電火花加工臨界放電間隙實驗研究

商云峰，郭常寧

（1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.上海發(fā)那科機器人有限公司，上海201906）

電火花加工臨界放電間隙實驗研究

商云峰1，2，郭常寧1

（1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.上海發(fā)那科機器人有限公司，上海201906）

基于田口法考查了電火花加工在煤油、空氣狀態(tài)下的臨界放電間隙及主要加工電參數(shù)（峰值電流、放電電壓、脈沖寬度）的變化規(guī)律和影響順序，為進(jìn)一步理解電火花加工機理提供了實驗基礎(chǔ)。

電火花加工；臨界放電間隙；放電參數(shù)；流光理論

電火花加工正常進(jìn)行的條件之一就是電極和工件之間始終需維持在一個很小的間隙，該間隙的大小通常取決于放電時的參數(shù)和加工狀態(tài)。但受到外界及加工中不確定因素的影響，并非每一個加載在電極與工件之間的脈沖能量都能形成有效的火花放電，時常會出現(xiàn)開路、短路或電弧放電等異?，F(xiàn)象，其中極間距離是主要影響因素之一。

一般電火花加工都是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的，而最常見的介質(zhì)是抗電強度很高的煤油，也有用去離子水或皂化水溶液的。在電火花加工所用的工作液中，或多或少都含有一定的雜質(zhì)，特別是在加工過程中，由于電蝕產(chǎn)物大量存在，雜質(zhì)的種類與含量還相當(dāng)多，這不僅會增大液體介質(zhì)的電導(dǎo)率，還會影響伏安特性。隨著國枝正典提出氣體放電后[1-2]，吸引了很多科研關(guān)注，以壓縮空氣作為放電介質(zhì)，對放電機理進(jìn)行了一系列研究[3-5]。無論放電介質(zhì)是液體還是氣體，其放電過程中的參數(shù)基本是一致的，而放電間隙則是各種參數(shù)控制的直接體現(xiàn)。

電火花加工的間隙控制對于加工的穩(wěn)定性、精度和效率都有直接影響，尤其對大面積或深孔類加工更是如此。因此對于間隙檢測已有很多研究，如樊海明[6]通過調(diào)整電源放電狀態(tài)和伺服控制調(diào)節(jié)放電間隙來克服放電狀態(tài)方法單一的問題；Hoang等[7]研究了微細(xì)線切割干式切削的間隙控制。對于氣中放電，不僅電參數(shù)對加工間隙有影響，外部輔助也有一定影響。張勤河等[8]采用超聲輔助氣中電火花加工，發(fā)現(xiàn)平均放電間隙會增大。

臨界放電間隙是指在一定的開放電壓作用下，正負(fù)電極之間的介質(zhì)剛剛能被擊穿的極間距離，可理解為電極間能產(chǎn)生放電的最大距離，即剛剛擊穿介質(zhì)的極間距離。其大小在加工精度估算、間隙控制及抬刀距離的設(shè)定中都是必需考慮的問題。由于臨界放電間隙的大小關(guān)系到加工液的氣化爆炸、加工屑的排除通道大小甚至與放電加工特性有關(guān)，且臨界放電間隙的大小是電火花加工機床參數(shù)設(shè)計和控制策略制定的依據(jù)之一。在液體介質(zhì)中對于臨界放電間隙已有初步研究[9]；陳煥杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在液體中噴氣體的放電間隙要小于液體中的放電間隙。

因此，在研究放電加工和設(shè)計電加工機床時經(jīng)常會用到臨界放電間隙，對其進(jìn)行實驗研究具有非常重要的理論價值和實際應(yīng)用價值?；诖?，本文通過對不同的材料進(jìn)行氣中和液體介質(zhì)下的臨界放電間隙對比實驗，進(jìn)一步了解臨界放電間隙與主要加工參數(shù)（開放電壓、放電電流、脈沖寬度）之間的關(guān)系規(guī)律及影響順序。

1 實驗

1.1 實驗材料和參數(shù)

在本實驗中，電極材料選用直徑3 mm的紫銅電極，電極尺寸越小，則對于尺寸越大引起的偶然放電幾率越小。工件采用高速鋼W6Mo5Cr4V2（M2），相當(dāng)于高碳鋼。實驗加工設(shè)備為夏米爾35機床，其他實驗條件見表1。

表1 實驗條件

1.2 實驗方法

根據(jù)文獻(xiàn)[11]及機床實際精度，實驗步驟確定如下：

（1）將工件和電極分別用砂紙打磨至Ra0.8 μm左右，放在超聲清洗儀中洗凈并吹干，然后設(shè)置好加工參數(shù)，如：空載電壓、加工電流、放電脈沖寬度。

（2）將工件和電極分別裝夾在工作臺和3R夾頭上，并用千分表調(diào)正，保證電極與工件表面的垂直度在5 μm以內(nèi)。

（3）對刀，設(shè)定基準(zhǔn)為工件上表面。

（4）設(shè)定電極初始高度（可根據(jù)參數(shù)調(diào)整，如0.5 mm），設(shè)定程序，按設(shè)定的方向（X或Y）進(jìn)給。

（5）如果放電，停止程序；若不放電，則重復(fù)執(zhí)行第（4）步，直到放電為止。

（6）記錄放電的電極高度即為臨界間隙。

圖1是實際臨界放電時的放電痕跡。利用田口法及選定的實驗參數(shù)，選用L27（33）正交表進(jìn)行實驗。由于峰值電流太小，會使實驗效果不易被觀察，所以電流值選用了大、中、小三檔；同時由于該實驗設(shè)備的電壓只能從80～200 V的四檔中選取，所以選擇其中三檔，脈寬相應(yīng)地取等比數(shù)值。

圖1 單發(fā)臨界放電痕

2 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)田口方法理論，加工參數(shù)和加工時的放電間隙可通過方差分析體現(xiàn)。因此，本文通過計算方差來分析幾個電參數(shù)對最終放電間隙的影響程度。

2.1 液中放電和氣中放電的臨界間隙對比

各加工參數(shù)的臨界放電間隙結(jié)果見表2。對比發(fā)現(xiàn)，同一材料在同種放電加工參數(shù)下，液中的間隙明顯小于氣中的臨界放電間隙，這是由于液體介質(zhì)的介電性高于氣體介質(zhì)。表3、表4分別是材料在氣中、液中放電時各加工因素對臨界放電間隙影響的方差分析。從表3可看出，P脈寬＜P電壓＜P加工電流，且P脈寬＜0.05，表明氣中放電時脈沖寬度和開路電壓對臨界放電間隙都有較大的影響，且脈沖寬度更顯著。從表4可看出，P電壓＜P脈寬＜P加工電流，且P電壓＜0.05，表明液中放電時開路電壓和脈沖寬度對放電間隙大小都有明顯影響，且開路電壓影響最大。而加工電流對放電間隙大小幾乎無影響。

表2 氣中、液中單發(fā)臨界放電間隙結(jié)果

2.2 結(jié)果分析和討論

對于常規(guī)電火花加工而言，一般工作液為純煤油，根據(jù)流光理論[12]，光子在正、負(fù)極之間運動時無其他阻擋物，只要滿足光電離時所必要的能量條件，在特別靠近陽極的地方發(fā)生光電離后產(chǎn)生次級的電子雪崩是非?？赡艿?，從而有利于負(fù)流光及正流光的形成，放電間隙呈高導(dǎo)電狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生火花放電。但在實際加工過程中，電火花加工所用的煤油不可能完全純凈，其中會有很多的雜質(zhì)。當(dāng)在兩個電極之間施加一定的電壓后，這些雜質(zhì)在電場作用下向電場較強的地方聚集、結(jié)鏈，進(jìn)一步加劇極間電場的不均勻程度，從而使擊穿更易實現(xiàn)。在實際實驗中，電極端部為一定的截面，故會導(dǎo)致電場不均勻，尤其是在電極面積很大的時候，更易出現(xiàn)這種狀況。同時，電極材料的不同對擊穿也產(chǎn)生效果不等的影響，這不僅取決于材料的逸出功，也和材料的物理性質(zhì)密切相關(guān)[13]；也有文獻(xiàn)表明，脈沖較短時液體介質(zhì)有很高的擊穿強度，但在重復(fù)擊穿時擊穿強度比單個脈沖下明顯減?。涣硗?，放電電極的尺寸大小（與工件相對）同樣對放電的擊穿電壓有影響，隨著尺寸增大，擊穿電壓增大[14]。

表3 材料在氣中臨界放電間隙的方差分析

表4 材料在液中臨界放電間隙的方差分析

根據(jù)表4所示結(jié)果，表明電壓在液體介質(zhì)放電狀態(tài)下起主要作用，結(jié)果與文獻(xiàn)[10]一致。這主要是與放電機制有關(guān)[15]，即介質(zhì)一定時，抗電強度也是一定的，電壓繼續(xù)增高，介質(zhì)極易被擊穿。這可理解為電壓升高時，在強電場作用下，擊穿電流隨著電壓升高而增大，當(dāng)增大到某個程度時，電流急劇上升，就發(fā)生雪崩式電離，從而擊穿介質(zhì)。這主要是由于在短時間內(nèi)電離來不及逐漸發(fā)展而造成的。若要在很短的時間內(nèi)使極間介質(zhì)被擊穿，就必須提高極間電壓或電場強度，加速碰撞電離過程的發(fā)展。

氣中放電的決定性要素為電子的碰撞電離，火花通道的形成是從電子崩開始，形成流光，再由流光迅速傳播到兩極的結(jié)果。當(dāng)施加在兩極的電壓促使極化，而氣體介質(zhì)的擊穿電壓與持續(xù)的脈寬幾乎無關(guān)。當(dāng)脈沖寬度較長時，擊穿電壓與脈沖電壓持續(xù)時間幾乎無關(guān)；但在脈沖電壓延續(xù)時間較短時，情況就完全不同，極間擊穿電壓將會隨著脈沖電壓延續(xù)時間縮短而顯著增加[15]。

2.3 放電坑與臨界放電間隙的關(guān)系

為進(jìn)一步研究臨界放電間隙對加工的影響，對放電坑尺寸與臨界間隙之間的關(guān)系進(jìn)行了對比研究。本實驗對所有單發(fā)實驗放電坑拍攝照片，利用拍攝軟件中的測量功能對每個放電坑的直徑進(jìn)行測量，然后將每組照片中放電坑的直徑大小與臨界放電間隙做統(tǒng)計與排序，結(jié)果見圖2。從放電坑可發(fā)現(xiàn)，其形狀均呈現(xiàn)出很好的一致性，幾乎都為圓形，很少出現(xiàn)橢圓等其他畸形，這樣更充分說明了單發(fā)放電的有效性。

圖2 液體和氣體單發(fā)放電臨界間隙與放電坑對比

從圖2可看出，隨著臨界放電間隙的不斷增大，放電坑半徑在逐漸減小，即臨界放電間隙越大，放電加工所形成的放電坑越小。相同的放電脈沖參數(shù)條件下，放電間隙越小，放電脈沖能量利用效率越高，則放電坑越大。此時材料加工速度較快，但放電坑增大，會使加工表面粗糙度值升高；放電間隙太小會給排屑帶來困難，易產(chǎn)生拉弧放電，甚至燒壞加工表面。因此在選用放電間隙時，應(yīng)根據(jù)加工實際要求選擇合適的臨界放電間隙。從圖2同樣也可得出在氣體中放電與液中放電時一致的結(jié)論，即氣中放電時，放電坑的大小隨著臨界放電間隙的增大而減小。

此外，本實驗用相同方法對ANSI 1045材料所有實驗所得的放電坑拍攝照片，經(jīng)統(tǒng)計分析得出的結(jié)論與M2材料是一致的，即無論在液中或氣中放電，放電坑大小均隨著臨界放電間隙的減小而增大。

3 結(jié)論

電火花加工過程中的間隙是一個受到多因素影響的關(guān)鍵控制部位，由于過程的非線性，不穩(wěn)定的間隙會導(dǎo)致拉弧短路等不良加工狀態(tài)，因此對于間隙的研究和理解很有必要。本文針對紫銅電極加工M2鋼進(jìn)行了不同介質(zhì)下的臨界放電間隙研究，結(jié)果表明：

（1）液體中的間隙明顯小于氣體中的臨界放電間隙。

（2）當(dāng)放電介質(zhì)為氣體時，脈寬對臨界放電間隙具有顯著影響。

（3）在液體介質(zhì)中放電時，電壓對臨界放電間隙具有顯著影響。

（4）臨界放電間隙越小，放電加工所形成的放電坑越大。

（5）利用流光理論解釋了臨界間隙與參數(shù)之間的關(guān)系。

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Experimental Study on the Critical Discharge Gap in EDM

Shang Yunfeng1，2，Guo Changning1
（1.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai-FANUC Robotics Co.,Ltd.，Shanghai 201906，China）

The Taguchi method was used to analyze the critical discharge gap under the dielectric of liquid and air.The parameters were peak current，open-circuit voltage and pulse-on duration.Then the parameter was determined by Taguchi method and the reasons were deduced.These studies will be beneficial to further applications.

EDM；critical discharge gap；electrical parameters；fluidic light theory

TG661

A

1009－279X（2016）06－0019-04

2016-08-11

商云峰，男，1982年生，碩士研究生。