分析是一致的。而随 着工具振动振幅的增大，加工效率也随之提高。这是因为工具振动振幅的增大，不仅可以提高放电 脉冲利用率，还可以提高熔化材料抛出比Ｋａ＇和单次脉冲放电能量Ｗｐ。３．直流电源输出电压 对加工效率的影响若工件和工具间的平均距离ｈｏ保持不变，增加直流电源的输出电压，势必会增 大放电电流Ｉｐ，即增加了每次放电的能量。此外，输出电压的增高会导至工作液的临界击穿距离 ｈｋｐ的增大，这在乎均极间距离和工具振动振幅Ａ保持不变的情况下，使放电时间Ｔｐ延长，提 高了有效脉宽系数τｅ，也就增加了脉冲放电的能量。因此：增大输出电压可提高加工效率。这在 图２的极间开路电压与加工效率的关系曲线中得到了证实。超声频间隙脉冲放电加工的精度在实际 使用超声频间隙脉冲放电加工进行生产时，既要求加工的零件得到准确的尺寸，又要求具有高的仿 形精度，即超声频间隙脉冲放电加工精度包括尺寸精度和仿形精度。１；尺寸精度以超声频间隙脉 冲放电加工圆孔为例：加工孔的理论直径Ｄｗ应为工具直径Ｄｔ与双侧加工间隙２δ。之和。事实 上，由于各种因素的影响，加工孔的实际直径并不等于Ｄｗ。这个偏离量就是加工孔的尺寸精度。 实验发现：直流电源输出电压、工具振动振幅和频率等加工参数对加工尺寸精度影响不大，而工作 液性质对加工精度有一定的影响。在上述实验条件下，超声频间隙脉冲放电加工ＳＧ－４陶瓷时的 尺寸精度在２０～４０μｍ范围内；若使用煤油作工作液，加工尺寸精度为１８～３２μｍ。２． 形状精度在放电加工中，加工侧壁的斜度一般是无法避免的。此外，尖角等仿形精度也是重要的仿 形精度指标。但在电加工中，尖角等仿形误差通常认为等于侧面加工间隙。所谓侧面加工间隙指的 是在底面加工间隙基础上叠加了加工时排出的加工屑引起的二次放电所产生的间隙。随着放电加工 深度的增加，加工屑引起的二次放电增多，侧面加工间隙也就增大。图３是在上述实验条件下侧面 加工间隙与加工深度的关系曲线，实验结果清楚地说明了这一点。图３侧面加工间隙图４侧面加工 间隙与与加工深度的关系极间开路电压的关系从图３中的实验数据，可以拟合出如式（１）所示的 实验公式。式中：Ｇｉｎ是侧面加工间隙；Ｇｏｕｔ是底面周边加工间隙；ｋ是间隙系数（１０～ １２）；ｈ是加工深度。因为在加工过程中，在不同深度的侧表面上所经历的二次放电的时间和次 数不同，从而形成了侧壁加工斜度。定义为：联立式（１）和式（２）可得：在工具不同振动频率 下输出电压对侧面加工间隙影响的实验曲线如图４所示，可以看出，随直流电源输出电压的升高和 工具振动频率的下降，侧面加工间隙增大。这些结果与本文第３篇的理论分析是一致的。超声频间 隙脉冲放电加工的表面粗糙度本文第３篇建立了超声频间隙脉冲放电加工表面粗糙度的理论模型， 指出影响表面粗糙度的主要因素是单次脉冲放电能量。图５和图６表示的实验曲线分别是加工表面 粗糙度与输出电压、加工表面粗糙度与工具振动振幅的关系。这些结果与理论分析是一致的，即加 工表面粗糙度随输出电压和工具振动振幅的升高而增大。图５加工表面粗糙度图６加工表面粗糙度 与极间开路电压的关系与工具振动振幅的关系本文共４篇对超声频间隙脉冲放电加工的理论研究和 实验结果都表明了超声频间隙脉冲放电加工的脉冲利用率在０．８以上，放电后熔化材料抛出比也 高于普通电火花加工，即超声频间隙脉冲放电加工可以提高脉冲利用率，降低能耗。理论研究与实 验结果还表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工精度不低于普通电火花加工，因此，超声频间隙脉 冲放电加工完全可以用于实际加工中。但应该指出，目前在实际加工中应用超声频间隙脉冲放电加 工急需解决的问题是：数控或自动控制的超声频间隙脉冲放电加工机床需要研制和开发，作者正在 从事与此有关的研究工作。责任编辑周守清超声频间隙脉冲放电加工研究──Ⅳ加工特性的实验研 究@贾志新，张建华，艾兴$哈尔滨工业大学，山东工业大学结果与本文第３篇的理论分析是一致 的。超声频间隙脉冲放电加工的表面粗糙度本文第３篇建立了超声频间隙脉冲放电加工表面粗糙度 的理论模型，指出影响表面粗糙度的主要因素是单次脉冲放电能量。图５和图６表示的实验曲线分 别是加工表面粗糙度与输出电压、加工表面粗糙度与工具振动振幅的关系。这些结果与理论分析是 一致的，即加工表面粗糙度随输出电压和工具振动振幅的升高而增大。图５加工表面粗糙度图６加 工表面粗糙度与极间开路电压的关系与工具振动振幅的关系本文共４篇对超声频间隙脉冲放电加工 的理论研究和实验结果都表明了超声频间隙脉冲放电加工的脉冲利用率在０．８以上，放电后熔化 材料抛出比也高于普通电火花加工，即超声频间隙脉冲放电加工可以提高脉冲利用率，降低能耗。 理论研究与实验结果还表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工精度不低于普通电火花加工，因此， 超声频间隙脉冲放电加工完全可以用于实际加工中。但应该指出，目前在实际加工中应用超声频间 隙脉冲放电加工急需解决的问题是：数控或自动控制的超声频间隙脉冲放电加工机床需要研制和开发，作者正在从事与此有关的研究工作。责任编辑周守清超声频间隙脉冲放电加工研究──Ⅳ加工特性的实验研究@贾志新，张建华，艾兴$哈尔滨工业大学，山东工业大学
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