[摘要] 分析了混粉电火花加工粉末颗粒沉降过程，提出了保持混粉浓度均匀一致的搅拌方式，对混粉电火花加工装置工作液箱的搅拌进行了设计，实践验证是实用的。
关键词：电火花加工混粉工作液搅拌
[Abstract] In this paper, the authors analyzed the falling process of power for EDM mixed with power, and proposed a stirring method for keeping equa lpower concentration. They also design a stirring system for the working fluidtank in EDM mixed with power. The design has been verified to be practical.
Keywords: EDM powder suspended fluid stirring
目前，大面积电火花镜面加工以及三维曲面的镜面加工，依然是世界各国研究的方向，混粉电火花镜面加工是近几年发展起来的新技术。
在混粉电火花加工过程中，由于粉末微粒在电极和加工件间的间隙流场中的浓度分布不一致，并且有少量粉末微粒沉淀到加工件表面，从而影响到加工件的表面粗糙度，不能充分发挥混粉加工的优越性。因此，混粉电火花加工过程中加工件和电极间的间隙流场运动就非常重要。相应对电火花加工系统的执行机构提出了新的要求，工作液中粉末的搅拌和浓度的均匀一致成了工作液循环系统首先需要解决的问题。当然，还有工作液中掺入粉末带来的一系列问题，普通电火花加工装置由于无法实现这些功能而受到限制，因此为了更好地对混粉电火花加工进行研究，本文对混粉工作液电火花加工搅拌系统进行了研究。
1 混粉颗粒的沉降分析
要使混粉装置能够加工出高质量的表面，在加工过程中必须保证混粉浓度的均匀一致，下面分析一下高浓度悬浮粉末颗粒的沉降过程以便正确指导混粉电火花加工装置的设计。
用斯托克斯方程可计算出粉末粒子在煤油中的沉降速度。
(1)
式中1—粒子密度；
2—煤油密度（0.84g/cm3）；
—煤油绝对粘度（10-3Pa.s）；
a—球形粒子半径；
g—重力加速度。
混粉电火花加工中粉末粒子除受重力场作用外还受电力场作用，而且非球形粒子具有更大的水力半径，故实际沉降速度应该更慢。不过，颗粒度是个平均尺寸的衡量，粉末中部分颗粒尺寸较大，沉降速度较快。另外一些粉末颗粒具有很大的粘连性，实际上不是单颗粒存在而是处于聚集状态，故沉降速度可能远大于计算值。
悬浮的粉末固体颗粒的比重都比煤油大，它能悬浮在煤油中而不下沉，是由于搅拌时煤油流体的紊流脉动速度造成的。挟带悬浮固体颗粒的煤油，都是紊流流动。紊流结构最主要的特点就是脉动现象。在流体深度方向，垂直向上的脉动流速不断地把下层的颗粒带到上层；另一方面，重力又不断地使颗粒从上层降到下层。颗粒的悬浮就是这两种作用的结果。也就是说，在紊流流动中，要使颗粒悬浮，垂直脉动速度应大于、等于颗粒的沉降末速。
在时均情况下，保持连续性的液体，由于紊动作用，向上穿过与液体流动方向垂直的固定水平断面的液体数量，必定等于向下的液体数量。但是，因为重力的作用，使得下层液体流中的固体颗粒浓度大于上层液体流中的颗粒浓度。所以，向上的脉动速度把下层颗粒带到上层的量，要多于同样大小、方向向下的脉动速度从上层带到下层的颗粒量。上、下脉动的综合结果是把颗粒由下向上带。由此得出结论，脉动企图把液体流的悬浮颗粒由高浓度区输送到低浓度区，造成浓度的均匀化。这种现象称为紊流扩散作用。
因为流体各处悬浮颗粒浓度不同，所以，浓度是坐标位置和时间的函数。现研究类似于建立均质流体连续性微分的方法，得出二元恒定均匀流平衡状况下悬浮粉末沿垂线分布的微分方程式。
(2)
式中C—粉末浓度；
z—粉末扩散系数；
z—z轴坐标值；
ut—粉末颗粒的自由沉降末速。
积分上式，由距离a处积分到z,并令Ca代表z=a处的浓度，得
(3)
式中，指数是度量重力作用ut与紊动扩散作用Ku*相关关系的一个重要指标。在这里，重力作用是通过ut来表达，紊动作用是通过Ku*来表达，该指标值愈大，表示重力作用（相对紊动作用而言）愈强，浓度梯度会大一些，即浓度沿垂线分布就不均匀一些；反之，该指标值愈小，紊动作用（相对重力作用而言）愈强，相应的浓度梯度会小一些，浓度沿垂线分布就均匀一些。
式（3）为二元恒定均匀流在平衡状况下，悬浮粉末浓度沿液流深度分布规律。只要知道ut和u*值，并且知道z等于某一数值a处的浓度，则任意一点z处的液流深处的浓度就可得到。
上面分析是下面搅拌装置设计的最基本的理论基础。从式（3）中可以得出，悬浮粉末浓度随液面深度的增加而增加，在液面的底部浓度最大。因此，在下面混粉搅拌装置的设计中采用在液面底部冲油搅拌方式。
2 搅拌方式的选择
液体搅拌主要有叶轮搅拌、气流搅拌、射流混合、管道混合四种。叶轮搅拌是通过叶轮旋转把机械能传给液体，一方面在叶轮附近区域造成高度湍动，同时产生一股高速射流推动全部液体在槽内循环流动；气流搅拌是气泡在液体内上升的过程中所造成的液体湍动可以产生良好的搅拌作用；射流混合是高速射流在静止液体中穿过时，一方面推动其前方的液体运动，同时在射流边界上存在的高剪切速率造成大量旋涡把周围液体卷入射流中，这样就把动量传给低速液体，同时使两部分液体彻底地混合；管道混合是使待混合的物料在管道内流动的过程中混合均匀而无须经过搅拌槽的操作。
加工时工作液箱内液体保持动态平衡。为了混粉工作液在工作液箱中混合均匀以及工作液箱体积所限，叶轮搅拌、气流搅拌、管道混合都不适用，故采用射流搅拌，且射流搅拌有很多优点，例如同一般的循环泵相比，射流搅拌投资低；同螺旋泵混合系统相比，效率高等。因此，工作液箱采用平行射流多孔底部冲油搅拌方式，由搅拌盒来实现。
3 工作液箱搅拌系统的分析
工作液箱搅拌盒的设计我们依据的是平行射流组的流动过程理论。当射流组中两个相邻射流在离喷嘴一定距离相汇以后，由于相互混合和动量的交换，使速度场起了较大的变化。
设射流组中各射流均处于同一平面，喷嘴的截面及出口速度均相同。这里研究宽度为2b0的平面射流，并且各射流等距离布置，两相邻射流的中心距为2B0。此时，射流开始段的定义仍然是在轴心能保持初速度V0的距离，两相邻射流相汇合的截面即为基本段开始截面，这样在开始段和基本段之间存在一过渡段，这一过渡段的大小和射流组之间相邻喷嘴间的距离有密切的关系。
射流组的湍动脉动比自由射流大，这是在射流之间形成了较强烈的旋涡区的缘故。在平行射流组的基本段中，喷嘴中心线处的速度仍为最大值Vm,而在喷嘴之间位置处的速度为最小值2,(见图1所示)。离喷嘴愈远Vm、m值愈低，而2升高，即速度场趋于均匀。
图1 平行射流组的流动过程
由图1中可以看出，其流动过程与出口速度孔径、孔的数目及位置有关。上述分析虽然是在理想状态下，但也基本上能反映出实际情况。
平行射流产生的沿底面的水平速度，平行射流碰撞后主要产生向上的运动带动液体向上运动，使固体颗粒移动，随之湍动把固体颗粒悬浮起来，使固体粉末悬浮在工作液中。
为使工作液箱中的混粉搅拌均匀，采用搅拌盒多孔底部平行射流冲油搅拌方式。若采用图2的双侧冲油方式，则在中心线处形成合成速度为零的死区，不利于废屑的排除。而采用图3的直角双侧冲油方式，排屑效果也不甚理想。故采用图4所示单侧强力冲油方式。图5(a),(b),(c)和图6(a),(b),(c)为各种喷射条件下的粉末工作液的速度分布和粉末密度分布
图2 双侧冲油
图3 直角双侧冲油分布
图4 单侧强力冲油示意图
a 单侧射流工作液粉末微粒密度分布
b 平行双侧对射工作液速度分布
c 垂直双侧喷射工作速度分布
图5 各种喷射条件下的粉末工作的速度分布
a 单侧射流工作液速度分布
b 平行 双侧对射工作液粉末微粒密度分布
c 垂直双侧喷射工作液粉末微粒密度分布
图6 各种喷射条件下的工作液粉末密度分布
4 结论
实验条件：
电极材料：紫铜（面积：100mm×100mm），表面粗糙度：Ra0.093um。
粉末材料：Al,粒度小于10um,粉末浓度：25g/L。
机床：SodickA3R。
摇动量：100um,摇动方式：方形。
加工极性：工件（+）。
极间电容器设为零，辅以抬刀。
加工电参数：脉宽ti=2us,脉间to=4us,峰值电流Ip=3.5A。
工作液喷射条件如图5(a),(b),(c)下得出的表面粗糙度Ra分别为0.24um,0.38um,0.32um。经过试验验证，在上述设计思想指导下制作的混粉电火花加工装置是完全可行的，混粉电火花加工工作液中的粉末能得到充分的混合，进入加工间隙，排屑良好，加工效果稳定，可得到高质量的表面。
