氣霧混合介質(zhì)對(duì)放電燒蝕成形加工的影響

劉志東，凌加健，邱明波

(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］工作介質(zhì)在加工中起到為兩極間提供絕緣、冷卻放電通道、消電離以及排除電蝕產(chǎn)物等重要作用。目前使用的大都是油基工作液。多年來，國內(nèi)外的研究人員對(duì)電火花加工的工作介質(zhì)進(jìn)行了多種新的嘗試，希望提高電火花成形加工的效率及安全性，Kunieda等［2］提出了干式電火花加工技術(shù)，李立青等［3］進(jìn)行了氣中放電加工的機(jī)理研究，Tanimura等［4］提出了霧中電火花加工，顧琳等［5］對(duì)氣霧介質(zhì)下的電火花放電特性做了進(jìn)一步研究。但上述對(duì)電火花加工工作介質(zhì)的研究仍是在以電能轉(zhuǎn)化為熱能蝕除材料，且能量利用率并不高的前提下進(jìn)行的，電火花加工材料去除率低的問題依然存在。

南京航空航天大學(xué)的劉志東提出了一種新的加工方法——放電誘導(dǎo)可控?zé)g加工［6-8］，即向加工區(qū)域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)，由于大部分金屬在高溫作用下，都能與氧氣燃燒并釋放大量的化學(xué)能，其釋放的化學(xué)能遠(yuǎn)大于放電能量，材料蝕除主要依靠金屬燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，可大大提高材料去除率。放電在加工過程中主要起到誘導(dǎo)燃燒的目的，因此，該方法可以利用小的放電能量達(dá)到高效加工的目的。但由于燒蝕能量較難控制，巨大的燒蝕能作用會(huì)在工件表面造成較大的燒蝕坑，影響表面質(zhì)量。

本文在電火花放電燒蝕成形加工的基礎(chǔ)上研究氣霧工作介質(zhì)對(duì)于電火花放電燒蝕加工影響，利用氣霧分散電火花放電點(diǎn)及燒蝕點(diǎn)能量以減少極間集中燒蝕作用，希望在保持高效加工的同時(shí)并獲得較好的表面質(zhì)量及成形精度。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示的，圖1(a)為實(shí)驗(yàn)原理圖。實(shí)驗(yàn)采用凝華NH7125數(shù)控電火花機(jī)床，以Cr12為工件，紫銅為電極(外徑Ф 8 mm，內(nèi)徑Ф 3 mm)，加工時(shí)，高壓氧氣與一定壓力的自來水在霧化噴嘴內(nèi)部混合，產(chǎn)生的氣霧介質(zhì)通過中空電極進(jìn)入加工區(qū)域。整個(gè)裝置固定在電火花成形機(jī)主軸上，并隨主軸做伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖1(b)為加工現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 氣動(dòng)霧化噴嘴

為保證極間介質(zhì)處于氣霧混合狀態(tài)，氣霧介質(zhì)霧滴顆粒必須小于放電間隙。在電火花加工機(jī)床上檢測(cè)燒蝕成形加工放電間隙［9］:電極沿Z軸向下加工2 min后，停止加工，記錄Z軸坐標(biāo)Z1，提起電極，對(duì)加工表面和電極進(jìn)行清洗，利用機(jī)床感知功能將電極沿Z軸接觸工件表面，記錄Z軸坐標(biāo)Z2，則放電間隙S=Z2－Z1。通過多次測(cè)量得出在某規(guī)準(zhǔn)下(低壓電流10 A，脈寬 150 μs，脈間 100 μs，氧氣壓力 0.3 MPa)，純氧氣中燒蝕加工放電間隙大約為24 μm。本實(shí)驗(yàn)采用兩相流細(xì)水霧系統(tǒng)，所用霧化裝置為DKW-Z-DB型氣動(dòng)霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Inner structure of the nozzle

由于高速運(yùn)動(dòng)的氣體在液面會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，然后再使液體散裂成為霧滴。南京航空航天大學(xué)安慶龍［10］對(duì)DKW-Z-DB型噴嘴霧化性能做了詳細(xì)的研究，結(jié)果表明:Ф 1.2 mm噴口，距離噴口20～25 mm處，氣壓0.3 MPa，液壓小于0.3 MPa 時(shí)，霧滴直徑平均直徑保持在15 μm以下，甚至更小，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，本實(shí)驗(yàn)距離噴口距離取20 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件

選用同一組實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以Cr12為工件，進(jìn)行3種不同方式的加工。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，3種加工方式分別為內(nèi)沖液電火花加工、純氧氣中放電燒蝕加工及氣霧中放電燒蝕加工。由于氣體介質(zhì)中的電火花加工［11］和氣霧介質(zhì)下的電火花加工［12］對(duì)于正極性加工均擁有較高的材料去除率及較低的電極損耗，因此實(shí)驗(yàn)采用正極性加工，工件接正極，電極接負(fù)極，加工時(shí)間為10 min。加工前后用電子天平稱出工件和電極的質(zhì)量，并進(jìn)行體積換算。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameter

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。從圖3可以看出，氣霧介質(zhì)下的燒蝕加工材料去除率較純氧氣中燒蝕加工提高近20%，較內(nèi)沖液電火花加工提高約4.6倍，電極質(zhì)量相對(duì)損耗較內(nèi)沖液電火花加工降低近65%。

圖3 3種加工方式結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental results of three different machining methods

圖4為3種加工方式下的工件及電極表面，可以看出:內(nèi)沖液電火花加工表面可見金屬光澤，電極表面有明顯火花放電凹坑，且電極損耗較大，出現(xiàn)明顯圓角，影響成形精度;純氧中燒蝕加工工件及電極表面覆蓋有致密的氧化物，且工件和電極表面均存在過度燒蝕痕跡，表面質(zhì)量較差，在工具電極上粘連的氧化物在一定程度上降低了電極損耗;霧中燒蝕加工工件及電極表面亦被氧化物覆蓋，但工件表面較純氧中燒蝕平整光滑，電極表面氧化物覆蓋均勻，無明顯燒傷痕跡，且損耗較小，有利于電火花成形加工精度的控制，且表面質(zhì)量相對(duì)較好。

圖4 3種加工方式工件及電極表面Fig.4 Surface of workpiece and the electrode caused by three different machining methods

3 氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕機(jī)理分析

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出了氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕加工的優(yōu)越性，下面對(duì)其加工機(jī)理進(jìn)行分析。

3.1 放電波形分析

圖5為3種加工方式的放電波形。如圖5(a)所示為內(nèi)沖液電火花加工波形圖，試驗(yàn)所用的自來水作為弱電解質(zhì)，在電場(chǎng)作用下會(huì)形成弱電解，產(chǎn)生電解漏電流［13］，空載電壓(65 V)較低。圖5(b)為純氧中燒蝕加工放電波形，由于氧氣的絕緣性較好，在電場(chǎng)作用下極間不存在介質(zhì)的電解作用，所以氣中放電的空載電壓(170 V)最高。氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕加工波形如圖5(c)所示，霧中燒蝕加工空載電壓(120 V)介于氣中放電(170 V)與液中放電(65 V)之間。

圖5 3種加工方式下的放電波形Fig.5 Discharge waveform of three machining methods

3.2 擊穿特性分析

放電間隙均勻充滿的氣霧介質(zhì)實(shí)質(zhì)為氣液兩相流，其中氧氣為連續(xù)相，液滴為離散相。由極間電場(chǎng)介質(zhì)理論［14］可知，液滴的介電系數(shù)與氧氣的介電系數(shù)不同，液滴會(huì)使氧氣介質(zhì)中的電場(chǎng)發(fā)生畸變(圖6)，因此氣霧介質(zhì)的擊穿特性也會(huì)不同。

圖6 氣霧介質(zhì)極間電場(chǎng)的畸變示意圖Fig.6 The electric field distortion in aerosol medium

3.2.1 液滴之間的“串聯(lián)放電”

氣霧介質(zhì)下的極間擊穿特性主要表現(xiàn)為液滴之間的“串聯(lián)放電”［15］，由于有細(xì)小的液滴進(jìn)入放電間隙，導(dǎo)致電場(chǎng)發(fā)生畸變，在間隙電壓作用下，液滴上下表層分別聚積正負(fù)電荷，且越靠近上下兩頂點(diǎn)，電荷密度越大，這樣在相鄰的兩液滴間，就會(huì)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，并且以兩液滴的最近處a、b兩點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)最大，如圖7所示，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)超過介質(zhì)的抗擊穿能力時(shí)，兩液滴最先在a、b兩點(diǎn)間發(fā)生擊穿放電。擊穿放電一旦發(fā)生，兩液滴間即處于短路狀態(tài)，使電荷在兩液滴上重新分布，分別在c、d兩頂點(diǎn)形成更多的電荷，從而又引起兩液滴同周圍其他霧滴間的放電，這樣“串聯(lián)放電”的結(jié)果，最終形成電極和工件間的擊穿放電，工件表面被活化，活化的金屬與周圍氧氣發(fā)生劇烈燒蝕反應(yīng)。

圖7 “串聯(lián)放電”示意圖Fig.7 “Tandem discharge”schematic drawing

液滴的“串聯(lián)放電”使得氧氣的絕緣強(qiáng)度大大降低，間隙中的擊穿放電變得容易，使得放電間隙有所增大。在本實(shí)驗(yàn)條件下，利用電火花機(jī)床測(cè)得氣霧介質(zhì)下的燒蝕加工放電間隙為38 μm。放電間隙的增大有利于改善極間狀態(tài)，利于蝕除產(chǎn)物的排屑，并可以減少二次放電，提高工效率。

3.2.2 液滴對(duì)放電能量的分散作用

發(fā)生擊穿放電是在極間介電強(qiáng)度最弱的區(qū)域，由于液滴對(duì)極間場(chǎng)強(qiáng)的影響，極間實(shí)際介電強(qiáng)度最弱處由液滴的分布決定。當(dāng)脈沖到來時(shí)，極間某一液滴所處的位置及其引起的電場(chǎng)畸變?nèi)鐫M足擊穿條件，便在該處引起擊穿，放電通道經(jīng)由該顆粒將兩極連通，完成一次放電。放電結(jié)束后，當(dāng)下次脈沖到來時(shí)，極間懸浮的液滴中必會(huì)有滿足介電強(qiáng)度最弱條件的另一顆，于是又在該處引起擊穿放電。如果液滴直徑足夠小，液滴之間的“串聯(lián)放電”亦會(huì)導(dǎo)致放電通道在多個(gè)液滴之間形成(圖8)。

圖8 放電通道在多個(gè)液滴之間形成Fig.8 Discharge channel formed between the droplets

由于氣霧介質(zhì)在一定壓力下從電極內(nèi)部通入加工區(qū)域，液滴遍布整個(gè)極間，位置隨時(shí)都在發(fā)生改變，前后2次引起擊穿放電的液滴之間不存在任何關(guān)系，它們?cè)跇O間出現(xiàn)的位置完全是隨機(jī)的，因此放電點(diǎn)能夠迅速分散于整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)。

3.3 工件及電極表面微觀形貌分析

3.3.1 工件表面微觀形貌分析

氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕加工，由于液滴對(duì)于極間放電能量的分散作用，工件表面活化區(qū)域隨著火花放電點(diǎn)的隨機(jī)變化不斷轉(zhuǎn)移，因此，活化金屬遇氧氣發(fā)生燒蝕反應(yīng)的位置也會(huì)不斷發(fā)生變化，燒蝕產(chǎn)生的能量被分散在工件表面。圖9為3種加工方式工件表面在顯微鏡下放大150倍后的顯微圖片，可以看出，內(nèi)沖液電火花加工工件表面分布著微小的電火花放電凹坑，氣霧介質(zhì)下的燒蝕加工工件表面燒蝕坑明顯大于火花放電凹坑，并均勻分布在加工區(qū)域，且表面不存在純氧中燒蝕加工的局部連續(xù)燒蝕反應(yīng)產(chǎn)生的較大燒蝕坑，表面質(zhì)量較純氧中燒蝕的情況有顯著改善。

圖9 3種加工方式下的工件表面微觀形貌Fig.9 The workpiece surface microstructure of three kinds of processing methods

3.3.2 電極表面微觀形貌分析

圖10為3種加工方式下的電極表面微觀形貌，可以看出，內(nèi)沖液電火花加工電極表面較光整，附著的熔融物較少;純氧氣中放電燒蝕加工電極表面覆蓋了大量熔融物，電極表面質(zhì)量較差，但熔融物的覆蓋作用對(duì)電極起到了保護(hù)作用，降低了電極損耗;氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕加工表面也有一定的熔融物覆蓋，但由于霧滴對(duì)于極間能量的分散作用，工件表面放電燒蝕點(diǎn)被分散，且放電間隙較純氧中燒蝕加工有所增加，因此燃燒產(chǎn)生的熔融物大部分被排除加工間隙，少量熔附在電極表面，且分布均勻。

圖10 3種加工方式下的電極表面微觀形貌Fig.10 The electrode surface microstructure of three kinds of processing methods

3.4 棱角倒圓半徑對(duì)比

將工件沿圖11所示截面切斷，截面過軸心并與底面垂直。在顯微鏡下觀察工件截面及底部尖角，并測(cè)量其楞角倒圓半徑，對(duì)3種加工方式的加工精度做對(duì)比分析。

圖12為3種加工方式下的工件截面圖及楞角倒圓半徑。電極損耗與放電間隙是決定楞角倒圓半徑的主要參數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得內(nèi)沖液電火花加工放電間隙為55 μm，較純氧中燒蝕加工與霧中燒蝕加工而言，內(nèi)沖液電火花加工擁有較大的放電間隙與較高的電極相對(duì)損耗，因此，楞角倒圓半徑較大，而霧中燒蝕的放電間隙與電極相對(duì)損耗稍大于氣中加工，因此霧中燒蝕加工楞角倒圓半徑略大于純氧中燒蝕加工，但相對(duì)于內(nèi)沖液電火花加工，霧中燒蝕加工楞角倒圓半徑減小約35%，成型精度相對(duì)較高。

圖11 工件切斷示意圖Fig.11 Cutaway view schematic drawing

圖123 種加工方式工件截面圖(左)及楞角倒圓半徑(右)Fig.12 The workpiece sectional view(left)and the round edge radius of three kinds of processing methods(right)

4 結(jié)論

1)氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕加工極間液滴相互之間可形成“串聯(lián)放電”，使得燒蝕加工的放電間隙增大，有利于改善極間狀態(tài)，利于蝕除產(chǎn)物的排出，并可以減少二次放電，提高工效率。

2)氣霧介質(zhì)中的液滴能夠分散放電能量，使活化金屬遇氧氣發(fā)生燒蝕反應(yīng)的位置不斷發(fā)生變化，燒蝕產(chǎn)生的能量被分散在工件表面，提高了燒蝕加工的表面質(zhì)量。

3)氣霧介質(zhì)下的放電燒蝕加工材料去除率較純氧氣中燒蝕加工提高近20%，較內(nèi)沖液電火花加工提高約4.6倍，電極損耗較內(nèi)沖液電火花加工降低近65%，且成型精度加高，楞角倒圓半徑較內(nèi)沖液電火花加工減小約35%。

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