電火花小孔加工電極損耗及形狀變化試驗(yàn)研究

劉宇,王普永,張文超,宿崇,馬付建,張生芳

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

電火花小孔加工電極損耗及形狀變化試驗(yàn)研究

劉宇,王普永,張文超,宿崇,馬付建,張生芳

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

對(duì)電火花小孔加工進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析電極長(zhǎng)度損耗和角損耗的影響因素，得到電極材料、工件材料、加工極性對(duì)電極長(zhǎng)度損耗和角損耗的影響規(guī)律.以模具鋼為加工對(duì)象進(jìn)行電火花小孔加工，分析了小孔加工時(shí)黃銅電極與石墨電極的形狀變化規(guī)律.發(fā)現(xiàn)電極先發(fā)生角損耗，形成球狀端面，當(dāng)進(jìn)入側(cè)面損耗階段后，形成錐狀電極.試驗(yàn)結(jié)果還表明隨著加工的進(jìn)行，工具電極前端面的錐度不斷增大，但電極端面圓弧的圓心角基本恒定.

電火花；小孔；電極損耗；極性；形狀變化

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，高深徑比、高精度小孔廣泛應(yīng)用在航空航天，生物醫(yī)療、光電通訊等一些高端產(chǎn)品的零部件中，起到傳輸、散熱、定位、連接等作用.由于工作環(huán)境特殊，許多零件都需采用高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)的高性能材料制造，采用傳統(tǒng)方法對(duì)這些材料進(jìn)行高質(zhì)量的小孔加工十分困難.電火花加工利用脈沖性放電在工件和電極空隙中產(chǎn)生局部高溫，使材料熔融拋出，實(shí)現(xiàn)材料蝕除[1].由于加工過(guò)程中無(wú)宏觀切削力、切削熱，不受材料強(qiáng)度、硬度限制，因此特別適合難加工材料小孔加工.但是在電火花加工過(guò)程中電極損耗問(wèn)題突出，而電極損耗和形狀變化對(duì)加工小孔的精度影響嚴(yán)重.國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)于電火花小孔加工中電極損耗進(jìn)行了大量研究.Pradhan B B等人研究了峰值電流、脈寬、沖液壓力和占空比對(duì)電極損耗、材料去除率和錐度的影響，采用田口法優(yōu)化了加工參數(shù)，改善孔的錐度[2].王祥志等人發(fā)現(xiàn)具有氧化特性的工作介質(zhì)可在加工過(guò)程中使電極氧化，并在電極表面形成氧化保護(hù)膜，降低電極絕對(duì)損耗[3].王振龍等針對(duì)深小孔加工提出內(nèi)沖液壓力越大，加工效率越高，電極相對(duì)損耗越?。坏?dāng)壓力達(dá)到一定值后，繼續(xù)增大壓力，對(duì)提高效率和減小電極損耗的作用會(huì)減弱[4].蘭起洪等對(duì)SiCp/Al進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電源放電能量越大、放電頻率越高時(shí)電極損耗越大[5].劉宇等針對(duì)電火花加工中電蝕產(chǎn)物電極損耗嚴(yán)重等問(wèn)題，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性材料電火花小孔加工的影響，發(fā)現(xiàn)采用磁場(chǎng)電火花復(fù)合加工方法在鐵磁材料工件上加工小孔，電極損耗比普通電火花加工有明顯改善[6].

本文采用電火花加工試驗(yàn)方法研究了不同工件、工具電極材料對(duì)小孔加工過(guò)程的電極損耗和形狀變化的影響規(guī)律.綜上可見(jiàn)，前人的研究工作往往著重與小孔加工中放電參數(shù)對(duì)電極損耗的影響，對(duì)不同電極材料間的放電損耗規(guī)律研究不多，并且對(duì)加工過(guò)程中電極形狀變化規(guī)律關(guān)注較少.事實(shí)上加工過(guò)程中工具電極形狀變化是影響小孔精度的主要因素.

1 電極損耗形式

在電火花加工過(guò)程中電極損耗十分嚴(yán)重，電極損耗包括長(zhǎng)度損耗和形狀變化.長(zhǎng)度損耗使得電極軸向長(zhǎng)度減小，主要影響加工的尺寸精度，形狀變化主要影響加工的形狀精度[7].電極損耗可以分為端面損耗、角損耗、側(cè)面損耗三種形式[8].

2 電極損耗試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)方法

為分析電極材料、工件材料、加工極性對(duì)電極長(zhǎng)度損耗及角損耗的影響，設(shè)計(jì)電火花加工試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示.每組試驗(yàn)均將加工時(shí)間設(shè)置為定值，量取加工前后的電極長(zhǎng)度，計(jì)算電極損耗長(zhǎng)度，用電子顯微系統(tǒng)觀察電極端面形狀，分析角損耗情況.從而得到電極材料、工件材料、加工極性對(duì)電極長(zhǎng)度損耗和角損耗的影響.

表1 電極損耗試驗(yàn)條件

2.2 工件材料對(duì)電極損耗的影響

紫銅電極分別對(duì)模具鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金進(jìn)行電火花小孔加工試驗(yàn).整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電極損耗長(zhǎng)度情況如圖1所示.

圖1 紫銅電極加工不同材料工件的電極損耗

2.2.1 工件材料對(duì)長(zhǎng)度損耗的影響

從圖1可以看出紫銅正極性加工鈦合金時(shí)電極長(zhǎng)度損耗最大，加工硬質(zhì)合金時(shí)次之，加工模具鋼時(shí)最小.這是因?yàn)殁伜辖鸷陀操|(zhì)合金的熔點(diǎn)高于模具鋼；而模具鋼的導(dǎo)熱系數(shù)高于硬質(zhì)合金和鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)，模具鋼的熱量向外傳遞更快，放電區(qū)域溫度更低，所以加工模具鋼時(shí)電極蝕除最少.由于鈦合金的化學(xué)特性活潑，極易和氧作用，在高溫和高電場(chǎng)作用下和氧作用生成鈦的氧化物，由于氧化物的熔點(diǎn)高，導(dǎo)致加工鈦合金時(shí)電極蝕除率最高.

從圖1還可以看出負(fù)極性加工時(shí),加工鈦合金時(shí)的電極損耗最大，加工模具鋼時(shí)次之，加工硬質(zhì)合金時(shí)最小.這是因?yàn)楫?dāng)采用小脈寬負(fù)極性加工時(shí)，能量主要來(lái)自電子的轟擊，而電子逸出功排序?yàn)槟＞咪摰拇笥谟操|(zhì)合金的大于鈦合金的.逸出功越小在相同的條件下放電通道中的電子越多，電極表面得到的能量越多，電極損耗速度更快；但是加工模具鋼時(shí)的孔深卻是加工硬質(zhì)合金的1.4倍，說(shuō)明模具鋼的放電穩(wěn)定性比硬質(zhì)合金好，放電成功率更高，在相同的時(shí)間內(nèi)電極蝕除量會(huì)有所提升甚至超過(guò)硬質(zhì)合金；由于鈦的氧化物的作用，加工鈦合金時(shí)電極損耗更為嚴(yán)重.

2.2.2 工件材料對(duì)角損耗的影響

圖2為紫銅正極性加工不同材料工件時(shí)得到的電極形狀.發(fā)現(xiàn)正極性加工時(shí)電極端面角損耗較大.因?yàn)閾舸┓烹婞c(diǎn)位置分布是引起電火花加工中電極形狀改變的決定因素,而影響擊穿放電點(diǎn)位置變化的主要因素就是極間電場(chǎng)強(qiáng)度的分布.電極端面尖角，曲率的急劇變化會(huì)引起電場(chǎng)強(qiáng)度畸變，其電場(chǎng)強(qiáng)度比其它位置要高，更容易放電，導(dǎo)致電極底部邊緣位置的電蝕量大，電極在端面形成圓弧.

加工鈦合金時(shí)角損耗較小，電極兩端為圓弧，中間近似為平面；加工模具鋼和硬質(zhì)合金時(shí)角損耗較大，電極端面是球狀，但是加工模具鋼時(shí)角損耗比加工硬質(zhì)合金大.這是因?yàn)榧庸も伜辖饡r(shí)電極蝕除速度最快，其次為加工硬質(zhì)合金，加工模具鋼的電極損耗最慢.為了保證火花放電的正常發(fā)生，當(dāng)電極損耗速度較快時(shí)，工具電極在伺服系統(tǒng)的控制下同樣會(huì)以較快的速度向下進(jìn)給，這造成電極中部與底面平行距離減小，增加了工具電極中間部位的放電概率，使得電極的中間變平，角損耗不明顯.進(jìn)給速度越快，角損耗越不明顯.

圖3為紫銅負(fù)極性加工不同材料的工件時(shí)得到的電極形狀.可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論加工鈦合金、硬質(zhì)合金還是模具鋼電極端面均近乎為平面.這是因?yàn)殡娂庸?shù)設(shè)置為小脈寬，當(dāng)采用小脈寬負(fù)極性加工時(shí)，能量主要來(lái)自電子的轟擊，電子的動(dòng)能在陽(yáng)極表面轉(zhuǎn)化為熱能，使電極材料熔融拋出，導(dǎo)致工具電極的蝕除速度較快，工具電極進(jìn)給速度很快，電極中間部分參與放電概率增加，角損耗不明顯.

2.3 電極材料對(duì)電極損耗的影響

分別用紫銅、黃銅、石墨電極對(duì)模具鋼進(jìn)行小孔加工.并整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電極長(zhǎng)度損耗情況如圖4所示.

圖4 紫銅、黃銅、石墨加工模具鋼電極損耗長(zhǎng)度

2.3.1 電極材料對(duì)長(zhǎng)度損耗影響

從圖4可以看出負(fù)極性加工時(shí)黃銅電極長(zhǎng)度損耗最大，紫銅次之，石墨最小.因?yàn)樽香~的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)高于黃銅，所以其損耗長(zhǎng)度要低于黃銅；石墨電極加工時(shí)，當(dāng)電極表面瞬時(shí)溫度高于400℃且能維持一段時(shí)間，正極就會(huì)吸附介質(zhì)中游離的石墨離子，在石墨電極表面形成一定厚度和強(qiáng)度的碳黑膜，減小石墨電極的損耗，因而石墨電極損耗是最小的.在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)紫銅電極加工時(shí)工件會(huì)隨著電極的抬起而向上移動(dòng)，這是因?yàn)樽香~電極熔融后會(huì)粘附在工件表面，增加電極損耗.但是因?yàn)樾∶}寬負(fù)極性加工時(shí)電極長(zhǎng)度損耗很大，所以因粘附在工件表面而造成的電極損耗對(duì)其總損耗會(huì)影響并不明顯.

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)正極性加工時(shí)紫銅電極長(zhǎng)度損耗最大，石墨電極次之，黃銅電極最小.黃銅電極損耗低于紫銅，是因?yàn)榧庸r(shí)紫銅會(huì)有一部分粘附在工件表面，而正極性加工時(shí)工件向上抬起的頻率比負(fù)極性加工時(shí)要高，所以因粘附在工件表面而造成的損耗會(huì)更大.而正極性加工時(shí)電極損耗長(zhǎng)度較小，因粘附在工件表面而造成的損耗對(duì)電極總損耗影響很大，甚至造成紫銅電極損耗長(zhǎng)度大于黃銅電極損耗；石墨的蝕除量高于黃銅，是因?yàn)樵诠ぜ砻嫘纬商己谀ぃ瑫?huì)對(duì)工件有一定的保護(hù)作用，增加工具電極的損耗，甚至因此超過(guò)黃銅電極蝕除量.

2.3.2 電極材料對(duì)角損耗影響

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)正極性加工時(shí)石墨的端面近乎為平面，而紫銅、黃銅電極的端面卻是球狀.但是紫銅電極端面圓弧半徑卻要高于黃銅，因?yàn)檎龢O性加工時(shí)紫銅電極蝕除速度比黃銅快，進(jìn)給速度加快，電極中部間隙較小，放電概率增大，角損耗不明顯.石墨電極加工時(shí)，由于吸附效應(yīng)，會(huì)在工件表面形成一層碳黑膜，阻礙工件的蝕除，增大石墨電極本身的長(zhǎng)度損耗，因而角損耗降低.

觀察圖6發(fā)現(xiàn)紫銅電極端面近似為平面，石墨電極和黃銅電極端面近似為球狀.石墨端面呈球狀，是因?yàn)樨?fù)極性加工時(shí)在石墨電極表面會(huì)形成碳黑膜，減小石墨電極的長(zhǎng)度損耗，此時(shí)角損耗會(huì)增大，形成球狀端面；紫銅電極的端面近乎為平面的原因與紫銅負(fù)極性加工時(shí)相同.雖然黃銅電極負(fù)極性加工損耗速度很快，但黃銅電極的角損耗很大，介于黃銅和石墨之間.因?yàn)辄S銅電極的加工速度約為紫銅的2倍，加工的孔比紫銅深，電蝕產(chǎn)物排除困難，堆積在電極底部邊角處，會(huì)產(chǎn)生二次放電，加速角損耗，得到如圖6(c)所示端面形狀.2.4 加工極性對(duì)電極損耗影響

觀察圖1、圖4可以發(fā)現(xiàn)負(fù)極性加工時(shí)除石墨外的電極損耗都比正極性加工時(shí)要大，這是因?yàn)楫?dāng)采用小脈寬加工時(shí)，電子的質(zhì)量和慣性小，容易獲得很高的加速度和速度，在擊穿放電初始階段就有大量的電子奔向正極，把能量傳遞給陽(yáng)極表面，使電極材料迅速熔化和氣化.而正離子則由于質(zhì)量和慣性較大，啟動(dòng)和加速較慢，在擊穿放電的初始階段，到達(dá)負(fù)極表面并傳遞能量的只有一小部分正離子.所以當(dāng)采用負(fù)極性加工時(shí)電極損耗要比正極性加工時(shí)大.石墨電極正極性加工時(shí)的電極損耗高于負(fù)極性加工，原因和電極材料對(duì)角損耗的影響中的石墨加工模具鋼一樣.

比較圖2和圖3，圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)除石墨外正極性加工時(shí)更容易產(chǎn)生球狀端面，而石墨電極則是負(fù)極性加工時(shí)更容易產(chǎn)生球狀端面.石墨電極負(fù)極性加工時(shí)更容易產(chǎn)生球狀端面的原因與石墨負(fù)極性加工模具鋼時(shí)相同.除石墨外負(fù)極性加工時(shí)底面近似為平面，是因?yàn)樾∶}寬負(fù)極性加工時(shí)，電極損耗速度較快，電極進(jìn)給速度較快，尖端效應(yīng)弱，角損耗較少.

3 電極形狀變化規(guī)律

電極損耗中的形狀變化對(duì)于電火花小孔加工形狀精度影響尤為嚴(yán)重.為分析電極形狀變化規(guī)律，分別采用黃銅、石墨對(duì)模具鋼進(jìn)行小孔加工，觀察其形狀變化.同一組試驗(yàn)中制作多個(gè)電極分別進(jìn)行小孔加工，在固定時(shí)間將電極換下，并用電子顯微系統(tǒng)進(jìn)行拍照，觀察電極形狀變化，得到電極形狀變化規(guī)律.

3.1 黃銅電極形狀變化規(guī)律

3.1.1 正極性加工黃銅電極形狀變化規(guī)律

圖7是黃銅正極性加工模具鋼時(shí)的電極形狀變化.可以看出在放電初始階段角損耗較大，電極尖端先被蝕除形成弧狀端面；隨著電極尖角的逐漸減小，角損耗逐漸減小，當(dāng)端面進(jìn)入均勻損耗階段形成一個(gè)等勢(shì)面后，半徑在一段時(shí)間會(huì)維持不變.而進(jìn)入側(cè)面損耗階段后，端面圓弧半徑會(huì)逐漸減小.求出端面圓心角，得到圓心角和端面半徑的變化趨勢(shì)如圖8所示.

圖7 黃銅正極性加工模具鋼

圖8 正極性加工黃銅電極端面半徑及圓心角

通過(guò)觀察圓心角可以發(fā)現(xiàn)從2 min開(kāi)始，圓心角基本保持一個(gè)定值不變，這說(shuō)明電極即使進(jìn)入側(cè)面損耗階段導(dǎo)致端面圓弧半徑減小，但是因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)形成等勢(shì)面所以電極端面圓心角卻基本不變.

3.1.2 負(fù)極性加工黃銅電極形狀變化規(guī)律

觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)黃銅負(fù)極性加工模具鋼時(shí)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)端面圓弧半徑在不斷減小.從4 min開(kāi)始端面半徑雖然在不斷減小，但圓心角卻基本維持恒值不變.

圖9 負(fù)極性加工黃銅電極端面半徑及圓心角

3.2 石墨電極形狀變化規(guī)律

3.2.1 負(fù)極性加工石墨電極形狀變化規(guī)律

觀察圖10同樣可以發(fā)現(xiàn)端面圓弧半徑在逐漸減小，但是從6 min開(kāi)始端面半徑雖然在不斷減小，圓心角卻基本不變.

圖10 負(fù)極性加工石墨電極端面半徑及圓心角

3.2.2 正極性加工石墨電極形狀變化規(guī)律

石墨電極正極性加工時(shí)，沒(méi)有形成負(fù)極性加工時(shí)的錐狀電極.這是因?yàn)椴捎谜龢O性加工時(shí)會(huì)在工件表面形成一層碳黑膜，保護(hù)工件不被蝕除，而電極的蝕除速度卻會(huì)提高.為保證正常放電，石墨電極會(huì)有很快的進(jìn)給速度，尖端效應(yīng)的影響減弱，角損耗不明顯.

4 結(jié)論

在電火花加工過(guò)程中電極損耗十分嚴(yán)重，而且其大大降低了加工精度.為了分析電極損耗影響因素，采用單因素試驗(yàn)研究方法分析了電極材料、工件材料、加工極性對(duì)電極長(zhǎng)度損耗和角損耗的影響；同時(shí)也分析了黃銅和石墨電極加工模具鋼時(shí)的電極形狀變化過(guò)程，分析電極形狀變化規(guī)律.得到如下結(jié)論：

(1)石墨電極采用負(fù)極性加工時(shí)可以明顯的減小電極損耗，同時(shí)相對(duì)于正極性加工更容易產(chǎn)生錐狀電極；

(2)在采用小脈寬負(fù)極性加工時(shí)電極損耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正極性加工電極損耗速度，而且正極性加工電極端面更容易產(chǎn)生圓??；

(3)電極損耗速度越慢，角損耗現(xiàn)象越明顯，電極端面越容易產(chǎn)生弧狀端面；

(4)電火花加工過(guò)程中由于尖端效應(yīng)的影響，導(dǎo)致電極兩端先被蝕除，形成球狀端面，當(dāng)電極進(jìn)入側(cè)面損耗階段，會(huì)形成錐狀電極，隨著加工的進(jìn)行，錐度逐漸增大，但電極端面圓弧的圓心角基本恒定.

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Experiment Research on Tool Wear and Shape Change in Small Hole Electrical Discharge Machining

LIU Yu,WANG Puyong,ZHANG Wenchao,SU Chong,MA Fujian,ZHANG Shengfang

(School of Mechanical Engineering Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Experiment is conducted on small hole EDM to analyze the factors of electrode length loss and periphery loss,and the influences of electrode material, workpiece material and the polarity effect are obtained.Taking die steel as the research object and carrying small hole EDM,the shape variation of brass electrode and graphite electrode in small hole machining is analyzed.It is found that the electrode occurs periphery loss first,forming a spherical end surface.After entering the lateral electrode,it will form a tapered electrode.The test results also show that with the advance of processing,the taper of the front end face of the tool electrode is increasing,but the electrode surface of circular arc angle is almost constant.

EDM;hole machining;tool wear;polarity;shape change

1673- 9590(2017)03- 0046- 05

2016- 06- 03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405058)；遼寧省教育廳科技平臺(tái)資助項(xiàng)目(JDL2016006)；大連市人才專項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016RQ054)

劉宇(1982-)，男，副教授，博士，主要從事微細(xì)、特種加工理論與技術(shù)的研究E-mail:liuyu_ly12@djtu.edu.cn.

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