高效電火花線切割磁場對表面燒傷影響研究

龐昊聰，劉志東，楊　超，田宗軍

（南京航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇南京210016）

高效電火花線切割磁場對表面燒傷影響研究

龐昊聰，劉志東，楊超，田宗軍

（南京航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇南京210016）

為減少往復(fù)走絲電火花線切割在大能量加工條件下工件表面出現(xiàn)的燒傷條紋，分析了燒傷條紋形成的機理：燒傷條紋主要是因汽化后切縫內(nèi)工作液不足，熔融的蝕除產(chǎn)物無法隨工作液向切縫后部順暢地排出，從而附著在切縫側(cè)壁而產(chǎn)生。而與切縫軌跡方向平行的梯度磁場可對鐵基蝕除產(chǎn)物產(chǎn)生磁場力作用，以借助磁場來促進蝕除產(chǎn)物的排出。試驗結(jié)果顯示：磁場能有效減輕燒傷條紋的產(chǎn)生，且通過極間放電波形的采集發(fā)現(xiàn)，在磁場作用下放電波形中擊穿延時比例增加，說明極間放電間隙狀態(tài)有所改善。

電火花線切割加工；高效切割；表面燒傷；磁場

往復(fù)走絲電火花線切割加工良好性價比的一個重要體現(xiàn)在于能進行高效、長期穩(wěn)定的切割加工，其切割效率的提高及持久性一直是個永恒的話題。然而，一般當(dāng)平均切割電流超過6 A時，將會在加工工件表面逐漸出現(xiàn)黑色物質(zhì)附著而形成明暗交叉的燒傷條紋，對加工質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

1　燒傷條紋產(chǎn)生的機理研究

1.1燒傷條紋的實驗現(xiàn)象

實驗采用HF320電火花線切割機床，加工參數(shù)見表1。切割工件見圖1。燒傷條紋上下相間，且長度不對稱，工件上部比下部條紋嚴(yán)重。用掃描電鏡觀察燒傷及未燒傷區(qū)域的微觀照片見圖2，可見燒傷區(qū)域?qū)嵸|(zhì)為顆粒狀物質(zhì)附著在工件表面而形成。

表1　實驗參數(shù)

1.2現(xiàn)象分析

對附著在工件表面的黑色物質(zhì)進行XRD分析并與Cr12進行比較，結(jié)果見圖3、圖4。

從XRD圖譜中看出，燒傷表面的黑色物質(zhì)與基材表面相比多了硅酸鹽成分，而工作液及電極絲成分中并沒有硅元素存在，因此可推測認為是在高溫條件下，基體材料Cr12中的Si發(fā)生氧化反應(yīng)而生成SiO2，SiO2又和其他氧化物結(jié)合從而形成了硅酸鹽。因此，黑色燒傷物質(zhì)是基體材料在放電高溫作用后的產(chǎn)物。

圖2　工件表面微觀照片

圖3　Cr12基體XRD圖譜

圖4　燒傷表面XRD圖譜

為進一步研究燒傷物質(zhì)的來源，設(shè)計了以下實驗。首先使用大能量切割一條切縫，當(dāng)電極絲反向走絲并加工一小段距離后停止，此時正在產(chǎn)生的燒傷條紋在工件上部（圖5）。而后對切縫進行清洗，并用掃描電鏡對工件上部切縫的前部半圓柱形的內(nèi)圓面（圖5所示a區(qū)域）進行觀察。

切縫前部SEM照片見圖6，從中可清晰地看出，切縫前部沒有燒傷。

圖6　切縫前部SEM照片（500×）

為了進一步觀察切縫，采用機械方式將工件從切縫正中剖開，用SEM觀察有燒傷條紋區(qū)域的切縫側(cè)面（圖5中b所示區(qū)域），結(jié)果見圖7?？煽闯?，電極絲所在位置的整個切縫前部區(qū)域都沒有燒傷。

圖7　切縫側(cè)面SEM照片

1.3實驗現(xiàn)象分析

若切縫正面沒有燒傷，說明直接放電區(qū)域并不會產(chǎn)生燒傷，而燒傷條紋組分又來源于熔融金屬，因此說明燒傷條紋并不是由放電直接產(chǎn)生，而是間接形成。是由放電蝕除的金屬以熔融的液滴狀態(tài)從電極絲進給方向的前部向后噴射而出，于電極絲后部的工件表面冷卻凝結(jié)而形成。

2　蝕除產(chǎn)物的排出與燒傷條紋的關(guān)系

當(dāng)加工能量較小時，工作液氣化程度較小、工作液較為充足，熔融的金屬液滴可以由工作液冷卻帶走（圖8a）；當(dāng)加工能量較大時，工作液氣化程度大，切縫深處的工作液就會變得不充足，此處熔融的金屬液滴不能被工作液冷卻，附著在工件表面，形成燒傷條紋（圖8b）。

圖8　燒傷產(chǎn)生的原因

2.1蝕除產(chǎn)物的排出方式

何賜文［1］等通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，蝕除產(chǎn)物主要從已加工的切縫排出，而性能優(yōu)良的工作液蝕除產(chǎn)物排出速度快，切縫內(nèi)工作液更充足。而切縫中的工作液不足與否和表面燒傷有直接關(guān)系，為了觀察切縫中工作液的流動，設(shè)計了單邊放電實驗，實驗方法見圖9。

圖9　實驗方法示意圖

實驗結(jié)果為：正向（從上往下）走絲時，A正區(qū)域流體速度最快，幾乎以垂直方式向后部切縫噴射，且其中的泡沫和蝕除產(chǎn)物較少，流動性最好；隨著深度增加，B正區(qū)域流體速度下降，呈拋物線狀流動，且其中夾雜了大量泡沫和黑色蝕除產(chǎn)物；C正區(qū)域只有少量泡沫，流動性最差（圖10）。

反向（從下往上）走絲時，A反區(qū)域與C正相同，呈靜止態(tài)；B反和B正區(qū)域相似；C反區(qū)域和A正區(qū)域相似，只是C反區(qū)域面積明顯小于A正（圖11）。

圖10　正向走絲時蝕除產(chǎn)物拋出情況

圖11　反向走絲時蝕除產(chǎn)物拋出情況

2.2實驗結(jié)果分析

2.2.1工作液在豎直方向的流動

新產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物與工作液混合，形成粘稠的半流質(zhì)。隨著切縫深度的增加，被電極絲帶入的工作液被放電產(chǎn)生的壓力拋向后方，同時工作液在放電高溫作用下氣化。在上面兩種因素影響下，工作液沿走絲方向上越來越少，半流質(zhì)越來越粘稠，粘稠的半流質(zhì)同時又進一步阻礙了工作液的進入。

正向走絲時，A正區(qū)域中的工作液較多，下部較少，因此上部蝕除產(chǎn)物堆積較松散，下部則較密集。在重力作用下，流動性及濕潤性更好的工作液比蝕除產(chǎn)物更易向下擴散滲透，且工作液也更易向深處流動。此時下部蝕除產(chǎn)物堆積區(qū)域受到上部滲透擴散而來的工作液和電極絲帶入工作液的雙重作用。所以正向走絲時，整個切縫中的半流質(zhì)流動性較好。反向走絲時，下部帶入的工作液因重力阻礙而無法通過下部松散的蝕除產(chǎn)物向上部滲透擴散。上部呈靜止?fàn)顟B(tài)說明此處已幾乎沒有工作液，無法洗滌蝕除產(chǎn)物。所以反向走絲時，整個切縫中的半流質(zhì)流動性較差。這就是條紋不對稱性的原因。

2.2.2蝕除產(chǎn)物在水平方向上的排出

分析豎直方向上的情況可發(fā)現(xiàn)：與電極絲正面相對的電極絲后部切縫是否通暢與燒傷條紋有密切關(guān)系。從2.1中的實驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作液充足時，蝕除產(chǎn)物可以順利排出；而當(dāng)工作液不充足時，蝕除產(chǎn)物則會在后部切縫堆積。電極絲在向前移動過程中，不停地將前部工件蝕除，這些工件材料轉(zhuǎn)移至電極絲后部，除一部分被電極絲帶出切縫外，大部分堆積在切縫后部，并與電極絲保持一定距離（否則會因短路而無法切割），電極絲的移動速度和蝕除產(chǎn)物的堆積速度形成一個動態(tài)平衡，平均間距為D（圖12）。

圖12　蝕除產(chǎn)物堆積示意圖

電火花線切割加工時，電極絲作為放電的主要發(fā)生區(qū)域，有著很高的壓力。當(dāng)電極絲與蝕除產(chǎn)物的平均距離D更大、蝕除產(chǎn)物的堆積較為松散等情況時，新產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物在電極絲前部放電產(chǎn)生的高壓影響下，能很快地遠離電極絲，而不會阻礙工作液被電極絲帶入，這樣電極絲周圍有較大的空間，能使工作液更多地進入切縫，從而減少燒傷。

3　磁場輔助電火花線切割

3.1磁場對排屑的影響

De Bruijn H E［2］等首先提出，在電火花小孔加工中，施以適當(dāng)方向的磁場能有效幫助蝕除產(chǎn)物從所加工小孔的底部排出。馬麗華等［3］指出，在電火花小孔加工中，當(dāng)磁場力作用在蝕除產(chǎn)物上，可減少聚沉，提高膠體系統(tǒng)的分散度，使其更易排出。許多實驗結(jié)果證明，在電火花小孔加工及微細電火花小孔加工［4］中，磁場能有效幫助鐵磁性蝕除產(chǎn)物從切縫中排出。因此，根據(jù)上一節(jié)的結(jié)論，在HSWEDM中施加一個適當(dāng)?shù)拇艌?，促使蝕除產(chǎn)物從電極絲后部排出和擴散，就可減少燒傷條紋的產(chǎn)生。

3.2實驗內(nèi)容

3.2.1蝕除產(chǎn)物在磁場中的受力分析

鐵磁性材料在磁場中會受到磁場力的作用。在均勻磁場中，鐵磁性顆粒只會受到一對相等力F1、F2的作用，合力為0（圖16a）。只有在梯度磁場中，鐵磁性顆粒的合力才不為0，合力方向指向磁場梯度變大的方向（圖16b），大小為：

式中：x為鐵磁性材料的體積磁化率；V為體積；H為磁場強度；dH/dx為磁場梯度。

圖16　均勻和非均勻磁場中物體的受力

3.2.2磁鐵產(chǎn)生的磁場分析

實驗中用磁性表座作為磁場發(fā)生裝置。磁鐵在N、S極附近存在梯度磁場，且磁感線密集。由于磁場梯度不同，在N極或S極附近，物體所受磁場力的方向也不同。物體在磁場中的受力方向如圖17中空心箭頭所示。

若希望磁場能促進蝕除產(chǎn)物向電極絲后部排出，電極絲的徑向進給方向應(yīng)與圖17中實心箭頭表示方向相同，即與物體所受磁場力方向相反。

圖17　磁場力方向和切割方向示意圖

此外，根據(jù)電磁場相關(guān)知識，鐵磁性材料具有加強磁場強度及匯聚磁感線的作用。因此，當(dāng)磁性表座產(chǎn)生的磁場穿過Cr12鋼為介質(zhì)的工件時，磁場力便會顯著地增大。

3.3實驗結(jié)果

磁性表座安置方式見圖18。實驗時，分別使用磁性表座30、15、1 kgf檔，其他加工條件與表1相同。所切割工件的效率略高于不采用磁場時切割工件的效率，表面粗糙度無明顯變化。工件表面情況見圖19。從中可明顯看出，隨著磁場強度增加，燒傷程度減少。

結(jié)合第2節(jié)中的分析結(jié)論，在磁場作用下，蝕除產(chǎn)物向切縫后部更順暢地流動，所以電極絲的通道就更通暢，即D更大（圖20），燒傷程度也就越輕。

圖18　加工示意圖

圖19　不同磁場條件下的燒傷

圖20　切縫在磁場力作用下的變化

為了排除磁場可能對放電過程產(chǎn)生的影響，進行了非鐵磁性材料的加工對比。采用不導(dǎo)磁的奧氏體不銹鋼（304不銹鋼）作為工件進行切割。結(jié)果表明，是否施加磁場對燒傷條紋沒有任何影響。

為進一步分析磁場對加工的影響，在有磁場作用時和無磁場作用時進行效率對比試驗，結(jié)果見圖21?？梢?，磁場在較小能量下對加工效率影響很小，隨著能量提升，影響也相應(yīng)增大。在7.8 A的平均電流下，加工效率約有5%的提升。受機床所限，無法測試更大電流在磁場作用下對效率的影響。

圖21　磁場對效率的影響對比

3.4磁場對極間狀態(tài)的改善

既然磁場可對加工效率產(chǎn)生一定影響，那么推測放電波形也應(yīng)該會受到一定影響。

在大能量加工條件下，工作液不能充分進入切縫，極間狀態(tài)惡化，放電波形以不帶擊穿延時的微短路波形為主（圖22），說明此時極間排屑不通暢。加入磁場后，放電波形中有大量帶擊穿延時的波形（圖23），說明極間狀態(tài)有所改善。

圖23　磁場輔助大能量加工波形

4　結(jié)論

（1）在大能量加工條件下，快速堆積的蝕除產(chǎn)物阻塞了電極絲后部區(qū)域，工作液不能被電極絲帶入更深的切縫。在更深的切縫處，電極絲前部產(chǎn)生的熔融金屬顆粒無法被工作液冷卻，從而飛濺到后部的工件表面凝固，形成了燒傷條紋。

（2）施加磁場力方向與走絲方向相反的磁場有助于蝕除產(chǎn)物的排出，改善了極間條件，并使工作液能被帶到更深的切縫，減少了燒傷條紋。

［1］ 何賜文，趙晉勝.電介質(zhì)的構(gòu)成影響放電產(chǎn)物在線切割窄縫中動態(tài)分布的觀察和探究［J］.電加工與模具，2014 （6）：25-28.

［2］ DE BRUJIN H E，DELFT T H，PEKELHANG A J.Effect of a magnetic field on the gap cleaning in EDM［J］.Annals of CIRP，1978，27（1）：93-95.

［3］ 馬麗華，楊世春，曹明讓，等.永磁磁場與電火花復(fù)合加工試驗分析［J］.新技術(shù)新工藝，2008（4）：36-38.

［4］ YEO S H，MURALI M，CHEAH H T.Magnetic field assisted micro electro-discharge machining［J］.Journal of MicromechanicsandMicroengineering，2004，14（11）：1526-1529.

Effect of Magnetic Field on Surface Burning in High-Efficiency HSWEDM

Pang Haocong，Liu Zhidong，Yang Chao，Tian Zongjun
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China）

To avoid surface burning caused by high energy machining in HSWEDM，this paper explores the mechanism of burning.Dielectric which gasified largely by high energy becomes not enough to evacuate debris and cool the melt debris.Melt debris attach to the surface of gap and this is the so called burning.Magnetic field which parallel to the track of gap can improve evacuation of iron debris due to the magnetic force.The result of experiment proves that magnetic field can reduce burning apparently.The increasing proportion of waveform with ignition delay indicate that situation of inter-electrode has improved due to magnetic field.

WEDM；high efficiency；surface burning；magnetic field

TG661

A

1009－279X（2016）03－0011-05

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金資助項目（51575271）

龐昊聰，男，1988年生，碩士研究生。