低頻振動(dòng)輔助電火花銑削加工間隙流場(chǎng)研究

王海蛟，孔德政，張 敏，張勤河

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院/山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

隨著對(duì)電火花加工的研究越來(lái)越深入，如何提高其加工效率、改善表面粗糙度等備受關(guān)注。研究表明，在電火花加工中引入工具電極的超聲振動(dòng)，可改善加工間隙中蝕除產(chǎn)物的分布、促進(jìn)其排出，并可減少短路和電弧放電，提高材料去除率[1]。除超聲振動(dòng)外，采用低頻振動(dòng)也可起到改善放電條件、提高加工效率及降低加工表面粗糙度值的作用。Mahardika等[2]利用PZT對(duì)工具電極施加軸向振動(dòng)（振動(dòng)頻率 1 kHz、振幅 1.5 μm），使加工效率提高了66.48%。

此外，在電火花加工中采用不同的沖液方式，利用流體的沖擊作用，也可促進(jìn)蝕除產(chǎn)物的排出，提高加工效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電火花加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行了大量研究，結(jié)果顯示，半精加工中的流體動(dòng)力可達(dá)100 N[3]；當(dāng)電極跳動(dòng)速度較低時(shí)，電火花加工產(chǎn)物會(huì)在側(cè)面間隙堆積，引起短路、拉弧和二次放電[4]；間隙流場(chǎng)內(nèi)的壓力梯度、速度梯度隨加工間隙、電極轉(zhuǎn)速和沖液壓力的增大而增大，可促進(jìn)蝕除產(chǎn)物的排出[5]。本文主要研究低頻振動(dòng)對(duì)電火花加工間隙流場(chǎng)的影響及間隙流場(chǎng)內(nèi)各參數(shù)的分布規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用數(shù)控機(jī)床是在超聲振動(dòng)輔助復(fù)合電火花加工機(jī)床的基礎(chǔ)上改造而成的（圖1）。機(jī)床的X、Y、Z 軸行程為 250 mm×250 mm×300 mm，X、Y、Z 軸的定位精度均達(dá)1 μm。機(jī)床電源使用DHX31500/28F短電弧切削電源，電壓在0～30 V可調(diào)，脈沖周期為4 ms，占空比為0.75。

圖1 振動(dòng)輔助電火花銑削加工機(jī)床

圖2 是加工示意圖。氣動(dòng)式振動(dòng)工作臺(tái)由氣動(dòng)裝置、振動(dòng)裝置和夾具等組成。其中，工作氣壓為0.6 MPa，振動(dòng)頻率為 0～500 Hz，振幅為 0.6 mm。 采用內(nèi)沖液的高速旋轉(zhuǎn)主軸的進(jìn)給和回退速度為0～200 mm/s，加工步長(zhǎng)和回退步長(zhǎng)為0.001～1 mm。

圖2 振動(dòng)輔助電火花銑削加工示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用正極性加工；工作液為去離子水，其密度為 998 kg/m3， 動(dòng)力粘度為 1.004×10-3kg/m·s；工件材料為W18Cr4V工具鋼，工件尺寸為20 mm×20 mm×10 mm；工具電極材料為黃銅，長(zhǎng)85 mm、外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1，每組實(shí)驗(yàn)加工時(shí)間為10 min。使用NT9300白光干涉儀測(cè)量工件銑削加工表面的表面粗糙度值。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)方案

2 間隙流場(chǎng)仿真分析

由于電火花銑削加工時(shí)，間隙流場(chǎng)內(nèi)的壓力、速度、蝕除顆粒分布等很難通過(guò)儀器進(jìn)行測(cè)量，因此，本文利用有限元軟件對(duì)電火花銑削加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

中心沖液式低頻振動(dòng)輔助電火花銑削加工間隙流場(chǎng)的幾何模型見(jiàn)圖3。

圖3 間隙流場(chǎng)幾何模型示意圖

為便于分析，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的流體作如下假設(shè)：①流體的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，即在穩(wěn)定加工時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)的各物理量只與坐標(biāo)有關(guān)，與時(shí)間無(wú)關(guān)；②流體連續(xù)且不可壓縮；③不考慮熱影響。

在沖液壓力、工具電極轉(zhuǎn)速均為0，且不施加振動(dòng)時(shí)，間隙流場(chǎng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的蝕除顆粒分布的仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖4。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到的間隙流場(chǎng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作液流速及出口側(cè)的蝕除顆粒濃度變化見(jiàn)圖5。

圖4 間隙流場(chǎng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的蝕除顆粒分布

從仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）隨著沖液壓力的增大，間隙流場(chǎng)底面間隙處的流體速度較大、速度梯度較大，蝕除顆粒受到流體的沖擊作用增強(qiáng)，故能更快地排出加工間隙，減少堆積，進(jìn)而減少加工過(guò)程中的短路和拉弧現(xiàn)象；出口側(cè)面間隙中點(diǎn)處的蝕除顆粒濃度增大，說(shuō)明隨著沖液壓力增大，蝕除顆粒在流體沖擊作用下沖出底面間隙，進(jìn)入出口側(cè)面間隙，進(jìn)而排出間隙流場(chǎng)。

（2）電極旋轉(zhuǎn)可促進(jìn)斷弧，降低電火花加工中短路、拉弧的概率，促進(jìn)底面加工間隙蝕除顆粒的排出，從而提高電火花銑削加工效率。但過(guò)高的轉(zhuǎn)速易引起蝕除顆粒在間隙流場(chǎng)出口處的堆積，使工具電極圓角損耗加快，反而降低電火花加工效率。

（3）振動(dòng)頻率增大，使蝕除顆粒逃逸時(shí)間減小，可促進(jìn)蝕除顆粒在底面間隙的均勻分布，減少其在電極和工件表面的堆積，促進(jìn)蝕除產(chǎn)物排出加工間隙，從而降低工件表面粗糙度值。

圖5 間隙流場(chǎng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作液流速和出口側(cè)的蝕除顆粒濃度變化

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與討論

3.1 沖液壓力、電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工的影響

沖液壓力對(duì)加工效果的影響見(jiàn)圖6。不沖液時(shí)，工件表面粗糙度值較大，材料去除率較低，相對(duì)電極損耗率較高；沖液后，工件表面粗糙度值下降，材料去除率提高，相對(duì)電極損耗率降低，且變化明顯。這是因?yàn)闆_液有利于蝕除產(chǎn)物排出加工間隙，有效減少其在間隙內(nèi)的堆積，降低短路和拉弧的概率。從圖6可看出，選擇適當(dāng)?shù)臎_液壓力能獲得更理想的加工效果。

圖6 沖液壓力對(duì)加工效果的影響

電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工效果的影響見(jiàn)圖7。可看出，隨著工具電極轉(zhuǎn)速的提高，工件的加工表面粗糙度值和材料去除率均增大，而相對(duì)電極損耗率減小。這是因?yàn)楣ぞ唠姌O的旋轉(zhuǎn)使正常放電概率顯著提升，能實(shí)現(xiàn)正常銑削加工，從而減少短路和拉弧現(xiàn)象；但蝕除顆粒在出口側(cè)的底面堆積，造成表面粗糙度值增大。

圖8是經(jīng)過(guò)金相顯微鏡掃描后的電火花銑削加工工件和電極表面形貌，可見(jiàn)，工件材料的被加工區(qū)邊緣呈圓弧狀，電極邊緣出現(xiàn)鈍圓倒角。說(shuō)明蝕除產(chǎn)物在此堆積，易引起短路和拉弧現(xiàn)象，證明仿真分析中電極轉(zhuǎn)速對(duì)間隙流場(chǎng)影響的分析結(jié)論。

3.2 振動(dòng)頻率對(duì)加工的影響

振動(dòng)頻率對(duì)加工效果的影響見(jiàn)圖9。從圖9a可看出，加工表面粗糙度值隨著振動(dòng)頻率的增大而減小，說(shuō)明振動(dòng)頻率越大，工件加工表面殘留的蝕除產(chǎn)物越少，表面越平整。該現(xiàn)象可解釋為：隨著振動(dòng)頻率的增大，間隙流場(chǎng)平均速度增大，顆粒平均逃逸時(shí)間減?。徽駝?dòng)頻率的增大，使蝕除顆粒在間隙流場(chǎng)分布更均勻，減少了蝕除產(chǎn)物在加工表面的堆積，從而降低了表面粗糙度值，提高了加工效率。

圖7 電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工效果的影響

圖8 電火花銑削加工工件和電極表面形貌

從圖9b和圖9c可看出，工件材料去除率隨振動(dòng)頻率的增大而增加，相對(duì)電極損耗率隨振動(dòng)頻率的增大而減小。說(shuō)明提高振動(dòng)頻率有利于蝕除顆粒在間隙流場(chǎng)內(nèi)的均勻分布并促進(jìn)蝕除產(chǎn)物排出加工間隙。因此，選取合適的振動(dòng)頻率能得到更好的加工效果。

圖9 振動(dòng)頻率對(duì)加工效果的影響

4 結(jié)論

（1）增大沖液壓力，可促進(jìn)底面間隙蝕除產(chǎn)物的排出，提高電火花銑削加工效率；但過(guò)大的沖液壓力會(huì)造成蝕除產(chǎn)物在側(cè)面間隙堆積，反而降低加工效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，沖液壓力為3 psi時(shí)，可獲得更高的加工效率、更低的相對(duì)電極損耗和加工表面粗糙度值。

（2）電極旋轉(zhuǎn)可促進(jìn)斷弧，降低電火花加工的短路、拉弧頻率，促進(jìn)蝕除產(chǎn)物排出，從而提高電火花銑削加工效率；但轉(zhuǎn)速過(guò)高易引起蝕除產(chǎn)物在出口側(cè)面間隙堆積，使工件表面粗糙度值增大及工具電極產(chǎn)生圓角。

（3）隨著振動(dòng)頻率的增大，工件表面粗糙度值隨之降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，振動(dòng)頻率為200 Hz時(shí)可獲得更好的加工效果。

[1] 張勤河.超聲振動(dòng)輔助氣中放電加工技術(shù)及其機(jī)理研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2003.

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