第一章
介绍
本研究旨在开发一种创新的放电加工(EDM)工艺，即干燥和近干燥的EDM铣削，作为快速和精密的模具、模具和工具制造的精加工技术。作为直接金属沉积(DMD)的后工艺，以干燥和近干的EDM铣削加工为目标，以完成DMD生产的近网状零件。
1.1. 研究背景
传统的模具制造是一个耗时的多步骤过程，从一块原材料开始，然后是计算机数控(CNC)加工、热处理、数控加工到接近净形状，并通过EDM加工、电化学放电加工(ECDM)或手工抛光。一般来说，在美国生产的锻件模具需要至少5周的提前时间(Fallbohmer等人，1996年)。因此，人们一直希望寻求更高的时间效率和成本为模具和模具制造的有效工艺。
DMD是一种新兴的方法，可以短时间或低成本地交付模具或模具(Mazumderetal.，1997)。DMD是一种多层金属包层过程，通过激光熔化金属粉末逐像素地产生完全致密的包覆层。通过DMD可以单一步生成硬化的近网形部分，从而消除了传统制造过程中的几个中间步骤。通过将材料放置在工具损坏的位置，DMD也可用于现场工装维修。总之，DMD被认为是一种时间和成本高效的模具、模具和工具制造的方法。
对于DMD生产的近网状部分，观测表面光洁度约为20µm，几何精度为170~250μm，材料硬度高，微结构精细(Mazumderetal.，2000)。在精确应用中，需要一种适当的后处理方法来完成DMD零件的加工。
由于其加工金属的独特特点，电子火花加工广泛应用于模具制造业，在那里遇到高硬度、复杂的几何形状和严格的表面质量要求(Altanetal.，1993)。考虑到DMD部分的高硬度和潜在的复杂雕塑表面，EDM成为其后处理的顶级候选材料。
1.2 .研究动机
传统的电火花加工工艺虽然具有其优点，但在生产应用上存在一定的局限性，包括材料去除率低、预成型工具制备提前时间长、刀具磨损大、有毒介质引起的环境问题处置等。本研究的目的是开发一种与DMD过程兼容的EDM过程，同时提高传统的EDM性能，减轻某些约束。创新将应用于电火花加工过程的两个方面，加工介质介质和机器配置。这两个方面的重要性及其在EDM过程增强中的前景将在以下几节中进行讨论。
1.2.2. 介电介质
介电介质在EDM过程中起着重要的作用。它不仅作为极化电极之间的绝缘介质来诱导放电，而且还影响放电过程中的等离子体通道膨胀和材料侵蚀，以及放电后的碎片冲洗和放电间隙重新调节。因此，理解和选择具有合适的电、机械和热性能的介电介质被认为是本研究的一个推力领域。
根据所使用的介质介质类型，有几种EDM工艺，包括湿式EDM、粉末混合介质(PMD)EDM、干式EDM和近干式EDM。传统的EDM使用液体介电介质，如碳氢油或去离子水，因此它被称为湿式EDM。尽管这是一个成熟的过程，但与湿式电火花加工相关的一些问题是使用水作为电介质的电解腐蚀，使用煤油介电介质的有毒碳氢化合物处理（Yeo等，1998；Leao和Pashby，2004）。
PMD电火花加工可以提高湿式电火花加工的加工性能。它利用粉末混合液体介质，具有实现良好加工的优点稳定性和精处理质量，特别是在放电能量小的精处理操作中（Mohrietal.，1985；1987）。然而，粉末的使用增加了加工成本，由此产生的毒性处理引起了更多的环境问题(Yeoetal.，1998)。在生产实践中，粉末悬浮介质循环系统也受到挑战，将加工碎片与有用的粉末分离，并保持恒定的粉末浓度。
干式电火花加工采用高流量气体介质流体，可缓解液体和粉末混合介质造成的环境问题，并提高加工性能。使用惰性气体钻小洞(NASA，1985)是第一次干式EDM尝试。鸟田等人已经鉴定出了氧气。（1991；1997）作为干燥电磁介质中高材料去除率(MRR)的理想介电介质。通过应用氧气，低于5µs的排放持续时间可以刺激“准爆炸”模式，并显著加速材料的去除(Yuetal.，2003)。除了较高的材料去除能力外，还观察到极低的工具磨损比。因此，鸟田等人。（2004）和Yu等人。（2003；2004）在EDM铣削过程中应用了氧，其中电极刀具的磨损曾经是一个值得关注的问题，并在粗糙度性能方面取得了巨大的成功。干EDM的缺点包括碎片重新附着导致的表面处理质量低、燃烧气味和使用非氧气时MRR极低（吉田等人，1998；Kao等人，2006）。
作为一种替代方法，接近干燥的EDM使用液-气体混合物作为介电介质。雾状介质中的液体含量有助于凝固和冲洗熔融的碎片，因此在接近干燥的EDM中减轻了碎片的重新附着。在塔尼乌拉等人的第一次开发之后。（1989），目前还没有进行多少研究这个过程直到最近才由Kao等人完成。（2007）在近干燥的电线EDM。结果表明，近干EDM比湿EDMMRR高，比干EDM表面光洁度好，具有光洁度低放电能的优点。
在所有不同类型中，干EDM和近干EDM是本研究的重要兴趣。首先，由于我们的EDM后处理技术需要较高的加工速度和超细的表面光洁度，从氧辅助干燥EDM的高MRR能力和近干燥EDM的良好光洁度质量潜力可以看出潜在的匹配。此外，与传统的湿式EDM相比，干式EDM或近干式EDM不需要流体罐来淹没工件。更简单的系统配置使得通过共享DMD和EDM的操作室来与DMD过程的现场集成成为可能。因此，本研究将把气体和液-气体混合物作为电介质流体进行研究，并预计通过干燥和接近干燥的EDM可以提高加工性能。
1.2.1. EDM机器配置
一般来说，EDM可分为三类：导线EDM、沉模式EDM和EDM铣削（Bleys，2005）。如图1.1(a)所示，使用行导线作为电极沿工件切割轮廓。通过导线电极的三维取向，可以高精度地获得复杂的轮廓。然而，由于导线供应的线通结构，导线EDM仅限于制作空腔几何形状，因此不适合我们在模具、模具和工具制造中的雕塑表面加工的特殊应用。
图1.1。EDM配置，(a)导线EDM（Kunieda等人，2005年），(b)下沉EDM（Kunieda等人，2005年）和(c)EDM铣削（Blees等人，2005年）
沉模EDM，如图1.1(b)所示，被广泛用于制造或加工模具腔，这些模具腔可以包含复杂的雕塑表面。沉模式电火花加工使用预成型的电极，通常用大块铜或石墨加工，并将电极的几何形状复制到工件上，从而产生具有自由形状表面的零件。然而，由于电极成形需要时间和额外的加工成本，根据加工要求需要多个电极，可能需要显著的电极磨损，因此预成型电极的需要阻碍了整个过程。
考虑到这些约束，如果有更灵活的EDM配置，这将是理想的。如图1.1所示(c)铣削是一个相对较新的概念，可以满足这一标准。它使用一个旋转的圆柱形或管状工具电极沿着工件穿过，从而形成自由形式的表面。消除了预成型电极的需要，EDM铣削将使使用标准尺寸的圆柱形或管状电极使加工过程更容易。然而，其实际实现的一些挑战是：由于电火花加工铣削的不同加工条件相对较小，需要加工参数重排与传统的沉模EDM相反，通常采用大面积加工（Luo，1998b）；需要电极刀具磨损的补偿算法，这在EDM过程中相当重要（Bleyetal.等，2004）；理想地需要5自由度（5自由度）电极定向能力进行自由形态表面加工。
本研究调查了EDM铣削配置，考虑到其潜在的好处和进一步探索所需要的领域。此外，铣削结构非常适合干燥和接近干燥的EDM，因为它可以应用管状工具电极，通过该电极，气体或液态气体介质可以直接输送到加工区域，而不需要浸入槽。
1.3. 研究目标和任务
本研究的目的是研究干燥和近干燥的EDM铣削加工过程的快速和高质量的表面加工。预计该工艺在合理的处理周期内在最终完成表面达到0.1µmRa表面光洁度。
然而，EDM过程实现0.1µmRa目标是一个挑战，这表明表面精细。这是因为EDM产生的表面由于其材料去除机制本身是坚固的。在EDM中，工件材料通过快速循环的连续放电脉冲去除，每个脉冲都侵蚀少量材料，在加工表面留下一个放电坑，导致由多个放电坑组成的加工表面相互重叠。尽管它有通过EDM提供低放电能量来平滑单个排放坑，从而实现超细的表面抛光(Luo和Chen，1990)，它大大牺牲了MRR，不满足我们的快速加工要求。
因此，本研究旨在彻底利用干燥和近干燥的EDM工艺，以获得良好的表面光洁度和高MRR容量。我们将研究和比较不同气体和液-气体混合物的优点和潜力。将通过选择合适的气体或液体-气体介质并调整混合介质介质流体中的液体-气体组合来优化介质流体的特性。此外，还将对主导EDM过程的过程参数进行研究和优化。总而言，将提出一套专门为干燥和近干式EDM加工工艺选择的工艺参数，使高质量的表面加工具有合理的加工速度。
此外，还将建立一个EDM过程的模型，以更好地理解材料去除过程的机理。它可用于促进工艺的选择和改进。
1.4. 大纲
本文介绍了干干和近干EDM的观察结果、结果和未来的研究方向。第二章研究了干燥和接近干燥的电火花磨削。针对高MRR值，通过研究不同的电介质流体、电极材料和工艺参数的影响，进行了工艺研究。这些变量的理想组合，以促进高速粗糙过程。将生成一个投影的响应面描述在排放参数的一定范围内的粗糙度操作，以方便满足不同加工要求的参数选择。并试图解释高MRREDM过程的机理。
第三章研究了表面加工中干燥和接近干燥的电火花加工。以光滑表面光洁度为目标，采用粗糙工艺研究中类似的研究程序，研究不同介质流体、电极材料和工艺参数的影响。高质量、镜状表面光洁度的关键因素已被确定，并被认为是可以通过近干的EDM研磨工艺来实现的。努力通过两种方式实现镜面表面处理，拉伸低端EDM脉冲发生器的容量，实现先进的EDM脉冲发生器。证明了近干电火花加工实现0.1µmRa表面光洁度的能力。最后，对粗糙度和精加工的干的和近干的电火花加工工艺进行了集成，并证明了其完成DMD零件的性能。
第四章通过建立一个模型来模拟放电过程中陨石坑的形成，提供了对EDM过程的深入了解。借助商业计算流体动力学(CFD)包，可以模拟工件材料的行为，包括熔化、飞溅、弹射和再化，并获得一个接近真实的放电坑。通过实验验证对模型进行了验证。该模型证实了近干EDM在光洁度加工方面的优势，以及较低的放电脉冲能量对提高EDM表面光洁度质量的效果。
对今后工作的结论和建议见第5章。
第二章
通过干燥和接近干燥的电火花加工研磨
2.1. 介绍
利用氧作为加工介质的干式电火花加工可在路由工艺中实现非常高的MRR。鸟田等人。（1997；2001；2003）首先探索了通过旋转管状电极施加氧气进行干电火花磨削的过程。在所谓的“准爆炸”模式下，MRR高于传统的湿式EDM(Kuniedaetal.，2003)。该研究扩展了这一概念，并研究了氧辅助的高MRR干燥过程。
除了干EDM外，还研究了含不同液-气混合物的近干EDM。Taniura等人探讨了近干EDM的可行性。（1987），他研究了空气、氮气和氩气在水雾中的电火花加工。Kao等人对近干的EDM进行了进一步的研究。（2007）在有线EDM实验中。近干式电火花加工的优点是在低放电能精洁度加工中具有稳定的加工工艺。此外，在干燥的EDM中获得了良好的加工表面完整性，没有发生碎片重新附着液体增强碎片冲洗。近干电火花加工的其他潜在优点是气体和液体的广泛选择，以及调整气体中液体浓度的灵活性。因此，介电特性可以在接近干燥的电火花加工中进行定制，以满足各种加工需求，如高MRR或细表面光洁度。干的和近干的电火花加工的技术障碍在于选择合适的介电介质和工艺参数。因此，通过实验研究来探讨干燥和近干EDM过程的过程能力和参数选择，成为本研究的目标。
介电流体及其输送方法对电火花加工的性能至关重要。介电流体的电、力学和热性能影响放电起始、等离子体膨胀、材料侵蚀、碎片清除和放电通道再调节的过程(Kuniedaetal.，2005)。表2.1总结了作为EDM介质流体的气体和液体的关键性质。液体-气体混合物的性质预计将介于基材料的性质之间。
表2.1年。液体和气体介质介质在室温下的电、热和力学性能*。
介电强度决定了电极和工件之间的间隙距离。较高的介电强度需要更高的电场来击穿介电流体，从而减小间隙距离。液体介质介质的介电强度（>10MV/m）高于气体介质（<4MV/m）。介电常数决定了由电极与工件之间的重叠面积引起的杂散电容。流体的大惯性和粘度增加了气泡膨胀力和物质去除量（霍肯伯里和威廉姆斯，1967）。液体介质更大的惯性和较高的粘度表明较高的MRR电位，但表面光洁度更粗糙。导热性和热容是影响熔融碎片凝固、电极和工件表面冷却的重要因素(Koenigetal.，1975)。在表2.1中，液体介质流体的导热系数和热容量至少是气体介质流体的10倍和两倍（除He外，它具有异常高的热容量）。利用不同的介质介质成分和性质可以获得广泛的介电性能，因此与传统的湿式EDM相比，干式和近干式EDM将产生不同的性能范围。本研究通过采用干燥和近干的EDM来研究高MRR粗化过程。
本章首先介绍了干式和近干式EDM的实验设置和设计。对介电介质和电极材料的选择，进行探索性实验，确定外部射流的设置、切割深度、放电电流和脉冲持续时间，然后进行详细的实验设计(DOE)，探讨放电参数对EDM磨度加工过程的影响。最后，讨论了氧辅助干式电火花加工中高MRR发生的机理。
2.2. 实验设置与设计
2.2.1. 实验设置
干燥和近干燥的EDM铣削实验是在先锋150HCNC沉模EDM机上进行的。一种旋转主轴，圆芯RBS-1000，用于保持管状电极。图2.1(a)显示了主轴、工具电极和介电介质入口的设置。主轴旋转工具电极，以保持均匀的工具磨损，并增强碎片清除。可以以液体、气体或液体-气体混合物的形式形成的介电流体通过管状工具电极输送。液体-气体混合物由AMCOL6000脉冲喷雾发生器产生，如图2.1(b)所示，设计为最小量润滑(MQL)加工应用。在本研究中，输入液体流量固定在5ml/min。图2.1(c)显示了设置一个喷嘴，从出口5215型冷枪系统输送冷却空气喷射（约−3°C）。外部的气流有助于凝固和冲洗熔融的碎片。这在产生大量熔融碎片的高MRR过程中尤其有用。
图2.1。干燥和接近干燥的EDM实验装置：(a)旋转主轴和电极，(b)喷射输送装置和(c)喷嘴输送冷空气
实验过程变量和设置汇总见表2.2。工件材料为采用DMD工艺沉积的AISIH13工具钢。本文对EDM中最常用的两种电极材料铜和石墨进行了评价。铜和石墨电极的管状电极外径分别为3mm，内径分别为1.5和1mm。对于液体电介质，选择了去离子水和煤油。液体介质与四种气体混合：空气、氧、氮和氦在接近干燥的EDM。氧气预计将产生高MRR（元田等，2003），空气是一种现成的气体，氦具有非常高的热容量，是一种惰性气体，有望防止氧化和提高表面质量，氮气可能在钢工件表面形成硬氮化物层，以提高耐磨性(Yanetal.，2005)。由于有火灾和爆炸的风险，煤油和氧混合物被排除在调查之外(鸟田和Furuoya，1991年)。
在粗糙度操作中，切割深度(DOC)在0.1~0.6mm之间变化，以达到高MRR。电极转速固定在250rpm，因为在较高速时没有观察到明显的影响。
放电参数也是EDM的重要因素。放电电流（即）和放电持续时间(ti)决定每个脉冲的放电能量；脉冲间隔（t0）决定两个连续放电之间的间隙重新调节时间；间隙电压(ugap)和开路电压(ui)控制放电间隙距离。在本研究中，我们选择了不同水平的这些放电参数来研究干燥和接近干燥的EDM过程。至于电极极性，在所有干燥的EDM中，对工具电极施加负极性或阴极，以减少工具磨损(Kunieda，2003)和在带有水基液体-气体混合物的接近干燥的EDM中，以减少电解腐蚀(Jilani等人，1984年)。在煤油基液态气体混合物EDM的工具电极上施加正极性或阳极。当使用煤油作为放电持续时间大于3μs的介电流体时，它就提供了更高的阴极或工件去除率（Arunachalam，1995）。
表2.2年。干法和近干法EDM实验的工艺参数。
2.2.2. 实验程序
图2.2说明了EDM铣削工艺的配置。为不同的工艺制作了8毫米长度和不同深度的凹槽。为了测量槽底部的表面粗糙度，使用了具有2μm手写笔半径的泰勒霍布森形催化剂冲浪轮廓计。截止长度设置为0.8mm。测量长度设置为8mm。加工前后使用0.1mg分辨率的OhausGA110电子秤测量零件的重量，然后转换为体积材料去除以计算MRR。
图2.2。EDM铣削的配置：(a)概述和(b)电极和切割区域的特写视图。
对干燥和近干燥的EDM粗糙化过程进行了三组实验研究，分别标记为Exps。一、二、三。
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Exp。I.介电介质和电极材料的选择：进行了筛选实验，选择了进行粗糙操作的候选介电介质和电极材料。切割深度和输入压力固定在0.1mm和480kPa。
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Exp。微光探索性实验：在所选介质介质和电极材料的基础上，进行了几组探索性实验，研究了外部空气喷射、切割深度和极端放电条件的影响。
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Exp。罗马数字3实验设计(DOE)：基于25-1分数的DOE测试采用析子设计，研究了5个参数(即ti、ugap、t0和ui)的影响及其相互作用。25-1阶阶设计比全阶设计需要更少的实验数量，但它与分辨率V（5）有复合效应。这意味着n阶相互作用的影响倾向于与5阶相互作用的影响纠缠在一起。一般来说，低阶相互作用比高阶相互作用的效果更强。因此，目前的设计能够检测到多达二阶的交互作用。在设计中使用了四个中心点来测试模型的曲率效应。设计矩阵列于表2.3中。应用方差分析(anova)分析输入参数的主要影响和交互作用（Carranaetal.，2004年；Luis等人，2005年；Puertas等人，2005年）。MRR的响应面和可以通过DOE生成表面粗糙度，以预测粗糙度操作的性能。
表2.3。粗糙度加工工艺的实验设计
2.3. Exp。I结果：电极材料和介电介质
图2.3显示了在高放电能量输入下的MRR和表面粗糙度的结果。铜电极能够在几乎所有干燥和接近干燥的EDM情况下去除工作材料(含煤氮和煤氦混合物的接近干燥的EDM除外)。对于石墨电极，即使在湿的EDM条件下可以有效地切割材料，但由于严重的电弧，不适合干燥和接近干燥的EDM粗糙工艺。在已加工点的外周处观察到与电弧焊类似的沉积工件材料，如图2.4(a)所示。严重的电弧导致放电局部和大规模材料熔化，理想的火花应均匀分布在加工区域，侵蚀材料。电弧很可能是由从电极尖端脱落的过量石墨粉末刺激的，如图2.4(b)所示。当电极在加工过程中，其边缘的放电浓度首先面对工件材料时，导致热负荷分布明显不均匀。冷却效率低的气体或液气冲洗不足以有效缓解沿电极边缘的过高温升。结果，诱导的热应力破坏了脆性石墨电极。石墨粉桥接工件和电极，导致放电定位，从而产生电弧。因此，尽管石墨被广泛应用于高MRR沉EDM场景，但它并不适合于干燥或接近干燥的EDM铣削工艺。
图2.3。铜和石墨电极材料在高放电能量输入(即=10A、ti=4µs、t0=8µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V)下的不同介电流体的MRR和Ra结果
图2.4。高放电电流下接近干燥的电子电火花中的石墨电极：(a)电弧损坏工件表面，(b)损坏工具（即=10A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V）
对于介质介质的效果，如图2.3所示，氧、水-氧混合物和煤油-空气混合物达到相当的MRR和更好表面光洁度比液体煤油要高。液体-气体混合物的低粘度导致加工表面的陨石坑较浅，从而获得更好的表面光洁度。
由于氧被证实具有最高的MRR，本研究将进一步利用其潜力。水-氧混合物可以是另一个很好的粗糙化候选物，因为它提供了高MRR接近于氧，并产生低Ra值。然而，水与含氧量的结合会导致严重的腐蚀或氧化，导致机加工表面的外观生锈。与氧气相比，煤油基液-气混合物遇到了工具磨损过度的问题。如图2.5所示，当使用煤油-空气混合物作为电介质流体时，可以看到非常明显的工具磨损模式，而在用氧气加工的插槽上可以观察到一致的几何形状。
总之，铜电极和氧气的结合是进一步研究高MRR粗糙度EDM的首选选择。
图2.5。由(a)煤油-空气混合物和(b)氧气(即=20A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V)加工的样品槽
2.4. Exp。二、外部喷流、切割深度和放电流的探讨
外喷流的应用，切割深度的选择和探索研究了极端放电条件，以进一步了解氧辅助干EDM粗糙化过程。
2.4.1. 外喷
外部流向EDM区域可以提高粗糙EDM的表面质量，其中高放电能量产生大量熔融碎片。仅用通过管状电极提供的气体冲洗并不足以清除所有熔融的碎片。如图2.6(a)所示，球形碎片液滴重新凝固到机加工的表面，使表面质量恶化。工具电极也有同样的碎片沉积问题。在外部空气喷流的帮助下，熔融的碎片可以更好地冷却和冲走。结果，改善了表面光洁度和外观，电极的形状得到了更好的保持，如图2.6(b)所示。此外，由于放电间隙条件，大大降低了电弧频率。通过应用靠近EDM区域的外部空气射流，表面光洁度从112µm提高到94µm，MRR也从20µm提高到22mm3/min。因此，所有随后的能源部粗糙EDM实验都通过空气射流辅助碎片冲洗进行。
图2.6。使用氧气作为介质流体（即=40A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V）研磨的磨损电极和凹槽）：(a)不使用冷枪（Rz=112µm、MRR=20mm3/分钟）和(b)使用冷枪（Rz=94µm、MRR=22mm3/分钟）。
2.4.2. 切割深度
图2.7显示了氧辅助干式EDM中切割深度的影响。在切割深度500µm时，MRR达到最大值22mm3/min。当切割深度超过500µm时，由于碎片清除问题，MRR的增加达到饱和。碎片可以在电极侧壁和工件之间桥梁，导致电弧或短路。通过观察电极频繁的伺服收缩以调节放电条件，证实了这一点。表面粗糙度一般不受切割深度的影响，因为它不影响电极底部的放电条件。在接下来的DOE含氧粗糙化实验中，切割深度设置为500µm。
图2.7。切割深度对干EDM粗氧切割（即=30A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V）的影响
2.4.3. 异常的排放和爆炸模式
对于粗糙EDM，在高放电能量输入的特定放电参数设置下，即高40A（≥40）和低t0（≤2µs）下，放电可发生在爆炸模式（Kunieda等，2003），材料去除不可控，电极磨损过度，如图2.8所示。通过观察，在避免异常放电的参数区域内进行以下能源部勘探。在氧气辅助干式电火花加工中，刺激爆炸模式的原因将在第2.6节中进行讨论。
图2.8。比较(a)爆炸模式（即=40A、ti=12µs、t0=8µs、ue=60V和ui=200V）和(b)正常爆炸模式（即=20A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V）的效果。
2.5. Exp。三、实验设计结果(DOE)
氧辅助干EDM粗加工的DOE结果汇总见表2.4。方差分析表明，影响MRR的重要因素是放电脉冲持续时间、ti、放电电流、放电间隔t0和二阶相互作用*t0。ti和ie是公认的重要的EDM过程参数，因为它们决定了放电能量。t0的意义与藤田等人的研究一致。（2003），他报告说，通过将t0保持在5到10μs的范围内，放电在“准爆炸模式”下，与较长的t0相比，MRR显著增加。
表2.4年。粗糙化过程中的MRR和Ra结果。
MRR和表面粗糙度与ti、ie和t0的响应面分别如图2.9(a）和(b)所示。在图2.9(a)的第一个图中，当增加ie和减少t0时，观察到MRR有非常急剧的上升。这表明，在加氧辅助干式EDM中，需要高即(≥25A)和低t0(≤10µs)来促进强烈的MRR模式。在鸟田的研究（2003）中，所有实验都在ie=40A下进行，因此只注意到t0对放电模式的显著性。在本实验中，还讨论了ie的影响。由于低t0，通过高均值和高放电频率输入的高放电能量会刺激快速的外热氧化，并产生额外的热量。由于高温的增强，MRR值显著增加。在下一节中，我们将详细讨论氧辅助干式电火花加工中这种快速氧化的机理。
主要因素t0和二阶交互作用t0、ti和ti*t0是影响Ra值的显著项。图2.9(b)显示了它们的效果。一般来说，较低的ie和较高的t0会产生更好的表面光洁度。ti对表面光洁度的影响比较复杂。在图2.9(b)的最后两个图中，在高ie或低t0（高MRR）时，较高的ti会增加表面粗糙度。然而，在低ie或高t0(低MRR)时，降低ti意外地增加了表面粗糙度。如图2.10所示的是正常放电模式下EDM表面的放大图片。在低ti（=4µs）时，可以在机加工表面观察到铣削痕迹。与低ti，低ie和t0高，能量输入小，不适合切割深度大。材料去除效率低，电极进料缓慢，电极回缩频繁，导致铣削痕迹。这就解释了为什么虽然MRR在低温度下降低，但表面粗糙度无法改善。
图2.9。(a)MRR和(b)Ra与ie和t0、ie、ti和t0的投影表面
图2.10。正常放电模式下的EDM表面：(a)无磨铣标记、Ra=4.32µm（即=20A、ti=12µs、t0=8µs、ugap=40V和ui=160V）和(b)有磨铣标记、Ra=6.13µm（即=20A、ti=4µs、t0=20µs、ugap=80V和ui=260V）
在极高，即（≥25A)和低t0(≤10µs）时，表面粗糙度较差，超过25µmRa。图2.11为准爆炸模式EDM后表面的光学显微图。可以观察到由于快速氧化引起的电弧或能量浓度引起的深度陨石坑。这些很深的陨石坑严重恶化了表面质量。
图2.11。具有深陨石坑的准爆炸模式EDM表面的光学显微图(a)顶视图和横截面视图（即=30A、ti=12µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=260V）
2.6. 氧辅助干式电火花加工中高MRR的作用机理
氧辅助干EDM中的高MRR是由于EDM等离子体通道中高温刺激下亚金属的快速氧化。氧化的发生是通过观察到氧辅助干电火花加工加工的表面氧含量的显著增加来推断出来的。检测到的氧增加超过原始值的10倍，见第5章讨论。
快速氧化产生的热量有助于材料的去除，甚至可以促进自我持续的氧化或燃烧(Emsley，1998)。纯铁可能发生的氧化反应包括：
这两者都是放热过程。它产生820kJ/mol的热量，相当于1g三氧化二铁产生的热量5.2kJ，并产生1120kJ/mol的热量，相当于1g四氧化三铁产生的4.8kJ的热量(Latimer，1952)。在干式EDM过程中，四氧化三铁的生产被认为是主要的过程。观察到火花从加工区域喷射出来，并凝固成黑色的碎片。黑色碎片主要由四氧化三铁基于观察的几个属性，包括磁性，四氧化三铁独特拥有的铁氧化物（氧化亚铁三氧化二铁和四氧化三铁）（康奈尔和施韦特曼，2004），深灰色（三氧化二铁棕色和氧化亚铁黑色）和通过能量色散光谱分析检测到的氧元素的高百分比。氧化产生的额外热量通过熔化工件材料和/或刺激快速的铁氧化，即铁的燃烧来帮助机械加工。除了产生热量外，氧化物还将一些铁直接转化为更容易去除的氧化物。在氧化过程中，铁不会经过熔融状态。铁氧化物结构松散，密度低于铁(Golladayetal.，2006)，并倾向于与基材分离。与熔融铁倾向于重新沉积到加工表面或电极不同，氧化物碎片很容易分离。
在氧辅助干式电火花加工中，氧化水平可以用来解释不同的放电模式、正常、准爆炸和爆炸模式鸟田等人。（2003）和在我们的实验研究中。这三种模式的机加工表面分别如图2.10、2.11和2.8所示。
在正常模式下，与使用空气相比，氧气并不能产生更好的加工性能。MRR小于10mm3/分钟，Ra小于6µm。对于低i（≤25A）和高t0（≥10µs），放电脉冲能量相对较低，高温不能保持在放电间隙内。快速氧化需要一定的活化能和较高的环境温度，在这种情况下，即使放电间隙充满了氧气，也不能被刺激。
在准爆炸模式下，MRR(>20mmm/min)显著增加，20mm表面光面度(Ra>15µm)恶化，如图2.11所示。当ie接近30A，t0在4~15µs之间时，快速循环的高能放电脉冲提供了高温和高能条件来模拟和维持铁的氧化。铁的氧化产生热量，这可以帮助维持不需要外部功率输入的氧化过程本身。这种自我维持的铁氧化被称为铁燃烧(Emsley，1998)。随着铁的燃烧，即使在放电间隔期间，当放电功率输入被切断时，也会继续去除材料。此外，预计在放电间隙中的温度会更高。高温可降低介质介质的击穿强度(Coelho，1979)，在放电电源打开时便于放电点火。这就解释了在准爆炸模式下没有观察到排放点火延迟。另一方面，高速气体流通过排放间隙并冷却到燃烧位置。它有助于抑制铁的燃烧，并保持在准爆炸中可控的材料去除模式。
进一步增加ie（≥40A）和减少t0（≤2µs）可点燃爆炸模式。高放电电流有助于模拟铁的燃烧，而短的放电间隔允许快速再次发生的模拟。铁就这样被点燃，燃烧就会维持自己。气体（氧气）流只是为燃烧提供了更多的燃料。因此，这个过程变得无法控制，密集的热量破坏电极，熔化太多的工作材料，这不能被冲洗气体凝固和冲走。在爆炸模式下，工件表面损坏，电极也发生过度磨损，如图2.8所示。
2.7. 结论性言论
本研究研究了干燥和接近干燥的EDM粗糙化过程，以实现高MRR。氧辅助干式EDM显示出具有提高MRR的能力。研究了外部射流、切割深度和5个放电参数的影响，以提高氧辅助干EDM的性能。观察到正常、准爆炸、爆炸三种放电模式。高ie和低t0是刺激高MRR准爆炸模式的关键因素。但应通过限制t0的减少来防止对工件和电极造成不良损伤的爆炸模式。
讨论了氧辅助干式EDM中高MRR值的作用机理。提出了放电过程中高温高氧引起的外热铁燃烧过程作为催化因子。
第三章
通过干燥和接近干燥的电火花加工研磨
3.1. 介绍
本研究探讨了精洁加工中的干近干光加工，以实现超细表面光洁度，并制定了整合粗糙加工和精加工的工艺方案。
实现超细表面光洁度对EDM过程来说是一个挑战，因为EDM表面由相互重叠的排放坑组成，因此本身很坚固，如图3.1所示。多年来，研究人员已经探索了超精细的EDM精加工过程。两种主要技术是使用超低放电脉冲能量的（1）（罗等，1988；罗和陈，1990；加等，2006年；冈田等，2006年）和（2）实施粉混合介电(PMD)EDM（Narumiia等，1989年；Mohri等，1991年；Wong等人，1998年；佩卡斯和亨利克斯，2003年；赵等，2005年）。然而，这两种方法都有其局限性。
图3.1。典型的中等光洁度表面，Ra=1.2µm。
Luo等人。（1988；1990）通过极短的放电持续时间ti小于0.2µs来降低放电脉冲能量，证明了一个具有0.04µmRa的超成品EDM表面。Egashira等人。（2006）应用小于3nJ的超低放电能量，在超声波振动的帮助下进行表面加工。冈田田等人。（2006）研究了具有0.1µs放电持续时间的射频等离子体，在铝上产生的表面粗糙度为0.15µmRa。低脉冲能量方法的缺点是材料去除率(MRR)低，加工周期长，每次排放的材料去除量少，间隙距离短，异常放电频繁。
PMD EDM被认为是一种更实用的精加工工艺，可以在相对较高的MRR下产生非常精细的表面精加工(Mohri等人，1985,1987,1991；Narumiya等人，1989)。悬浮在电介质中的石墨、硅和铝等粉末通过增加放电间隙距离，减少杂散电容，分散放电脉冲来稳定加工过程（Wongetal.，1998；Zhaoetal.，2005）。然而，粉末的使用增加了加工成本，随后的毒性处理引起了环境问题（Yeo等，1998；Pecas和亨利克斯，2003）。在生产应用中，粉末悬浮介质循环系统也受到分离加工的挑战从有用的粉末中提取的碎片和保持恒定的粉末浓度。
干燥和近干的电火花加工具有完成操作的潜力。鸟田等人。（2001）和Wang等人。（2004）将干燥工艺应用于精确导线EDM表面切割，以提高由于气流造成的振动显著降低，导线的直线度和几何精度。Kao等人。（2006）将近干工艺应用于使用水-空气混合物的导线电火花加工中，发现其在精加工过程中比湿式电火花加工具有更好的加工稳定性和更高的MRR值。此外，使用气体或液体介质介质，干或近干EDM的介质处理比PMDEDM更清洁。
本研究探讨了干燥和近干燥的EDM磨加工工艺，通过近干的EDM加工实现0.09µmRa的镜面。利用相同的铜管状电极，进一步应用了氧辅助干EDM粗糙加工和近干EDM精加工工艺。该集成过程应用于平面铣削，以实现DMD部分的镜面表面。
在下面的章节中，首先研究了介质流体、电极材料和放电参数的影响，并确定了超细表面加工的适当设置和方向。然后，在不同的EDM发电机系统的帮助下，努力提高表面光洁度。最后证明了近干电子火花电磨实现超细表面光洁度的能力。
3.2. 实验设置与设计
3.2.1. 实验设置
两个EDM系统，EDM解决方案先锋EDM机和SodickAQ55L电火花加工机，用于精加工过程的调查。在EDM解决方案机器上的设置与第2章中的粗糙度工艺调查相同。Sodick机具有先进的EDM发电机，具有更好的电极伺服控制和放电调节。在Sodick机器上附有一个参考表，如图3.2所示，以测量电极的长度，从而可以监测和补偿电极的缩短。
图3.2。在SodickEDM机上的干燥和接近干燥的EDM铣削装置。
采用了与上一章相同的EDM铣磨配置和介电分配系统。测试空气和氮作为干燥EDM的介质，并与水和煤油混合作为近干燥EDM的液体-气体混合介质。比较了三种常见的电极材料，石墨(C)、铜渗透石墨(CuC)和铜(Cu)。在所有的加工过程实验中，考虑到低放电脉冲持续时间下阴极磨损较低（阿鲁纳卡拉姆，1995）和阳极上放电坑更平滑的阴极(Tamura和小lank，2004)，使用负电极，即电极作为阴极。
除了塔利冲浪内部分析仪和OhausGA110电子秤在之前的研究中，安捷伦英nfiium54833A数字示波器用于监测电流和电压波形，奥林巴斯PME3光学显微镜用于检查加工的表面和放电坑。
3.2.2. 实验程序
干燥和近干燥的EDM磨加工工艺的研究分三个步骤进行。
首先，表征了不同的电介质流体和电极材料的影响。采用独立双样本t检验（蒙哥马利，2005）的统计分析来检验这些效应的显著性。在EDM精加工过程中，确定了电介质流体和电极材料的正确组合。
其次，采用如表3.1所示的25-1分数阶因子设计，系统研究了所有放电参数(即ti、ugap、t0和ui)对加工性能的影响。如前章所述，实验设计能够检测主要因素和二阶相互作用的影响。美国能源部可以提供一个指导方针来调整排放参数，以获得更好的表面光洁度。
第三，根据能源部的预测进行过程改进。进行了对EDM发生器（EDM解决方案机）的修改和对先进发生器（SodickEDM机）的实现，以达到目标表面光洁度的理想放电波形，0.1µmRa。在EDM精加工实验中，附加了刀具磨损比(TWR)、Rz、排放间隙距离和实际切割深度(ADOC)的加工性能评估和机加工工艺计划。TWR定义为工具磨损量除以去除的工作材料的体积。Rz是表面剖面的平均尖峰谷高度。放电间隙距离定义了在EDM过程中电极和工件之间的平均间隙大小。ADOC是机加工表面上的实际切割深度。它与切割深度量(DOC)不同，后者定义了加工过程中电极的伺服位置，因为放电间隙距离导致ADOC大于DOC，而刀具磨损降低了ADOC。在实验中，ADOC是通过使用轮廓仪测量已加工插槽的轮廓来获得的。间隙距离计算为：间隙距离=ADOC-DOC+电极缩短长度。电极缩短长度，即工具磨损，使用连接在机器上的参考表进行测量。
表3.1年。美国能源部的成品工艺设计
研究的最后一部分演示了干EDM粗糙加工和近干EDM精加工工艺的集成，以实现对DMD零件的超细精加工加工。通过进行工艺规划，以选择适当和经济的机械加工步骤。
3.3. 介质介质和电极材料的影响
3.3.1. 介电介质
图3.3比较了在低放电能级下使用不同介质介质的干、近干和湿EDM。干式电火花加工显然不适合用于精加工工艺。它产生最粗糙的表面，MRR较低。气体介质排出加工碎片的冲洗能力较低。熔融材料倾向于重新附着在加工表面，留下崎岖的表面。碎片的重新附着也会恶化排放间隙条件，降低MRR。
图3.3。铜和石墨电极材料（即=2A、ti=4µs、t0=8µs、t0=8µs、ugap=60V和ui=200V、铜渗透石墨电极）下不同介电流体的MRR和Ra结果。
根据统计显著性分析，近干的EDM在更好的表面光洁度方面优于湿式表面光洁度，置信水平为60%，如果使用煤油基油气混合物作为介质流体（91%置信水平），MRR也更高。一般来说，由接近干燥的电火花加工加工的表面是较浅的排放坑，具有更好的表面光洁度。其原因与电气设备有关，介电流体的机械性能和热性能，这影响了放电通道的形成和材料的排出。在第4章中，将使用电火花热模型来讨论考虑其介质流体的力学性能和湿电解热性能的区别。此外，近干EDM加工的MRR较高归因于加工过程更稳定。在低放电能量下，湿式EDM有频繁的电极伺服收缩，表明不适当的放电间隙条件。在近干燥的EDM中的液-气体混合物的介电强度较低。放电比湿式E火花M更容易启动和形成稳定的连续放电。这种效应在低放电能量的情况下尤其显著，因为放电启动需要非常小的间隙距离(<30µm)。湿式电火花加工中的放电间隙距离较小，使得放电条件对间隙中的漂浮碎片非常敏感。通过桥接工件和电极，碎片会引起有害的放电，如电弧或短路。然后，必须收回电极，以重新调节放电间隙。不稳定的放电条件可以重复发生，特别是当电极伺服系统是低响应频率。然而，接近干燥的EDM并不能满足在低放电能量下对伺服系统的高要求。
在接近干燥的EDM中，进一步比较了水基和煤油基液态气体混合物的性能。从图3.3可以看出，四种接近干燥的EDM介质流体的表面光洁度大致相同，在0.85至0.9µmRa之间。然而，在用水基液-气混合物加工的表面上可以观察到严重的电解腐蚀和表面质量恶化，如图3.4所示。水基液体-气体混合物产生的单个排放坑比煤油基的要好液-气混合物，但电解导致表面变黑和粗糙。虽然氮气介质可以在一定程度上通过隔离氧含量来防止水电解，但由于在低脉冲能量情况下更频繁的电弧和短路，仍然会引发水电解。说明电解是实现水基液-气体混合物的障碍。
图3.4。比较接近干燥的EDM磨削中的介电流体，(a)表面粗糙度和MRR，以及(b)放电坑（即=2A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=45V和ui=100V、铜渗透石墨电极）的显微图。
煤油基液-气混合物具有表面闪亮、MRR值高、表面光洁度相当的优点。比较混合物中的气体介质，空气明显提高了MRR，因为空气中的氧含量通过放热反应产生更多的热量来去除物质(Yanetal.，2005)，而其表面比氮气稍粗糙。氮气介质，用于防止氧化或电解，对改善表面光洁度没有太大贡献，因为在使用煤油时很少发生氧化或电解。考虑到高MRR和空气易用性，选择煤油-空气混合物作为介质流体进行进一步研究。
3.3.2. 电极材料
首先在EDM溶液机上对铜、石墨和铜渗透石墨的电极材料进行了比较。测试结果总结如图3.5所示。
图3.5。近干燥EDM中不同电极材料的比较，(a)表面粗糙度和MRR，以及(b)放电坑的显微图（即=2A、ti=4µs、t0=8µs、ugap=45V和ui=100V、煤油-空气混合物、EDM解决方案机）
在三种电极材料中，石墨的MRR值最高，但其表面光洁度最差。如图3.5(b)的第一张图所示，石墨电极的加工标记为深陨石坑，溢出的熔融材料沉积在矿顶上。这说明在排出过程中，有大量的物质被熔化，但排出力不够强，不足以排出所有的熔融物质。这种放电脉冲接近电弧的状态，这被认为是由从电极上剥落的石墨粉末引起的。石墨粉可以在电场中排列，以连接电极和工件，以诱导电弧。在电弧过程中，材料的熔化作用显著，但材料的排出能力不强。
铜电极产生一个干净的表面，如图3.5(b)的第三幅图所示，但在EDM解决方案机器上，MRR低得难以接受。在低放电脉冲能量下，电极与工件之间的间隙距离较小。它需要一个具有高灵敏度和快速响应的伺服系统，以保持适当的间隙距离。否则，系统将在开路和短路之间切换，从而显著降低MRR。当使用铜电极进行加工时，这种情况经常发生在EDM解决方案机器上。
铜渗透石墨电极利用了这两种材料的优势，如图3.5(b)的第二张图所示。石墨或碳含量一旦少量分散到排放间隙中，可通过提高均匀分布放电的放电传递性（Luo，1997）（Yang和Cao，2007）来辅助加工过程。这样就可以实现稳定的加工和适度的MRR。同时，铜的含量增加了电极的导热率。有助于减少在放电过程中对电极的热冲击。铜还具有较高的断裂韧性，可以将电极材料固定在一起。因此可以防止石墨粉末的剥落，这有助于减少石墨电极情况下电弧的发生。可以产生平滑的排放陨石坑。
使用SodickEDM机对铜渗透石墨电极(CuC)和铜电极(Cu)进行第二个电极比较。Sodick机采用直线电机驱动级，比EDM解决方案机的滚珠螺钉驱动级具有更高的动态响应。因此，它能够利用铜电极实现相当稳定的加工。图3.6显示了两个电极的性能。正如预期的那样，铜电极在Ra和Rz值方面都提供了更好的表面光洁度。它的TWR也要低得多，尽管MRR稍微低一些。
图3.6。铜(Cu)和铜渗透石墨电极(CuC)（即=2=、ti=0.5µs、t0=10µs和ui=210V、煤油-空气混合物，Sodick机）的比较。
如图3.7所示，铜电极加工的表面相当干净，有可区分的单个放电坑，而铜渗透石墨电极产生的表面被熔融液滴和附着的黑色颗粒消除。从其基础结构中分离出来的石墨粉末有助于略微提高MRR，但会降低表面光洁度，这是工具电极磨损略高的原因。在这种情况下，铜渗透石墨对最终的表面加工没有优势。
图3.7。由铜和铜渗透石墨电极加工的表面(即=2A、ti=0.5µs、t0=10µs和ui=210V、煤油-空气混合物、索迪克机)的显微照片
简而言之，石墨电极对于精加工过程并不理想。铜电极能够在测试材料中提供最佳的表面光洁度，并在使用SodickEDM机的超细光洁度过程中被选择。但铜电极在低放电能量下对电极伺服系统有严格的要求。没有先进的伺服控制，很难保持稳定的加工。在这种情况下，铜渗透的石墨电极可以是一种具有成本效益的替代品。它能产生稳定的加工和适度的表面光洁度，而对机器伺服系统没有太大的压力。
3.4. 排放参数的影响
利用美国能源部研究了放电参数的影响。这DOE的MRR和表面粗糙度结果汇总见表3.2。根据方差分析，影响MRR的显著项是主要因素，即和ti，以及二阶交互作用，t0*ti。
表3.2年。完成过程中的MRR和Ra结果
MRR与显著因子ti、ie和t0的响应面如图3.8(a)所示。高ie和ti增加了MRR。t0的影响随ti水平的变化而变化。在高ti时，MRR随t0的降低而减小。较高的ti会产生更多的碎片，需要更长的t0来修复排放间隙。否则，随着t0的减少，由于放电间隙条件的退化，容易发生电弧，电极经常缩回，MRR减小。排放间隙条件的退化也降低了表面光洁度。在低ti时，放电能量越低，产生的碎片越少。修复排放间隙所需的时间更少。在这种情况下，较短的t0增加了放电频率，从而增加了MRR。
结果表明，ti、t0、二阶相互作用的主要因素t0*ti对表面光洁度有显著影响。表面粗糙度与ti、即和t0的投影表面如图3.8(b)所示。图中的第三幅图显示，通过降低ie和ti，可以有效地提高表面光洁度。与MRR结果相似，t0的影响随ti水平的变化而变化。在高ti时，表面光洁度恶化由于放电间隙条件下的电弧，t0降低。在低ti下，不需要长t0来保持良好的放电间隙条件。表面光洁度仅与脉冲放电能量有关。
图3.8。(a)MRR和(b)Ra与ti和t0、ie和t0、ie和ti完成EDM的响应面
从响应面来看，当降低ie、ti和提高t0时，Ra呈线性下降趋势。线性趋势表明，目前的加工条件仍远远离最小Ra区域，进一步提高表面光洁度的潜力较大。此外，ie和ti的影响可以用一个统一的参数来描述，放电脉冲能量，Ed，它可以用
其中ue是放电电压，它取决于放电通道的特性，不受放电参数的直接控制。这与这样的看法相一致，即较低的脉冲能量每次放电去除的物质较少，留下较浅的放电坑，产生更平滑的表面。为了实现更好的表面光洁度，我们努力通过降低ie和ti来降低放电脉冲能量。
3.5. 工艺改进
两次尝试缩短放电时间，降低放电电流，以改善精加工工艺。在第一次尝试中，对EDM解决器机的发电机进行了修改，其中原来的最小ie和ti都很高。EDM发电机修改的成本比第二次尝试要低得多，实现了SodickEDM机的先进EDM发生器。下面两节将讨论这两种尝试的效果。
3.5.1. EDM发电机改造，以降低放电电流
EDM发电机的修改在两个方向上进行，减少放电时间和减少放电电流，即。
减少钛的做法是无效的。应用一个触发信号调制器，试图降低ti。由于ti和t0由触发信号的开关时间控制，如图3.9所示，触发电路将努力减少接通时间持续时间Ton。然而，当施加Ton低于4µs的触发信号时，可以观察到随振幅下降的高度失真波形。这意味着输入信号的驱动频率超过了电源的频率响应。为了输出缩短的ti，需要进一步的电源修改，以减少其系统惯性。但这超出了我们目前的能力。
图3.9。控制和缩短ti的示意图。
降低放电电流的方案如图3.10(a)所示。一个外部电阻器，R，可以消耗能量和减少电流的通过，被插入到放电回路。其对放电电流和电压波形的影响如图3.10(b)所示。插入10kΩ功率电阻，峰值放电电流从4降低到1A。然而，插入电源电阻会略微改变开路电压和放电电压。开路电压u0从80V降到60V，放电电压ue从20V升到25V。电压的变化，可能会由测量误差或泄漏电流引起，这不是一个预期的输出，也不能用具体的支撑来解释。由于第3.4节中的能源部分析都没有确定它们为重要的工艺参数，因此没有进行详细的调查。为了适应变化的放电电压的影响，我们使用由公式3.1计算出的放电脉冲能量Ed来表征表面光洁度的改善。
图3.10。修改EDM发生器以降低放电电流、(a)电路示意图和(b)对输出放电波形的影响（EDM解决方案）
图3.11显示了Ed降低后表面光洁度的改善，表面光洁度为0.32µmRa。如显微图所示，小的Ed减少了排放坑的深度和熔融物质的溢出。通过在放电电路中施加50kΩ电阻，实现的最佳表面光洁度为0.32µmRa，脉冲能量为100µJ。进一步增加电阻(高达20mΩ)并不能帮助显著提高表面光洁度，也没有诱导显著的材料去除。由于设备最小排放时间为4µs的限制，进步受到限制。不需要较小的放电电流与相对较长的放电持续时间之间的不匹配。一般来说，最终EDM需要等于或小于1µs(Luo和Chen，1990；Pecas和亨利克斯，2003)。
通过修改EDM生成器，已经取得了一定的成功。放电电流降低的成本很低，表面粗糙度降低了50%以上。但为了达到最终的表面光洁度，需要低放电电流和放电持续时间，其效果将在下一节中介绍。
图3.11。降低放电能量改善表面光洁度的效果(a)表面粗糙度和MRR，(b)加工表面的说明，(c)不同加工步骤的放光坑的光学显微图。（EDM解决方案）
3.5.2. 先进的EDM发电机与减少放电电流和持续时间
SodickEDM机用于进一步利用接近干燥的EDM精加工能力。它的超抛光发电机能够提供ti小于1µs，即低于1A。然而，具体的发电机的工作原理不同于传统的方法，即通过调整放电参数，如即，ti和t0来调整加工性能。相反，通过指定放电条件来选择放电波形。在表3.3中标记为F1到F9的9种放电条件，以评估接近干燥的EDM精处理。
表3.3年。9种EDM成品排放条件的参数。
图3.12显示了9个接近干燥的EDM装置F1到F9的加工性能，包括Ra、Rz、MRR、TWR、和排放间隙距离，按其Ra的升序编号，从0.09到0.4µm不等。使用即=0.7A、ti=0.5µs和Ed=10µJ的F1设置，可以获得0.09µmRa的最佳表面光洁度。
图3.12。在不同排放条件下使用煤油-空气混合物的近干燥EDM的性能。
除了放电能量外，EDM精细加工过程对另外两个因素也很敏感，这还不能彻底解释，但它们的影响值得注意。第一个因素是煤油分解后的碳含量。在完成EDM时，如果表面被均匀的碳污泥层覆盖，通常可以预期会有光滑的表面。如果碳污泥在加工过程中没有很好地保留，表面将会更粗糙。这种现象也被杨和曹（2007）。碳污泥被认为是分配排放能量，使排放坑变平。但对该机制仍没有明确和深入的解释，这需要进一步的研究。第二个因素是通过平行于放电电路连接电压探头可以提高加工表面光洁度。电压探头的加入可以改变电路的阻抗，降低放电能量。即使电压探头应该建立成对检查电路的影响最小，放电电路的阻抗可以对电路组件的变化非常敏感，包含电压探头可以以正的影响方式降低放电能量。建议进一步研究电压探头对放电电路阻抗的影响，寻找提高EDM表面光洁度的方法。
与精细的表面光洁度相关，MRR在完成EDM时非常低。在图3.12中，F1设置的MRR仅为约0.003mm3/min。如果没有适当的工艺规划，F1可以使用过多的加工时间，以完成甚至一个标称表面积。例如，完成图3.13(a)所示的5mm长和11µm深度的插槽大约需要80min。
大TWR与精细精加工过程相关联，如图3.12所示。对于设置F1到F9，除F2外，TWR从0.7到1.3不等，F2产生非常高的TWR，1.75。高TWR是用短ti完成EDM所固有的。
距离装置F1到F9的排放间隙距离大约从18到21µm不等。与在较高的放电能量下产生的(30~100µm)相比，这个间隙距离相对较小(Kuniedaetal.，2005)。
低MRR和大TWR是实现大面积加工加工电火花加工的两个挑战。在第3.6.2和3.6.3节中，将讨论工艺规划，以减少总加工时间，并补偿平面加工的刀具磨损。
图3.13。EDM完成Ra=0.09µm(a)F111µmADOC，加工时间80min，(b)F510µmADOCF1半成品，F1最终完成，3µmADOC，总加工时间22min。
3.6. EDM粗糙和加工过程的集成
在Sodick机上集成了氧辅助干燥EDM粗加工和近干燥EDM精加工。使用相同的铜电极的集成工艺被应用于完成DMD部分的平面。进行工艺规划是为了选择适当和经济的机械加工步骤。
3.6.1. 粗糙工艺规划
根据第二章发现的氧辅助干式电火花加工，爆炸、准爆炸和正常三种放电模式代表了该工艺加工性能的三个水平。图3.14显示了使用SodickEDM机的代表性放电条件的性能。R1到R7的工艺参数设置列于表3.4中。
图3.14。氧辅助干燥电火花加工在选定的排放条件下的性能。
表3.4年。选定的氧辅助干EDM条件的排放参数。
爆炸模式对于粗糙加工过程是不可取的，因为它产生剧烈的材料去除，从而使加工表面被破坏，电极经历过度磨损。准爆炸模式是理想的粗糙过程与高MRR和接近零工具磨损，即使表面粗糙度是粗糙的。在正常模式下，氧辅助干的EDM仍然比湿或接近干的EDM有优势，在更低的工具磨损，即使它们的MRR和表面完成具有可比性。此外，从法态模式的15µmRz作为表面粗糙度的极限氧辅助干式EDM可以在当前的设置下实现。
因此，在粗糙度加工过程中计划了两个加工步骤。R2作为准爆炸模式中最高的MRR，在第一步粗糙中去除大部分冗余材料，在正常模式中MRR最高的R3在第二步粗糙中使表面变平。
3.6.2. 完成过程计划
该过程计划减少材料去除，如ADOC，最终完成加工。这是因为F1设置，这将是实现0.1µmRa表面完成要求的最后完成步骤，有相当低的MRR。在这一步骤中，任何不必要的材料去除都将显著增加总的加工时间。因此，半成品过程的选择是至关重要的，因为它决定了在F1之前的表面光洁度。F1的ADOC应根据半成品的表面质量进行选择，以确保从前期加工中完全去除粗糙的表面特征。为了找到所需的最低ADOC，调查进行如下。
进行两组实验，利用F1完成F3和F9设置半成品的表面。之所以选择F3和F9作为半成品条件，是因为它们分别在表3.3中F3到F9设置中产生最粗糙和最好的表面(最高和最低Rz值)，因此可以代表F1之前选择半成品过程的两种极端情况。当应用F1完成两个半成品表面时，每个周期的DOC增加1µm(但ADOC由于排放间隙和刀具磨损而变化)。测量每个循环后的表面光洁度，以跟踪其随ADOC值增加的改善情况。用0.9、1.7和2.5µmADOC进行三个循环来完全完成F3生成的表面，用0.7、1.5、2.3、3.1和3.7µmADOC进行5次循环来完全完成F9生成的表面。
如图3.15(a)所示，F3半成品表面的Rz为2.6µm。随着F1的ADOC的增加，表面光洁度有所提高，直到ADOC达到2.5µm，约为原始F3完成表面的Rz，最佳Ra值为0.09µm。达到F1整理能力，0.09µmRa（图3.12）。对于具有3.6µmRz的F9半成品表面，如图3.15(b)所示，需要一个3.7µm的ADOC才能使F1最终成品表面达到0.09µmRa。半成品表面的Rz和F1实现完全完成表面的最小ADOC之间的良好匹配表明了确定F1最终完成的最小ADOC的标准：最小ADOC应该至少等于之前表面的Rz。
图3.15。F1成品中DOC对(a)F3和(b)F9半成品表面的影响。
这样，就可以通过计算和比较组合半成品和最终完成的总加工时间来进行半成品装置的选择利用图3.12中的MRR和Rz信息进行加工。对F3、F4、F5、F9设置进行了比较和选择，详见表3.3。F6、F7和F8由于表面粗糙，MRR低，被排除在考虑之外。由于总加工时间可以随加工面积的大小而变化，因此进行了两组估计。第一种基于5mm冲程加工，如图3.13所示，另一种基于近9mm×9mm平方表面，如表3.5和图3.17所示。对于这两种估计，假设半成品过程的ADOC为10µm，最终加工过程的ADOC设置为等于半成品表面的Rz（图3.12）。根据图3.12中的材料去除体积和MRR的几何计算，可以估计加工时间。
图3.16显示了不同半成品加工条件下总加工时间的估计。在这两种情况下，F5半成品加工产生最短的总加工时间。测试使用10µmADOC的F5设置进行半决赛，F1设置使用3µmADOC作为最终完成过程。如图3.13(b)所示，被加工后的表面具有相同的表面粗糙度，0.09µmRa，与仅通过F1设置被加工后的表面相同，如图3.13(a)所示。与F1在11µmADOC下进行单步加工的80min相比，总加工时间减少到22min(从估计的25min)(图3.13(a))。
图3.16。不同半成品条件下总加工时间的估计。
因此，完成过程计划有两个步骤：F5设置10µmADOC作为半决赛，F1设置3µmADOC作为最终完成过程。
3.6.3. 综合加工
除了所选的粗糙和精加工工艺，中间加工步骤，即F10设置的近干EDM（表3.5），需要连接到这两个工艺。应用图3.17(a)中的工具路径，共采用5个加工步骤来完成图3.17(b)中的平面。表3.5列出了每个步骤的加工信息，包括放电设置、总加工深度、方形表面(a)的尺寸、加工时间以及被加工表面的Rz和Ra。
图3.17采用集成干燥和接近干燥的EDM的平面研磨，(a)工具路径和(b)成品镜面。
表3.5年。在完成DMD部分时的处理信息。
步骤1和步骤2分别采用氧辅助干式EDM。步骤1需要7次切割，在DMD部分上做一个约2毫米深度的口袋。总加工时间为20min。在步骤2中，在4min中将表面粗糙度Rz从30µm降低到15µm。由于氧辅助粗糙加工中刀具磨损相当小，因此在一条加工路径中产生平面。
从步骤3开始，应用使用煤油-空气混合物的接近干燥的EDM。在接近干燥的EDM加工时的大刀具磨损(图3.12中的TRW>50%)成为一个挑战用于平面加工。假设加工前表面完全平坦，如果只采用一条加工路径，由于刀具缩短（磨损），起点的加工表面高度将低于终点的加工表面高度。为了克服这个问题，必须沿着同一刀具路径重复进行加工。每次加工后，使用连接在机器上的参考仪表测量电极的缩短。然后，通过以相同的缩短量抵消电极朝向工件来补偿缩短。重复加工几次，直到测量的电极磨损小于1µm。虽然该过程耗时，但是一种可靠的无平面表面快速复磨的方法。
在步骤3中，在33min内完成三次研磨平面。表面粗糙度降低到8µmRz。在步骤4中，通过F5进行半成品，重复7次研磨，在111min中使表面变平至3µmRz。在步骤5中，通过F1最终完成，重复8次研磨，在113min中完成表面到0.1µmRa。
大部分的加工时间消耗在最后三个接近干燥的EDM加工步骤。这部分是由于固有的低MRR。相对较大的刀具磨损和需要补偿刀具磨损，以产生一个平坦的表面，也延长了加工时间。由于铣削重复，实际加工时间是估计时间的两倍。如果采用自动刀具磨损补偿，加工时间预计将大大减少。
3.7. 结论性言论
本研究利用了干和近干电火花磨在精加工中铣削的能力。研究了介电流体、电极材料和放电参数的影响。在相同的放电条件下，近干电DM比湿电DM能产生更好的表面光洁度。煤油基液态混合物和铜电极推荐用于精细表面抛光加工。如果铜电极不能实现稳定的加工，铜渗透石墨电极可以替代中等的表面光洁度。低放电电流(<2A)、低放电持续时间(<2µs)和负极性是精细表面处理所必需的。一个简单的修改来减少放电电流被证明是成本效益的提高表面光洁度。在一个先进的EDM脉冲发生器的帮助下，近干的EDM研磨已被证明能够实现0.09µmRa的表面光洁度。
然而，低MRR和高TWR与EDM精加工过程有关。建议进行适当的工艺规划，以尽量减少精加工过程中的材料去除，以避免过多的加工时间。通过重复加工路径，牺牲加工速度，克服了高TWR的问题。工具磨损补偿算法和低磨损电极材料的研究。
