1 绪论
1.1本课题研究背景
1.1.1 电火花加工
电火花加工(Electrical discharge machining,EDM)是一种常见的特种加工方法，广泛应用在模具制造、机械加工等行业，一般可以分为电火花成型加工(EDM)和电火花线切割(Wire Electrical discharge machining,WEDM)。电火花加工最早可以追溯到 1770 年，英国的化学家 Joseph Priestly 发现了放电产生火花的侵蚀现象[1]。然而直到 1943 年，莫斯科大学的 Lazarenko 夫妇才发明了电火花加工。到 1980 年代，随着数控机床加工时代的到来，电火花加工在加工效率上得到了很大的提高[1]。
尽管电火花加工中材料的去除技术仍有争议，但目前广泛接受的电火花加工的原理是以热传导为基础的材料去除机理，即电火花加工是一个热的过程，材料去除是通过火花放电产生的大量的热来去除的。图 1-1 所示的是电火花加工的原理。
电火花加工不同于传统的加工方式，加工过程中，工具电极和工件并不需要相互接触，没有接触力的产生，电极始终和工件保持一定的距离用来产生电火花，这个距离就是所谓的放电间隙。在加工金属材料时，如果工件和电极相互接触了，那么整个加工系统就会短路，电火花无法产生，材料去除也随之停止。电火花加工时，首先脉冲电压施加在工具电极和工件电极之间，在两极之间会产生电场。两极间的空间充满着工作液，工作液的存在对于维持放电间隙是非常必要的。工作液的一个主要特征就是，它一般是绝缘的，从而能够保证加在两极之间的开路电压（间隙电.）能够将工作液电离。
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1.2国内外研究现状
由于电火花加工后工件表面存在火花凹坑和再凝固物质组成的重铸层，不仅导致工件表面粗糙度较大，表面质量不高，还会对工件的疲劳强度，抗腐蚀性、和使用寿命造成不良的影响，限制了电火花加工的应用。为了去除电火花加工后工件表面的凹坑和再凝固物质，提高电火花加工工件表面质量，国内外已经进行了很多的研究。主要的研究思路就是将电火花加工和其它加工方法结合起来，使用其它加工方法去除电火花加工工件后表面的凹坑和重铸层，提高工件表面质量。
1.2.1机械磨削去除重铸层
Wang 等[35]通过实验研究了机械研磨去除再凝固物质的可行性。实验分为三个阶段。第一阶段利用较大放电能量的电火花加工获得厚的重铸层。第二阶段优化了重铸层去除技术。最后，实验研究了镍基高温合金的成分和去除重铸层后的显微硬度等表面特性
1.2.2混粉电火花加工技术
混粉电火花加工技术（powder mixed EDM，PMEDM)[48-51]是在普通电火花的工作液中添加一定浓度的铝、硅等导电性微粉末，而改变电火花放电状态，可以提高普通电火花加工表面的表面质量，产生类似“镜面”的加工效果。不仅如此，混粉电火花加工可以提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性等材料性能[51]。值得注意的是，混粉电火花加工技术的材料去除机理仍然是火花蚀除材料，只是工件表面的放电凹坑不仅深度小，表面波峰和波谷较小，而且分布更加均匀，从而导致混粉电火花加工获得的工件表面粗糙度较小[29]。
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2 电火花切割金属材料表面再凝固物质去除方法的提出及机理、效果分析
2.1 实验及检测设备
本节所介绍的实验设备为本研究的第二章、第三章和第四章中，研究导电金属材料被切割时所采用的实验设备。由于第五章研究的是半导体材料被切割，实验中所采用的电源和其它部分检测设备和本章介绍有所不同，因此相关设备在第五章中单独来介绍。
2.1.1 实验平台、工件和电极丝
本研究中所使用的机床为泰州市江洲数控机床制造有限公司生产的 QT56 电火花切割机床，如图 2-1 所示。机床工作台行程为 250×320mm，工作台面尺寸为 340×520mm，切割高度为 200-400mm。机床工作台移动的最小量程为 10μm，电极丝进给速度最低为0.1μm/s。
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2.2 工作液的选择
工作液的选择是本研究的重点之一。电火花加工和电解加工是两种不同的加工方式，除了材料的去除机理、加工设备不同之外，它们所采取的工作液也是不相同的。电火花加工采用的工作液是非导电的工作液。它的重要作用之一是能够在加工中产生电火花，也就是说施加在工件和工具两极间的脉冲电压能够将工作液电离从而产生火花放电来去除材料，因此比较常用的工作液是煤油、乳化液等。而电解加工采用的是工作液必须是导电的电解液，它的重要作用之一是运送电流，也就是说电解液必须有电流的流过才会产生工件的阳极溶解。基于这个原因，
以前的很多研究将电火花加工和电解加工结合的时候是需要更换工作液的，也就是说，对工件先进行电火花加工，然后更换工作液后，再进行后续的电解加工来提高工件表面质量。
本研究将电解加工和电火花切割结合的时候，不更换任何加工设备，在使用同样的机床、脉冲电源以及工作液的情况下，将电解加工和电火花切割结合起来。为了达到这个目的，选择合适的工作液是本研究的首要问题。在本研究中，电火花线切割和电解加工是在相同的工作液条件下进行的，这意味着该工作液必须具有导电和绝缘的双重特性。一方面，工作液可以通过施加在阳极工件和阴极电极丝上的脉冲电压将其电离从而产生火花；另一方面，工作液应具有微弱的电化学反应，以便在加工过程中能采用电解加工的方法溶解阳极工件。因此，电解液的选择对本研究具有重要的意义，是本研究首先要考虑的问题。在这种情况下，低电阻率的去离子水，或者由硝酸钠和去离子水混合而成的低电导率的盐溶液[115-123]，均可以满足本研究的使用要求。本研究主要考虑到对环境友好的特点，采用了低电阻率的去离子水作为工作液，其电阻率为 1MΩ·cm。
...........................3 WEDCM 建模研究 ................................. 36 3.1WEDCM 建模的目标 ........................ 36
3.2WEDCM 模型的建立 .................................... 37
4 慢速进给-WEDCM 建模研究 ................................... 52
4.1慢速进给-WEDCM 建模的目标 ................................ 52
4.2慢速进给-WEDCM 模型的建立 ............................ 53
5 半导体 W-WEDM 去除表面凹坑和再凝固物质研究 ....................... 69
5.1 半导体 W-WEDM 原理 .............................. 69
5.2实验材料、设备及方案 ................................ 71
5 半导体 W-WEDM 去除表面凹坑和再凝固物质研究
5.1半导体 W-WEDM 原理
图 5-1 为电火花切割金属工件示意图。当使用电火花线切割技术切割金属工件时，电极丝和金属工件之间必须保证一定的间隙，工作液充满在火花间隙中，因为有火花间隙的存在，脉冲电压才能将工作液击穿，产生火花放电去除材料，因此，火花间隙是影响电火花切割技术中非常重要因素之一。如果火花间隙消失，意味着电极丝和工件相互接触，系统将会短路，电极丝和工件两极间的电压为零，无法将工作液电离，电火花停止产生，加工也随之停止。
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6 结论与展望
6.1结论
电火花切割工件时，由于材料的去除机理是电火花产生的高温将材料熔化和汽化去除的，因此电火花切割后的工件表面存在火花凹坑和再凝固物质，导致工件表面质量不高。面对这一问题，本课题针对导体材料和半导体材料展开去除电火花切割工件表面凹坑和再凝固物质，提高电火花切割工件的表面质量的方法的研究。现将全文研究得出的结论总结如下：
(1) 针对电火花切割导体材料，本研究提出的两种方法 WEDCM 和慢速进给-WEDCM，能够利用电解加工，溶解去除电火花切割工件产生的火花凹坑和再凝固物质，提高电火花切割工件的表面质量。
(2) 在 WEDCM 方法中，有两个关键工艺参数，即工件的移动距离和电解阶段电极丝的进给速度，对加工后的工件表面质量有重要的影响。这两个参数之间的关系是：当工件的移动距离增加时，为了充分溶解相同厚度的再凝固物质，电极丝在电解阶段的进给速度必须降低。为了获得良好的表面质量，电解阶段电极丝的进给速度必须采取慢速进给，当电极丝进给速度降低到 0.3μm/s 和 0.6μm/s 之间时，大部分再凝固物质被溶解去除。如果在去除再凝固物质之后，电极丝进给速度仍然继续减慢，则 WEDCM 加工效率显著降低，但是表面质量却提高不明显。工件移动距离对表面质量的影响受到电极丝进给速度的制约。当电极丝进给速度大于 0.8μm/s 时，工件移动距离对表面粗糙度 Ra 有非常重要的影响，为了得到良好的表面质量，工件移动距离必须合适：当工件移动之后，电极丝和工件之间的距离不仅应该足够大，使得两极之间的距离要超过电火花放电的最大距离，确保在电解阶段没有电火花的产生；同时，工件移动后电极丝和工件之间的距离也应该足够小，使得电解作用足够强，从而确保再凝固物质能够被充分溶解。在本研究的实验条件下，工件合适的移动距离为 40μm-50μm。当电极丝进给速度小于 0.8μm/s 时，则工件的移动距离对表面质量的影响已经不重要了，或者说，此时电极丝进给速度对表面质量的影响将会超过工件移动距离对表面质量的影响。具体来讲，此时无论工件移动距离是多少，大部分再凝固物质都能溶解去除，再凝固物质被去除之后，表面形貌变的类似，表面粗糙度的数值 Ra在 0.97μm 附近。
参考文献（略）