電化學(xué)放電線切割電壓-電流特性研究

李 其，蔣 毅，孔令蕾，趙萬(wàn)生，平雪良

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院/江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

電化學(xué)放電線切割電壓-電流特性研究

李 其1,2，蔣 毅1,2，孔令蕾1，趙萬(wàn)生2，平雪良1

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院/江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

設(shè)計(jì)并搭建了基于水平走絲方式的電化學(xué)放電線切割加工裝置，可用于非導(dǎo)電硬脆材料的微細(xì)線切割加工，研究了加工過(guò)程中的電壓電流特性。當(dāng)電壓超過(guò)臨界值后，電極絲表面會(huì)形成不穩(wěn)定的氣層并產(chǎn)生放電現(xiàn)象；隨著電壓升高，放電狀態(tài)由火花放電向電弧放電過(guò)渡。對(duì)石英玻璃的加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)增加電壓并使放電電壓維持在火花區(qū)內(nèi)，能在保證表面質(zhì)量較好的同時(shí)提高加工效率，在電弧區(qū)加工可得到更高的材料去除率，但工件表面質(zhì)量會(huì)下降。

微細(xì)加工；水平走絲；電化學(xué)放電線切割；電壓-電流特性

微機(jī)電系統(tǒng)在通信、汽車、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、智能武器等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而玻璃、陶瓷等非導(dǎo)電硬脆材料因具有高硬脆性、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良屬性，在微機(jī)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但目前針對(duì)它們的微細(xì)加工仍較困難［1］。

電化學(xué)放電加工是針對(duì)非導(dǎo)電硬脆材料的新型電加工方式，由其衍生而來(lái)的電化學(xué)放電線切割加工方法，是將浸在電解液中作軸向移動(dòng)并與電源負(fù)極連接的電極絲作為工具電極，將浸在電解液中的輔助電極作為陽(yáng)極，施加一定電壓后，電極絲表面會(huì)被因電解作用產(chǎn)生的氫氣完全包裹，形成隔絕層，導(dǎo)致電極絲和電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電勢(shì)差。當(dāng)該電勢(shì)差超過(guò)臨界值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，放電產(chǎn)生的高溫作用于靠近電極絲的工件表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非導(dǎo)電硬脆材料的蝕除。

影響電化學(xué)放電線切割加工效果的因素主要有電解質(zhì)的種類和濃度、電源類型及走絲方式［2-3］等。在進(jìn)給控制方面的研究結(jié)果表明，電化學(xué)放電過(guò)程的電流信號(hào)中含有包括氣膜狀態(tài)在內(nèi)的加工過(guò)程信息［4］，可通過(guò)檢測(cè)電流控制進(jìn)給。該控制方法簡(jiǎn)便快捷，但由于電化學(xué)放電線切割和電化學(xué)放電加工裝置上的差異，無(wú)法直接應(yīng)用。

本文根據(jù)電化學(xué)放電線切割加工原理，搭建了基于水平走絲方式的加工裝置，并根據(jù)恒定電壓下的電壓-電流特性，分析電流信號(hào)所包含的加工過(guò)程信息。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)

根據(jù)電化學(xué)放電線切割加工原理，搭建了電化學(xué)放電線切割實(shí)驗(yàn)裝置（圖1），主要分為走絲機(jī)構(gòu)、電源及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工作液循環(huán)裝置及Z軸進(jìn)給裝置。

圖1 電化學(xué)放電線切割裝置示意圖

氣膜的形成決定了放電的發(fā)生，電極絲水平布置相對(duì)于垂直布置，其生成的氣泡受浮力影響小，且受力更均勻，更有利于生成氣膜，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定放電。如圖1所示，電極絲水平置于液面下方；液槽由中間的加工液槽和兩側(cè)的循環(huán)液槽組成；電解液供給到加工液槽中，通過(guò)兩側(cè)的穿絲孔溢出到循環(huán)液槽，從而使液面高度保持穩(wěn)定；同時(shí)，浸入電解液的電極絲長(zhǎng)度可通過(guò)改變加工液槽兩側(cè)的隔板間距進(jìn)行調(diào)節(jié)。

液面與電極絲的相對(duì)位置存在一個(gè)合理范圍。當(dāng)電極絲浸入電解液的深度過(guò)小時(shí)（圖2a），電解過(guò)程中產(chǎn)生的氣體會(huì)將電極絲上方的電解液排開(kāi)，導(dǎo)致電極絲的單側(cè)放電；圖2b是電極絲浸入深度較合適的位置（約在液面下1～2 mm），此時(shí)受到液體表面張力的影響，部分氣泡會(huì)集聚在液面和電極絲之間，從而有助于氣膜的形成；若電極絲浸入深度過(guò)大（圖2c），氣泡易脫離電極絲表面逃逸，較難形成氣膜。故在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，均將電極絲浸入深度控制在1 mm。

圖2 液面與電極絲的3種相對(duì)位置

電極絲運(yùn)絲由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使其在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；電極絲張力通過(guò)阻尼器控制且可調(diào)；工件采用勻速進(jìn)給方式；電源采用穩(wěn)壓直流電源，電流信號(hào)用阿爾泰USB3000數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)所用電極絲為直徑0.18 mm的鉬絲，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaOH溶液，輔助電極為6 mm×15 mm×60 mm的石墨塊，其余加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電化學(xué)放電線切割加工參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 電壓電流靜態(tài)特性

設(shè)置浸入NaOH溶液的電極絲長(zhǎng)度為10 mm，并將加載于極間的電壓從0 V增至50 V，取25個(gè)電壓測(cè)量點(diǎn)，分別獲取各電壓值下的平均電流，得到電壓電流靜態(tài)特性曲線（圖3）。

圖3 電化學(xué)放電線切割加工的電壓電流靜態(tài)特性

從圖3可知，電壓電流特性曲線大致分為5個(gè)區(qū)間：

（1）線性區(qū)（AB）：此區(qū)域遵循法拉第定律，電路為穩(wěn)定的通路狀態(tài)，電流隨著輸入電壓增大而線性上升。此時(shí)，兩極間發(fā)生的是電解反應(yīng)，電極絲表面不斷生成氫氣泡并逃逸。

（2）飽和區(qū)（BC）：部分氣泡滯留在電極絲表面并合并，導(dǎo)致電流通道面積大大減小，電流的上升受到抑制。

（3）躍變區(qū)（CD）：電壓值超過(guò)C點(diǎn)時(shí)，電流值迅速下降，C點(diǎn)被稱為臨界點(diǎn)。此階段電極絲表面沒(méi)有出現(xiàn)大量氣泡而只有一層致密的氣膜，會(huì)不時(shí)生成大氣泡，電極絲產(chǎn)生不連續(xù)的低頻振動(dòng)。

（4）火花區(qū)（DE）：電壓值到達(dá)D點(diǎn)后，電流下降速度變慢，電極絲表面能明顯觀察到閃爍的火花放電特征，且隨著電壓增大，該特征逐漸增強(qiáng)。

（5）電弧區(qū)（EF）：平均電流隨著電壓的增大而增加，產(chǎn)生劇烈的電弧放電現(xiàn)象。

根據(jù)電化學(xué)放電線切割加工原理可知，材料的去除主要依靠放電產(chǎn)生的熱蝕除，因此，加工可在火花區(qū)和電弧區(qū)進(jìn)行。

2.2 電壓電流動(dòng)態(tài)特性

圖4是輸入恒定電壓38 V時(shí) （圖3所示DE段）采集到的電流波形及相應(yīng)的極間電壓波形。此時(shí)，浸入電解液的電極絲長(zhǎng)度為10 mm，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為250 kHz，樣本時(shí)間寬度為2 ms。

圖4 同時(shí)測(cè)得的電壓電流波形比較

在恒壓電源的作用下，當(dāng)電解或放電發(fā)生時(shí)，電流通道形成，回路電流增大，導(dǎo)致作用在極間的電壓降低，反過(guò)來(lái)對(duì)電解及放電產(chǎn)生抑制作用；同時(shí)，脈沖電流可分為電解電流和放電電流。電解電流是由于電解液和電極絲直接接觸而產(chǎn)生的，其電流峰值較大，接觸過(guò)程中會(huì)析出氫氣，使接觸面積減小，進(jìn)而恢復(fù)完全隔絕狀態(tài)，即會(huì)出現(xiàn)電流值為0的情況；而放電電流是由于氣膜兩端的強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致氣膜擊穿而產(chǎn)生的，通常維持時(shí)間短、電流峰值小，一般不會(huì)出現(xiàn)放電后電流為0的情況。

2.2.1 躍變區(qū)的電壓電流動(dòng)態(tài)特性

浸入電解液的電極絲長(zhǎng)度為10 mm，電源電壓設(shè)為32 V，使電壓電流特性曲線位于躍變區(qū)（圖3所示CD段），測(cè)得通路中的平均電流為1.38 A。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集此時(shí)的電流樣本（圖5），采樣頻率為250 kHz，樣本時(shí)間寬度為12 ms。

圖5 躍變區(qū)（電壓32 V）的電流樣本

從圖5可看出，此階段出現(xiàn)大量的脈沖電流，實(shí)際觀察中未發(fā)現(xiàn)明顯的火花放電現(xiàn)象，故脈沖電流主要為電解電流。同時(shí)，圖5所示的Ⅰ類電流脈沖寬度小于150 μs，說(shuō)明電解液和電極絲接觸面積小、接觸時(shí)間短，觀察發(fā)現(xiàn)大量微小氣泡不斷生成破裂；Ⅱ類電流脈沖寬度大于500 μs，說(shuō)明電解液和電極絲接觸時(shí)間長(zhǎng)、接觸面積大。大量Ⅰ類電解電流的存在表明氣膜仍存在很多微小的電流通道，而Ⅱ類電解電流的出現(xiàn)表明氣膜在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的缺口。由此可看出，氣膜在形成之后仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 火花區(qū)的電壓電流動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)輸入電壓分別為36、38、40、42 V時(shí)，電化學(xué)放電線切割加工的電壓電流特性曲線處于火花區(qū)（圖3所示DE段），其電流樣本見(jiàn)圖6。此時(shí)，浸入電解液的電極絲長(zhǎng)度為10 mm，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為250 kHz，樣本時(shí)間寬度均為12 ms。

隨著電壓升高，氣泡生成速率加快，促使了致密氣膜的形成，當(dāng)氣膜完全隔絕電極絲和電解液時(shí)，氣膜兩側(cè)將產(chǎn)生極強(qiáng)的電場(chǎng)，導(dǎo)致氣膜的擊穿。當(dāng)電壓為36 V時(shí)，平均電流為0.98 A，在電極絲上可觀察到火花放電現(xiàn)象，同時(shí)，仍存在大量微小氣泡生成并迅速破裂的現(xiàn)象（圖6a）。此時(shí)，電流樣本中存在大量的電解電流脈沖，其電流脈沖寬度平均在80 μs，平均電流峰值為5.4 A；此外，還存在少量放電電流，其電流脈沖寬度平均在30 μs，平均電流峰值為1.1 A。此時(shí)的氣膜仍處于較不穩(wěn)定的狀態(tài)，但主要是由于強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致的氣膜擊穿及火花放電引起；同時(shí)，由于氣泡破裂和火花放電對(duì)電極絲及其周圍電解液的沖擊，放電區(qū)域發(fā)出尖銳的聲音。

隨著輸入電壓的進(jìn)一步增大，肉眼能觀察到氣泡數(shù)量逐漸減少，但氣泡體積反而增大，放電現(xiàn)象更明顯，放電亮度逐漸增強(qiáng)，振動(dòng)聲音強(qiáng)度減弱。如圖6b和圖6c所示，當(dāng)電壓為38、40 V時(shí)，其平均電流分別為0.72、0.45 A。可看出，隨著電壓增大，電解電流脈沖數(shù)量明顯減少，電解電流平均峰值由6.4 A升高到6.9 A；放電電流出現(xiàn)得更密集，電流峰值由1.3 A升高到1.8 A。電解電流脈沖數(shù)量的減小說(shuō)明隨著電壓增大，氣膜更穩(wěn)定，更有利于放電的發(fā)生；但由于電解電流峰值電壓的增大，導(dǎo)致產(chǎn)生氣泡的體積增加；同時(shí)，振動(dòng)聲音強(qiáng)度隨著電解電流數(shù)量的減少而減弱，說(shuō)明電極絲的振動(dòng)主要由電解作用產(chǎn)生的氣泡生成及破裂引起。

當(dāng)電壓增大至火花區(qū)E點(diǎn)（電壓42 V）時(shí)，可觀察到明亮的黃色光柱包裹電極絲，且不再有氣泡產(chǎn)生，放電區(qū)域聲音強(qiáng)度微弱，此時(shí)測(cè)得的平均電流為0.43 A。由圖6d可看出，此時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)電解電流，放電電流脈沖的出現(xiàn)頻率降低，波形波動(dòng)不明顯。由于氣膜兩側(cè)的電場(chǎng)隨電壓的增大而增強(qiáng)，火花放電慢慢發(fā)展成穩(wěn)定的電弧放電，從電流樣本中可看出，此時(shí)火花放電和電弧放電同時(shí)存在。這是因?yàn)榛鸹ǚ烹姙樗查g的強(qiáng)電流放電，而電弧放電能形成較穩(wěn)定的放電通道，對(duì)氣膜的干擾較小，有利于氣膜的穩(wěn)定，因此不會(huì)出現(xiàn)電解液直接接觸電極絲產(chǎn)生氣泡的過(guò)程，這也是該電壓時(shí)加工區(qū)域聲音強(qiáng)度極小的原因所在。

圖6 火花區(qū)不同電壓下的電流樣本

表2是在火花區(qū)不同電壓下測(cè)得的平均電流、電解電流峰值平均值及放電電流峰值平均值。當(dāng)電壓處于36～40 V時(shí)，隨著電壓增大，電解電流和放電電流的峰值都逐漸增加，但電解電流脈沖數(shù)量逐漸減少，放電電流脈沖數(shù)量逐漸增加，使測(cè)得的平均電流值逐漸減小。當(dāng)電壓為42 V時(shí)，電解電流脈沖消失，測(cè)得的平均電流值即為放電電流平均值，此時(shí)處于穩(wěn)定放電狀態(tài)。

2.2.3 電弧區(qū)的電流電壓動(dòng)態(tài)特性

表2 不同電壓時(shí)的電流值

當(dāng)輸入電壓為46 V時(shí)，電化學(xué)放電線切割加工的電壓電流特性曲線處于電弧區(qū) （圖3所示EF段），其電流樣本見(jiàn)圖7。此時(shí)，浸入電解液的電極絲長(zhǎng)度為10 mm，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為250 kHz，樣本時(shí)間寬度均為12 ms。

圖7 電弧區(qū)（電壓46 V）的電流樣本

當(dāng)電壓為46 V時(shí)，測(cè)得的平均電流為0.81 A。從圖7能明顯看出電流的低頻波動(dòng)，在該電壓下可觀察到強(qiáng)烈的電弧放電現(xiàn)象，浸入電解液的電極絲表面光柱亮度明顯增加，由原先的黃色變得泛白，放電區(qū)域徑向?qū)挾纫诧@著加大。同時(shí)，在放電區(qū)域發(fā)出低沉的聲音。

劇烈電弧放電時(shí)，放電區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生了極其復(fù)雜的反應(yīng)。因電離產(chǎn)生的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)、進(jìn)而產(chǎn)生的電場(chǎng)、電荷的定向運(yùn)動(dòng)及產(chǎn)生的磁場(chǎng)、高溫對(duì)于電解液的汽化、外部電解液對(duì)放電區(qū)域的冷卻作用、因使用穩(wěn)壓電源導(dǎo)致的極間輸入電壓波動(dòng)等，都會(huì)對(duì)此時(shí)的放電及電流波形產(chǎn)生影響。

2.3 硬脆材料加工實(shí)驗(yàn)及分析

分別采用不同的電壓對(duì)透明石英玻璃進(jìn)行電化學(xué)放電線切割加工。工件由夾具夾持并在Z軸方向作勻速進(jìn)給。當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)快時(shí)，工件會(huì)壓彎電極絲導(dǎo)致放電不連續(xù)，故在實(shí)際加工過(guò)程中，需調(diào)節(jié)進(jìn)給速度以保證在加工時(shí)間內(nèi)電極絲連續(xù)放電。

圖8是厚度為2 mm的石英玻璃分別在電壓為36、40、46 V時(shí)的加工圖 （未加工工件邊緣有接近0.5 mm的倒角）。實(shí)驗(yàn)中，浸入電解液的電極絲長(zhǎng)度均為10 mm，加工時(shí)間均為6 min，加工進(jìn)給速度分別為 0.120、0.165、0.295 mm/min。當(dāng)電壓為 36 V時(shí)，加工深度為0.71 mm；當(dāng)電壓增加到40、46 V時(shí)，加工深度分別增大至1.00、1.78 mm，即材料去除率隨著電壓的增加而增大。

由圖3可知，電壓為36、40 V時(shí)處于火花區(qū)，電壓為46 V時(shí)處于電弧區(qū)。由圖8可看出，電壓為40 V時(shí)的材料去除率比電壓36 V時(shí)得到了提高，但工件槽口并未明顯加寬。由于加工過(guò)程中電極絲振動(dòng)會(huì)引起放電不穩(wěn)定及槽口的加寬，說(shuō)明在火花區(qū)，電極絲振動(dòng)隨著電壓升高而減弱，在火花區(qū)內(nèi)增大電壓能提高加工效率，同時(shí)也能保證較好的表面質(zhì)量。而在電弧區(qū)存在劇烈的電弧放電及電極絲振動(dòng)，當(dāng)電壓為46 V時(shí)，加工效率相比在火花區(qū)時(shí)有明顯提升，槽寬也明顯增加，但表面質(zhì)量下降。

圖8 被加工工件

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并搭建了基于水平走絲方式的電化學(xué)放電線切割加工裝置，研究了加工過(guò)程中的電壓電流特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著電壓升高，電壓電流特性曲線出現(xiàn)了線性區(qū)、飽和區(qū)、躍變區(qū)、火花區(qū)及電弧區(qū)等5個(gè)特征明顯的區(qū)域；當(dāng)電壓超過(guò)臨界值時(shí)，電極絲表面形成了不穩(wěn)定氣層并產(chǎn)生放電現(xiàn)象；電壓繼續(xù)升高，放電狀態(tài)則由火花放電過(guò)渡到電弧放電。通過(guò)對(duì)石英玻璃的加工實(shí)驗(yàn)顯示，在火花區(qū)內(nèi)增大電壓，能在保證較好的表面質(zhì)量下提高加工效率，在電弧區(qū)加工能得到較高的材料去除率，但工件表面質(zhì)量下降。

［1］ Reb eiz G M.RF MEMS：theory，design，and technology ［M］.Hoboken：John Wiley&Sons，2004.

［2］ Jain V K，Rao P S，Choudhary S K，et al.Experimental investigations into traveling wire electrochemical spark machining （TW-ECSM）of composites［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，1991，113（1）：75-84.

［3］ Peng W Y，Liao Y S.Study of electrochemical discharge machining technology for slicing non-conductive brittle materials［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1-3）：363-369.

［4］ Cheng C P，Wu K L，Mai C C，et al.Study of gas film quality in electrochemical discharge machining［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50（8）：689-697.

Study on the Voltage-current Characteristics in Wire-cut Electrochemical Discharge Machining

Li Qi1,2，Jiang Yi1,2，Kong Linglei1，Zhao Wansheng2，Ping Xueliang1
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University/Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，Wuxi 214122，China；2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

A wire electrochemical discharge machining setup based on horizontal wire travelling for the micro wire cutting of non-conductive brittle materials was designed and built,and the voltagecurrent characteristics are studied.Experimental results present the forming of unstable gas film and discharging on surface of wire when the voltage exceeds critical value.With the increasing of voltage, the discharge state transform from spark discharge to arc discharge.Machining experimental results on quartz show that by increasing voltage value in the spark region,it is possible to improve processing efficiency while ensuring good surface quality.Higher material removal rates can be achieved while processing in arc region,but in the arc region of the workpiece surface quality,which also leads to a decline of the accuracy and surface quality.

micro machining；horizontal wire travelling；wire-cut electrochemical discharge machining；voltage-current characteristic

TG662

A

1009－279X（2015）06－0015-05

2015-06-05

機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目（MSV-2013-10）

李其，男，1992年生，碩士研究生。