放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工技術(shù)研究

邱明波，曹中利，劉志東，丁成才

（1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016；2.泰州市江洲數(shù)控機床制造有限公司，江蘇泰州225300）

放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工技術(shù)研究

邱明波1,2，曹中利1，劉志東1，丁成才2

（1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016；2.泰州市江洲數(shù)控機床制造有限公司，江蘇泰州225300）

為提高常規(guī)電火花深型孔加工的穩(wěn)定性及工藝指標(biāo)，提出了一種新的深型孔加工方法——放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工技術(shù)。采用“水基-氧氣”高壓氣霧介質(zhì)作為放電介質(zhì)，對燒蝕燃燒反應(yīng)具有冷卻、抑制和分散放電作用，有效降低了燒蝕能量，保證了加工的平穩(wěn)性。另外，放電間隙中分散的熔融金屬與氣霧介質(zhì)的氧氣繼續(xù)充分燃燒，氣霧介質(zhì)吸收釋放的能量而迅速氣化，產(chǎn)生的爆炸效果對蝕除產(chǎn)物的排出有巨大的促進作用，蝕除產(chǎn)物呈現(xiàn)噴發(fā)式排出。因此，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工技術(shù)不斷引入了新的能量，并解決了排屑的難題。在本試驗條件下，對于邊長為4.4 mm的方孔，加工深度可達70 mm以上，材料蝕除率約為內(nèi)沖液電火花加工的5.45倍，電極質(zhì)量相對損耗降低了82%。

電火花加工；氣霧介質(zhì)；爆炸；放電誘導(dǎo)霧化燒蝕；深型孔

電火花加工是利用工具電極與工件之間脈沖放電產(chǎn)生高溫進行蝕除材料的特種加工方法。傳統(tǒng)電火花加工[1]的工作介質(zhì)使用的大都是火花油，在高溫環(huán)境下會發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，釋放出有害氣體和油霧，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，且易燃、安全性差。近年來，國內(nèi)外研究人員對電火花加工的工作介質(zhì)進行了多種新的嘗試，希望提高電火花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)，提高了傳統(tǒng)電火花銑削的加工效率；李立青等[3]進行了氣中放電加工的機理研究；Tanimura[4]提出了霧中電火花加工方法；顧琳等[5]對氣霧介質(zhì)下的電火花放電特性做了進一步研究；張勤河等[6]研究了超聲振動輔助氣中放電加工技術(shù)，將超聲振動運用到電火花加工技術(shù)中，提高了氣中電火花加工的放電效率與加工效率；王祥志等[7]采用極間自混氧的方法有效提高了鈦合金電火花加工的效率；劉志東團隊提出放電誘導(dǎo)可控?zé)g技術(shù)[8]，利用電火花作用誘導(dǎo)金屬與氧氣燃燒，釋放的巨大化學(xué)能對材料進行蝕除，大大提高了材料的蝕除效率。

深孔加工尤其是深型孔加工屬于難加工工藝。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，非圓孔的應(yīng)用越來越廣泛，一些非標(biāo)零件（如方孔軸承、模具）需要加工方孔[9]。挺柱體是某重型發(fā)動機上的重要零件，其最主要的加工難點之一在于異型盲孔的加工[10]，還有一些渦輪葉片氣膜孔都是異型孔[11]。這類孔一般很難甚至無法采用常規(guī)的切削加工方法完成[12]。電火花加工非常適合這類孔的加工，但其加工效率低，難以滿足高效加工的需求。本文利用電火花放電誘導(dǎo)燒蝕加工原理，通過氣霧介質(zhì)分散電火花放電點，降低燒蝕能量，減少極間集中燒蝕作用，從而在保持高效加工的同時提高加工的穩(wěn)定性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 霧化裝置

實驗采用兩相流水霧化系統(tǒng)（圖1），該裝置主要由霧化裝置，其主體為DKW-Z-DB型氣動霧化噴嘴（圖2）、水循環(huán)系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)等組成。高速運動的氣體在液面處會產(chǎn)生很大的摩擦力，使液體散裂成為霧滴。安慶龍[13]對噴嘴的霧化性能做了詳細研究，結(jié)果表明直徑1.2 mm的噴口，在距噴口20～25 mm處，氣壓為0.3 MPa；當(dāng)液壓＜0.3 MPa時，霧滴平均直徑保持在15 μm以下。

圖1 兩相流水霧化系統(tǒng)示意圖

1.2 實驗裝置及加工原理

實驗系統(tǒng)見圖3。加工時，高壓氧氣通過電磁閥間歇性地通入霧化噴嘴，并與高壓水流在噴嘴內(nèi)部混合形成氣霧工作介質(zhì)，氣霧介質(zhì)通過中空電極噴射進入加工區(qū)域，霧化裝置和電極部分固定在機床主軸上并作伺服進給運動。電極采用端部為方形的中空紫銅電極，邊長為4.4 mm。用卡盤將電極固定在底部氣霧介質(zhì)的出口上，頂部用密封圈與裝置連接，以保證加工過程中的氣密性。

圖2 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 實驗系統(tǒng)原理圖與電極、端面實物圖

放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過程包括循環(huán)的二種狀態(tài)：一是氣霧介質(zhì)下的放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工（圖4a）。控制電磁閥使高壓氧氣通入，與高壓水流在霧化噴嘴中進行混合形成 “水基-氧氣”氣霧介質(zhì)，其噴射進入加工區(qū)域，放電點被放電活化形成高溫活化區(qū)。在富氧條件下，金屬與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而蝕除材料，該加工狀態(tài)蝕除效率很高；二是水介質(zhì)下的常規(guī)電火花放電加工（圖4b）?？刂齐姶砰y關(guān)斷氧氣，僅高壓水流沖入加工區(qū)域，冷卻排出燒蝕過程余留的熔融金屬液滴與燒蝕產(chǎn)物，同時放電區(qū)域產(chǎn)生電火花放電，對燒蝕狀態(tài)所生成的燒蝕層進行修整，提高加工表面質(zhì)量。

圖4 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕包含的二個宏觀加工狀態(tài)

1.3 實驗內(nèi)容及參數(shù)

本文的主要研究方案為在相同的電參數(shù)條件下，用常規(guī)電火花加工、間歇燒蝕加工及放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工等三種工藝方法進行加工，而后進行各項參數(shù)的對比分析。實驗參數(shù)見表1，實驗中所用氧氣為工業(yè)用氧氣，體積分?jǐn)?shù)為99.5%。

表1 三種工藝方法參數(shù)

2 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工極間能量及分配

2.1 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工能量來源

將氧氣通入，放電介質(zhì)即為“水基-氧氣”氣霧介質(zhì)。如圖5所示，由于水的抗電強度高于氧氣，在外加電場作用下，放電通道首先在氧氣中形成。大量電子高速撞擊工件表面（工件接正極），放電點金屬被加熱活化形成活化區(qū)?；罨瘏^(qū)金屬與氧氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，釋放巨大的化學(xué)能。這些能量又繼續(xù)直接作用于放電點周圍基體金屬并使局部金屬熔化，熔融金屬及燒蝕產(chǎn)物在高壓水霧流、放電爆炸力和放電通道的壓力下排出放電區(qū)域。關(guān)斷氧氣后，放電介質(zhì)為水。高壓水流進一步冷卻熔融金屬并將其排出。同時，極間發(fā)生常規(guī)電火花放電，對燒蝕表面進行修整。

圖5 放電通道模型

在富氧條件下，被電火花誘導(dǎo)活化的金屬易發(fā)生劇烈的燒蝕反應(yīng)。Cr12模具鋼中約85%的成分為Fe，其與充足的氧氣主要發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

又知，1 mol鐵與氧氣充分燃燒生成Fe3O4可釋放Q釋=1120.56 kJ的能量。而將1 mol鐵從室溫（25℃）加熱至熔化溫度（1535℃）所需的能量Q吸為：

式中：C為鐵的比熱；m為鐵的摩爾質(zhì)量；ΔT為鐵從室溫到熔化階段的溫升。

鐵的熔化潛熱為Lm=15.17 kJ/mol，因此在燒蝕過程中氧化δm0的金屬所能熔化金屬的質(zhì)量δm1為：

因此，1 mol鐵與氧氣充分燃燒生成Fe3O4所釋放的能量理論上可將20.7 mol鐵加熱至熔融態(tài)，且熔化的金屬能與氧氣繼續(xù)發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)，直到附近氧氣消耗完畢。燒蝕加工能量巨大，且來源于金屬本身的化學(xué)能，故加工效率很高。

2.2 工件和電極吸收的能量

氧氣的引入大幅提高了材料的蝕除效率，但效率過高導(dǎo)致大量的熔融金屬與燒蝕產(chǎn)物難以及時排出，易造成電極內(nèi)孔堵塞，導(dǎo)致氧氣無法正常通入加工區(qū)域，燒蝕加工深孔無法持續(xù)進行。

采用高壓氣霧作為工作介質(zhì)對燒蝕反應(yīng)有冷卻和抑制作用。如圖6所示，一方面，大量的微小霧滴通過中空電極噴向高溫工件表面，形成一層液體薄膜。在液膜表面與內(nèi)部生成大量的微小氣泡，增大了散熱面積。微小氣泡游走形成較大氣泡，在高壓水霧沖擊下最終破裂，形成爆炸的效果。首先，其可加速將熔融金屬與燒蝕產(chǎn)物排出放電區(qū)域；其次，該過程中液汽相變和水流熱傳導(dǎo)能帶走大量的熱，有效冷卻燒蝕區(qū)，使極間溫度下降，減小了熔化金屬層的深度。另一方面，由于在工件表面形成一層液體薄膜，阻礙了氧氣繼續(xù)向基體金屬輸送，放電點氧氣濃度降低，減弱甚至終止燒蝕反應(yīng)，從而降低燒蝕能量，有效控制住燒蝕反應(yīng)。被熔化的金屬體積大大減小，提高了燒蝕反應(yīng)的可控性與穩(wěn)定性，使燒蝕加工持續(xù)進行。

圖6 氣霧對燒蝕加工的冷卻-抑制作用

圖7是用不同加工方法進行單脈沖放電蝕除凹坑及蝕除產(chǎn)物顆粒的對比圖。常規(guī)電火花加工能量輸入單一，僅依靠脈沖電源的能量輸出，能量較小，所造成的放電凹坑較小，深度較淺；同時，其蝕除產(chǎn)物顆粒也較小（圖7a）。對間歇燒蝕加工而言，工件在富氧條件下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，釋放巨大的材料化學(xué)能，導(dǎo)致放電凹坑較大，且呈帶狀，其蝕除產(chǎn)物顆粒也最大（圖7b）。放電誘導(dǎo)霧化燒蝕采用的氣霧介質(zhì)有效控制了燒蝕反應(yīng)強度，能量在一定程度上降低，被熔化的金屬體積大大減小，放電蝕除坑和蝕除產(chǎn)物顆粒較間歇燒蝕加工減小，但仍比常規(guī)電火花加工大很多（圖7c）。

圖7 不同加工方法單脈沖放電坑及蝕除產(chǎn)物顆粒對比

2.3 介質(zhì)吸收的能量

在加工過程中，金屬與氧氣的高能量氧化反應(yīng)所釋放的熱量直接加熱基體材料和蝕除產(chǎn)物，更多的金屬材料發(fā)生氧化反應(yīng)。另外，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕與常規(guī)電火花的另一個重要區(qū)別在于極間介質(zhì)中存在氧氣泡，分散在極間的蝕除產(chǎn)物會繼續(xù)燃燒釋放熱量（圖8），極間液體介質(zhì)急速氣化膨脹，形成爆炸效果帶走蝕除產(chǎn)物。為表征氣霧介質(zhì)在放電瞬間的排屑效果，進行了簡化計算。圖9是放電間隙模型圖，假設(shè)在放電瞬間放電間隙內(nèi)全部為水且全部氣化成為水蒸氣。研究表明，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下水蒸氣分子的間距約為水分子直徑的10倍[14]。

底部放電間隙內(nèi)部的水（體積為δV）全部氣化成為水蒸氣的體積V為：

圖8 蝕除產(chǎn)物在極間繼續(xù)燃燒

圖9 極間模型

假設(shè)側(cè)邊間隙與底面放電間隙相同，不計氣體流動阻力，水蒸氣攜帶蝕除產(chǎn)物爆炸噴發(fā)的高度h為：

將本實驗所采用的電極邊長a=4.4 mm代入式（5），得到h=1099 mm。因此，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工在放電瞬間，氣霧介質(zhì)的爆炸效果對蝕除產(chǎn)物的排出有巨大的促進作用。由圖10所示加工現(xiàn)場可見，加工過程中金屬燃燒的火花充滿整個放電區(qū)域，蝕除產(chǎn)物呈噴發(fā)式排出。

圖10 放電誘導(dǎo)燒蝕加工現(xiàn)場

3 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工特性實驗與分析

用表1所示參數(shù)對深型孔進行不同加工方法對比實驗。采用正極性加工，加工時間為218 min。加工前后用電子天平對工件和電極進行稱重，加工過程中分別記錄加工深度隨加工時間的變化，并進行結(jié)果分析。

3.1 加工放電波形

為驗證放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過程中的放電狀態(tài)，分別采集不同加工方法的放電波形進行對比分析，放電波形圖見圖11?？煽闯?，3種加工方法的放電電流基本相同，但擊穿電壓存在較大差別。

圖11 不同加工方法的放電波形圖

常規(guī)電火花加工的擊穿電壓最小，約65 V（圖11a）。對于常規(guī)電火花加工而言，放電介質(zhì)為水，在電場作用下呈弱電解質(zhì)特性，因此會產(chǎn)生漏電流[15]，導(dǎo)致常規(guī)電火花加工的擊穿電壓會低很多。

間歇燒蝕加工的擊穿電壓較高，約170 V（圖11b）。在間歇燒蝕通氧階段，加工區(qū)域被氧氣包裹。氧氣的均勻性及絕緣性較好，在電場下不會發(fā)生電解，對擊穿電壓幾乎無影響，因此電壓較高。

圖11c是放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工波形，可看出，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工存在二種波形。通氧階段，以氣霧介質(zhì)作為放電介質(zhì)，擊穿電壓約120 V，高于常規(guī)電火花加工的擊穿電壓，但低于間歇燒蝕加工的擊穿電壓。與常規(guī)電火花加工類似，水發(fā)生電解，在一定程度上降低了擊穿電壓。關(guān)斷氧氣后，僅高壓水流沖入加工區(qū)域，以水作為放電介質(zhì)，擊穿電壓與圖11a所示波形基本一致。因此，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工具有“燒蝕-修整”的特性，存在二種加工過程，即氣霧介質(zhì)下的放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過程和水介質(zhì)下的常規(guī)電火花放電加工過程。

3.2 材料蝕除率

圖12是不同加工方法時加工深度隨加工時間的變化曲線及加工出的工件實物圖。不同加工方法的材料蝕除率見圖13?？煽闯觯g歇燒蝕加工起初效率較高，但加工至深度9.5 mm后，電極內(nèi)孔被堵塞，氧氣無法正常進入放電區(qū)域而發(fā)生短路現(xiàn)象（圖14），導(dǎo)致無法繼續(xù)加工。常規(guī)電火花加工在加工過程中較穩(wěn)定，但蝕除率很低，無法滿足高效加工的需求。放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工在整個加工過程中保持高效、穩(wěn)定、持續(xù)的特性；加工218 min時，由于排屑性能依然很好，加工深度至70 mm后，加工效率依然保持不變，材料蝕除率約為常規(guī)電火花加工的5.45倍。

圖12 不同加工工藝的加工深度隨時間的變化曲線及深孔加工實物圖

圖13 不同加工工藝的材料蝕除率

圖14 不同加工工藝的電極端面

3.3 電極體積相對損耗

從圖15可看出，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工的電極體積相對損耗略低于間歇燒蝕加工，比常規(guī)電火花加工降低了82%。常規(guī)電火花加工依靠脈沖電源放電能量蝕除材料，脈沖電源能量輸出有限。在加工過程中沒有大顆粒金屬熔融，放電產(chǎn)物不易粘附在電極表面，對電極沒有保護和補償作用。因此其電極體積相對損耗最大。而間歇燒蝕加工與放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工在氧氣通入階段，氧氣分別在不同程度上參與燒蝕過程。其與金屬材料發(fā)生持續(xù)高能量的燃燒氧化反應(yīng)，金屬材料不斷被放電活化形成熔融態(tài)。大部分熔融金屬被高壓介質(zhì)流凝結(jié)成顆粒并被帶出加工區(qū)域，少部分熔融金屬覆蓋在電極表面，對電極起到一定的保護和補償作用。此外，間歇燒蝕加工的氧氣流對產(chǎn)物的冷卻排除效果不如“水基-氧氣”氣霧流，相對較多的熔融金屬重熔在工件表面，而放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工的高壓氣霧流將燒蝕產(chǎn)物及時冷卻并排出加工區(qū)域，因此放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工的電極體積相對損耗最小。

圖15 不同加工工藝的電極相對損耗

4 結(jié)論

（1）針對深型孔加工，本文提出了放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工技術(shù)，并進行了對比實驗。結(jié)果表明，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工的材料蝕除率約為常規(guī)電火花加工的5.45倍；電極體積相對損耗比常規(guī)電火花加工降低了82%。

（2）放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工引入了金屬材料氧化燃燒釋放的化學(xué)能，為加工提供了能量保障，且該能量巨大。另外，氣霧介質(zhì)對燒蝕反應(yīng)有冷卻和抑制作用，將燒蝕反應(yīng)的強度控制在合適范圍內(nèi)。

（3）熔融金屬與蝕除產(chǎn)物繼續(xù)燃燒釋放能量，高壓氣霧介質(zhì)吸收能量氣化產(chǎn)生爆炸的效果，可使蝕除產(chǎn)物呈噴發(fā)式排出，從而使加工高效穩(wěn)定持續(xù)地進行，使深孔加工得以實現(xiàn)。

（4）放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工可兼具高效、環(huán)保、低成本地進行深型盲孔加工，這是其他方法難以加工甚至無法加工的。

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Deep-type Hole Machining by Aerosol Dielectric EDM Ablation

Qiu Mingbo1,2，Cao Zhongli1，Liu Zhidong1，Ding Chengcai2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Taizhou Jiangzhou CNC Machine Tools Manufacturing Co.,Ltd.，Taizhou 225300，China）

A hole machining method to improve the stability and technological index for deep hole machining by electro-discharge machining (EDM)was proposed.The method employed continuous flushing and intermittent oxygen feeding (i.e.,aerosol dielectric EDM ablation).Aerosol，a mixture generated by oxygen and water，was used as the discharge dielectric to cool，restrain and disperse the ablation energy when the oxygen was supplied.That condition can effectively control the degree of ablation and stabilize the process.In addition，the erosion particles in the discharge gap continued to burn.Aerosol dielectric absorbed heat and gasified rapidly，which resulted in explosion.The erosion particles were removed from the machining area in the type of outbursts.Hence，the aerosol dielectric EDM ablation introduced new energy and solved the problem of chip removal.The hole with a side length of 4.4 mm can be machined successfully，and its depth can reach more than 70 mm under the experimental conditions.The machining efficiency was 5.45 times that of the EDM，and the relative tool wear ratio decreased by 82%.

EDM；aerosol dielectric；explosion；aerosol dielectric EDM ablation；deep-type hole

TG661

A

1009－279X（2016）06－0009-06

2016-01-13

國家自然科學(xué)基金資助項目（51205197，51175256）

邱明波，男，1982年生，副教授。