電火花單脈沖放電實(shí)驗(yàn)研究*

施 威,陳 飛,劉廣民

(機(jī)械制造工藝研究所,四川綿陽 621900)

電火花單脈沖放電實(shí)驗(yàn)研究*

施 威,陳 飛,劉廣民

(機(jī)械制造工藝研究所,四川綿陽 621900)

單脈沖放電過程是電火花放電加工的基礎(chǔ),借助脈沖個(gè)數(shù)和脈寬參數(shù)均可調(diào)的脈沖電源在不銹鋼和紫銅兩種材料的工件上進(jìn)行了電火花單脈沖放電實(shí)驗(yàn),對(duì)單脈沖放電蝕除的特征和規(guī)律進(jìn)行了探索研究。對(duì)單脈沖放電蝕除凹坑尺寸的統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果表明:正極性加工得到的凹坑較大且形狀規(guī)則,單脈沖能量較小時(shí),凹坑直徑深度比更大,能量利用率更低。

電火花加工;單脈沖放電;單脈沖電源

0 引 言

電火花加工通過在工具電極和工件之間施加脈沖電壓產(chǎn)生火花放電達(dá)到蝕除材料的目的,以作用力小和可加工難切削材料等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于特種加工領(lǐng)域[1],可用于加工軸、孔和三維結(jié)構(gòu)。隨著脈沖電源、放電檢測(cè)以及伺服控制技術(shù)的進(jìn)步,電火花加工技術(shù)得到快速發(fā)展,并被廣泛應(yīng)用于航空航天和模具制造等領(lǐng)域。

電火花加工是大量單脈沖放電累積的結(jié)果,單脈沖放電是電火花加工的基礎(chǔ)。一般認(rèn)為,火花放電時(shí),首先脈沖電壓施加到正負(fù)極上,極間介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下被擊穿電離,形成等離子通道,電子和正離子在電場(chǎng)力的作用下分別向兩極高速運(yùn)動(dòng),將能量傳遞給材料,使之去除,這一微觀過程是電場(chǎng)力、磁力、熱力、流體動(dòng)力等綜合作用的結(jié)果[2],實(shí)際加工時(shí),放電受到極間間隙大小變化、雜質(zhì)、氣泡以及材料表面形貌等多種因素的影響,為了研究各因素對(duì)火花放電的影響,探索電火花放電的機(jī)理,可以從連續(xù)放電過程的單元--單脈沖放電著手。一方面,放電加工所得表面由一系列單脈沖放電凹坑疊加得到,單個(gè)凹坑的直徑、深度和體積對(duì)表面的形成有一定影響,所以單脈沖放電會(huì)影響表面加工質(zhì)量,另一方面,火花放電時(shí),脈沖放電能量的一部分轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能使之熔化或氣化而去除,單脈沖放電蝕除的材料體積取決于脈沖能量的大小,連續(xù)放電加工是若干有效單脈沖放電的累積,單脈沖放電蝕除能力會(huì)影響綜合加工效率。因此,研究單脈沖放電蝕除作用的規(guī)律對(duì)于探索電火花放電機(jī)理,豐富電火花加工工藝具有重要意義。

1 單脈沖放電模型分析

電火花放電是通過擊穿極間介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給材料使之蝕除,實(shí)際的放電過程十分復(fù)雜,可以認(rèn)為在放電點(diǎn)附近有一個(gè)等效的高溫?zé)嵩?為材料的去除提供能量。根據(jù)熱源的不同機(jī)理,目前存在兩種主要的熱源形式,即電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳-楞次熱形式的體積熱源和熱傳導(dǎo)形式的表面熱源[3]。

在放電電流通過放電通道進(jìn)入材料時(shí),接觸面上會(huì)有很高的電流密度,在很短的時(shí)間內(nèi),電極材料被加熱并熔化或氣化,在放電的初始階段,這種效應(yīng)比較明顯。體積熱源的作用主要依賴于電流的趨膚效應(yīng),當(dāng)電流的變化比較劇烈時(shí),效應(yīng)比較明顯,但在電流變化率較小或加工良導(dǎo)體時(shí),焦耳熱效應(yīng)蝕除的體積只占總蝕除量的很小一部分[4]。表面熱源理論認(rèn)為熱量是通過放電通道與電極之間的接觸面?zhèn)鬟f到電極上的,即在放電通道和電極的接觸表面上有一個(gè)一定尺寸的等效熱源,其面積與接觸面積相等。放電通道中的大量帶電粒子高速運(yùn)動(dòng),將能量以動(dòng)能的形式傳遞到電極表面,在很短的時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)高溫?zé)嵩?該熱源具有軸對(duì)稱形式,在沿徑向方向上,帶電粒子的密度逐漸降低,中心位置電流密度最大,熱流密度q相應(yīng)地也最大,如圖1所示。大量熱量以熱傳導(dǎo)的形式從表面熱源上轉(zhuǎn)移到電極材料上,電極材料吸收熱量溫度升高,在一定的作用機(jī)制下被去除,產(chǎn)生熱蝕凹坑。

圖1 電火花放電面熱源模型

為了求解一定熱源作用下,物體中的溫度分布,需利用導(dǎo)熱微分方程和邊界條件進(jìn)行求解。根據(jù)傅里葉傳熱定律和能量守恒,可得到三維溫度場(chǎng)中的導(dǎo)熱微分方程。若無內(nèi)熱源,且物體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容為常數(shù),則直角坐標(biāo)系下的固體導(dǎo)熱微分方程為[5]:

式中:T為材料放電點(diǎn)附近某一點(diǎn)的溫度;α為材料的熱擴(kuò)散率;τ為時(shí)間。

傳熱問題中的熱源通常分三種形式:點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源,瞬時(shí)點(diǎn)熱源在無限導(dǎo)體中的傳熱過程是其他傳熱問題的基礎(chǔ)。根據(jù)導(dǎo)熱方程是線性方程的特點(diǎn),它將滿足迭加原理,即幾個(gè)熱源同時(shí)作用下的溫度響應(yīng)等于各個(gè)熱源分別作用下的溫度響應(yīng)的迭加,所以,連續(xù)的面熱源形成的溫度場(chǎng)可以通過瞬時(shí)點(diǎn)熱源在空間和時(shí)間域上積分得到,瞬時(shí)點(diǎn)熱源在半無限導(dǎo)體中引起的溫升為[6]:

式中:Q為瞬時(shí)熱源釋放的熱量;c為材料的比熱容;ρ為材料的密度。

認(rèn)為電火花放電通道截面為圓形,面熱源也是具有一定大小的圓形,則導(dǎo)熱模型具有軸對(duì)稱性質(zhì),可將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為圓柱坐標(biāo)系。為了應(yīng)用迭加原理求解面熱源作用下的溫度場(chǎng),先將面熱源在空間和時(shí)間域內(nèi)微分,如圖1所示,每一個(gè)微熱源上的釋放的熱量為:

式中:q(r′,t′)為面熱源熱流密度;r′為微熱源距離面熱源圓心的距離;t′為微熱源開始作用的時(shí)刻;dφ為角度微元。

由式(2)、(3)可得,在圓柱坐標(biāo)系下,半無限大體內(nèi)某點(diǎn)P處由于微熱源d Q引起的溫升可表示為:

式中:r為P點(diǎn)的半徑坐標(biāo);z為P點(diǎn)的z坐標(biāo);t為面熱源的作用時(shí)間。

對(duì)式(4)在空間和時(shí)間域上積分,可得半徑為rb的面熱源通過熱傳導(dǎo)方式作用任意時(shí)間t后在電極內(nèi)引起的溫升為:

從式(5)可以看出,火花放電在材料內(nèi)引起的溫升由材料性質(zhì)和等效熱源參數(shù)共同決定。材料的比熱容和密度的乘積cρ越大,材料的溫升越小,相應(yīng)蝕除凹坑的尺寸也會(huì)越小;等效熱源的熱流密度和半徑越大,也即放電能量越大,放電蝕除的凹坑的尺寸也越大。

2 單脈沖放電實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

電火花單脈沖放電實(shí)驗(yàn)在自研的μEDM-50型微細(xì)微細(xì)電火花加工樣機(jī)上進(jìn)行,該樣機(jī)的Z軸位移分辨率達(dá)到0.1μm,能夠微量分步進(jìn)給,可以有效控制極間放電間隙。單脈沖放電實(shí)驗(yàn)需要有效控制單脈沖放電的能量,且需要調(diào)節(jié)脈寬可電流以研究這兩個(gè)參數(shù)放電規(guī)律的影響。此處選用能夠方便調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)的獨(dú)立式晶體管電源,利用繼電器選擇接入電路的限流電阻來控制電流,通過場(chǎng)效應(yīng)管控制電壓的作用時(shí)間來控制脈寬。電源參數(shù)的設(shè)置通過工控機(jī)串口通信軟件ComWizard實(shí)現(xiàn),確定好極性和脈寬等電源參數(shù)后,將參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀和指令幀,通過232串口發(fā)送給脈沖電源,電源即會(huì)輸出特定規(guī)格的脈沖,電壓幅值、脈沖寬度、限流電阻和脈沖個(gè)數(shù)均可調(diào),可以滿足單脈沖放電實(shí)驗(yàn)的要求。如圖2所示為幅值100 V,脈沖寬度10μs的單脈沖電壓波形。

2.2 單脈沖放電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 單脈沖電壓波形

單脈沖放電實(shí)驗(yàn)如圖3所示。工具電極和工件安裝好后,控制電極從比較合適的高度開始緩慢進(jìn)給,通過萬用表的結(jié)果找到合適的初始位置,然后微量分步進(jìn)給,每次單步進(jìn)給后,釋放單脈沖,從示波器捕捉的電壓和電流波形判斷是否放電成功,若成功放電,移動(dòng)到下一位置繼續(xù)實(shí)驗(yàn),否則重復(fù)微量進(jìn)給,并施加單脈沖直至放電成功。

圖3 單脈沖放電實(shí)驗(yàn)

為了研究加工極性和脈沖能量大小對(duì)脈沖放電蝕除結(jié)果的影響,采用常用的紫銅材料作為工具和工件電極,分別將工件接正極和負(fù)極進(jìn)行單脈沖放電實(shí)驗(yàn),另外,將工件接正極,采用100 V-50Ω-1μs和120 V-15Ω-10μs兩種電參數(shù)分別實(shí)施單脈沖放電實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 不同極性和能量單脈沖放電實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

單脈沖放電凹坑的尺寸較小,深度方向的尺寸只有亞微米級(jí)。實(shí)驗(yàn)選用Talysurf CCILite干涉儀對(duì)凹坑尺寸進(jìn)行測(cè)量,其最高垂直分辨率可達(dá)0.01 nm,通過提取凹坑豎直截面輪廓可同時(shí)得到凹坑的直徑和深度。

圖4所示為工件分別接正極性和負(fù)極性情況下的單脈沖放電蝕除凹坑,工件正極性加工出的凹坑(見圖4(a))體積相對(duì)較大且整體形狀較規(guī)則,而工件負(fù)極性加工出的凹坑(見圖4(b))則由若干個(gè)尺寸較小、形狀較規(guī)則的凹坑組合而成。

工件正極性條件下,采用100 V-50Ω-1μs和120 V-15Ω-10μs兩種電參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),得到的凹坑直徑和深度并不恒定,而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng),電火花放電過程具有隨機(jī)性,每一次放電的能量和蝕除的體積不盡相同。使用球冠近似放電凹坑的形狀,并根據(jù)凹坑直徑和深度可近似計(jì)算蝕除材料的體積,結(jié)果如表2所示。從表中可看到,能量較小時(shí),材料去除量也較小,但所加工出凹坑的直徑深度比更大,即凹坑內(nèi)部更平坦,所以采用小能量進(jìn)行電火花加工時(shí),能獲得更好的表面質(zhì)量。采用小能量時(shí),單位能量去除的體積較少,能量的利用率相對(duì)較低。

圖4 工件正/負(fù)極性放電蝕除凹坑

表2 兩種電參數(shù)單脈沖放電結(jié)果

3 結(jié) 論

電火花放電通過熱效應(yīng)去除工件材料,從等效面熱源熱傳導(dǎo)的角度分析了單脈沖放電在材料上產(chǎn)生的溫度場(chǎng),放電點(diǎn)附近的溫升由材料屬性和電脈沖參數(shù)共同決定。材料的比熱容和密度的乘積越大,材料的溫升越小,相應(yīng)放電凹坑的尺寸越小。通過在紫銅材料上實(shí)施單脈沖放電實(shí)驗(yàn),研究了加工極性和脈沖能量大小對(duì)單脈沖放電的影響。結(jié)果表明,工件正極性放電得到的凹坑體積更大且形狀規(guī)則,而負(fù)極性加工出的凹坑是由多個(gè)較小的凹坑組合而成;一定大小的能量范圍內(nèi),能量較小時(shí),放電得到的凹坑直徑深度比更大,能得到更好的表面質(zhì)量,但能量利用率相對(duì)更低。

[1]劉晉春,趙家齊,趙萬生.特種加工[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]徐 偉,陳吉紅.微細(xì)電火花加工實(shí)現(xiàn)條件的研究[J].機(jī)床與液壓,2007,35(4)88-91.

[3]于家珊.電火花加工理論基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

[4]崔景芝.微細(xì)電火花加工的基本規(guī)律及其仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[5]解寶成.微小孔及陣列孔微細(xì)電火花加工的若干基礎(chǔ)問題研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[6]俞昌銘.熱傳導(dǎo)及其數(shù)值分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1981.

Experimental Research on Single Pulse Discharge

SHI Wei,CHEN Fei,LIU Guang-min
(Institute ofMachinery Manufacturing Technology,Mianyang Sichuan 621900,China)

Single pulse discharge is the basis of electrical dischargemachining.With pulse generator of which pulse number and pulse width are adjustable,single pulse discharge experiment is performed on stainless steel and red copper to study the electrical discharge erosion law.Bymeasuring and analyzing the discharge crater,it is found that the crater is bigger and more regular with positive polaritymachining,the ratio of diameter to depth of crater is bigger and energy efficiency is lower with small pulse energy.

EDM;single pulse discharge;single pulse generator

TG661

A

1007-4414(2015)06-0070-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.025

2015-10-04

施 威(1989-),男,湖北安陸人,助理工程師,主要從事微細(xì)電火花加工方面的研究工作。