PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工工藝參數對加工結果的影響

朱　光，張勤河，杜連明，張　敏，王　侃

（1.山東大學機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南250061；2.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022）

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PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工工藝參數對加工結果的影響

朱光1，張勤河1，杜連明2，張敏1，王侃1

（1.山東大學機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南250061；2.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022）

摘要：提出了壓電陶瓷（piezoelectric ceramic transducer，PZT）激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工，目的在于改善微細電火花加工的放電環(huán)境。介紹了PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工原理，研究了開路電壓、脈沖寬度、脈沖頻率和峰值電流對其電極損耗和材料去除率的影響，并與不采用壓縮通道方法的微細電火花加工進行了對比。結果表明：同等條件下，采用PZT激勵同步壓縮放電通道技術，提高了加工過程的穩(wěn)定性和材料去除率，降低了電極損耗率，有效改善了放電環(huán)境。

關鍵詞：微細電火花加工；PZT激勵；壓縮放電通道；開路電壓；脈沖寬度；脈沖頻率；峰值電流

隨著科學技術的日益進步及微機電系統(tǒng)的發(fā)展，市場上產品對微小型零件的需求也日益增加。傳統(tǒng)的機加工已不能滿足微小型加工精度需求，因此，微細加工技術得到了迅猛發(fā)展，至今已在機械、電子、化學、材料等多種學科中占有重要地位［4］。同時，由于大多數微小型零部件的材料、形狀及結構都極為復雜，所以針對不同的加工對象，需采用合適的微加工方法才能達到產品的經濟性和實用性的要求［5］。

電火花加工作為特種加工領域的重要技術之一，具有非接觸加工的特點，工件與工具電極之間無宏觀作用力，故廣泛適用于微型機械制造。將電火花加工與微細加工相結合，就產生了微細電火花加工技術。微細電火花加工一般是指用棒狀電極或線電極，以電火花或磨削形式加工形狀復雜的微小結構，如形狀復雜的微槽、微孔、微細軸等，加工尺寸通常小于數十微米，單次加工材料去除量一般為10-2～10-1μm3。作為電火花加工的一個重要分支，微細電火花加工因其宏觀作用力小、非接觸加工及適用加工材料范圍廣等優(yōu)點，已廣泛應用于微小型零件制造市場上。尤其在高精度光學產品、燃油噴射噴嘴及液壓氣動產品加工應用中，微細電火花具有的技術優(yōu)勢異常突出。但是，由于要實現高精度的加工要求，在微細電火花加工過程中，單位脈沖放電能量小，工具電極細，放電面積小，導致放電點的分布范圍受到限制，進而導致放電集中，增加了火花放電的不穩(wěn)定性。同時，由于放電間隙小，工作液流通不順暢，蝕除產物很難排出，致使間隙狀態(tài)惡化，從而影響了材料蝕除速度，導致加工速度變慢。

針對上述問題，在分析微細電火花加工技術研究現狀的基礎上，查閱有關文獻，利用PZT壓電陶瓷的逆壓電效應，提出了基于PZT激勵的同步壓縮放電通道微細電火花加工方法。本文主要研究了PZT同步壓縮放電通道微細電火花加工技術的放電加工機理和加工工藝參數對加工結果的影響規(guī)律及成因。

1　PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工原理

在電火花加工過程中，當工件和工具電極兩端電壓達到臨界電壓時，電介質被擊穿，形成放電通道。從微觀上來看，放電通道開始時急速擴張，之后達到平衡，形成穩(wěn)定的火花放電狀態(tài)并持續(xù)一段時間。而同步壓縮放電通道技術就是指在微細電火花的穩(wěn)定放電過程中，對火花放電的兩極施加一個相對運動來壓縮放電通道。

PZT壓電陶瓷微位移器是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件，其特點是在外部機械應力的作用下，PZT內部的正負電荷產生相對位移而產生極化，使其兩端表面呈現相反電性的束縛電荷的現象，即PZT的壓電效應。并且，其表面電荷的密度與所受的機械應力成正比。反之，當PZT在外加電場的作用下也會產生應變，且應變大小和電場大小成正比，應變方向與電場方向有關，這種現象稱為PZT的逆壓電效應［6］。

本文介紹的PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工就是利用了PZT的逆壓電效應，在微細電火花加工過程中同時壓縮放電通道，其原理見圖1。當放電電壓處于高電壓即脈寬輸出時，加在PZT促動器兩端的電壓逐漸減小，促動器伸長，進而壓縮放電通道；當放電電壓處于低電壓即脈沖間隔時，加在PZT促動器兩端的電壓逐漸增大，進而拉伸放電通道。

圖1　PZT激勵同步壓縮放電通道放電原理圖

微細電火花正常間隙放電示意圖見圖2。脈沖電源的2個輸出端分別與工具電極和工件相連形成電場。當施加在兩極間的電壓一定時，極間距離越小，極間電場就越大。在控制系統(tǒng)的驅動下，加工工具電極會向工件靠近，當兩極間隙減小到一定范圍時，極間介質就會被擊穿，帶電粒子在兩極間隙內高速運動，并將電能轉化為動能；同時，帶電粒子在運動過程中又會相互碰撞而產生熱能，形成瞬時高溫。正負極表面放點產生的高溫使金屬材料熔化或氣化，進而達到蝕除的目的。兩極間的工作介質在高溫作用下會急速氣化并發(fā)生分解形成氣泡，且由于熱膨脹會產生瞬時高壓，所產生氣泡的內外、上下的瞬時壓力并不相等，壓力高處熔化金屬微粒和蒸汽會被排擠到工作液中。

圖2　正常放電間隙狀態(tài)示意圖

壓縮放電通道后的微細電火花放電間隙示意圖見圖3?？梢?，壓縮后極間間隙變小，放電通道也隨之縮短。當放電脈沖結束后，極間電場場強急速減小到零，碰撞電離中止，放電通道中的正負帶電粒子相互中和。同時，加在PZT致動器兩端的電壓也減小到零，致動器回縮，工件遠離工具電極，極間距離增大，工作液的介電性能恢復，準備進行下一次放電過程。

圖3　壓縮放電通道后放電間隙示意圖

復合成為中性粒子后，PZT促動器兩端電壓也由峰值減小到零，促動器回縮，帶動工件向遠離工具電極的方向產生微小運動，極間距離增大，加速了極間介電液介電性能的恢復，為下一次放電做好準備。

2　PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花的實驗研究

2.1實驗設備與材料

教師需要基于教學目標、學生實際，將學生需要了解的知識、技能進行巧妙的設計，使其轉變?yōu)榫哂袉l(fā)性質的導學問題，通過學習任務單的模式來引導學生學習，讓學生快速、高效、自主、合作探究教材，解決基本問題，生成重、難點和疑惑點。

圖4是PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工的加工系統(tǒng)。機床的伺服進給系統(tǒng)采用直流精密伺服電機，通過控制器（C863）進行伺服控制，進給精度可達0.2 μm。PZT壓電促動器固定在XY工作臺上，所選用的壓電陶瓷促動器是高精度P-840.60，最大行程15 μm，動態(tài)響應快，空載響應頻率為18 kHz。

圖4　PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工系統(tǒng)示意圖

放電回路的兩極分別接在工件和工具電極上。工作時，伺服系統(tǒng)通過Z軸帶動工具電極進給，當達到一定間隙時，工作液被擊穿進行放電。壓電致動器驅動回路的兩端分別連接PZT致動器的正負極，提供與放電脈沖同步的信號以驅動促動器伸長和縮短。電源脈沖放電開路電壓0～120 V連續(xù)可調，峰值電流50～500 mA可調，脈寬1 μs到幾十μs可調，脈沖頻率5～22 kHz連續(xù)可調。

實驗包括4組單因素實驗，分別研究了PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工中，開路電壓、脈沖寬度、脈沖頻率和峰值電流4個工藝參數對材料去除率和工具電極相對損耗率的影響規(guī)律，并與不采用壓縮通道方法的微細電火花加工進行了對比。實驗中，工具電極材料均采用鎢電極，工件材料為奧氏體不銹鋼1Cr17Ni7，加工極性為正極性加工（工件接正極），致動器回路驅動電壓為15 V。實驗參數見表1。

表1　單因素實驗研究加工工藝參數及其水平

2.2實驗結果與分析

2.2.1工藝參數對材料去除率的影響

開路電壓、脈沖寬度、脈沖頻率及峰值電流對材料去除率的影響規(guī)律見圖5。

圖5b是脈沖寬度對材料去除率的影響?？梢?，采用壓縮放電通道的微細電火花加工，在一定的脈沖寬度范圍內，材料去除率隨著脈沖寬度的增加而增加，且增加趨勢較為顯著；但當脈寬增加到一定程度，由于脈沖間隔減小而放電頻率不變，使消電離過程縮短，材料去除率有所下降。對于不進行壓縮通道放電的微細電火花加工，隨著脈沖寬度的增大，材料的去除率增加，但增加幅度很小。在相同條件下，采用壓縮放電通道的微細電火花加工的材料去除率分別約為不壓縮放電通道時的2.045、1.874、2.107、1.991、1.768倍。

圖5　工藝參數對材料去除率的影響

圖5c是脈沖頻率對材料去除率的影響。可見，當脈沖頻率增加時，材料的去除率隨之增加。這是因為單位時間內火花放電的次數增加了，壓縮放電通道時由于PZT激勵的作用，加工狀態(tài)穩(wěn)定，有效火花放電增多，則材料去除率得到較大提高。

圖5d是峰值電流對材料去除率的影響?？梢?，不壓縮放電通道加工時，隨著峰值電流變大，材料去除率呈先增大、后減小的趨勢。這是因為峰值電流的增加增大了單個脈沖的放電能量，從而提高了加工效率即材料去除率；但當峰值電流繼續(xù)增加，極間狀態(tài)變得不穩(wěn)定，電蝕產物來不及排出，易出現拉弧等不穩(wěn)定放電，從而使材料去除率降低。采用壓縮放電通道方法進行加工，加工狀態(tài)得以改善，隨著峰值電流的增加，材料去除率會持續(xù)增加。

2.2.2工藝參數對電極相對損耗率的影響

開路電壓、脈沖寬度、脈沖頻率及峰值電流對電極相對損耗率的影響規(guī)律見圖6。

圖6a是開路電壓對電極相對損耗率的影響?？梢?，壓縮通道后，隨著開路電壓的升高，電極相對損耗減?。徊粔嚎s通道的微細電火花加工，隨著開路電壓的升高，電極相對損耗變大。這是因為電壓升高時，工具電極與工件之間的電場強度增大，帶電粒子獲得的初始加速度大，壓縮放電通道產生的效果顯著，放出的熱量多，去除相同的材料時電極的損耗便相對減小。然而，在不壓縮放電通道時，放電狀態(tài)不穩(wěn)定，加工時間長，工具電極在大場強下長時間損耗，所以相對損耗率增大。

圖6b是脈沖寬度對電極相對損耗率的影響?？梢?，工具電極相對損耗率在脈寬增大時呈先增大、后減小的趨勢。這是因為在采用碳氫化合物作為工作液進行電火花加工時，加工過程中產生的熱會將其分解出大量的游離碳，并與金屬結合形成帶負電荷的金屬碳化物膠團。當加工表面的瞬時溫度達到400℃并維持一定時間后，含碳膠粒在電場作用下會向正極移動并附在正極表面，形成碳黑膜。在開路電壓、脈沖間隔和峰值電流一定時，碳黑膜會隨著脈沖寬度的增加而變厚，從而影響材料去除率和電極相對損耗率。由于實驗采用正極性加工，所以在工件表面會形成一定厚度的碳黑膜，保護工件表面，使工具電極相對損耗增加。但由于實驗采用的放電頻率不變即周期不變，所以當脈沖寬度增加到一定值時，脈沖間隔會減小，從而導致加工時產生的熱量不能及時排出，這會破壞碳黑膜的形成，此時，電極相對損耗率由增大變成下降趨勢。而引入壓縮放電通道方法，對兩極間的工作液施加了強迫沖、抽的動作，使膠粒擴散速度加快，大大降低了“吸附效應”對電火花加工的影響，從而更有效地減少了工具電極的相對損耗。

對比之下，在壓縮放電通道的加工過程中，工具電極相對損耗率隨脈寬改變的程度較小，而不壓縮放電通道時的電極相對損耗率波動較大，在脈寬為10 μs時達到最大值66.2%。

圖6　工藝參數對電極相對損耗率的影響

圖6c是脈沖頻率對電極相對損耗率的影響?？梢?，不進行放電通道壓縮時，電極相對損耗率隨脈沖頻率增大呈由大變小、再變大的趨勢，波動較大。這是因為在低脈沖頻率時，加工狀態(tài)不穩(wěn)定，有效放電次數少，從而電極相對損耗大；隨著脈沖頻率的增加，放電狀態(tài)得以改善，材料去除率變大，電極相對損耗率減少。但當脈沖頻率增大到一定值時，由于脈沖寬度不變，從而脈沖間隔變大，放電間隙消電離能力減弱，使工件與電極之間出現拉弧現象，電極損耗增大。而采用PZT激勵同步壓縮放電通道后，電極的相對損耗率隨著脈沖頻率的增加而變大，但增加幅度小，無波動。

圖6d是峰值電流對電極相對損耗率的影響。可見，隨著峰值電流的增大，電極相對損耗率升高。在微細電火花加工中，電極尺寸相對工件小得多，隨著峰值電流的增大，會導致放電能量不易擴散而累積在電極上，造成電極損耗加劇。

3　結論

通過單因素實驗研究了開路電壓、脈沖寬度、脈沖頻率和峰值電流對PZT激勵同步壓縮放電通道微細電火花加工的影響規(guī)律，與不壓縮放電通道的常規(guī)微細電火花加工方法進行了對比，得出以下結論：

（1）不采用壓縮放電通道方法加工時，隨著開路電壓逐漸增大，電極相對損耗率隨之增大。采用壓縮放電通道方法加工時，工件的材料去除率得到較大提高，且電壓越高，增幅越大，且電極相對損耗率隨著電壓增加而降低。

（2）采用壓縮放電通道方法加工時，隨著脈沖寬度的增加，材料去除率隨之增大，且與常規(guī)微細電火花加工相比要高出1.768～2.045倍；而電極相對損耗率則呈先增大、后減小的趨勢。

（3）不采用壓縮放電通道方法加工時，隨著脈沖頻率的增加，材料去除率也逐漸增大，電極相對損耗率先減小、后增大。采用壓縮放電通道方法加工時，隨著脈沖頻率增大，電極相對損耗率隨之增加，但總是低于常規(guī)微細電火花加工。

（4）一定條件下，在同步壓縮放電通道加工時，隨著峰值電流增大，工件材料去除率隨之增大；在相同條件下，不壓縮放電通道微細電火花加工的材料去除率先增大、后減小，而電極相對損耗率隨著峰值電流的增加而增大。

參考文獻：

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The Effects of Micro Electro-discharge Machining Parameters Based on the Technology of PZT Excited Discharge Channel Compressed on the Machining Behaviors

Zhu Guang1，Zhang Qinhe1，Du Lianming2，Zhang Min1，Wang Kan1
（1. Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture（Ministry of Education），School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2. School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China）

Abstract：The technology of（piezoelectric ceramic transducer，PZT）excited discharge channel compressed micro EDM aiming for improving the conditions of micro EDM is proposed. The processing principle of PZT excited discharge channel compressed micro EDM was introduced，the influences on the open circuit voltage，pulse width，pulse frequency and the peak current on the material removal rate and the electrode wear rate were studied. Additionally，the comparison between the micro EDM which was adopted the technology of PZT excited discharge channel compressed and which did not was carried out. The results show that under the same conditions，the stability of machining process and the material removal rate are increased，the electrode wear rate is decreased and the conditions of discharge is effectively improved by adopting the technology of PZT excited discharge channel compressed micro EDM.

Key words：micro EDM；PZT excited；discharge channel compression；the open circuit voltage；pulse width；pulse frequency；the peak current

中圖分類號：TG661

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0006-05

收稿日期：2015-12-17

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51375274）

第一作者簡介：朱光，男，1991年生，碩士研究生。