電極加工時(shí)間對電火花加工效率影響規(guī)律研究

王 津， 韓 福 柱， 盧 建 鳴， 趙 福 令＊

（1.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.清華大學(xué) 精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084；3.蘇州三光科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

0 引 言

電極加工時(shí)間是影響電火花加工效率和穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要的因素.以往關(guān)于電極加工時(shí)間的研究僅局限于檢測放電狀態(tài)的方法，缺乏更深入的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，造成研究結(jié)果可靠性低.實(shí)際上，當(dāng)電極和工件材料，以及放電參數(shù)一定時(shí)，直接影響加工穩(wěn)定性和加工效率的因素是底面間隙中加工屑的濃度[1－4].電極加工時(shí)間正是通過影響間隙中加工屑的濃度來影響加工穩(wěn)定性和效率的.因此，研究電極加工時(shí)間對加工間隙內(nèi)加工屑運(yùn)動的影響機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上揭示電極加工時(shí)間對電火花加工效率的影響規(guī)律，可以為控制電極加工時(shí)間來提高電火花的加工效率提供重要的理論依據(jù).

一些學(xué)者的研究工作涉及了電極加工時(shí)間對電火花加工特性的影響.Cetin等[5]在研究抬刀對電火花加工影響的工作中提到了電極加工時(shí)間對電火花有效放電頻率的影響規(guī)律，通過檢測不同電極加工時(shí)間對應(yīng)的有效放電脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算得到了電極加工時(shí)間和有效放電頻率的關(guān)系曲線.但是其檢測的電極加工時(shí)間范圍較小，不能較全面地反映電極加工時(shí)間和有效放電頻率的關(guān)系，而且并未給出這種關(guān)系的可靠理論依據(jù).Rajurkar等[6]通過檢測放電脈沖對其進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工.文獻(xiàn)[7，8]基于不同的時(shí)變預(yù)測模型來控制電極加工時(shí)間.文獻(xiàn)[9，10]基于模糊控制理論對抬刀高度、電極加工時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了復(fù)合控制.他們的研究都是通過加工過程中實(shí)時(shí)判斷放電狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)不同的理論模型進(jìn)行計(jì)算來調(diào)整電極加工時(shí)間，并未提及電極加工時(shí)間對加工效率的影響機(jī)理.

本文較全面地探究放電加工和抬刀交替進(jìn)行的電火花加工中，電極加工時(shí)間對有效放電頻率的影響規(guī)律，并通過觀察放電過程中加工屑和氣泡的運(yùn)動來揭示電極加工時(shí)間對電火花加工效率的影響機(jī)理.

1 實(shí)際加工中電極加工時(shí)間對電火花加工效率的影響規(guī)律

本研究中所有的電火花加工實(shí)驗(yàn)都是在日本牧野公司的電火花成型機(jī)床EDGE3S上進(jìn)行的.由于實(shí)際加工中帶有抬刀，本實(shí)驗(yàn)分別選擇了抬刀高度h為1.4、1.8和2.2mm，檢測不同電極加工時(shí)間tm下的有效放電頻率.實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，每個(gè)電極加工時(shí)間下持續(xù)加工60s并實(shí)時(shí)采集極間電壓和電流，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的規(guī)則將放電脈沖分為正常放電脈沖和有害放電脈沖，用正常放電脈沖的總數(shù)除以60得到有效放電頻率f，這個(gè)頻率包含了抬刀因素的影響，能夠代表實(shí)際的加工效率.而有害放電脈沖占放電脈沖的百分比即為有害放電比率R.有害放電比率反映了電火花加工的穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由圖1（a）可見，當(dāng)電極加工時(shí)間較短時(shí)，隨著電極加工時(shí)間的增長，有效放電頻率具有嚴(yán)格的先增大后減小的規(guī)律性；而當(dāng)電極加工時(shí)間大于某一值后，隨著電極加工時(shí)間的增長，有效放電頻率的變化變得不規(guī)則，偶爾有較大的峰值出現(xiàn)，但總趨勢是隨著電極加工時(shí)間的增長而減小的.有效放電頻率的第一個(gè)峰值出現(xiàn)在有效放電頻率規(guī)則變化的區(qū)域，而在有效放電頻率不規(guī)則變化區(qū)也可能出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)峰值，但是取得這些峰值時(shí)對應(yīng)的有害放電比率都高于第一個(gè)峰值，如圖1（b）所示.說明取得這些峰值時(shí)的加工穩(wěn)定性比第一個(gè)峰值時(shí)的變差了.可見，抬刀高度一定而電極加工時(shí)間由短到長變化時(shí)，有效放電頻率的第一個(gè)峰值同時(shí)具備大頻率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，是加工中希望得到的最優(yōu)狀態(tài).如果能證明圖1所示的規(guī)律具有確定性，將為控制電極加工時(shí)間提供十分有利的實(shí)驗(yàn)依據(jù).因此，本文對實(shí)際加工中電極加工時(shí)間對加工效率的影響機(jī)理進(jìn)行研究.首先研究了放電過程中電極加工時(shí)間對電火花加工效率的影響機(jī)理.

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions

圖1 有效放電頻率和有害放電比率隨電極加工時(shí)間的變化曲線Fig.1 The variation curves of f and R with electrode machining time

2 放電過程中電極加工時(shí)間對電火花加工效率影響機(jī)理研究

因?yàn)榈酌骈g隙中加工屑的濃度是直接影響加工穩(wěn)定性和效率的因素，而電火花加工中產(chǎn)生的氣泡對加工屑的運(yùn)動起著關(guān)鍵的作用，因此，本研究將通過觀察放電過程中加工間隙中加工屑和氣泡的運(yùn)動規(guī)律來揭示電極加工時(shí)間對電火花加工效率的影響機(jī)理.實(shí)際的電火花加工過程中很難觀察到間隙中氣泡和加工屑的運(yùn)動情況.為了解決這一問題，本研究運(yùn)用透明材料制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置.這些裝置既可以真實(shí)反映實(shí)際加工狀況，又能夠顯示連續(xù)放電過程中間隙中氣泡和加工屑的運(yùn)動情況，如圖2所示.該裝置的特點(diǎn)是用透明電極來代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工所用電極.制作該電極時(shí)，首先將一根螺旋狀的細(xì)銅絲平放在一個(gè)鋁板平面上，然后在該銅絲上澆注熔融的透明材料——EVA熱熔膠，待熱熔膠凝固后從鋁板上取下，這樣就能夠保證透明電極的底面是一個(gè)平面，相當(dāng)于圓柱電極的底面，平面中有細(xì)銅絲的部分能夠與工件發(fā)生連續(xù)放電.因?yàn)殡姌O是用透明材料制成的，所以可以觀察到底面間隙中的現(xiàn)象.

以加工圓柱形盲孔作為觀察對象，首先觀察連續(xù)放電過程中氣泡和加工屑在底面間隙的運(yùn)動情況.為了更加接近真實(shí)加工狀態(tài)，在一個(gè)穩(wěn)定進(jìn)行的電火花加工過程中，選擇一個(gè)抬刀動作剛剛結(jié)束時(shí)的狀態(tài)作為觀察實(shí)驗(yàn)的初始條件.實(shí)驗(yàn)條件如表2所示.實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果如圖3所示.由圖3（a）可見，發(fā)生放電前底面間隙內(nèi)存在很多黑色物質(zhì)，這些物質(zhì)為加工屑.由圖3（b）可見，銅絲表面發(fā)出亮光，說明開始發(fā)生放電.此時(shí)，底面間隙內(nèi)產(chǎn)生了大量成片的白色物質(zhì)，這些物質(zhì)是放電產(chǎn)生的氣泡，這些氣泡迅速向底面間隙四周擴(kuò)展，并將大量底面間隙內(nèi)的加工屑排出.只有少數(shù)獨(dú)立的氣泡被其他氣泡推向底面間隙邊緣處，如圖3（c）、（d）所示的氣泡“E”.隨著放電的進(jìn)行，氣泡開始排出側(cè)面間隙，此后，氣泡從底面間隙向側(cè)面間隙的擴(kuò)展運(yùn)動明顯減弱，如圖3（c）、（d）所示.

圖2 用于觀察底面間隙中氣泡和加工屑運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Device for observing the movement of bubbles and debris in bottom gap

表2 觀察氣泡和加工屑運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)條件Tab.2 Experimental conditions for observing bubbles and debris movement

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將電極加工時(shí)間對有效放電頻率的影響機(jī)理歸結(jié)如下：

放電開始時(shí)，氣泡從底面間隙向側(cè)面間隙的擴(kuò)展運(yùn)動比較劇烈，能夠?qū)⒋罅康酌骈g隙內(nèi)的加工屑排出到側(cè)面間隙中，所以底面間隙內(nèi)加工屑濃度的增加速度較慢.在這個(gè)階段，底面間隙內(nèi)工作液的絕緣強(qiáng)度較高，不易產(chǎn)生擊穿放電，所以有效放電頻率較低.

圖3 連續(xù)放電過程底面間隙加工屑和氣泡的運(yùn)動Fig.3 Bubbles and debris movement in bottom gap during consecutive discharge machining

隨著放電的進(jìn)行，氣泡擴(kuò)展到側(cè)面間隙的出口，并從側(cè)面間隙中排出.底面間隙放電產(chǎn)生的氣體體積增量被排出間隙的氣體所抵消，所以間隙內(nèi)氣泡的擴(kuò)展運(yùn)動明顯減弱，很難將底面間隙內(nèi)的加工屑排出到側(cè)面間隙中，導(dǎo)致底面間隙內(nèi)加工屑的濃度迅速增加.在加工屑的濃度達(dá)到最優(yōu)值前，由于加工屑降低了底面間隙工作液的絕緣強(qiáng)度，有效放電頻率提高.但當(dāng)?shù)酌骈g隙內(nèi)加工屑的濃度超過最優(yōu)值后，加工屑開始出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，引起穩(wěn)態(tài)拉弧和短路脈沖，導(dǎo)致有效放電頻率下降.

為驗(yàn)證以上觀察實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論的正確性，通過實(shí)驗(yàn)檢測一個(gè)較長電極加工時(shí)間內(nèi)有效放電頻率變化情況.電極加工時(shí)間設(shè)定為3s，實(shí)驗(yàn)是在孔深為15.0mm處進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示.開始放電后，檢測每0.2s內(nèi)的有效放電頻率，結(jié)果如圖4所示.可見，放電剛開始時(shí)，由于底面間隙內(nèi)加工屑濃度較低，不易發(fā)生擊穿放電，所以有效放電頻率較低.隨著放電的進(jìn)行，底面間隙內(nèi)加工屑濃度增加，使擊穿放電變得容易，有效放電頻率提高.但當(dāng)電極加工時(shí)間超過0.6s后，底面間隙內(nèi)加工屑濃度過大，出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)拉弧和短路等有害放電，導(dǎo)致有效放電頻率開始降低.檢測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與觀察實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論基本一致，證明了該結(jié)論的正確性.

圖4 有效放電頻率隨電極加工時(shí)間增加的變化情況Fig.4 The change of effective discharge frequency with the increase of electrode machining time

3 實(shí)際加工中電極加工時(shí)間對有效放電頻率影響機(jī)理研究

為了便于研究，將圖4所示的實(shí)時(shí)有效放電頻率轉(zhuǎn)化為0到0.2s，0.4s，0.6s，…，3.0s的累積有效放電頻率fa，結(jié)果如圖5所示.可見，累積有效放電頻率隨放電時(shí)間的增加而先增大后減小，本文將累積有效放電頻率取得峰值時(shí)對應(yīng)的電極加工時(shí)間稱為電極加工時(shí)間的最優(yōu)值.結(jié)合本文第2部分的研究結(jié)論，可知圖5所示的電極加工時(shí)間對累積有效放電頻率的影響規(guī)律具有廣泛的代表性，同時(shí)，如果每個(gè)放電加工期的長短相同，并且每個(gè)放電加工期初始時(shí)刻底面加工屑濃度相同，則每個(gè)放電加工期內(nèi)的平均有效放電頻率近似相等.在帶有抬刀的電火花加工中，當(dāng)加工時(shí)間T一定時(shí)，總有效放電數(shù)越大則加工效率越高.假設(shè)在加工時(shí)間T內(nèi)有n個(gè)抬刀期和n個(gè)放電加工期，每個(gè)抬刀期和放電加工期的時(shí)間分別用tj和tm表示，每個(gè)放電加工期內(nèi)的平均有效放電頻率用f1，f2，…，fn表示，則加工時(shí)間T內(nèi)的總有效放電數(shù)計(jì)算公式為

如果抬刀高度足夠大，則每個(gè)放電加工期的初始時(shí)刻底面間隙內(nèi)加工屑濃度都很小，近似相等，可以認(rèn)為每個(gè)放電加工期內(nèi)的平均有效放電頻率近似相等.所以式（1）可轉(zhuǎn)化為下式：

實(shí)際上，式（2）結(jié)果中T/（1＋tj/tm）代表總加工時(shí)間T內(nèi)的有效加工時(shí)間.根據(jù)式（2），如果電極加工時(shí)間短，那么有效加工時(shí)間較短，同時(shí)，根據(jù)圖5可知，電極加工時(shí)間較短時(shí)，每段電極加工時(shí)間內(nèi)的平均有效放電頻率也較低.因此，電極加工時(shí)間短，則加工效率低.如果電極加工時(shí)間變長，那么有效加工時(shí)間變長，同時(shí)，每段電極加工時(shí)間內(nèi)的平均有效放電頻率也增加了.因此，加工效率隨著電極加工時(shí)間增長而增加.但是，當(dāng)電極加工時(shí)間超過最優(yōu)值后，隨著電極加工時(shí)間的增長，雖然有效加工時(shí)間繼續(xù)變大，但是每段電極加工時(shí)間內(nèi)的有效放電頻率開始下降，所以加工效率開始下降.在電極加工時(shí)間剛剛超過最優(yōu)值的一段區(qū)域內(nèi)，由于電極加工時(shí)間內(nèi)的平均有效放電頻率下降比較緩慢，有可能出現(xiàn)有效加工時(shí)間變長的影響超過每段電極加工時(shí)間內(nèi)平均有效放電頻率下降的影響，這時(shí)便出現(xiàn)了局部加工效率峰值.但是當(dāng)電極加工時(shí)間過長時(shí)，頻繁的有害脈沖和退刀使每段電極加工時(shí)間內(nèi)的平均有效放電頻率嚴(yán)重下降，即便有效加工時(shí)間增長了，但是加工效率還是會明顯下降.如果抬刀高度不夠，則每個(gè)放電加工期內(nèi)產(chǎn)生的加工屑不能有效排出加工間隙，底面間隙中的加工屑濃度將隨著加工的進(jìn)行而急劇增大，造成加工不穩(wěn)定和加工效率迅速降低.這種情況下討論放電時(shí)間對加工效率的影響已沒有意義.

圖5 累積有效放電頻率和電極加工時(shí)間的關(guān)系Fig.5 The relationship between accumulated effective discharge frequency and electrode machining time

4 結(jié) 論

本文首先通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電火花加工效率隨電極加工時(shí)間的增長而先增加后降低，加工效率在最優(yōu)電極加工時(shí)間處取得最大值的規(guī)律.隨后，通過觀察放電過程中間隙中氣泡和加工屑的運(yùn)動規(guī)律，揭示了有效放電頻率隨電極加工時(shí)間的增長而先增大后減小的原因.最后，基于這個(gè)理論事實(shí)，結(jié)合實(shí)際加工中抬刀和放電加工交替進(jìn)行的特點(diǎn)，闡明了實(shí)際加工中電極加工時(shí)間對加工效率的影響機(jī)理.本研究對建立電極加工時(shí)間的控制策略并提高加工效率有重要參考價(jià)值.今后，作者將在此研究工作的基礎(chǔ)上，研究并建立電極加工時(shí)間的控制策略，從而提高電火花加工效率.

[1] Schumacher B M.About the role of debris in the gap during electrical discharge machining [J].Annals of the CIRP，1990，39（1）：197－199.

[2] Kunieda M，Yanatori K.Study on debris movement in EDM gap [J].International Journal of Electrical Machining，1997，2：43－49.

[3] Kunieda M， Kojima H， Kinoshita N. On－line detection of EDM spark locations by multiple connection of branched electric wires[J].Annals of the CIRP，1990，39（1）：171－174.

[4] Obara H.Detection of discharging position on wire EDM [C]//Proceedings of the 10th International Symposium on Electromachining.Magdeburg：[s n]，1992：404－409.

[5] Cetin S，Okada A，Uno Y.Electrode jump motion in linear motor equipped die－sinking EDM [J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2003，125（4）：809－815.

[6] Rajurkar K P，WANG W M，Akamatsu K.Digital gap monitor and adaptive integral control for autojumping in EDM [J].Journal of Engineering for Industry，1995，117（2）：253－258.

[7] ZHAO Wan－sheng，Masuzawa T.Adaptive control of EDM－jump with self－tuning approach [J].Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering，1990，24（1）：45－50.

[8] ZHAO Ming，HAN Fu－zhu.Adaptive control for EDM process with a self－tuning regulator [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49（6）：462－469.

[9] Kobayashi K.The present and future developments of EDM and ECM [C]// Proceedings of 11th International Symposium for Electromachining.Lausanne：[s n]，1995：29－47.

[10] Morita A，Imai Y，Noda A.Fuzzy controller for EDM [C]//Proceedings of the 9th International Symposium for Electromachining.Nagoya：[s n]，1989：236－239.

[11] ZHOU Ming，HAN Fu－zhu，Soichiro I.A timevaried predictive model for EDM process [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2008，48（15）：1668－1677.