電火花加工中電腐蝕的攻關(guān)難題解決方式

劉剛

摘? 要：在使用電火花加工技術(shù)時(shí)，可能會遇到一些高熔點(diǎn)、難加工的材料，如果沒有對加工細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，那么會對工件材料的整體質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，針對電火花加工技術(shù)應(yīng)用期間出現(xiàn)的一些常見問題進(jìn)行探討，使加工工作可以高效開展。該文在明確電火花加工技術(shù)的優(yōu)勢和其中存在的問題后，基于工程數(shù)據(jù)構(gòu)建出相應(yīng)的預(yù)測模型，通過實(shí)際工程運(yùn)用，對加工中的參數(shù)進(jìn)行預(yù)測性計(jì)算，從側(cè)面驗(yàn)證該模型的真實(shí)性和有效性，以供參考。

關(guān)鍵詞：電火花;深盲孔;加工能力;深度預(yù)測

中圖分類號：TG661? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電火花加工技術(shù)自從出現(xiàn)后，在工業(yè)加工領(lǐng)域中就得到了廣泛的發(fā)展和運(yùn)用，這種直接使用電能進(jìn)行加工的技術(shù)，在一些難以加工的導(dǎo)電材料上效果較優(yōu)。目前，電火花加工在波導(dǎo)類深孔、盲孔、臺階類產(chǎn)品上效果較優(yōu)，但在一些細(xì)節(jié)參數(shù)的計(jì)算上存在一定問題，這也是行業(yè)內(nèi)的一大難題，現(xiàn)有的一些測量方式，過程復(fù)雜、難度較大，準(zhǔn)確性較低，要想提高加工效率和加工質(zhì)量，就要對加工參數(shù)進(jìn)行全面的預(yù)測計(jì)算。

1 電火花加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

電火花加工技術(shù)在數(shù)控程序的控制下，對輪廓進(jìn)行加工，全面節(jié)省了加工的費(fèi)用，在實(shí)際發(fā)展過程中，不需要對工具電極進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，生產(chǎn)周期也可以得到控制，使經(jīng)濟(jì)最大化。在實(shí)際加工過程中，電極和各個(gè)工件之間不具備切削力，在一些細(xì)小和剛度較低的工件加工中應(yīng)用。除此之外，電火花加工也不受工件硬度影響，材料的應(yīng)用效率較高，整體損耗量較小，加工精確度較高。

總的來看，電火花加工技術(shù)是一種綠色制造技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，得到的加工表面粗糙度較小、直線精確度較高、放電間隙窄、加工表面沒有電解腐蝕，因此在精加工中得到了廣泛應(yīng)用。雖然在電火花加工技術(shù)不斷創(chuàng)新的過程中，加工精度、穩(wěn)定性都在不斷提高，傳統(tǒng)加工技術(shù)中存在的問題得到解決，但是其中也存在一定的問題，例如接刀和電腐蝕等。在此基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析和研究，為加工提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考，使加工機(jī)理更加完善，加工質(zhì)量也會得到提高[1]。

2 電火花加工技術(shù)存在的問題

電火花加工技術(shù)應(yīng)用初期，因其克服了傳統(tǒng)加工技術(shù)中局限性，在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，如航空航天領(lǐng)域、工業(yè)模具領(lǐng)域以及醫(yī)療器械領(lǐng)域等。隨著使用時(shí)間的推移，其暴露出來的問題也逐漸增加。想要讓電火花加工技術(shù)朝著自動化、精密化、高效化、智能化、細(xì)微化、安全化、環(huán)?；姆较蚓C合發(fā)展，就必須要對電火花加工中電腐蝕的公關(guān)難題解決方式進(jìn)行深入的仿真分析研究，得到具體數(shù)據(jù)模型，提高實(shí)際生產(chǎn)中的加工精度和加工效率。

作為目前機(jī)械加工中一項(xiàng)極其重要的技術(shù)，目前，50%的制造行業(yè)都對電火花加工技術(shù)和裝備有直接的需求，但是電腐蝕等公關(guān)難題對工藝范圍、加工效率的擴(kuò)大和提高產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，電火花加工本身穩(wěn)定較差，尤其是在面對熔點(diǎn)較高的材料進(jìn)行深孔加工時(shí)，這一問題被進(jìn)一步突出。電腐蝕問題就是因?yàn)殡S著加工屑不斷增加，電介質(zhì)絕緣強(qiáng)度隨之下降，拉弧脈沖出現(xiàn)的概率逐漸增加，最終導(dǎo)致有害脈沖逐漸占據(jù)加工間隙，造成表面燒傷[2]。因此，想要解決電火花加工波導(dǎo)類深孔、盲孔、臺階類產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)生的接刀和電腐蝕的公關(guān)難題，就要確定電火花加工的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)在這方面已經(jīng)有了大量的研究，但產(chǎn)生的效果非常有限，這是因?yàn)殡娀鸹庸み^程本身較為復(fù)雜，而且缺少量化分析，需要對其進(jìn)行實(shí)時(shí)性的調(diào)整，才能夠真正穩(wěn)定加工過程，實(shí)現(xiàn)自動化。

3 電火花加工技術(shù)的實(shí)驗(yàn)分析

通過前文分析對電火花加工技術(shù)有了基本的了解，也明確了在加工過程中可能出現(xiàn)的問題。通過實(shí)驗(yàn)獲取得到電火花的相應(yīng)參數(shù)，構(gòu)建形成相應(yīng)的模型，以此保證加工精確度，有效規(guī)避因?yàn)榉€(wěn)定性較弱而產(chǎn)生的問題。實(shí)驗(yàn)中采用的是NC-EDM ES540電火花機(jī)，M0252電火花油，采用浸液式加工方式進(jìn)行加工，圖1為電火花加工示意圖，表1為電火花加工參數(shù)。

采用正交實(shí)驗(yàn)法，一共設(shè)計(jì)了25組正交試驗(yàn)，嚴(yán)格控制變量，每組加工時(shí)間都控制在30 min內(nèi)。根據(jù)實(shí)際的參數(shù)信息進(jìn)一步分析，電火花加工技術(shù)表面粗糙度是反映加工技術(shù)最基本的因素，表面粗糙度直接影響到了使用壽命、潤滑、使用、疲勞強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等方面。從實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果數(shù)據(jù)來看，不同電參數(shù)下工件表面粗糙度值不同，殘余高度值和表面粗糙度呈現(xiàn)出正相關(guān)。在電參數(shù)相同的情況下，如果出現(xiàn)不同的偏移量，則會導(dǎo)致放電間隙出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響到加工屑排出等問題。雖然偏移量不會影響到工件表面粗糙度和工件質(zhì)量，但是如果偏移量較小，放電間隙較小，工作介質(zhì)很難進(jìn)入到極間，電蝕產(chǎn)物無法拋出，放電點(diǎn)無法順利轉(zhuǎn)移，整體粗糙度變大。偏移量過大，也會導(dǎo)致表面粗糙度較大[3]?？偟膩砜?，電腐蝕問題受到電極絲、工作介質(zhì)、脈沖電源和工件材料等相關(guān)因素的影響，因此，在加工過程中，偏移量雖然不是直接影響因素，但也要重視。

經(jīng)過上述分析，在采用浸液式加工方式時(shí)，表面產(chǎn)生的凹坑小但是深，而氣中單脈沖放電加工時(shí)，產(chǎn)生的凹坑大但是淺，總的來看，氣中單脈沖放電加工技術(shù)效果更優(yōu)。

在快走絲線切割加工過程中，采用鉬絲，電極絲的直徑一般為φ0.18mm，在加工過程中，電極絲會沿著中心線做高速運(yùn)動，放電通道在擊穿位置附近做高頻運(yùn)動，按照差動規(guī)律在極間移動。根據(jù)電極絲走絲速度和放電時(shí)間得到移動距離，具體的公式為：d=0.5Ton·v。在此基礎(chǔ)上，還需要明確氣中加工移動熱源作用下單個(gè)電蝕坑的組成，進(jìn)而針對單脈沖放電蝕除體積進(jìn)行計(jì)算，包括單個(gè)電蝕坑熔融、凸起部分、蝕除等方面的體積計(jì)算。根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，分別計(jì)算單個(gè)電蝕加工的數(shù)據(jù)，最終完成連續(xù)脈沖蝕除量計(jì)算。根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，利用求解得到的脈沖有效利用率、電蝕坑疊加、表面粗糙度和蝕除層厚度等參數(shù)數(shù)據(jù)，完成整體計(jì)算。進(jìn)而選擇不同的電參數(shù)條件，確定蝕除層厚度以及中心距離參數(shù)等內(nèi)容，得到最終的模型結(jié)果。

4 電火花加工技術(shù)的結(jié)果分析

為了解決電火花加工波導(dǎo)類深孔、盲孔、臺階類產(chǎn)品時(shí)出現(xiàn)的接刀和電腐蝕的難題，深入分析其加工規(guī)律，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)配合有限元仿真分析技術(shù)展開研究，最終得到了以下結(jié)論。1）在進(jìn)行電火花加工時(shí)，采用氣中單脈沖放電加工技術(shù)效果更佳，移動熱源下的單脈沖中心點(diǎn)溫度低于固定熱源下的溫度。隨著移動的距離變大，在受熱面積變大的情況下，受熱溫度會逐漸減小。2）移動熱源下形成的電腐蝕坑呈現(xiàn)橢圓形，通過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析，對單個(gè)電蝕坑有了深刻的認(rèn)識和了解，借助拋出層、白層和熱影響層等參數(shù)內(nèi)容，確定了體積和厚度參數(shù)，確定了產(chǎn)生電腐蝕的原因。將理論數(shù)據(jù)額和實(shí)際數(shù)據(jù)相比較，誤差控制在10%以內(nèi)，使模型的合理性得到保證。在使用電火花加工技術(shù)前，需要對加工過程進(jìn)行預(yù)測和參考，使加工效率得到提高，保證準(zhǔn)確進(jìn)度。

結(jié)合上述內(nèi)容，利用NH7125ZNC電火花機(jī)床、16 mm的紫銅電極，分別對深孔加工模具鋼和鉬鈦鋯合金鋼進(jìn)行加工，二者的設(shè)定深度分別為125 mm和93 mm。采用雙變量自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行加工，在這種控制系統(tǒng)下接刀和電腐蝕的公關(guān)難題都得到了一定的解決。在實(shí)際加工過程中通過上述的參數(shù)模型進(jìn)行分析，在加工開始時(shí)，加工屑很容易被排出，拉弧率較低，過程穩(wěn)定，當(dāng)加工到一定深度后，拉弧率突然升高，加工狀態(tài)開始下降，此時(shí)，抬刀周期快速下降，減少輸入能量，使加工更加穩(wěn)定。由于鉬鈦鋯合金鋼加工難度較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)該對抬刀周期進(jìn)行快速調(diào)整，在輸入足夠加工能量的同時(shí)保證加工的穩(wěn)定性，使加工速率最快。這種雙變量自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要是針對抬刀周期和間隙伺服電壓為控制變量，不僅可以發(fā)揮出自適應(yīng)調(diào)整作用，也可以平衡金屬屑量，使加工過程更加穩(wěn)定，切實(shí)提高了電火花加工技術(shù)難題。不僅在這種用于核工業(yè)鉬鈦鋯合金鋼加工中具有加強(qiáng)的效果，在常規(guī)如航天航空材料加工中也具有極高的加工能力，值得在航空航天等工業(yè)制造領(lǐng)域中推廣。最為主要的是，從實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在雙變量自適應(yīng)控制下的電火花加工不僅可以面對熔點(diǎn)為2 640℃的特制材料，在面對傳統(tǒng)待加工材料時(shí)，加工效果進(jìn)一步提高，深度是原來的3.7倍。在面對加工核工業(yè)特制的鉬鈦鋯合金時(shí)，深度也能夠達(dá)到93 mm[4]。

而且在這個(gè)過程中，加工速度沒有發(fā)生改變。最為主要的是，隨著電火花加工技術(shù)的不斷開發(fā)和應(yīng)用，這種雙變量自適應(yīng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢將會進(jìn)一步凸顯出來，會在電火花加工波導(dǎo)類深孔、盲孔和臺階類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，電火花加工技術(shù)存在穩(wěn)定性較差的問題，對其本身加工能力的發(fā)展帶來了極大的阻礙。尤其是電火花加工在應(yīng)用波導(dǎo)類深孔、盲孔、臺階類產(chǎn)品時(shí)，幾乎難以加工，需要面對接刀和電腐蝕的公關(guān)難題。通過該文研究的計(jì)算模型，能夠保證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，在穩(wěn)定加工技術(shù)的同時(shí)，提高加工效率，平均誤差只有4.48%，真正滿足技術(shù)發(fā)展需求。同時(shí)也在一定程度上，降低了對工人技術(shù)提出的要求，得到相應(yīng)的盲孔深度。

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