放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工試驗(yàn)研究

劉志東，凌加健，陳文安，王祥志

（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[1]存在著材料蝕除率低、電極損耗較高等缺陷。為改善上述問題，上海交通大學(xué)的研究人員在干式電火花加工的基礎(chǔ)上，提出了液中噴氣的加工方式。該方法能有效地排除電蝕產(chǎn)物，加快工件冷卻，改善間隙的放電狀態(tài)，具有更高的加工效率和更低的電極損耗[2-3]；并采用VOF 模型和NS 方程對液中噴氣放電間隙的流體狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加工瞬間的實(shí)際放電區(qū)域處于氣體之中[4]；還對液中噴氣電火花加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明與干式電火花加工相比，該加工方法具有更高的材料去除率、較好的表面質(zhì)量和較低的電極損耗[5]。但液中噴氣電火花加工并沒有改變材料蝕除能量的本質(zhì)，即仍以電能轉(zhuǎn)化為熱能蝕除材料，且其能量利用率并不高。

對此，本文提出了一種新的加工方法——放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整加工。在電火花加工過程中引入新的加工能量——金屬燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，即向加工區(qū)域間歇通入氧氣，與在電火花放電誘導(dǎo)作用下的活化金屬發(fā)生燃燒反應(yīng)，其釋放的能量遠(yuǎn)大于放電能量，材料蝕除主要依靠燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，可大大提高材料蝕除率，并在氧氣關(guān)閉燃燒結(jié)束階段進(jìn)行電火花表面修整，保證加工表面質(zhì)量和精度。本文主要通過試驗(yàn)研究探討這種新型加工方法在電火花成形加工中的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)條件

放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的原理見圖1a。高壓氧氣通過間歇?dú)饬骺刂蒲b置間歇性地從中空電極內(nèi)噴出，進(jìn)入加工間隙，與達(dá)到燃點(diǎn)的工件基體材料發(fā)生燒蝕反應(yīng)，釋放大量的能量。伺服機(jī)構(gòu)控制電極的進(jìn)給，以滿足材料的蝕除速度。沖液系統(tǒng)可加快加工區(qū)域工作介質(zhì)的流動(dòng)，有利于蝕除產(chǎn)物的排出。圖1b 是加工現(xiàn)場。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在數(shù)控電火花成形機(jī)床上進(jìn)行，采用了電極夾具和間歇?dú)饬骺刂蒲b置，試驗(yàn)用的測量設(shè)備有數(shù)字存儲(chǔ)示波器、掃描電子顯微鏡和電子天平等。試驗(yàn)參數(shù)及條件見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及條件

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 極性效應(yīng)對加工性能的影響

表2 是極性效應(yīng)試驗(yàn)主要的電規(guī)準(zhǔn)。圖2 是采用正、負(fù)極性進(jìn)行加工的結(jié)果，可看出，采用正極性加工時(shí)，材料蝕除率比負(fù)極性加工時(shí)高，且電極相對損耗率較低。主要原因是：無氧階段為常規(guī)電火花加工；在氧氣沖入階段，放電介質(zhì)為氧氣，屬于浸液式氣中放電。根據(jù)氣中放電的原理[6]可知，在氣中放電的整個(gè)過程，無論脈寬大小，材料的蝕除主要依靠電子的轟擊作用。因此，當(dāng)工件接正極時(shí)，電子轟擊工件產(chǎn)生巨大能量，在氧氣氛圍下，使工件材料燃燒，加快工件的蝕除，有利于加工；當(dāng)工件接負(fù)極時(shí)，電子轟擊工具電極，燃燒反應(yīng)發(fā)生在工具電極上，而工件的蝕除是由正離子轟擊來實(shí)現(xiàn)的，其產(chǎn)生的能量有限，這些能量并不能將足夠多的材料加熱到熔點(diǎn)而引發(fā)燃燒，因此，工件的蝕除速率很低，電極損耗加劇。該特征在小脈寬時(shí)尤其明顯，電極損耗量超過工件的蝕除量。由此可知，放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工適于采用正極性加工，且電極損耗較低。

表2 極性效應(yīng)試驗(yàn)主要電規(guī)準(zhǔn)

由于這種極性效應(yīng)的存在，所以在本文下述的試驗(yàn)中，均采用正極性加工。

2.2 電參數(shù)對加工性能的影響

2.2.1 脈沖寬度對加工性能的影響

圖2 正、負(fù)極性加工性能對比

圖3 是脈沖寬度對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時(shí)間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖3 可看出，材料蝕除率隨著脈沖寬度的增大而增加。在其他條件不變的情況下，單個(gè)脈沖放電能量會(huì)隨著脈沖放電時(shí)間的增加而增大，單個(gè)脈沖能量所能活化的基體材料增多，可燃燒蝕除更多的基體材料；反之，脈沖寬度過小，單個(gè)脈沖放電能量小，活化材料減少，甚至無法燃燒。因?yàn)槿紵南葲Q條件是活化區(qū)足夠大，小脈寬情況下的放電幾率（或放電頻率）過小，導(dǎo)致活化區(qū)形成后還未來得及擴(kuò)大，能量就已經(jīng)向外擴(kuò)散消失了，所以脈沖寬度過小，可能無法燃燒，嚴(yán)重限制了材料蝕除率的提高。

圖3 脈沖寬度對加工性能的影響

另外，電極相對損耗率保持在較低的水平，且呈現(xiàn)下降趨勢。電極相對損耗率與工具電極的絕對損耗、工件的蝕除量有關(guān)。脈沖寬度增加引起單個(gè)脈沖放電能量增多，在氧氣通入階段，屬于氣中放電，可有效地補(bǔ)償電極損耗。

2.2.2 脈沖間隔對加工性能的影響

圖4 是脈沖間隔對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時(shí)間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖4 可看出，在一定范圍內(nèi)，材料蝕除率隨著脈沖間隔的增大而增加，但超過這一范圍時(shí)（圖示脈沖間隔為120 μs），材料蝕除率將迅速降低。分析認(rèn)為：當(dāng)脈沖間隔過短時(shí)，放電頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)增加，雖然在氧氣通入階段，材料活化速度增加，但因?yàn)槿紵^于劇烈，將使無氧階段的蝕除產(chǎn)物無法排出，而降低了蝕除效率，且表面質(zhì)量不易得到保障，因此隨著脈沖間隔的增加，極間狀態(tài)得到改善，使材料蝕除率略有增加；而當(dāng)脈沖間隙為120 μs 時(shí)，此時(shí)的極間狀態(tài)已經(jīng)不是主要矛盾，而放電頻率的下降，必然導(dǎo)致材料活化速度降低，燃燒劇烈程度會(huì)下降，所蝕除的產(chǎn)物也將減少。因此，其材料蝕除率迅速下降，但表面質(zhì)量會(huì)顯著改善。

圖4 脈沖間隔對加工性能的影響

另外，隨著脈沖間隔的變化，電極相對損耗率一直保持在較低水平，并沒有明顯變化。因此，脈沖間隔對電極相對損耗率的影響不顯著。

2.2.3 低壓電流對加工性能的影響

圖5 是低壓電流對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，氣體通斷時(shí)間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖5 可看出，隨著低壓電流的增大，材料蝕除率逐漸增加。在其他條件不變的情況下，單個(gè)脈沖放電能量隨著低壓電流的增加而增大。在氧氣通入階段，使得活化區(qū)迅速擴(kuò)大，燃燒過程中不斷地補(bǔ)充能量，燃燒更加劇烈，燒蝕材料更多；但電流過大，會(huì)使燃燒過于劇烈，嚴(yán)重?zé)齻ぜ砻?，不利于無氧階段的常規(guī)電火花修整，導(dǎo)致加工表面惡化。

圖5 低壓電流對加工性能的影響

另外，隨著低壓電流的增大，電極相對損耗率仍保持在較低的水平。分析認(rèn)為：低壓電流增大，單個(gè)脈沖放電能量變大，燃燒更劇烈，使產(chǎn)物飛濺量增加，附著在工具電極表面的燃燒產(chǎn)物增多，對電極損耗起到一定的補(bǔ)償作用。

2.3 非電參數(shù)對加工性能的影響

2.3.1 氣體通斷時(shí)間

圖6 是氣體通斷時(shí)間對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖6 可看出，保證氣體的通入時(shí)間0.5 s，而氣體斷開時(shí)間在一定范圍內(nèi)時(shí)，材料蝕除率隨著氣體斷開時(shí)間的增加而增大；當(dāng)氣體斷開時(shí)間超過一定值后（圖示為1.0 s），材料蝕除率將迅速減少。分析認(rèn)為：氣體斷開時(shí)間過短，說明燃燒時(shí)間長，而常規(guī)電火花修整時(shí)間短，氧氣通入階段劇烈燃燒，粘附在工件表面的燃燒產(chǎn)物多，而在無氧階段，電火花修整時(shí)間短，無法完全蝕除表面的燃燒產(chǎn)物，下個(gè)氧氣脈沖通入階段到來后，將首先蝕除上次的燃燒產(chǎn)物，因?yàn)樵摦a(chǎn)物已無法再燃燒，使燃燒時(shí)間縮短，材料蝕除率下降，且表面燒傷嚴(yán)重。當(dāng)氣體斷開時(shí)間超過一定值后，將使單位時(shí)間內(nèi)的燃燒次數(shù)減少，電火花修整時(shí)間增加，導(dǎo)致材料蝕除率迅速下降，加工表面質(zhì)量更好。

另外，隨著氣體斷開時(shí)間逐漸增加，電極相對損耗率雖然呈現(xiàn)一定的上升趨勢，但仍保持在較低水平。分析認(rèn)為：在電參數(shù)不變的條件下，單個(gè)脈沖放電能量一定，電極絕對損耗并無顯著變化，燃燒頻率較大時(shí)，電極損耗的補(bǔ)償量較多，電極絕對損耗會(huì)小一些。因此，隨著燃燒頻率的減小，電極絕對損耗會(huì)有所上升。

圖6 氣體通斷時(shí)間對加工性能的影響

2.3.2 液位高度對加工性能的影響

圖7 是液位高度對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時(shí)間0.5 s：0.5 s，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖7 可看出，隨著液位高度的增加，材料蝕除率呈上升趨勢，但增幅不大。

高壓氧氣從中空的工具電極中沖入加工間隙，并從側(cè)壁間隙流出，工作液覆蓋加工間隙。由于自來水的壓縮性要遠(yuǎn)低于外部大氣，使出口阻力增大，加工間隙的氣體壓力變大，放電通道內(nèi)部的壓力也變大，導(dǎo)致放電通道內(nèi)的能量密度更高，有利于燃燒。因此，液位高度增加，材料蝕除率也會(huì)相應(yīng)提高；只是工作液增加的壓力有限，故材料蝕除率的增加并不顯著。

圖7 液位高度對加工性能的影響

另外，隨著液位高度的增加，電極相對損耗率并沒有變化，保持在極低的水平。分析認(rèn)為：電極的損耗量并不會(huì)隨著液位高度的變化而出現(xiàn)明顯變化，且材料蝕除率的變化不大，導(dǎo)致電極相對損耗率幾乎不變。

2.3.3 氣體壓力對加工性能的影響

圖8 是氣體壓力對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時(shí)間0.5 s：0.5 s，壁厚4 mm，液位高度40 mm。由圖8 可看出，氣體壓力在一定范圍時(shí)，材料蝕除率將隨著氣體壓力的增加而增大；但當(dāng)氣體壓力超過這一范圍時(shí)，材料蝕除率會(huì)隨著氣體壓力的增加而減小。分析認(rèn)為：氧氣通入階段，氣體壓力過小，加工間隙的氣體壓力和流量過小，燃燒程度受到限制，材料的燒蝕效率增加不明顯。所以在一定范圍內(nèi)，氣體壓力的增大，會(huì)使加工間隙獲得足夠的氧氣，進(jìn)行燃燒反應(yīng)，以蝕除更多的材料。當(dāng)氣體壓力超過一定范圍時(shí)，加工間隙的氣體流速過大，帶走的能量也增多，燃燒產(chǎn)生的能量利用率下降，影響材料進(jìn)一步蝕除，所以材料蝕除率會(huì)逐漸下降。

圖8 氣體壓力對加工性能的影響

另外，電極相對損耗率雖然也保持在較低的水平，但還是隨著氣體壓力的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。分析認(rèn)為：氣體壓力越大，絕緣性能越好，極間消電離越充分，放電狀態(tài)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生拉弧，有效地減少了電極的損耗。

2.3.4 電極壁厚對加工性能的影響

圖9 是電極壁厚對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體壓力0.3 MPa，氣體通斷時(shí)間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm。由圖9 可看出，材料蝕除率隨著電極壁厚的增大而逐漸下降。分析認(rèn)為：電極的壁厚會(huì)影響極間的氣體壓力，其分布是以中心孔為圓心向外擴(kuò)散且逐漸降低；因此，電極壁厚越厚，電極底面橫跨的氣體壓力梯度越多，加工時(shí)對燃燒程度的影響很大，靠近中心孔的部分燃燒較劇烈，遠(yuǎn)離中心孔的部分燃燒較平緩，從而影響整體的加工速度。而電極壁厚越小，電極底面橫跨的氣體壓力梯度越少，燃燒區(qū)域集中，有利于材料的進(jìn)一步燒蝕，材料蝕除率有所增加。

圖9 壁厚對加工性能的影響

另外，電極壁厚減小，使加工區(qū)域減小，電極底面放電面積變小，因此電極損耗也會(huì)減小，電極相對損耗率則一直保持在極低的水平，無明顯變化。

2.4 加工實(shí)例

根據(jù)上述試驗(yàn)內(nèi)容，可基本了解放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的工藝規(guī)律。為此選取優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行加工，并與常規(guī)水中加工方法進(jìn)行對比。加工參數(shù)見表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10和圖11。

表3 優(yōu)化參數(shù)

圖10 加工實(shí)例結(jié)果對比

圖11 常規(guī)水中加工和間歇燒蝕加工的實(shí)物

3 結(jié)論

通過對放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的一系列工藝試驗(yàn)，可初步得出以下結(jié)論：

（1）放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工適合于正極性加工。

（2）材料蝕除率隨著脈沖寬度、低壓電流和液位高度的增加而增加；隨著脈沖間隔、氣體斷開時(shí)間和氣體壓力的增加而呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；隨著電極壁厚的增加而略有下降。

（3）不同的電參數(shù)和非電參數(shù)，電極相對損耗率都很低。

（4）在優(yōu)化參數(shù)條件的下，放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的材料蝕除率是常規(guī)水中加工的8.81 倍，電極相對損耗率只有其25.5 %。

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[4]陳煥杰，康小明，趙萬生.液中噴氣電火花加工的放電介質(zhì)仿真分析[C]//第13 屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009：186－191.

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