電火花放電微細(xì)電極振動(dòng)的測(cè)量與研究

趙之謙，朱燁添，李 淋，吳 江，裴景玉

（ 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240 ）

隨著工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)對(duì)微細(xì)化、精密化零件的需求也越來越大[1-2]。 響應(yīng)國(guó)家 “中國(guó)制造2025”[3]的號(hào)召，要實(shí)現(xiàn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的目標(biāo)，高精度、極微細(xì)制造技術(shù)至關(guān)重要。 精密機(jī)械中的很多關(guān)鍵微細(xì)零部件都離不開微細(xì)制造。 而微細(xì)電火花加工技術(shù)是微細(xì)制造中的一種重要加工方法。

電火花脈沖放電產(chǎn)生的沖擊作用力是客觀存在的。 已有研究表明，電火花加工過程中盡管沒有宏觀的機(jī)械作用力，但在工件和電極之間存在因放電產(chǎn)生的沖擊力[4]。 在普通電火花成形加工工藝中，電極尺寸較大且具有穩(wěn)定的形狀，故一般可忽略放電脈沖引起的沖擊力的影響。 而在電火花線切割加工工藝中，可將所用的電極絲視為極大長(zhǎng)徑比的電極，其剛度低，易受加工過程中放電力的影響，從而影響工件的加工效果[5]。 Kunieda 等[6]研究了干式電火花線切割中的加工作用力， 認(rèn)為在加工過程中，電極和工件之間主要存在兩種作用力：脈沖作用力和靜電力。 褚旭陽(yáng)等[7]認(rèn)為，電極絲這種柔性體在加工過程中易受力的干擾而改變其形狀和位置，影響加工精度。

對(duì)于更具一般性的電火花加工放電脈沖力研究，國(guó)內(nèi)外也已積累了相當(dāng)一部分成果。Kunieda[8]總結(jié)分析了在較大參數(shù)的電火花加工過程中，放電能量較大，認(rèn)為靜電力明顯小于放電力，可忽略不計(jì)，故電火花加工中的主要作用力是脈沖放電力。 張勤河等[9]提出了測(cè)量脈沖放電產(chǎn)生微細(xì)作用力的兩種方法，即直接測(cè)量法和霍普金森桿法，前者測(cè)量方便但不夠精確，后者較前者精確但其測(cè)量系統(tǒng)的搭建及計(jì)算過程復(fù)雜度高。 李劍忠等[10]通過微細(xì)電極加工孔實(shí)驗(yàn)，得出電極越長(zhǎng)、加工孔徑越大的結(jié)論。

在微細(xì)電火花加工微小尺寸零件時(shí)，不可忽視電極與工件之間的放電作用力，必須考慮該作用力對(duì)加工零件的影響。 為了探究放電脈沖力在極間的作用機(jī)理，本文在微細(xì)尺度下，將電極和工件的尺寸控制在1 mm 以下， 利用顯微鏡和高速相機(jī)對(duì)放電過程及放電前后電極的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行直接觀測(cè)，并利用Matlab 軟件將拍攝到的電極振動(dòng)圖片進(jìn)行一列圖像二值化、邊緣檢測(cè)、振幅計(jì)算等處理，從而得到單次脈沖下的電火花放電作用力對(duì)電極振動(dòng)的影響結(jié)果；同時(shí)，通過改變電流、脈寬等電參數(shù)，對(duì)不同電參數(shù)下的振幅做數(shù)據(jù)和誤差分析。

1 單脈沖放電作用下的電極振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募胺桨?/h3>

為了直接觀察電極在放電瞬間前后的振動(dòng)變化情況及為后續(xù)估算作用力準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，本文進(jìn)行了單脈沖放電作用下的電極振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了峰值電流、脈寬及放電能量對(duì)振動(dòng)的影響。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1和圖2。 采用Roboform 35 型機(jī)床，主要觀測(cè)設(shè)備是顯微鏡和高速相機(jī)組成的圖像采集系統(tǒng)，包括VHZ450 高倍率變焦距鏡頭 （放大倍數(shù)450～3000）、V1210 型高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)， 可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)尺度的觀測(cè)， 圖像則通過配套軟件Phantom Camera Control Application 呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上， 并用平行光源MTWL40 作為背光源。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，空心黃銅電極由彈簧夾頭夾持固定在機(jī)床底座上，工件被安裝在機(jī)床夾頭上；工件做成尖狀置于電極側(cè)面， 其尖端指向電極末端側(cè)面，確保放電過程中只發(fā)生一次放電； 工件尖端按5 μm的步進(jìn)距離沿Y軸負(fù)方向靠近電極，直至放電。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。 工件的原始厚度為0.1 mm，為保證其尖銳程度， 實(shí)驗(yàn)前用砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨，實(shí)際尖部厚度約為20 μm。 峰值電流的取值為1.5、3、12、24、48 A，脈寬的取值為3.2、6.4、12.8、25、50、100、200、400 μs， 將峰值電流與脈寬的乘積能級(jí)作為劃分實(shí)驗(yàn)序號(hào)的依據(jù)。

表1 加工參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法

采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)， 用Phantom Camera Control Application 進(jìn)行拍攝， 設(shè)置錄屏幀率為1000 FPS、畫面尺寸為1200×800 Pixel。 開始實(shí)驗(yàn)前，調(diào)整顯微鏡、高速相機(jī)、工件及電極，使電極與工件尖端進(jìn)入視野，并使兩者初始間距約30 μm；實(shí)驗(yàn)開始后，設(shè)定程序使機(jī)床夾頭帶著工件尖端按5 μm 的步距步進(jìn)靠近電極，直至放電；保留放電前后各2 s 時(shí)間的視頻，共保留4 s，即拍攝4000 張照片，完成一次拍攝。 將這4000 張照片導(dǎo)入Matlab 軟件進(jìn)行二值化、腐蝕膨脹、邊緣提取等處理后，得到電極邊緣的像素位置； 分析比較4000 張照片中每一張電極邊緣的像素位置，再標(biāo)定像素和實(shí)際位移的尺寸，從而生成電極的振動(dòng)位移圖。 為盡可能保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，針對(duì)同一組參數(shù)重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，并取三次實(shí)驗(yàn)的平均值作為所測(cè)的振幅峰值。

本實(shí)驗(yàn)將高倍率變焦距鏡頭的放大倍數(shù)設(shè)定為1500 倍， 在圖像處理前對(duì)拍攝圖像進(jìn)行尺寸標(biāo)定，得到像素和實(shí)際距離之間的轉(zhuǎn)換比例關(guān)系（比例尺為0.257 μm/Pixel）。 圖3 是圖像處理過程中某次實(shí)驗(yàn)圖像放入Matlab 軟件經(jīng)二值化處理、腐蝕膨脹和邊緣提取后得到的放電瞬間前后的兩幀圖片。如圖3a 所示，左側(cè)尖端物體為削尖的不銹鋼工件，右側(cè)圓柱物體為黃銅電極；如圖3b 所示，由于火花在放電后將工件蝕除掉了， 故看不到左側(cè)的工件，僅留有電極。

實(shí)驗(yàn)提取圖3 所示電極的左側(cè)邊緣像素點(diǎn)，將其作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 分析每一幀照片的像素偏移量。圖4 是對(duì)4000 張照片進(jìn)行分析后得到的電極邊緣振動(dòng)圖片像素位置-時(shí)間曲線。 可看出，放電對(duì)電極穩(wěn)定性有明顯干擾。

為了方便從圖上獲得振動(dòng)幅值信息，將像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換為位移距離，從而使得放電后電極邊緣的位移振動(dòng)情況更直觀、清晰，如圖5 所示。 由此完成了圖像處理和數(shù)據(jù)采集過程。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)劃

峰值電流和脈寬這兩個(gè)單因素與放電能量呈正相關(guān)關(guān)系。 隨著峰值電流的提高或脈寬的增加，電路輸出總能量等比增加。 因此，本文通過設(shè)定峰值電流和脈寬以及峰值電流和脈寬的乘積能級(jí)開展實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定見表2。 其中，序號(hào)欄有兩個(gè)數(shù)字，第一個(gè)數(shù)字代表能級(jí)代號(hào)，第二個(gè)數(shù)字代表峰值電流代號(hào)。 峰值電流通過與不同脈寬組合得到相近的能量，從而將其劃分為同一能級(jí)。 本實(shí)驗(yàn)共劃分了三個(gè)能量級(jí)別。 可見， 本實(shí)驗(yàn)共有18 組參數(shù)，每組參數(shù)重復(fù)3 次，共有54 組數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)規(guī)劃表

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果展示

本文將峰值電流和脈寬作為控制變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。每組參數(shù)取振幅最大值作為該參數(shù)下的電極振幅值，實(shí)驗(yàn)還選取能級(jí)等級(jí)分別為L(zhǎng)=1、L=2、L=4 的情況，進(jìn)行同一能量等級(jí)、不同參數(shù)組合及不同能級(jí)之間的對(duì)比研究。

根據(jù)能級(jí)劃分，之后得到的同一能級(jí)下振幅隨電流增大的變化趨勢(shì)見圖6。當(dāng)峰值電流一定時(shí)，比較振幅隨脈寬增大的變化趨勢(shì)見圖7。 當(dāng)脈寬一定時(shí)，比較振幅隨峰值電流增大的變化趨勢(shì)見圖8。

表3 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上述結(jié)果中得到以下規(guī)律：

（1）從圖6 來看，不同能級(jí)曲線的變化有一定的一致性，會(huì)隨著峰值電流的相對(duì)增大和脈寬的相對(duì)減小，出現(xiàn)振幅先減小、后增大、再減小的情況。故可認(rèn)為，在小電流、大脈寬階段，峰值電流對(duì)電極的作用力占主導(dǎo)因素；在大電流、小脈寬階段，小脈寬對(duì)作用力產(chǎn)生明顯制約。

（2）從圖6 來看，在所有能級(jí)中，實(shí)驗(yàn)序號(hào)為1的小電流、大脈寬的振幅要大于實(shí)驗(yàn)序號(hào)為6 的大電流、小脈寬的振幅，且隨著能級(jí)的增大，實(shí)驗(yàn)序號(hào)1 和序號(hào)6 的振幅之間的差值越小。

（3）從圖6 來看，在實(shí)驗(yàn)序號(hào)為1 的小電流、大脈寬階段，振幅的大小順序是L1>L2>L3；在其他階段， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相反， 振幅大小順序是L3>L2>L1。

（4）從圖7 來看，電極振幅隨著脈寬的增大而增大；但在小電流、大脈寬的情況下，振幅隨著脈寬的增大而減小。

（5）從圖8 來看，電極振幅基本隨著峰值電流的增大而增大；在大脈寬的情況下，振幅隨著電流增大而先減小后增大。

（6）電極的振幅與峰值電流和脈寬的綜合作用因素有關(guān)。 總的來說，振幅與能級(jí)大小呈現(xiàn)正比關(guān)系，即能級(jí)越大，振幅越大。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原理分析

上述變化規(guī)律表明，電極受到作用力導(dǎo)致振動(dòng)的程度是峰值電流和脈寬綜合作用下的結(jié)果，為此建立了如圖9 所示的氣中放電作用力示意圖，并主要從粒子作用和能量分配兩個(gè)角度進(jìn)行原理分析。

根據(jù)電火花加工極性效應(yīng)，基于本文在空氣中進(jìn)行單脈沖放電、電極接負(fù)極的條件[11]，可作出如下推理：電極作為陰極，其材料被蝕除的主要原因是受到放電通道中陽(yáng)離子的轟擊，這也是其所受放電作用力的主要來源；相應(yīng)地，工件被蝕除主要是由于放電過程中電子的轟擊。 此外，電極還受工件拋蝕產(chǎn)物的附著沖擊和放電通道擴(kuò)展、通過空氣介質(zhì)傳遞的沖擊作用，但上述作用力相對(duì)較小。

2.1 從粒子作用角度分析

與電子轟擊陽(yáng)極相比， 陽(yáng)離子的質(zhì)量更大、加速度更小，電子在短時(shí)間內(nèi)就能充分加速并轟擊陽(yáng)極，而陽(yáng)離子則需更多時(shí)間。 因此，只有當(dāng)脈寬足夠大時(shí)，陽(yáng)離子才能被充分加速，其轟擊帶給電極的作用力才更大，放電能量也才能較充分地轉(zhuǎn)化為電極的機(jī)械能。

在大電流、小脈寬的情況下，脈寬過小會(huì)在一定程度上限制放電通道中陽(yáng)離子的加速時(shí)間，使其轟擊電極時(shí)尚未完成充分加速，能限制放電能量向電極振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化時(shí)的比例。 另外，除了放電通道中的陽(yáng)離子，熔融態(tài)的工件金屬材料，其整體帶正電荷，在電場(chǎng)作用下也會(huì)向電極轟擊，并最終粘附在電極上。 該作用與陽(yáng)離子類似，因其質(zhì)量更大、加速度更小， 能量傳遞能力更易受時(shí)間因素的影響。 因此，在大電流、小脈寬的情況下，脈寬的微小增加對(duì)電極的振動(dòng)有明顯的促進(jìn)作用，小脈寬對(duì)電極振動(dòng)的制約作用非常顯著（圖7）；而在小脈寬的情況下，峰值電流的繼續(xù)增大對(duì)電極振動(dòng)影響較?。▓D8）。

2.2 從能量角度分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，在電火花加工過程中，電路產(chǎn)生的總能量被分配成三個(gè)部分，即：傳遞給陽(yáng)極的能量、 傳遞給陰極的能量及用于等離子通道生成、維持和擴(kuò)張的能量。

在小電流、大脈寬的情況下，能量在時(shí)間軸上相對(duì)分散， 同時(shí)放電通道有較充足的時(shí)間向外擴(kuò)張，持續(xù)散失能量，帶來的效應(yīng)是放電能量大部分用于放電通道的形成及維持，通過電子轟擊工件傳遞的能量及陽(yáng)離子轟擊傳遞給電極的能量相對(duì)較??；當(dāng)電流增大時(shí)，放電通道的形成及維持需要更多的能量，同時(shí)其散失能量也更多，因此帶給電極、工件的能量增加程度是有限的。 因此出現(xiàn)了圖6 所示的小電流、大脈寬情況下，高能級(jí)振幅小于低能級(jí)振幅的現(xiàn)象。

綜上所述，可認(rèn)為將放電參數(shù)的組合分為兩個(gè)階段，即小電流、大脈寬階段和大電流、小脈寬階段。 對(duì)于前者，峰值電流是主要影響因素，較小的峰值電流會(huì)制約放電產(chǎn)生的作用力；對(duì)于后者，脈寬是主要影響因素，較小的脈寬會(huì)明顯限制作用力。

3 結(jié)論

（1）本文建立了一種測(cè)量側(cè)向單脈沖放電情況下電極振幅的實(shí)驗(yàn)方法，并提出了基于Matlab 的圖像識(shí)別和數(shù)據(jù)處理方案，探究了峰值電流、脈寬及兩者乘積對(duì)電極振動(dòng)的影響，進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。

（2）本文發(fā)現(xiàn)在微細(xì)尺度下進(jìn)行微細(xì)電火花加工時(shí)，確實(shí)存在電極振動(dòng)，且不可忽視。 通過前述模型對(duì)多組電參數(shù)下的電極振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量并分析數(shù)據(jù)的規(guī)律性。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在小電流、大脈寬的情況下， 放電通道在其形成后無法維持大脈寬下的能量，且能級(jí)越大、散失的能量也越大，這會(huì)導(dǎo)致低能級(jí)的電極振幅大于高能級(jí)的電極振幅的情況；在其他情況下，能級(jí)是峰值電流和脈寬乘積的主要影響因素，電極振幅隨著能級(jí)的增大而增大。