氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕高效銑削研究

許 俊,劉志東,徐安陽(yáng),田宗軍,邱明波

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京210016)

傳統(tǒng)電火花加工由于蝕除材料的能量受制于脈沖能量輸出、加工表面質(zhì)量等因素,使其加工效率很低;加工介質(zhì)多為碳?xì)浠衔?如煤油或礦物油等,加工中產(chǎn)生的氣體對(duì)人體有害;且工作介質(zhì)具有可燃性,若操作不慎或加工異常易引起火災(zāi)[1-3]。為此,國(guó)內(nèi)外的研究人員提出了很多新型的加工方法。國(guó)枝正典提出了氣中電火花加工方法[4],山東理工大學(xué)研究了超聲輔助氣中電火花加工方法[5],上海交通大學(xué)提出了液中噴氣電火花加工和噴霧電火花加工方法[6-7]。但這些方法都是以工件和電極間放電產(chǎn)生的能量為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行加工的,能量的大小主要依賴于脈沖電源的輸出,加工效率均較低。為此,劉志東提出了功能電極電火花放電誘導(dǎo)可控?zé)g加工方法[1]:高速氣流(氧氣)從功能電極的氣體介質(zhì)出口噴出,工作液(水)從功能電極的液體介質(zhì)出口噴出,兩者相互沖擊形成湍流,隨著功能電極的旋轉(zhuǎn)混合氧氣和水,形成均勻的氣液混合物沖向加工表面。電火花放電產(chǎn)生的高溫在蝕除表面材料的基礎(chǔ)上,誘導(dǎo)氧氣氛圍里的表面材料與氧氣發(fā)生劇烈的燒蝕反應(yīng),工作液起到良好的消電離及排屑作用,以期獲得高效銑削的目的。本文從工件表面形貌、主要成分等方面分析了高效加工的原因,并在此基礎(chǔ)上研究了加工效率的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及原理

1.1 試驗(yàn)裝置

為了實(shí)現(xiàn)氣體和液體均勻混合成為加工介質(zhì),以適應(yīng)電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的要求,搭建了如圖1所示的試驗(yàn)加工系統(tǒng)。具有一定壓力的工作液從工作液入口通入工作液腔,氧氣從氧氣入口通入氧氣腔,之后工作液和氧氣分別通過(guò)各自的通道從電極端面噴出,電極在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),最終實(shí)現(xiàn)氣液的良好混合。在工件和電極之間接入脈沖電源,將示波器探頭連接在回路中,觀測(cè)加工波形。功能電極結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,外部由直徑8 mm的中空紫銅管、內(nèi)部由12根外徑1 mm的中空紫銅管組成。外徑1 mm的中空紫銅管內(nèi)部作為工作液通道,入口與工作液腔相連接;紫銅管之間的間隙作為氧氣通道,入口與氧氣腔相連接。

圖1 試驗(yàn)加工系統(tǒng)圖

圖2 功能電極結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)原理

氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削加工原理見(jiàn)圖3。氧氣和工作液(水)分別通過(guò)各自的通道通入加工區(qū)域,此時(shí)極間介質(zhì)為均勻的氣水混合物,在功能電極和工件之間接入脈沖電源。由于水中混入了大量氣泡,當(dāng)氣泡充滿極間時(shí),脈沖電壓將擊穿氣體介質(zhì),形成氣中放電。根據(jù)氣中放電的原理可知[8],在氣中放電過(guò)程中,無(wú)論脈寬大小,起決定作用的都是電子。在電場(chǎng)的作用下,大量的電子以極高的速度轟擊正極材料,蝕除工件材料的同時(shí)在工件表面形成高溫活化區(qū),活化區(qū)內(nèi)的金屬與氣泡內(nèi)的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng),燒蝕去除工件表面材料,氧氣耗盡則反應(yīng)終止。當(dāng)氣泡較小時(shí),大量的氣泡混入水中時(shí),此時(shí)將在氣泡內(nèi)形成電場(chǎng)畸變[9],氣中的場(chǎng)強(qiáng)高于水中的場(chǎng)強(qiáng),且氣體的抗擊穿能力遠(yuǎn)小于液體(水)的抗擊穿能力。當(dāng)達(dá)到氣體的擊穿電壓后,便首先產(chǎn)生氣中火花放電,形成放電通道,進(jìn)而擴(kuò)展到工作液(水)中,火花放電產(chǎn)生的高溫在蝕除工件表面材料的同時(shí),誘導(dǎo)氧氣氛圍內(nèi)的表面材料與氧氣發(fā)生劇烈的燒蝕反應(yīng),燃燒產(chǎn)生的熱量熔化、蝕除表面材料,同時(shí)工作液又對(duì)加工區(qū)域起著強(qiáng)制冷卻和消電離的作用。

圖3 試驗(yàn)加工原理圖

2 試驗(yàn)條件

為研究此高效加工方式的特點(diǎn),進(jìn)行了針對(duì)Cr12的氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削和常規(guī)電火花銑削對(duì)比試驗(yàn),具體的加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電火花銑削加工參數(shù)

加工前后采用電子天平稱出工件的質(zhì)量(稱前用超聲清洗機(jī)清洗并吹干),并采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)表面微觀形貌SEM圖。

3 高效銑削蝕除方式分析

從表2所示的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可看出,氣液混合燒蝕銑削的加工效率較高,達(dá)到常規(guī)電火花銑削的15倍。

表2 加工效率試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于常規(guī)電火花銑削而言,放電加工主要是依靠火花放電產(chǎn)生的熱使工件表面金屬產(chǎn)生局部熔化甚至氣化而蝕除,而氣液混合燒蝕銑削加工過(guò)程中的極間介質(zhì)為均勻的氣水混合物。圖4是氣水混合燒蝕銑削Cr12的表面微觀形貌SEM圖,可看出氣水混合燒蝕銑削工件表面存在明顯的燒蝕痕跡,且附著較多的熔融重凝物。

圖4 燒蝕銑削Cr12表面微觀形貌SEM圖

氣水混合誘導(dǎo)燒蝕加工中首先產(chǎn)生火花放電,形成放電坑,之后氣水混合物中的氧氣在電火花的誘導(dǎo)下與工件表面材料燒蝕的同時(shí)釋放出大量的熱,高效蝕除工件表面材料,形成放電燒蝕坑。蝕除的燃燒產(chǎn)物在工作液的沖刷冷卻作用下及時(shí)排出極間,少部分未排出的燃燒產(chǎn)物在液體的冷凝作用下形成熔融重凝物。對(duì)加工區(qū)域分別進(jìn)行能譜分析(圖5)和組分分析,結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 工件表面主要成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

燒蝕銑削工件表面的氧元素達(dá)到60.07%,較Cr12原始組分中的氧含量(0.000 1%)高出很多,表面材料的氧元素含量增加明顯,這是由于工件表面殘留了較多的燃燒氧化產(chǎn)物的緣故。

圖5 燒蝕銑削Cr12表面能譜圖

對(duì)比Cr12燒蝕銑削加工前后Cr及Fe的含量可知,在電火花燒蝕銑削過(guò)程中,Cr元素和Fe元素均與氧氣發(fā)生了劇烈的燒蝕反應(yīng),燃燒過(guò)程中去除了大量的Fe和Cr,直接導(dǎo)致氣液混合燒蝕加工后Fe、Cr元素的含量顯著下降。

4 氣液混合燒蝕銑削加工效率工藝規(guī)律

氣液混合燒蝕銑削的加工效率遠(yuǎn)高于常規(guī)電火花銑削,為此有必要研究不同參數(shù)下氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削Cr12加工效率的工藝規(guī)律,試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4和表5。

表4 氣液混合燒蝕銑削試驗(yàn)電參數(shù)

表5 氣液混合燒蝕銑削試驗(yàn)非電參數(shù)

氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削加工過(guò)程中,由于極間介質(zhì)為氧氣與水的混合物,且電極旋轉(zhuǎn),故首先在氧氣壓力0.06 MPa、水壓0.1 MPa、電極轉(zhuǎn)速1 800 r/min的相同條件下研究電參數(shù)對(duì)加工效率的影響規(guī)律。

4.1 脈沖寬度對(duì)加工效率的影響

試驗(yàn)電參數(shù)采用表4中的第一組數(shù)據(jù)。從圖6可看出,材料的加工效率隨著脈沖寬度的增加而增加。這是由于氣液混合燒蝕銑削加工過(guò)程中,其他參數(shù)保持一定的情況下,隨著脈沖寬度的增加,單個(gè)脈沖的放電能量也會(huì)逐漸增加,放電后可使更多的工件表面材料活化,之后活化區(qū)內(nèi)的金屬材料與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng),燒蝕去除更多的工件材料,脈沖寬度的增加會(huì)直接導(dǎo)致工件加工效率的增加。但脈沖寬度較大時(shí),將使極間燒蝕更劇烈,產(chǎn)生較多的燒蝕產(chǎn)物,使極間狀態(tài)變差,不利于放電燒蝕加工的持續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致加工效率增加放緩。

圖6 脈沖寬度對(duì)加工效率的影響

4.2 脈沖間隔對(duì)加工效率的影響

試驗(yàn)電參數(shù)采用表4中的第二組數(shù)據(jù)。從圖7可看出,材料的加工效率隨著脈間的增加而降低。分析認(rèn)為,隨著脈沖間隔的增加,單位時(shí)間內(nèi)脈沖放電頻率降低,會(huì)使用于活化工件材料的火花放電能量逐漸降低,單位時(shí)間內(nèi)氧氣與金屬材料的燒蝕頻率也降低。而氣液混合燒蝕銑削加工過(guò)程中,主要是工件材料與氧氣的燒蝕反應(yīng)起主導(dǎo)作用,燒蝕頻率的降低將直接導(dǎo)致加工效率降低。但脈沖間隔逐漸增加,此時(shí)將有足夠的時(shí)間使極間消電離和恢復(fù)絕緣,降低了電弧放電的幾率,使加工過(guò)程趨于穩(wěn)定,可保證較好的加工表面。

圖7 脈沖間隔對(duì)加工效率的影響

4.3 低壓電流對(duì)加工效率的影響

試驗(yàn)電參數(shù)采用表4中的第三組數(shù)據(jù)。從圖8可看出,隨著低壓電流的增加,加工效率也逐漸增加。當(dāng)?shù)蛪弘娏髟黾訒r(shí),單個(gè)脈沖的放電能量也逐漸增加,之后電子對(duì)正極材料的轟擊也逐漸加強(qiáng),使工件表面的活化區(qū)迅速擴(kuò)大,活化區(qū)內(nèi)的金屬與氧氣進(jìn)行燃燒,燒蝕去除工件表面材料。當(dāng)單個(gè)脈沖能量隨著低壓電流的增加而增加時(shí),燒蝕更劇烈,去除的材料也更多,使加工效率提高。但電流不應(yīng)過(guò)大,否則會(huì)使燒蝕反應(yīng)過(guò)于劇烈,過(guò)度燒傷工件表面,產(chǎn)生較大的燒蝕坑和熔融重凝物,使加工表面變差,同時(shí)也不利于持續(xù)的放電燒蝕加工,從而使加工效率增加平緩。

圖8 低壓電流對(duì)加工效率的影響

除了脈沖寬度、脈沖間隔、低壓電流等電參數(shù)對(duì)加工效率有較大的影響外,氣體壓力、水壓及電極轉(zhuǎn)速等非電參數(shù)也對(duì)加工過(guò)程有著較大的影響。放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工過(guò)程中,氧氣和水分別通過(guò)功能電極各自的通道噴入加工區(qū)域。當(dāng)氧氣壓力大于水壓時(shí),氧氣將抑制水的流出,極間甚至成為氣中加工,且水不能對(duì)極間進(jìn)行良好的消電離和冷卻,不利于排出蝕除產(chǎn)物,不利于提高加工效率;但過(guò)大的水壓也會(huì)抑制氧氣的噴出,降低燒蝕加工區(qū)域中的氧氣含量,不利于形成劇烈的燒蝕反應(yīng),降低加工效率。故水壓應(yīng)略大于氧氣壓力,且兩者的壓力差保持在一定范圍內(nèi),以達(dá)到高效加工的目的。根據(jù)表5所示的非電參數(shù),在脈沖寬度200 μ s、脈沖間隔100 μ s、低壓電流20 A的條件下,研究非電參數(shù)對(duì)加工效率的影響。

4.4 氧氣壓力對(duì)加工效率的影響

采用表5中的第一組數(shù)據(jù),由圖9可看出,氧氣壓力在一定的范圍(＜0.07 MPa)內(nèi),加工效率隨著氧氣壓力的增加而增加;而當(dāng)氧氣壓力超過(guò)一定值(0.07 MPa)時(shí),加工效率隨著氧氣壓力的增加逐漸降低。這是因?yàn)?在水壓保持不變(0.1 MPa)的情況下,當(dāng)氧氣在一定的范圍內(nèi)(＜0.07 MPa)時(shí),氧氣和水可形成較均勻的氣水混合物,并沖向加工表面,加工介質(zhì)被擊穿,形成良好的氣水混合放電,放電去除工件表面材料的同時(shí)活化材料,氣水混合物中的氧氣與活化區(qū)內(nèi)的金屬產(chǎn)生劇烈的燒蝕反應(yīng),燒蝕去除工件材料。當(dāng)氧氣壓力逐漸增加時(shí),燒蝕反應(yīng)也越劇烈,使加工效率逐漸變大。但當(dāng)氧氣壓力超過(guò)一定值時(shí),氧氣與水不能形成較好的氣水混合物,此時(shí)極間狀態(tài)較復(fù)雜,一部分氧氣沒(méi)有參與反應(yīng)就散失在周圍的空氣中,多余的氧氣與工件發(fā)生燒蝕反應(yīng),燃燒太過(guò)劇烈,且工作液壓力較低,不能對(duì)極間進(jìn)行良好的消電離和冷卻,導(dǎo)致燃燒反應(yīng)阻斷放電過(guò)程,不能形成連續(xù)放電誘導(dǎo)下的燒蝕加工過(guò)程,降低了加工效率。從加工效率的角度考慮,水與氧氣的壓力差不應(yīng)高于0.03 MPa。

圖9 氧氣壓力對(duì)加工效率的影響

4.5 水壓對(duì)加工效率的影響

采用表5中的第二組數(shù)據(jù),由圖10可看出,水壓在一定的范圍(＜0.10 MPa)內(nèi),加工效率隨著水壓的增加而增加;而當(dāng)水壓超過(guò)一定值(0.10 MPa)時(shí),加工效率隨著水壓的增加而逐漸降低。這是因?yàn)?在氧氣壓力保持不變(0.06 MPa)的情況下,當(dāng)水壓在一定范圍內(nèi)(＜0.10 MPa)時(shí),此時(shí)極間還是均勻的氣水混合物,放電擊穿后產(chǎn)生火花放電,活化工件表面材料,工件表面材料與氧氣反應(yīng),燒蝕去除材料。隨著水壓的逐漸增加,一定壓力的工作液(水)對(duì)極間進(jìn)行消電離和冷卻,有利于燒蝕反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,同時(shí)一定壓力的工作液也可排出蝕除產(chǎn)物,進(jìn)一步提高了加工效率。但當(dāng)水壓超過(guò)一定值(0.10 MPa)時(shí),均勻的氣水混合狀態(tài)被破壞,大量的水沖散了氧氣,使氧氣不能持續(xù)跟活化區(qū)域內(nèi)的工件材料產(chǎn)生燒蝕反應(yīng),從而使效率大大降低。雖然存在水的消電離作用,但兩種效果的綜合作用將使加工效率明顯降低。此時(shí)氧氣與水的壓力差應(yīng)低于0.04 MPa。

圖10 水壓對(duì)加工效率的影響

從氧氣壓力與水壓對(duì)加工效率的影響試驗(yàn)可知,當(dāng)氧氣與水兩者中有一者的壓力固定時(shí),存在一個(gè)最優(yōu)的氧氣(或水)壓力,可使加工效率達(dá)到最高;且從加工效率角度考慮,水與氧氣的壓力差應(yīng)保持在0.01～0.04 MPa。

4.6 電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工效率的影響

采用表5中的第三組數(shù)據(jù),由圖11可看出,電極轉(zhuǎn)速在一定的范圍(＜1 600 r/min)內(nèi),隨著電極轉(zhuǎn)速的增加,加工效率逐漸增加;但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定值(1 600 r/min)時(shí),加工效率有下降的趨勢(shì)?？梢哉J(rèn)為:隨著電極轉(zhuǎn)速的增加,極間的氧氣與工作液能得到較好的混合,形成均勻的混合物,之后形成穩(wěn)定的燒蝕反應(yīng);且隨著轉(zhuǎn)速的增加,有利于放電點(diǎn)的轉(zhuǎn)移,可在工件表面形成多個(gè)放電燒蝕區(qū)域,加工效率得到提高;轉(zhuǎn)速增加也有利于極間燒蝕產(chǎn)物的排出,進(jìn)一步提高加工效率。但當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí),繼續(xù)增加放電點(diǎn),分散了放電能量,同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增加,將使極間的氣泡分散得更小,不利于形成劇烈的燒蝕反應(yīng),降低了加工效率。

圖11 電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工效率的影響

5 結(jié)論

(1)氣液混合燒蝕高效銑削的加工效率可達(dá)96.3 mm3/min,為常規(guī)電火花銑削加工效率的15倍。

(2)氣液混合燒蝕高效銑削主要依靠電火花放電及火花誘導(dǎo)作用下的工件與氧氣的燒蝕反應(yīng)來(lái)蝕除工件材料,且燒蝕反應(yīng)起主導(dǎo)作用。

(3)氣液混合燒蝕高效銑削的加工效率隨著脈沖寬度、低壓電流的增加而增加,隨著脈沖間隔的增加而降低;加工效率均隨著氧氣壓力、水壓及電極轉(zhuǎn)速的增加均先增加后降低。

(4)水壓應(yīng)略大于氧氣壓力,壓力差保持在0.01～0.04 MPa;且存在一個(gè)最優(yōu)的氧氣壓力、水壓及電極轉(zhuǎn)速值,使加工效率達(dá)到最高。

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