電火花線切割大電流條件下電參數(shù)對(duì)加工性能的影響

王文昭，邱明波，劉志東，張 明，邵程杰

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

電火花線切割加工是利用工件與電極絲間進(jìn)行脈沖性火花放電時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫對(duì)工件材料進(jìn)行加工[1]。憑借獨(dú)特的熱加工原理，電火花線切割成為實(shí)現(xiàn)難加工材料加工的重要方式之一。電火花線切割機(jī)床可分為單向走絲和往復(fù)走絲兩大類。單向走絲電火花線切割機(jī)床的電極絲以低于0.2 m/s的速度做單向運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定切割時(shí)的加工速率可達(dá)350 mm2/min，甚至更高；往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的電極絲以8～12 m/s的速度做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定加工時(shí)的切割效率普遍約為120 mm2/min[2-3]。較低的加工效率嚴(yán)重阻礙了往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的應(yīng)用，因此為了實(shí)現(xiàn)高效加工，需對(duì)大能量條件下的往復(fù)走絲電火花線切割加工進(jìn)行研究。

在單向走絲電火花線切割機(jī)床上，普遍采用窄脈寬、高峰值電流的高頻脈沖電源進(jìn)行加工，通過增加材料氣化蝕除的比例來提高加工效率[4]。日本三菱電機(jī)公司在研制FA-V系列電火花線切割機(jī)床時(shí)對(duì)脈沖電源進(jìn)行了改進(jìn)，采用新型的窄脈寬、大峰值電流的加工方式，加工效率可達(dá)500 mm2/min[5]。瑞士阿奇夏米爾公司研發(fā)的Clean Cut脈沖電源，其峰值電流可達(dá)1200 A、電壓可達(dá)250 V，加工效率也能達(dá)到500 mm2/min[6]。但采用窄脈寬、大峰值電流的高頻放電電源，會(huì)大幅提高斷絲的可能性[7]。

由于往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上的電極絲是循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，若直接采用單向走絲電火花線切割機(jī)床上的窄脈寬、高峰值電流的電源將會(huì)造成斷絲，且嚴(yán)重影響加工穩(wěn)定性。本文借鑒上述單向走絲電火花線切割機(jī)床電參數(shù)的研究成果，在不改變往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床電源的前提下，通過調(diào)節(jié)電參數(shù)分別采用小脈寬、大峰值電流和大脈寬、小峰值電流兩種方式進(jìn)行加工，探索大能量條件下兩種加工方式對(duì)加工效果的影響。

1 試驗(yàn)條件

在大電流條件下進(jìn)行加工時(shí)，隨著放電能量的增大，電極絲上的張力波動(dòng)會(huì)更加明顯。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)方面：第一，放電能量增加使電極絲上的放電損耗增大，引起電極絲張力波動(dòng)；第二，放電能量增加使加工區(qū)域的放電爆炸力增大，電極絲受較大爆炸力的影響，空間位置變化，加劇電極絲的振動(dòng)，導(dǎo)致電極絲張力變化明顯。本試驗(yàn)為了改善大電流條件下的極間放電狀態(tài)、提高加工的穩(wěn)定性，采用閉環(huán)式張力調(diào)節(jié)裝置對(duì)電極絲的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)條件見表1，閉環(huán)張力調(diào)節(jié)裝置控制流程見圖1。

本試驗(yàn)主要采用大脈寬、小峰值電流和小脈寬、大峰值電流兩種加工方式進(jìn)行加工，并在平均電流相同的條件下對(duì)兩種加工方式進(jìn)行試驗(yàn)探究。試驗(yàn)參數(shù)分別見表2和表3。

表1 試驗(yàn)條件

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)與張力控制流程

表2 小脈寬大峰值電流加工電參數(shù)

表3 大脈寬小峰值電流加工電參數(shù)

2 加工機(jī)理分析

2.1 放電通道擴(kuò)展模型

圖2是兩種電參數(shù)條件下的加工機(jī)理。其中，如圖2a所示，在小脈寬、大峰值電流加工條件下，由于脈寬較小，單次放電持續(xù)時(shí)間短，兩極間由正離子和電子形成的放電通道擴(kuò)展時(shí)間也短，形成的放電通道半徑小，放電通道中的電子和正離子對(duì)工件和電極絲的轟擊作用小，使工件表面形成的放電蝕除坑小且淺，放電產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物顆粒少且小，有利于產(chǎn)物快速排出極間，防止在極間發(fā)生阻塞。另外，小的放電通道半徑還能減小加工過程中電極絲的放電損耗及電極絲的斷絲幾率。如圖2b所示，在大脈寬、小峰值電流加工條件下，由于大脈寬條件下單次放電時(shí)間長(zhǎng)，放電通道擴(kuò)展時(shí)間充足，故形成的放電通道半徑大，產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物顆粒大且多，極易堵塞極間，造成集中放電。

圖2 兩種加工條件下的放電通道和極間加工狀態(tài)

2.2 極間放電波形分析

在往復(fù)走絲電火花線切割加工過程中，放電波形能直觀地反映極間放電狀態(tài)和加工過程的穩(wěn)定性[8]。圖3a、圖3b分別是小脈寬、大峰值電流和大脈寬、小峰值電流加工條件下的放電波形圖?？梢?，在相同時(shí)間內(nèi)小脈寬、大峰值電流的放電頻率更高，在頻繁爆炸力的作用下極間的蝕除產(chǎn)物能分散成更小的顆粒及時(shí)被拋離極間，保持較好的極間放電狀態(tài)。相反，大脈寬、小峰值電流的放電頻率較小，放電產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物不易被拋離極間，極易造成極間放電狀態(tài)惡化。

圖3 不同平均電流下的放電波形圖

放電波形中的擊穿延時(shí)能反映加工過程中極間是否含有充足的工作液。當(dāng)極間含有工作液時(shí)，若要建立放電通道則需先擊穿工作液，該過程體現(xiàn)在放電波形上就是擊穿延時(shí)；相反，若放電波形中沒有擊穿延時(shí)現(xiàn)象就說明極間缺乏工作液，極間放電狀態(tài)惡化[9]。如圖3a所示，在小脈寬、大峰值電流的放電波形中，有擊穿延時(shí)現(xiàn)象的放電波形比例較高，說明此時(shí)極間含有充足的工作液。分析原因：小脈寬、大峰值電流加工條件下，單次放電時(shí)間短，極間工作液氣化較少，同時(shí)由于占空比較小，極間的工作液在脈沖間歇階段能得到及時(shí)補(bǔ)充，保證極間擁有較充足的工作液，且能對(duì)極間進(jìn)行充分冷卻和消電離，而良好的極間放電狀態(tài)可使加工表面的燒傷程度減小（圖4a）。如圖3b所示，在大脈寬、小峰值電流條件下，大多數(shù)的放電波形處于微短路狀態(tài)而沒有擊穿延時(shí)現(xiàn)象，說明此時(shí)極間工作液氣化嚴(yán)重，不能及時(shí)將蝕除產(chǎn)物從極間排出，使極間放電狀態(tài)惡化，工件表面的燒傷程度隨之嚴(yán)重（圖4b）。

圖4 不同平均電流下的工件表面燒傷情況

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 電參數(shù)對(duì)加工效率的影響

圖5a、圖5b分別是兩種加工條件下的加工效率和表面粗糙度隨著平均電流變化的趨勢(shì)圖。由圖5a可見，無論采用哪種加工方式，加工效率都隨著平均電流的增加而增大，但在大脈寬、小峰值電流條件下的加工效率比小脈寬、大峰值電流條件下的高20%。這一結(jié)果與單向走絲電火花線切割機(jī)床加工得到的結(jié)論正好相反。分析原因：受機(jī)床電源影響，單向走絲電火花線切割機(jī)床電源能達(dá)到的峰值電流高達(dá)幾百安培甚至更高，而在普通往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上，當(dāng)功放管的個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后會(huì)受機(jī)床電源限制，若再增加功放管數(shù)量，峰值電流的變化不明顯且達(dá)到的最大峰值電流較小。本研究涉及的最大峰值電流只有48 A，在該條件下的工件材料蝕除方式仍以熔化蝕除為主，從而導(dǎo)致加工效率較低。

圖5 不同加工條件下的加工速率、表面粗糙度與平均電流的關(guān)系

3.2 電參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響

表面粗糙度是衡量電火花線切割加工表面質(zhì)量的重要參數(shù)項(xiàng)，能從宏觀上反映工件的加工表面質(zhì)量[10]。本試驗(yàn)采用表面粗糙度儀在工件表面五個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，然后取平均值作為工件加工表面的實(shí)際粗糙度值。從圖5b可見，小脈寬、大峰值電流加工方式所獲得的加工表面粗糙度值更小，表面質(zhì)量更好。

為了進(jìn)一步分析電參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響，在平均電流相同時(shí)對(duì)兩種加工條件下的工件表面進(jìn)行金相顯微鏡觀察，結(jié)果見圖6?？梢姡∶}寬、大峰值電流加工條件下的工件表面蝕除坑小而淺，工件表面質(zhì)量整體較好（圖6a）；在大脈寬、小峰值電流加工條件下的工件表面蝕除坑大而深，工件表面熔融產(chǎn)物較多，表面質(zhì)量較差。

4 結(jié)論

圖6 相同平均電流、不同加工條件下的工件表面金相顯微鏡圖

（1）在平均電流相同時(shí)，大脈寬、小峰值電流的加工效率比小脈寬、大峰值電流的加工效率高約20%，但前者的加工表面質(zhì)量較差。

（2）小脈寬、大峰值電流的加工表面優(yōu)于大脈寬、小峰值電流的原因是小脈寬條件下的放電時(shí)間短，形成的放電通道半徑小，在工件表面形成的蝕除坑小而淺；大脈寬條件下放電時(shí)間足夠長(zhǎng)，放電通道半徑大，在工件表面形成的放電坑大而深。

（3）在普通往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上，小脈寬、大峰值電流加工時(shí)，由于脈沖電源輸出能量限制，工件材料的蝕除方式依舊以熔化為主，加工效率較低。

（4）在平均電流相同時(shí)，小脈寬、大峰值電流條件下由于放電時(shí)間短、放電頻率高，放電產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物顆粒小而少、極間工作液氣化少，故此時(shí)的極間放電狀態(tài)優(yōu)于大脈寬條件下的極間放電狀態(tài)，所獲得的加工表面的燒傷程度更小。