電火花加工放電狀態(tài)特性試驗(yàn)研究*

候少杰，白基成，劉曉萌，劉 歡

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

電火花加工是一種利用正負(fù)電極之間的火花放電產(chǎn)生的熱腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行材料去除的非接觸加工方法。與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式相比，電火花加工方法不產(chǎn)生明顯宏觀機(jī)械力，適合于任何難切削的導(dǎo)電材料（如鈦合金、硬質(zhì)合金等高強(qiáng)度、高硬度材料），因此電火花加工廣泛地應(yīng)用在模具加工和航空航天等領(lǐng)域[1–2]。電火花加工方法從20世紀(jì)誕生以來，雖然獲得了長足且快速的發(fā)展，但放電加工過程是一個(gè)受多因素綜合作用的復(fù)雜過程，對(duì)加工間隙放電的機(jī)理、理論研究比較薄弱，這成為阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。因此，作為工具電極和工件的放電工作區(qū)域的放電間隙，對(duì)其展開研究并明確間隙放電特性的機(jī)理對(duì)于高效能脈沖電源的制作、放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)以及加工工藝的改善都有重要影響。電火花加工過程中的放電狀態(tài)主要有5種，分別是開路、短路、火花放電、過渡電弧放電和穩(wěn)定電弧放電[3]。電火花加工過程中，最常用的檢測(cè)方法是平均電壓法[4]、高頻分量檢測(cè)法[5]和擊穿延時(shí)檢測(cè)法[6]等，這些檢測(cè)方法都是建立在對(duì)火花放電與電弧放電的研究基礎(chǔ)之上。電弧放電與火花放電的維持電壓相近，并且大量研究表明，電弧放電也會(huì)存在擊穿延時(shí)，因此使得現(xiàn)在的檢測(cè)方法都存在一定的誤差。

放電加工過程受很多因素的影響，為了探究外在因素對(duì)放電波形的影響規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了很多有趣的研究。Asad等[7]研究了輸入電壓、電容、電感及充電電阻等參數(shù)的變化對(duì)電流波形的影響，發(fā)現(xiàn)電源網(wǎng)絡(luò)中存在的電感分量可以減小電流波形的峰值高度并增加脈沖寬度，從而產(chǎn)生較淺的凹坑，并改善表面粗糙度。Li等[8]研究了放電間隙寬度對(duì)放電狀態(tài)特性的影響，放電狀態(tài)被分為6類，從放電臨界擊穿距離開始，隨著間隙寬度的減小，電弧放電概率增加，從等離子通道的角度分析了不同放電狀態(tài)產(chǎn)生的原因。李淑娟等[9]以N型單晶硅的電火花加工為背景，對(duì)放電間隙伏安特性與間距模型進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)放電通道可等效為純電阻模型，隨著放電距離的增加，等離子通道等效電阻率下降。Kou等[10]在進(jìn)行高速銑削加工過程中對(duì)運(yùn)動(dòng)電弧特性進(jìn)行了研究，通過利用高速攝像機(jī)捕獲電弧等離子體通道，發(fā)現(xiàn)電弧在電極與工件之間能夠保持相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，并且移動(dòng)電弧有利于提高材料去除率，電弧放電通道的阻抗隨著開路電壓的增大而減小。日本學(xué)者増沢隆久研究了RC電路在電火花加工中電弧產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)電弧發(fā)生的臨界條件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。研究表明放電回路中的電感系數(shù)對(duì)電弧的產(chǎn)生有很大的影響[11]。Fan等[12]對(duì)脈沖電源電路對(duì)放電間隙伏安特性的影響進(jìn)行了研究，采用快速傅立葉變換方法對(duì)火花放電維持電壓進(jìn)行頻譜分析，得到限流電阻對(duì)火花放電維持電壓振蕩頻率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在晶體管電阻式脈沖電路中，隨著限流電阻的增加，放電間隙阻抗和維持電壓的高頻振蕩部分也隨之增加，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快。

綜上分析可知，目前對(duì)電火花加工中放電特性的研究多集中在等效電路仿真與加工特性方面，在放電電壓的頻譜分析方面，雖然也有一定的研究，但不夠全面。電火花加工放電狀態(tài)可以通過其放電特性而被識(shí)別，目前已知電弧放電的振蕩程度弱于火花放電，但是在此方面的定量分析還有待進(jìn)一步探討。試驗(yàn)中討論了開路電壓、脈寬、電極材料、工件材料對(duì)火花放電和電弧放電的影響規(guī)律，分析了火花放電與電弧放電維持電壓的不同特點(diǎn)。上述研究對(duì)揭示電火花加工機(jī)理、指導(dǎo)放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)選擇具有重要意義。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為自制的便攜式多軸聯(lián)動(dòng)放電加工機(jī)床，如圖1（a）所示。在X、Y和Z方向上，機(jī)床的分辨率可達(dá)1μm，試驗(yàn)中沒有使用機(jī)床自帶的脈沖電源，而是使用自制的晶體管電阻式脈沖電源，該脈沖電源由脈沖發(fā)生器、晶體管開關(guān)電路和直流電源組成，如圖1（b）所示，通過控制晶體管的通斷，將外加直流電壓轉(zhuǎn)化成脈沖電壓。脈沖發(fā)生器由STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，該脈沖電源可以任意調(diào)節(jié)脈沖寬度，并且可以控制脈沖數(shù)量，試驗(yàn)中限流電阻阻值保持不變，為30Ω，分壓電阻阻值為3000Ω。試驗(yàn)中采用單脈沖放電法，電介質(zhì)為煤油。放電波形中電壓和電流信號(hào)由示波器和電流傳感器進(jìn)行采集，示波器為泰克公司生產(chǎn)，型號(hào)為TBS1052B–EDU，電流傳感器為CYBERTEK公司生產(chǎn)，型號(hào)為CP8150A。

圖1 電火花加工機(jī)床和放電回路示意圖Fig.1 EDM machine tool and schematic diagram of discharge circuit

1.2 分析方法

試驗(yàn)中采集到的信號(hào)使用Origin軟件進(jìn)行分析，對(duì)放電電壓進(jìn)行快速傅里葉變換分析?？焖俑道锶~變換是離散傅里葉變換的快速算法，它能將原來難以處理的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于分析的頻域信號(hào)，頻域信號(hào)又可分為頻譜、能量譜和相位譜等。本文采用頻譜分析方法研究放電過程中電壓信號(hào)的頻率幅值。

2 火花放電與電弧放電的區(qū)別

2.1 維持電壓的形成和維持條件

當(dāng)電壓施加到電極兩端，正負(fù)電極之間產(chǎn)生電場(chǎng)，隨著電極間距的縮小，電場(chǎng)強(qiáng)度逐步變大，直到擊穿電介質(zhì)。隨后在工具電極與工件之間形成等離子體通道，正負(fù)極間電壓迅速下降，并產(chǎn)生放電現(xiàn)象。如圖2所示，火花放電部分的波形“毛刺”較多，振蕩劇烈，并且放電通道有斷開的趨勢(shì)?；鸹ǚ烹姵掷m(xù)一定時(shí)間后，會(huì)轉(zhuǎn)變成電弧放電，為比較火花放電與電弧放電的維持電壓特點(diǎn)，截取部分火花放電和電弧放電的波形圖進(jìn)行分析，分別如圖3和圖4所示。

圖2 火花放電轉(zhuǎn)電弧放電Fig.2 Spark discharge turns into arc discharge

圖3 火花放電維持電壓Fig.3 Spark discharge maintenance voltage

圖3中OA段：正負(fù)電極間電介質(zhì)被擊穿，形成等離子體通道，使得放電回路中的電流突然增大，由于電路中限流電阻與放電間隙串聯(lián)，電路中的電流增大使得限流電阻分壓增大，因此極間電壓迅速降低。

AB段：當(dāng)陰極溢出的電子移動(dòng)到陽極附近時(shí)，大量電子與正離子結(jié)合而變成中性粒子，放電通道中的帶電粒子數(shù)目減少，電路中的電流減小，限流電阻分得的電壓減小，因此極間電壓升高。

BC段：由AB段分析得出，極間電壓升高，使得等離子體通道兩端電場(chǎng)強(qiáng)度增加，陰極逸出的電子增多。另一方面，移動(dòng)到陰極的正離子轟擊陰極，產(chǎn)生二次電子，也使得極間電子增多。因此極間電流升高，使得限流電阻分得的電壓升高，因此極間電壓再次降低。

CD段：電子與正離子中和，與AB段不同的是，等離子體通道的帶電粒子更少，因此放電回路中的電流急劇減少，等離子通道近乎斷開。

與火花放電相比，電弧放電過程更為穩(wěn)定，電壓值介于10～20V，并且波動(dòng)范圍更小，如圖4所示。

圖4 電弧放電維持電壓波形Fig.4 Arc discharge maintenance voltage

兩極之間放電維持電壓的起伏波動(dòng)可以用湯生放電理論[13]來解釋：

式中，λ為二次電子產(chǎn)生的概率；α為湯生第一電離系數(shù)；d是陰陽兩極之間的距離。由湯生放電理論可知，α和d影響二次電子的產(chǎn)生。在試驗(yàn)中，工件與工具電極之間的距離為常量，因此放電狀態(tài)可以看作只與等離子通道中的電離狀態(tài)有關(guān)。

2.2 火花放電與電弧放電形成機(jī)理

在電火花加工過程中，總是希望得到火花放電而避免電弧放電，因?yàn)榛鸹ǚ烹娫诩庸ぶ杏欣诜烹婞c(diǎn)分散，且爆炸力強(qiáng)，利于工件材料的蝕除；而電弧放電狀態(tài)常常會(huì)引起放電集中，且放電爆炸力小，不利于材料蝕除并且會(huì)燒傷工件，因此深入研究火花放電與電弧放電的特性與差異很有必要。

通過圖2可知，火花放電維持電壓與電弧放電的主要區(qū)別在于維持電壓的波動(dòng)程度，這可以從等離子通道中微觀粒子的角度去解釋。在火花放電等離子通道中，電子能量最高，而正離子和其他中性粒子的能量則可以忽略，放電過程的維持主要依靠正離子撞擊陰極而產(chǎn)生的二次電子，而正離子有很大一部分來自于電子與中性粒子的撞擊電離，即式（1）中的α作用[14]。每當(dāng)?shù)入x子體通道中的電子數(shù)量增多，放電回路中的電流就會(huì)增加，由于限流電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔茫沟脙蓸O間的電壓下降。另一方面，當(dāng)電子到達(dá)陽極，并且一部分電子與正離子結(jié)合形成中性粒子，都會(huì)使等離子體通道中的電子數(shù)量減少，因此放電回路中的電流減少，極間電壓上升。當(dāng)?shù)入x子體通道中的電子數(shù)量過少時(shí)，極間電壓上升幅度更大，等離子體通道有熄滅的趨勢(shì)。以上過程的宏觀表現(xiàn)就如圖3中的火花放電部分波形，電壓波動(dòng)幅度大。

火花放電持續(xù)一定時(shí)間后，等離子體通道溫度上升，微觀粒子具有的能量增多，正離子也具備了與電子相近的能量，此時(shí)的等離子體通道中，正離子和電子都能夠與中性粒子撞擊從而引發(fā)電離[14]，并且金屬表面溫度持續(xù)升高，會(huì)產(chǎn)生熱電子發(fā)射，這使得電弧放電通道中的電子數(shù)量多于火花放電通道，因此放電回路中的電流更大，極間電壓更低，如圖2所示，電弧放電的電壓略低于火花放電。另一方面，電子與正離子的結(jié)合速度和中性粒子的電離速度相近，這意味著等離子體通道中的電子數(shù)量會(huì)維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此回路中的電流波動(dòng)較小，極間電壓值也更為穩(wěn)定，如圖4所示。

由以上分析可知，火花放電與電弧放電的區(qū)別主要在于等離子體通道中的微觀粒子能量不同。

3 結(jié)果與討論

3.1 開路電壓對(duì)放電狀態(tài)頻率特性的影響

根據(jù)電火花加工的常用電壓范圍（60～140V），試驗(yàn)中電壓選擇為60V、80V、100V、120V、140V，脈寬設(shè)置為200μs，開路電壓通過直流電源上的電壓調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用鋁板作為工件，直徑1mm的紫銅棒作為工具電極。分別對(duì)兩種放電的維持電壓進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖5所示，火花放電的頻率幅值在低頻段有較大波動(dòng)，并且幅值較大，在–30dB之上，而電弧放電的頻率幅值波動(dòng)較小，且在–30dB之下。因此，可以采取低頻段的平均頻率幅值作為鑒別火花放電與電弧放電的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)圖5，采取0～5MHz頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均值，圖6所示為開路電壓對(duì)結(jié)果的影響，隨著電壓的增加，試驗(yàn)結(jié)果無明顯變化規(guī)律，并且結(jié)果數(shù)值的差異較小。

圖5 火花放電與電弧放電的頻譜分析圖（開路電壓80V）Fig.5 Spectrum analysis diagram of spark discharge and arc discharge (open circuit voltage 80V)

圖6 開路電壓對(duì)放電平均頻率幅值的影響Fig.6 Influence of open circuit voltage on average frequency amplitude of discharge

3.2 脈寬對(duì)放電狀態(tài)頻率特性的影響

由于電火花加工的常用脈寬范圍介于50～250μs，因此試驗(yàn)中脈寬的設(shè)置為50μs、100μs、150μs、200μs、250μs，開路電壓設(shè)置為60V。脈沖發(fā)生裝置使用單片機(jī)進(jìn)行控制，因此可通過編程控制脈沖的持續(xù)時(shí)間，從而得到試驗(yàn)所需的脈寬。試驗(yàn)中所用的工件材料與電極材料與前文相同。

圖7為兩種放電狀態(tài)的快速傅里葉變換結(jié)果，其整體變化與圖5的結(jié)果相似，在低頻段，火花放電頻率幅值呈波浪形起伏波動(dòng)，在高頻段則波動(dòng)較小，逐漸與電弧放電的頻率幅值重合。選取0～5MHz頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)求平均值，如圖8所示，結(jié)果數(shù)值也無明顯的變化規(guī)律，因此脈寬對(duì)結(jié)果的影響較小。

圖7 火花放電與電弧放電的頻譜分析圖（脈寬50μs）Fig.7 Spectrum analysis diagram of spark discharge and arc discharge（pulse width 50μs）

圖8 脈寬對(duì)放電平均頻率幅值的影響Fig.8 Influence of pulse width on average frequency amplitude of discharge

3.3 材料對(duì)頻率特性的影響

在試驗(yàn)中，電壓被設(shè)置為60V、脈寬為200μs，以工件材料為變量進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，電極材料為紫銅，工件材料采用鋁、銅鋅合金、不銹鋼、鈦合金；以電極材料為變量進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，工件材料為鋁，電極材料采用紫銅、不銹鋼、銅鋅合金和鎢。

試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示，結(jié)果數(shù)值波動(dòng)較大，這是因?yàn)椴煌饘俚碾娮右莩龉Σ煌瑢?dǎo)致電壓加在兩極之間時(shí)，產(chǎn)生電子的能力不同，因此放電間隙中的電壓振蕩程度發(fā)生變化，但是–30dB依然可以作為鑒別兩種放電狀態(tài)的閾值。

圖9 工件材料對(duì)放電平均頻率幅值的影響Fig.9 Influence of workpiece materials on average frequency amplitude of discharge

圖10 電極材料對(duì)放電平均頻率幅值的影響Fig.10 Influence of electrode materials on average frequency amplitude of discharge

4 結(jié)論

（1）對(duì)放電維持電壓進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)在0～10MHz頻段內(nèi)，火花放電的頻率幅值整體呈波浪形，起伏較大，在大于10MHz的頻段趨于平緩，電弧放電的頻率幅值在0～25MHz都相對(duì)平緩。火花放電的維持電壓振蕩程度高于電弧放電。

（2）以0～5MHz頻段內(nèi)的平均頻率幅值為研究對(duì)象，在工件材料為鋁、電極材料為紫銅的情況下，隨著開路電壓和脈寬的變化，火花放電和電弧放電的平均頻率幅值分別在（–25dB，–20dB）和（–40dB，–35dB）區(qū)間內(nèi)變化，但變化規(guī)律不明顯。當(dāng)開路電壓和脈寬不變，改變電極材料和工件材料時(shí)，火花放電和電弧放電的平均頻率幅值變化范圍增大，分別在（–30dB，–20dB）和（–40dB，–30dB）區(qū)間變化，但–30dB仍可以作為區(qū)分火花放電與電弧放電的閾值。