氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削的電極相對(duì)損耗研究

劉志東，許 俊，李文沛，徐安陽(yáng)

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

氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削的電極相對(duì)損耗研究

劉志東，許 俊，李文沛，徐安陽(yáng)

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

提出了一種基于氣液混合功能電極的電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削加工方法，并針對(duì)Cr12與常規(guī)電火花銑削加工進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同等試驗(yàn)條件下，氣液混合電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削的電極體積損耗僅為1.1%，而常規(guī)電火花銑削的電極損耗為9%。針對(duì)此現(xiàn)象，從極間放電特性、電極端面覆蓋層等因素出發(fā)，解釋了電極損耗低的原因。最后，研究了不同加工參數(shù)下，氣液混合燒蝕銑削電極相對(duì)損耗的工藝規(guī)律。

氣液混合；功能電極；電火花銑削；電極損耗

傳統(tǒng)電火花加工是利用電火花放電產(chǎn)生的能量來(lái)蝕除工件材料的，它存在電極損耗較高、補(bǔ)償困難等問(wèn)題[1-2]。Bayramoglu等研究了不同相關(guān)參數(shù)對(duì)電極相對(duì)損耗的影響[3]；周勇等對(duì)電極的損耗形狀進(jìn)行了研究，并提出了在線工具補(bǔ)償措施[4]。但這些方法均是在常規(guī)電火花加工基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，電極的損耗依然較高。

國(guó)枝正典等提出了氣中電火花加工方法[5]，發(fā)現(xiàn)氣中電火花銑削加工效率并不低于常規(guī)電火花銑削，且其最大的優(yōu)勢(shì)就是電極損耗幾乎為零。文獻(xiàn)[6]提出了功能電極電火花放電誘導(dǎo)可控?zé)g加工方法，其原理是電火花放電產(chǎn)生的高溫在蝕除表面材料的同時(shí)，誘導(dǎo)氧氣氛圍里的表面材料與氧氣發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的大量化學(xué)能可大幅去除工件材料，提高材料蝕除率；同時(shí)，工作液（水）起著良好的消電離及排屑作用，以期在獲得高效加工的同時(shí)，降低電極損耗。本文基于此，采用銑削加工方法，分別從極間放電特性、電極端面覆蓋層等方

面進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上研究了功能電極體積相對(duì)損耗隨電參數(shù)和非電參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

為實(shí)現(xiàn)氣體和液體混合成為均勻的加工介質(zhì)，以適應(yīng)電火花誘導(dǎo)燒蝕加工，搭建了如圖1所示的試驗(yàn)加工系統(tǒng)。工作液腔和氧氣腔隔開，具有一定壓力的工作液和氧氣分別從各自入口通入工作液腔和氧氣腔，之后通過(guò)功能電極內(nèi)各自獨(dú)立的通道噴入加工電極端面，電極在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，最終在加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)良好的氣液混合。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。其外部為外徑8 mm、內(nèi)徑6 mm的中空紫銅管，內(nèi)部由12根外徑1 mm、內(nèi)徑0.5 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，并用填充物和粘結(jié)劑將入口處紫銅管之間的間隙密封，避免工作液進(jìn)入管隙，和氧氣在進(jìn)入加工區(qū)域前混合；紫銅管之間的間隙作為氧氣通道，入口與氧氣腔相連。

圖1 試驗(yàn)加工系統(tǒng)圖

圖2 功能電極結(jié)構(gòu)圖

2 極性效應(yīng)

在傳統(tǒng)電火花加工過(guò)程中，自由電子和正離子分別轟擊碰撞正極和負(fù)極表面，蝕除正、負(fù)極表面的材料。但由于自由電子和正離子的質(zhì)量不同，受到轟擊的時(shí)間不同，兩極表面材料的蝕除速度也不同，此即為極性效應(yīng)。合理利用電極的極性效應(yīng)也有利于降低電極損耗，實(shí)現(xiàn)低損耗加工，因此有必要對(duì)氣液混合燒蝕銑削的極性效應(yīng)進(jìn)行研究。

加工前后分別采用電子天平稱出工件質(zhì)量，稱重前用超聲清洗機(jī)清洗并吹干，并進(jìn)行體積換算。加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖3是氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削正負(fù)極性加工效率和電極相對(duì)損耗的對(duì)比圖。從圖3可看出，氣液混合功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削正極性加工的效率高，電極相對(duì)損耗低。為了合理利用極性效應(yīng)，以下試驗(yàn)均采用正極性加工。

圖3 正、負(fù)極性加工對(duì)比圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 電極體積相對(duì)損耗

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常采用電極體積相對(duì)損耗比θ來(lái)度量工具電極損耗的大小：

式中：Ve為工具電極損耗的體積，mm3；Vw為工件加工損耗的體積，mm3。

在同等試驗(yàn)條件下，進(jìn)行了氣液混合電火花銑削及常規(guī)電火花銑削的對(duì)比試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

表3 試驗(yàn)結(jié)果

從表3可看出，氣液混合燒蝕銑削的電極體積損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)電火花銑削。下面從極間放電波形、電極端面覆蓋層對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析。

3.2 極間放電波形

圖4是以氣水混合物作為加工介質(zhì)的放電波形圖。在實(shí)際放電波形中，以圖4a所示波形為主，也有一部分波形如圖4b所示。

圖4 極間放電波形

分析認(rèn)為，具有一定壓力的氧氣和水分別通過(guò)功能電極氣體通道和工作液通道噴入加工區(qū)域，形成氣水混合物沖向加工表面的現(xiàn)象，此時(shí)由于水中存在氣泡，使極間電場(chǎng)發(fā)生畸變[7]，當(dāng)氣泡充滿極間時(shí)，放電就在氣中進(jìn)行，形成如圖4a所示為主的波形；當(dāng)混入水中的氣泡較小時(shí)，氣泡首先被擊穿，之后擴(kuò)展到工作液中的放電波形（圖4b）。放電擊穿產(chǎn)生電火花放電，火花放電產(chǎn)生的熱量，一部分用于蝕除工件表面材料，另一部分則誘導(dǎo)氧氣氛圍內(nèi)的工件表面材料與氧氣發(fā)生劇烈的燒蝕反應(yīng)，燃燒產(chǎn)生極高的熱量進(jìn)一步熔化、蝕除表面材料；同時(shí)，極間產(chǎn)生大量的燒蝕產(chǎn)物，對(duì)電極端面進(jìn)行補(bǔ)償，降低了電極損耗。

3.3 電極端面分析

對(duì)氣液混合燒蝕銑削及常規(guī)電火花銑削的電極端面進(jìn)行了分析，圖5分別是各自的電極表面形貌SEM圖。可看出，氣液混合燒蝕銑削的電極端面附著了較多的熔融重凝物，常規(guī)電火花銑削的電極端面有較多的熔融重凝小液滴。這是因?yàn)樵跉庖夯旌蠠g加工過(guò)程中，極間發(fā)生了劇烈的燒蝕反應(yīng)，產(chǎn)生了大量的燒蝕熔融產(chǎn)物，一定壓力的工作液將一部分蝕除產(chǎn)物排出加工區(qū)域，一部分來(lái)不及排出加工區(qū)域的產(chǎn)物在工件表面得到快速冷卻，同時(shí)還有少部分產(chǎn)物在工作液的冷卻作用下覆蓋在功能電極端面，形成覆蓋層，這些覆蓋層對(duì)功能電極進(jìn)行補(bǔ)償，從而降低了燒蝕銑削的工具電極損耗。而常規(guī)電火花銑削加工過(guò)程中，由于極間工作液流動(dòng)性一般，且反應(yīng)不如燒蝕銑削加工劇烈，一部分熔融產(chǎn)物以較快的速度冷卻覆蓋在工具電極表面，形成較細(xì)小的熔融重凝物。

圖5 不同方式銑削電極表面微觀形貌

對(duì)圖5所示的電極表面進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4?？煽闯觯瑲庖夯旌蠠g加工的電極表面Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.99%，F(xiàn)e元素和O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.38%和69.70%，而Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.93%?？梢哉J(rèn)為工件內(nèi)的鐵與氧氣發(fā)生了劇烈的燒蝕反應(yīng)，生成的氧化產(chǎn)物Fe3O4覆蓋在工件表面，使電極表面Fe、O元素的含量較高，Cu元素的含量相對(duì)降低，形成的表面覆蓋層可對(duì)功能電極進(jìn)行補(bǔ)償，降低功能電極的損耗。常規(guī)電火花銑削的電極端面也有少量O元素和Fe元素，這是

由于極間工作液流動(dòng)性較差，使少部分放電產(chǎn)物反鍍?cè)陔姌O端面。

表4 不同方式銑削電極表面主要成分

4 氣液混合燒蝕銑削損耗規(guī)律

氣液混合燒蝕銑削的電極體積損耗遠(yuǎn)低于常規(guī)電火花銑削，有必要研究不同加工參數(shù)對(duì)電極損耗影響的規(guī)律，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表5和表6。

表5 氣液混合燒蝕銑削電參數(shù)

表6 氣液混合燒蝕銑削非電參數(shù)

4.1 脈沖寬度對(duì)電極相對(duì)損耗的影響

試驗(yàn)采用表5所示的第一組參數(shù)數(shù)據(jù)。從圖6可看出，當(dāng)脈寬＜150 μs時(shí)，電極相對(duì)損耗隨著脈寬的增加而逐漸降低；當(dāng)脈寬＞150 μs后，電極相對(duì)損耗隨著脈寬的增加而變大。這是由于脈寬＜150 μs時(shí)，極間發(fā)生燒蝕反應(yīng)所產(chǎn)生的大量燒蝕熔融產(chǎn)物，一部分被工作液帶出加工區(qū)域，另一部分來(lái)不及排出加工區(qū)域的產(chǎn)物就冷卻下來(lái)，覆蓋在工具電極表面，對(duì)工具電極的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，降低了工具電極的相對(duì)損耗；而當(dāng)脈寬＞150 μs時(shí)，電極端面得到的能量也變大，燒蝕產(chǎn)生的一部分能量分配到電極端面，蝕除了一部分電極和覆蓋層，使電極補(bǔ)償降低，電極相對(duì)損耗變大。

圖6 脈沖寬度對(duì)電極體積相對(duì)損耗率的影響

4.2 脈沖間隔對(duì)電極相對(duì)損耗的影響

試驗(yàn)采用表5所示的第二組參數(shù)數(shù)據(jù)。從圖7可看出，隨著脈沖間隔的增加，電極的相對(duì)損耗率也逐漸變大。分析認(rèn)為，隨著脈沖間隔的增加，極間的消電離和排屑更方便，加工穩(wěn)定性變好，較多的蝕除產(chǎn)物被排出加工區(qū)域，同時(shí)由于放電停歇的時(shí)間較長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)燒蝕反應(yīng)的產(chǎn)物逐漸減少，電極端面冷卻效果加強(qiáng)，降低了電極端面覆蓋產(chǎn)物產(chǎn)生的可能，較多的工具電極材料被蝕除而得不到有效補(bǔ)償，導(dǎo)致工具電極的損耗逐漸變高。

圖7 脈沖間隔對(duì)電極體積相對(duì)損耗率的影響

4.3 低壓電流對(duì)電極相對(duì)損耗的影響

試驗(yàn)采用表5所示的第三組參數(shù)數(shù)據(jù)。從圖8可看出，低壓電流對(duì)電極相對(duì)損耗的影響曲線呈先減小、后增大的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)?shù)蛪弘娏鞯陀?6 A時(shí)，此時(shí)極間的燒蝕產(chǎn)物漸漸變多，使工具電極的覆蓋效應(yīng)變大，電極損耗逐漸降低；而當(dāng)?shù)蛪弘娏鞲哂?6 A時(shí)，由極間產(chǎn)生的燒蝕能量所去除的電極量高于蝕除產(chǎn)物的覆蓋量，兩相綜合，使電極損耗變大。

圖8 低壓電流對(duì)電極體積相對(duì)損耗率的影響

4.4 氧氣壓力對(duì)電極相對(duì)損耗的影響

試驗(yàn)采用表6所示的第一組參數(shù)數(shù)據(jù)。由圖9可看出，當(dāng)氧氣壓力低于0.05 MPa時(shí)，極間氧氣可與工作液混合成均勻的氣液混合物，此時(shí)極間的燒蝕反應(yīng)較均勻，產(chǎn)生蝕除產(chǎn)物的覆蓋效應(yīng)使電極損耗降低；當(dāng)氧氣壓力高于0.05 MPa時(shí)，極間不能形成良好的氣液混合物，蝕除產(chǎn)物的覆蓋效應(yīng)減弱，同時(shí)，中空電極內(nèi)部一定壓力的氧氣又將產(chǎn)物吹離

電極，進(jìn)一步減弱電極的覆蓋效應(yīng)，從而使電極損耗逐漸增加。

圖9 氧氣壓力對(duì)電極體積相對(duì)損耗率的影響

4.5 水壓對(duì)電極相對(duì)損耗的影響

試驗(yàn)采用表6所示的第二組參數(shù)數(shù)據(jù)。從圖10可看出，當(dāng)水壓＜0.1 MPa時(shí)，電極損耗逐漸降低，這是由于此時(shí)極間的燒蝕反應(yīng)較穩(wěn)定，電極表面的覆蓋效應(yīng)起主導(dǎo)作用，對(duì)電極的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，降低了電極的相對(duì)損耗；當(dāng)水壓＞0.1 MPa時(shí)，雖然能將較多的蝕除產(chǎn)物沖出加工區(qū)域，使加工穩(wěn)定性變好，但由于水壓過(guò)大，氧氣被打散而不能形成良好的氣液混合物，燒蝕反應(yīng)減弱，不能形成較多的蝕除產(chǎn)物覆蓋在電極表面，且工作液（水）具有冷卻作用，使覆蓋效應(yīng)不易形成，從而加大了電極損耗。

圖10 水壓對(duì)電極體積相對(duì)損耗率的影響

5 結(jié)論

（1）氣液混合燒蝕銑削的電極體積相對(duì)損耗為1.1%，而常規(guī)電火花銑削的電極體積損耗為9%。

（2）氣液混合燒蝕銑削極間特殊的放電特性及燒蝕產(chǎn)物在電極端面的反鍍，均使其電極損耗比常規(guī)電火花加工低。

（3）氣液混合燒蝕銑削的電極體積相對(duì)損耗隨著脈沖寬度、低壓電流、氧氣壓力及水壓的增加呈先減小、后增大的趨勢(shì)；而隨著脈沖間隔的增加逐漸增大。

（4）存在最優(yōu)加工參數(shù)，使氣液混合燒蝕銑削的電極體積損耗達(dá)到最低。

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Study on Electrode Relative Wear of Spark-inducing Combustion-milling by Function Electrode with Gas-liquid Mixture

Liu Zhidong，Xu Jun，Li Wenpei，Xu Anyang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Put forward a new EDM method named spark-inducing combustion-milling machining based on function-electrode with gas-liquid mixture，and making the comparison experiment with the conventional ED-milling on machining of Cr12，found that the electrode volume loss rate of the sparkinducing combustion-milling machining is only 1.1%whereas the conventional ED-milling's is 9%in the same test conditions.With regard to this phenomenon，the paper explains the reasons for the low electrode volume loss from the factor，such as the discharge characteristics between electrode and workpiece and the electrode surface covering layer.Finally，the rules of relative electrode wear rate of spark-inducing combustion-milling machining based on function-electrode with gas-liquid mixture under different processing parameters are studied.

gas-liquid mixture；function electrode；electrical discharge milling；electrode wear rate

TG661

A

1009－279X（2014）01－0017-05

2013-07-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51175256，51205197）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2011732）；航空基金資助項(xiàng)目（2011ZE52060）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（CXLX12_0138）中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助

劉志東，男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師。