電火花成形加工中沖液新工藝的實(shí)驗(yàn)研究

馬衛(wèi)東 岳 鵬

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封475004)

電火花成形加工技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中占據(jù)重要地位，其在難加工材料以及復(fù)雜曲面加工領(lǐng)域有著不可替代的作用［1-4］。但相對(duì)普通金屬切削加工而言，電火花加工蝕除速度較低、加工時(shí)間較長(zhǎng)，因此人們一直努力通過(guò)改進(jìn)加工工藝以有效提高其加工效率進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者不斷通過(guò)改進(jìn)輔助加工工藝以提高電火花成形加工效率。如:在加工中加入工具電極的高頻振動(dòng)［5-6］，控制電極做高速抬刀運(yùn)動(dòng)［7-8］，在工作液中噴射氣體［9-10］等一系列創(chuàng)新嘗試均在不同程度上提高了電火花成形加工的效率和穩(wěn)定性，并為相關(guān)領(lǐng)域科研工作的開(kāi)展拓寬了思路。

實(shí)踐證明，沖液作用可以顯著降低電火花放電間隙中雜質(zhì)的含量，因此在加工過(guò)程中選用合理的沖液方式能夠有效提高電火花放電蝕除效率。然而，目前對(duì)通過(guò)改進(jìn)沖液方式以提高電火花成形加工生產(chǎn)效率的研究報(bào)道相對(duì)較少?，F(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)方法加以改進(jìn)，提出一種新的沖液方式——“交互沖液”，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該方法可在一定條件下有效提高電火花成形加工的生產(chǎn)效率［11］。

1 “交互式?jīng)_液”工藝技術(shù)機(jī)理

沖液工藝原理是將工作液由噴嘴噴出，對(duì)放電間隙進(jìn)行沖刷以迅速消除電蝕產(chǎn)物從而有效提高電火花成形加工效率和加工穩(wěn)定性。實(shí)際生產(chǎn)中待加工型腔的深徑(寬)比往往不大，在對(duì)此類(lèi)型腔進(jìn)行電火花成形加工時(shí)習(xí)慣上常采用雙向?qū)ΨQ(chēng)沖液或單向沖液兩種方式，如圖1 所示。然而，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這兩種沖液方式都有一定的弊端。如圖1a 所示的雙向?qū)ΨQ(chēng)沖液方式，它通常被用于較大表面的電火花成形加工。加工過(guò)程中，相向而行的兩股流體在成形表面中部交匯，致使局部流速減緩，降低了排屑效果。這樣，一方面導(dǎo)致了加工效率的降低，另一方面通常使局部積碳不均，進(jìn)而影響電極與工件均勻蝕除，破壞工件形位精度并造成成形表面質(zhì)量下降。而如圖1b 所示的單向沖液方式，該方法通常用在較小成形表面的加工中。工作液由工件一側(cè)流入從另一側(cè)流出，與雙向沖液方式相比其流速變化較穩(wěn)定。但流入側(cè)工作液較純凈沖刷作用明顯，電極不易形成積碳;而流出側(cè)電蝕產(chǎn)物濃度較高，二次放電現(xiàn)象明顯且電極表面易形成積碳。因此，在流入側(cè)往往電極損耗較快，而流出側(cè)往往工件蝕除較快，最終導(dǎo)致工件成形面傾斜，加工質(zhì)量降低。對(duì)于以上弊端，人們往往通過(guò)使用多電極或在加工中及時(shí)對(duì)電極進(jìn)行清理(或再加工)的方法加以處理。這些方法雖能適當(dāng)減小加工誤差，但都不同程度地增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率［11］。有鑒于此，設(shè)想若以適當(dāng)頻率從工件兩側(cè)交替均衡沖液，即在電火花成形加工中使用“交互沖液”方式，或可在增強(qiáng)排屑的同時(shí)使工件各部位放電間隙中電蝕產(chǎn)物的長(zhǎng)期濃度趨于一致，進(jìn)而有望提高加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量，最終提高生產(chǎn)效率。

2 “交互式?jīng)_液”裝置的研制和實(shí)驗(yàn)

2.1 “交互沖液”控制裝置的試制

在試驗(yàn)研究中試制了一套“交互沖液”控制裝置，該裝置可在加工中有效控制交替沖液的頻率。其工作原理如圖2 所示。

電火花交互沖液裝置，包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、變頻裝置和凸輪機(jī)構(gòu)以及與凸輪機(jī)構(gòu)連接的換向裝置。進(jìn)油嘴2接電火花成形機(jī)進(jìn)油管，出油嘴6 和7 分別接一組沖液噴嘴，減速電動(dòng)機(jī)1 帶動(dòng)凸輪9 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)閥芯10往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)閥芯10 的軸向運(yùn)動(dòng)改變進(jìn)油嘴2 和出油嘴6、7 的通、斷關(guān)系，從而使出油嘴6、7 交替沖液，通過(guò)改變調(diào)速器3 的數(shù)值，改變減速電動(dòng)機(jī)1 的轉(zhuǎn)速，從而改變出油嘴6、7 交替沖液的頻率，以適應(yīng)不同工件的加工需求。凸輪9 的曲線由4 段構(gòu)成，該曲線根據(jù)凸輪9 與滾輪8 的位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)解析法得到，該曲線應(yīng)保證凸輪9 的運(yùn)動(dòng)速度和加速度變化均勻，從而使凸輪9 和滾輪8 之間的運(yùn)動(dòng)沖擊盡可能小。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)在EDM-400 電火花成形機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中先后制備了4 套規(guī)格大小不同的紫銅電極，電火花工作液采用加工企業(yè)中最常用的煤油作為工作介質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)分別將組裝好的電極安裝在電火花成形機(jī)的機(jī)頭上，校正工具電極，使下表面水平，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x取合理的電規(guī)準(zhǔn)以及電極極性;工件位置設(shè)定后，開(kāi)油泵進(jìn)油，根據(jù)型腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求控制沖液壓力為5 kpa 左右，達(dá)到適合油位后開(kāi)始放電加工;分別用不同規(guī)格的電極進(jìn)行試驗(yàn)，首先用單向沖液方式，得出常規(guī)加工時(shí)間作為對(duì)比參量，然后用不同的沖液頻率觀察其對(duì)加工效率的具體影響，加工中實(shí)時(shí)記錄不同電極完成實(shí)驗(yàn)要求的加工任務(wù)時(shí)所用時(shí)間。

3 研究過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

表1 加工深度、沖液頻率與蝕除速度

3.1 沖液頻率與加工深度的關(guān)聯(lián)性分析

沖液頻率與加工深度的關(guān)聯(lián)性分析試驗(yàn)選用了一個(gè)橫截面尺寸為10 mm×10 mm 的正方形電極，以相同的電參數(shù)、采用常規(guī)的沖液方式和不同的交互沖液頻率分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)記錄加工到不同深度時(shí)所需的加工時(shí)間，計(jì)算出其蝕除速度，從而分析采用不同的沖液頻率對(duì)加工效率的具體影響。見(jiàn)表1。根據(jù)表1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道，采用交互式?jīng)_液方法可以提高電火花的加工速度，平均提高加工效率22.5%左右。根據(jù)表1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以分別得出電加工的蝕除速度隨深度變化的規(guī)律曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 中6 條曲線分別為普通沖液方式和不同沖液頻率時(shí)深度-蝕除速度的曲線。6 條曲線均顯示隨著加工深度的增加，其加工速度則逐漸下降，這一點(diǎn)也是符合電火花加工普遍規(guī)律的。圖3 中的的深度-速度曲線表明，在不同的加工深度時(shí)，其加工蝕除速度與沖液頻率并未顯示出明顯的關(guān)聯(lián)性。

3.2 沖液頻率與蝕除速度的關(guān)聯(lián)性分析

實(shí)驗(yàn)表明，采用交互式?jīng)_液方法確實(shí)可以提高電火花的加工速度，但不同的沖液頻率與加工深度未顯示明顯的關(guān)聯(lián)性。為深入分析交互式?jīng)_液方式?jīng)_液頻率對(duì)蝕除速度的影響，制作橫截面尺寸分別為10 mm ×10 mm、30 mm×30 mm、50 mm×50 mm 和80 mm×80 mm的電極各一個(gè)，并命名為1#電極、2#電極、3#電極和4#電極。2#電極、3#電極、4#電極的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表2～4，每個(gè)電極分別在一致的電規(guī)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證采用交互式?jīng)_液方法時(shí)沖液頻率對(duì)蝕除速度的影響。從表2～4 所示結(jié)果可以看出，隨著沖液頻率的提高，加工速度逐漸提高，但達(dá)到某個(gè)沖液頻率之后，隨著沖液頻率的提高其加工速度不再明顯提高，反而有所下降。

表22#電極不同沖液頻率時(shí)的平均蝕除速度

表33#電極不同沖液頻率時(shí)的平均蝕除速度

表44#電極不同沖液頻率時(shí)的平均蝕除速度

3.3 最佳沖液頻率與電極有效沖液距離的關(guān)聯(lián)性分析

1#～4#電極沖液頻率-速度曲線所顯示的最佳沖液頻率均不一樣，說(shuō)明對(duì)不同的加工電極，其獲得最大加工速度的最佳沖液頻率是不一樣的。

將每個(gè)電極的最佳沖液頻率與該電極在沖液方向的距離聯(lián)系起來(lái)，可以得到擬合曲線如圖4 所示。其獲得最大蝕除速度的沖液頻率與該電極沿沖液方向的截面長(zhǎng)度密切相關(guān)，即該尺寸越大則沖液頻率越低。

3.4 實(shí)驗(yàn)分析

綜合整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究所述，在電火花成形加工中，采用交互式?jīng)_液的方式，可以在確保加工質(zhì)量的前提下提高排屑能力，從而提高加工效率。

實(shí)驗(yàn)證明在電火花成形加工中，采用交互式?jīng)_液方法并選取合適的沖液頻率可以提高電火花加工速度20%～30%左右，從而起到節(jié)約能耗、降低加工成本的作用。

電極的輪廓尺寸不同，獲得最大蝕除速度的沖液頻率也不同。沖液頻率過(guò)大，使得加工間隙的流場(chǎng)不穩(wěn)定，影響放電通道的建立;而如果沖液頻率過(guò)小，則失去交替沖液的實(shí)質(zhì)意義。一般來(lái)講，交互沖液的最佳沖液頻率隨電極在沖液方向流動(dòng)距離的增大而逐漸降低，即輪廓距離越大，則沖液頻率應(yīng)越小。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是世界上最大的電火花機(jī)床生產(chǎn)國(guó)和使用國(guó)，本研究成果解決了電火花成形加工中一個(gè)共性的技術(shù)問(wèn)題，每臺(tái)電火花成形機(jī)只需加裝一個(gè)能實(shí)現(xiàn)交互沖液的裝置，即可提高電火花成形加工的效率，且后期使用無(wú)需其它額外費(fèi)用，具有適用性廣、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。目前本研究成果僅面向通用型電火花成形機(jī)，而三維電火花銑削機(jī)床、電火花復(fù)合機(jī)床以及混粉工作液是否適用于該工藝方法，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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