基于油包水型工作液的電火花成形加工工藝實驗研究

董 行 ，劉永紅 ，王曉龍 ，紀文選 ，申 泱

（1.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.東營市科學(xué)技術(shù)局，山東 東營 257061；3.首都航天機械有限公司，北京 100076；4.清華大學(xué)機械工程系，北京 100084）

電火花成形加工是一種非接觸式特種加工技術(shù)，在有工作介質(zhì)存在的情況下，通過電極與工件之間的連續(xù)放電達到去除工件材料的目的，不受工件材料的強度和硬度的影響[1]。在制造大型或微型精密復(fù)雜零件時，電火花加工技術(shù)可作為除傳統(tǒng)機械加工外的另一個選擇，特別是對于高強、高硬等難加工材料，有時甚至是唯一的選擇[2]。電火花成形加工現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機械、航空航天、醫(yī)療、電子、儀器儀表、汽車、模具、輕工等行業(yè)[3-5]。然而，目前國內(nèi)外常用的電火花成形加工技術(shù)仍存在效率低、能耗大、加工過程中釋放有害氣體等問題[6]。

現(xiàn)階段，電火花成形加工普遍采用煤油等油基工作液作為放電介質(zhì)。煤油具有低粘度、良好的絕緣性能及電離、消電離特性，但煤油易揮發(fā)、閃點低、安全性差，且加工時易分解產(chǎn)生有毒有害氣體，不僅污染環(huán)境，還會危害人體健康。從安全、環(huán)保和經(jīng)濟效益的角度考慮，許多研究者采用水作為工作液進行電火花成形加工[7-8]。然而，由于水的粘度較低，使其對放電通道的壓縮作用小，導(dǎo)致能量密度較低而引起加工效率不高。只在一些特殊情況，例如采用黃銅電極進行負極性加工或脈沖寬度小于500 μs時，可獲得較高的材料去除率，這就進一步限制了水作為電火花成形加工工作液的普適性。

本文提出采用油包水型工作液作為放電介質(zhì)進行電火花成形加工，由于水的引入，使得油包水型工作液具有良好的安全及環(huán)保性能。通過研究峰值電流、脈沖寬度、工件極性等工藝參數(shù)對材料去除率、相對電極損耗率和表面粗糙度的影響，以探究其作為電火花成形加工工作液的工藝性能。

1 實驗條件

1.1 油包水乳液的配制

油包水乳液主要由基礎(chǔ)油、水和表面活性劑組成?；A(chǔ)油選擇白礦物油，其密度為830 kg/m3、粘度為3.1 mPa.s，水為去離子水，表面活性劑選擇Span80和Tween80兩種非離子表面活性劑。將油溶性的Span80和水溶性的Tween80分別溶于白礦物油和水，再將兩者混合，并在7000 r/min的機械攪拌下乳化5 min后，可獲取到油包水型乳液。

1.2 實驗設(shè)備及方法

所有實驗均在D7140P電火花成形機床上進行，工作介質(zhì)分別為自制的油包水乳液和采購的航空煤油。工件材料為鎳基合金Inconel 718，尺寸為5 mm×50 mm×100 mm。工具電極分別選用直徑為20、30、40 mm的紫銅棒。由于油包水乳液的粘度較大，故采用內(nèi)充液形式進行放電加工，在工具電極中心通有直徑7 mm的內(nèi)孔作為內(nèi)充液孔。

實驗過程中，用BS-224S型精密電子天平分別對加工前、后的工件和工具電極的質(zhì)量進行稱重，并用秒表記錄加工時間，分別計算出工件的材料去除率和相對電極損耗率；同時，用TR-300型粗糙度儀測量加工后的工件表面粗糙度，分別在工件表面5個不同方向進行測量，并取5次測量的平均值。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 峰值電流對工藝特性的影響

在維持電火花成形加工脈沖寬度100 μs、脈沖間隔66.7 μs固定不變的情況下，采用外徑30 mm、內(nèi)徑7 mm的紫銅棒，分別以油包水乳液和煤油作為工作液，研究不同的峰值電流對材料去除率、相對電極損耗率和表面粗糙度等工藝性能的影響。

如圖1a所示，隨著峰值電流的增加，兩種工作介質(zhì)條件下的工件材料去除率總體上均呈增大的趨勢。在低能量（峰值電流小于15 A）時，采用油包水型工作液的加工效率小于煤油工作液的加工效率；當峰值電流大于15 A時，采用油包水型工作液的加工效率則高于煤油的。而當峰值電流從55 A增加到60 A時，采用煤油工作液的加工效率甚至降低了，這是由于煤油的粘度低，當電流達到60 A時，加工間隙中的加工碎屑得不到及時排出，導(dǎo)致加工效率無法進一步提高。

圖1b是峰值電流對相對電極損耗率的影響。可看出，隨著峰值電流的增加，兩種工作介質(zhì)條件下的相對電極損耗率均相應(yīng)增大。對于油包水型工作液而言，相對電極損耗率增大的斜率隨著電流的增加而逐漸降低，當電流超過55 A時，相對電極損耗率甚至下降。而對于煤油工作介質(zhì)而言，相對電極損耗率增大的斜率與油包水乳液工作介質(zhì)具有相同的趨勢，但當電流超過55 A時，相對電極損耗率陡增。

如圖1c所示，“相對比值”是指采用油包水乳液和煤油作為工作介質(zhì)時，兩者對應(yīng)的材料去除率比值和相對電極損耗率比值。可看出，隨著峰值電流的增加，材料去除率比值呈增大趨勢，且當電流為60 A時達到最大值，約為1.5。而相對電極損耗率比值隨著電流的增加逐漸減小，比值從低電流時的5減小至約0.5。結(jié)合圖1b和圖1c的規(guī)律，可推測是油包水乳液與煤油的粘度導(dǎo)致了這樣的結(jié)果。當電流較小時，放電間隙的能量也較小，放電去除的材料較少，此時采用內(nèi)充液方式并配合粘度較大的油包水乳液，其排渣的優(yōu)勢無法體現(xiàn)，甚至?xí)绊懙湍芰糠烹娂庸さ姆€(wěn)定性，從而導(dǎo)致電極損耗率較高、材料去除率較低；當電流較大時，相較于煤油，采用油包水乳液在大能量條件下產(chǎn)生的加工碎屑能得到及時清除，且高的粘度壓縮放電通道，可使材料拋出效率提高，這些都導(dǎo)致采用油包水乳液的加工效率高于煤油的。因為相對電極損耗率為電極損耗體積與材料去除體積的比值，由于材料去除率增大，勢必會引起相對電極損耗率降低。

圖1d是峰值電流對工件表面粗糙度的影響?？煽闯觯瑑煞N工作介質(zhì)下的工件表面粗糙度值均隨著峰值電流的增加而增大。分析原因：隨著峰值電流的增加，放電能量也相應(yīng)增大，導(dǎo)致加工工件表面更粗糙。從圖1d還可知，采用兩種工作介質(zhì)加工所得的工件表面粗糙度相差不大，說明采用任一種工作介質(zhì)都不會引起工件表面質(zhì)量變差。

圖1 峰值電流對工藝特性的影響

圖2 是在峰值電流為60 A條件下，采用兩種工作介質(zhì)進行電火花放電加工的工件表面形貌?？梢?，采用油包水型工作液加工的工件表面因“剝落”產(chǎn)生的坑和表面氣孔的缺陷均優(yōu)于煤油工作液的，這也進一步驗證了表面粗糙度檢測的結(jié)果。

圖2 不同工作介質(zhì)加工的工件表面SEM照片

2.2 脈沖寬度對工藝特性的影響

在維持電火花成形加工峰值電流60 A、脈沖間隔200 μs固定不變的情況下，采用外徑30 mm、內(nèi)徑7 mm的紫銅棒，分別選取油包水乳液和煤油作為工作液，研究不同的脈沖寬度對材料去除率、相對電極損耗率等工藝性能的影響。

如圖3a所示，隨著脈沖寬度的增加，兩種工作介質(zhì)條件下的材料去除率變化規(guī)律不盡相同，這是由于隨著脈沖寬度增加，放電加工持續(xù)的時間相應(yīng)增加，而放電脈沖間隔即脈沖休止時間并未變化，而放電脈寬和脈間的合理配合是放電穩(wěn)定進行的前提，故在不同的放電介質(zhì)條件下，其最佳組合點也不同，所以放電脈沖寬度的變化會導(dǎo)致不一樣的加工結(jié)果。但在不同的脈寬條件下，采用油包水乳液具有更高的加工效率，這主要是由于油包水乳液比煤油具有更高的粘度所致。如圖3b所示，隨著脈沖寬度的增加，兩種工作介質(zhì)條件下的相對電極損耗率均呈減小趨勢。分析原因：當脈沖間隔不變時，脈沖寬度增加有助于在電極表面形成碳膜，有效阻止電極損耗。而采用油包水乳液的相對電極損耗率更小，則是由于油包水乳液相比煤油可獲得更高的材料去除率，從而削弱了相對電極損耗率。

圖3 脈沖寬度對工藝特性的影響

2.3 工件極性對工藝特性的影響

在維持電火花成形加工峰值電流20 A、脈沖寬度 100 μs、脈沖間隔 66.7 μs固定不變的情況下，采用外徑30 mm、內(nèi)徑7 mm的紫銅棒，分別選取油包水乳液和煤油作為工作液，研究工件極性對材料去除率、相對電極損耗率等工藝性能的影響。

如圖4所示，無論采用正極性加工還是負極性加工，在油包水乳液工作介質(zhì)條件下均具有更高的材料去除率。此外，工件接正極與工件接負極相比較，不論采用何種介質(zhì)，材料去除率均為前者低于后者，而相對電極損耗率則相反。這說明油包水乳液與煤油具有相同的極性效應(yīng)，且采用油包水乳液可獲得更高的材料去除率。結(jié)合圖1b和圖4b可知，與煤油相比，采用油包水乳液進行加工時，在小電流情況下選擇正極性加工、在大電流情況下選擇負極性加工，均可獲得更低的相對電極損耗率。

圖4 工件極性對工藝特性的影響

3 結(jié)論

（1）提出采用油包水型工作液進行電火花成形加工的新思路，由于水分的引入使其具有更高的安全性和環(huán)保性。

（2）隨著峰值電流的增加，采用兩種工作介質(zhì)，材料去除率和相對電極損耗率都相應(yīng)增大，采用油包水乳液比煤油具有更高的加工效率和更低的相對電極損耗率，在大峰值電流下體現(xiàn)得更明顯。

（3）隨著脈沖寬度的增加，采用兩種工作介質(zhì)，材料去除率的變化不盡相同，而相對電極損耗率均減小，且采用油包水乳液具有更高的材料去除率和更低的相對電極損耗率。

（4）油包水乳液與煤油具有相同的極性效應(yīng)，且采用油包水乳液可獲得更高的材料去除率。與煤油相比，采用油包水乳液進行電火花成形加工時，在小電流情況下選擇正極性加工、在大電流情況下選擇負極性加工，均可獲得更低的相對電極損耗率。