往復(fù)走絲電火花線切割加工放電通道等離子體的觀測(cè)研究

李子倫，褚皓宇，張瑞雪，高 強(qiáng)，沈 斌，奚學(xué)程，趙萬生

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.平湖市領(lǐng)智高端制造技術(shù)研究院，浙江嘉興314206 ）

電火花線切割加工是重要的非傳統(tǒng)材料去除加工方法，是電火花加工工藝的一種獨(dú)特應(yīng)用[1]。電火花線切割加工過程中無機(jī)械切削力存在，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)很小的加工工件拐角半徑，非常適合精密加工，在模具制造、航空航天零部件和汽車零部件等行業(yè)[2-3]中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

通常，電火花線切割加工分為單向走絲線切割加工和往復(fù)走絲線切割加工兩種。單向走絲線切割加工的電極絲移動(dòng)速度通常為0.01～0.25 m/s，而往復(fù)走絲線切割加工的通常為8～10 m/s[4]。相對(duì)而言，往復(fù)走絲線切割加工的電極絲移動(dòng)速度快、排屑能力更強(qiáng)，因而可加工大厚度和大錐度工件。然而目前有關(guān)往復(fù)走絲線切割加工的材料去除物理過程研究尚不深入，人們對(duì)其微觀過程仍缺乏直觀地了解和深入認(rèn)知。由于往復(fù)走絲線切割的放電間隙狹小、放電脈沖持續(xù)時(shí)間極短，并且脈沖放電是在電極絲高速移動(dòng)的情況下完成，人們難以通過常規(guī)手段觀察其直接材料去除過程。然而，對(duì)往復(fù)走絲線切割物理過程的清晰認(rèn)知，是優(yōu)化工藝流程、提升控制性能的基礎(chǔ)，對(duì)理解放電通道等離子體加工本質(zhì)以及提升其加工性能有重要意義。

隨著高速攝像機(jī)的應(yīng)用，拍攝幀頻不斷提高，學(xué)者們對(duì)電火花加工放電過程有了更多認(rèn)識(shí)。針對(duì)電火花成形加工中放電通道等離子體的發(fā)展過程，Kojima 等[5]和Natsu 等[6-7]使用高速攝像機(jī)對(duì)放電通道等離子體的擴(kuò)張規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為放電通道在空氣介質(zhì)被擊穿后的2 μs 內(nèi)完成擴(kuò)張，之后一直保持不變。岳曉明和楊曉冬等[8]使用高速攝像技術(shù)發(fā)現(xiàn)等離子體對(duì)熔池施加了運(yùn)動(dòng)壓力和運(yùn)動(dòng)剪切力，進(jìn)而對(duì)熔融材料的去除和蝕坑形貌產(chǎn)生影響，并觀測(cè)了不同介質(zhì)中單脈沖放電電弧放電通道等離子體直徑及其運(yùn)動(dòng)行為[9]，發(fā)現(xiàn)電弧放電通道等離子體迅速完成擴(kuò)張，并在做周期性徙動(dòng)。除了電火花成形加工外，很多學(xué)者專門針對(duì)電火花線切割加工及其放電通道等離子體移動(dòng)情況下的物理現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Kunieda 等[10]對(duì)相對(duì)高速移動(dòng)電極之間的材料去除過程進(jìn)行了觀測(cè)研究，結(jié)果表明等離子弧柱在陽極表面發(fā)生了明顯的滑移。何賜文等[11]設(shè)計(jì)了專用的往復(fù)走絲線切割加工極間觀測(cè)夾具，通過高速攝像技術(shù)觀察了切縫中電介質(zhì)和放電產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)分布及其從切縫排出的過程，探索了電介質(zhì)影響線切割加工穩(wěn)定性和加工效率的機(jī)理。

目前針對(duì)往復(fù)走絲線切割加工過程中放電通道等離子體的觀測(cè)與研究尚不深入。而上述觀測(cè)研究成果對(duì)本文進(jìn)行的脈沖放電過程物理現(xiàn)象觀測(cè)具有重要的參考價(jià)值，可對(duì)其做法加以利用，借鑒到本文實(shí)驗(yàn)中。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與條件

往復(fù)走絲線切割加工過程復(fù)雜，其顯著特點(diǎn)是電極絲與工件之間的移動(dòng)速度相對(duì)較大。因此，本實(shí)驗(yàn)主要是在電極相對(duì)工件高速移動(dòng)的情況下，考察放電通道等離子體形態(tài)及其發(fā)展的過程。放電通道等離子體及電蝕產(chǎn)物在放電脈沖持續(xù)期間會(huì)產(chǎn)生寬頻的弧光，其波段范圍為380～780 nm[12]。本文以較高幀率的拍攝速度拍攝了脈沖放電過程中放電通道等離子體以及電蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的弧光，進(jìn)而獲得放電通道等離子體發(fā)展以及電蝕產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像。

放電通道等離子體對(duì)材料蝕除微觀過程的觀測(cè)存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：①放電過程極其短暫，通常在1～100 μs 之間完成，需極高的觀測(cè)幀率；②放電間隙狹小且被電極絲遮擋；③迸射出來的高溫加工屑和電介質(zhì)會(huì)對(duì)昂貴的儀器造成損害；④電極長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于放電通道等離子體的直徑，并且每次放電位置隨機(jī)，造成放電通道無法準(zhǔn)確落在高速攝像機(jī)視窗內(nèi)且難以精準(zhǔn)對(duì)焦。

考慮到上述因素，本文結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)放電通道等離子體高速滑移時(shí)的放電過程進(jìn)行觀測(cè)和研究。首先，采用圖1 所示觀測(cè)方法，使電極絲中心與工件邊緣對(duì)齊，進(jìn)而使放電間隙暴露在視野內(nèi)。此方法未使用玻璃片模擬間隙側(cè)壁，導(dǎo)致連續(xù)放電時(shí)電極絲前、后兩側(cè)的受力不均。在單脈沖放電或脈間較大的情況下，基本可忽略受力不均的因素，此時(shí)能更直觀地觀測(cè)到電蝕產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)以及放電通道等離子體的弧光。

圖1 觀測(cè)位姿示意圖

為盡量使單脈沖放電發(fā)生在觀測(cè)視野內(nèi)，并減少放電位置的隨機(jī)變化，同時(shí)保證脈沖放電過程中的等離子體能充分移動(dòng)，本文選擇厚度為1 mm 的工件，使電極絲保持水平方向不運(yùn)動(dòng)，并調(diào)節(jié)工作臺(tái)位置來設(shè)定初始放電間隙。工作臺(tái)的進(jìn)給分辨率為1 μm，使用專用控制器平臺(tái)調(diào)節(jié)至合適的放電間隙后進(jìn)行單脈沖放電。電極和工件分別接脈沖電源的負(fù)極和正極，進(jìn)行少量沖液，以模擬極間狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)選用PhantomV2012 型高速攝像機(jī)，這是一臺(tái)可感知可見光和部分紅外波段的黑白高速攝像機(jī)；在攝像機(jī)鏡頭前加入石英玻璃片，防止迸射的加工屑和電介質(zhì)對(duì)攝像機(jī)鏡頭產(chǎn)生傷害。

實(shí)驗(yàn)在某公司生產(chǎn)的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行；使用蘇州邁科全機(jī)電有限公司開發(fā)的嵌入式RT-WEDM 智能控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；采用南京理工大學(xué)開發(fā)的節(jié)能型脈沖電源提供放電能量，該電源可選擇單脈沖或連續(xù)脈沖放電模式；使用Cr12 冷作模具鋼作為工件材料，電極絲為直徑0.18 mm 的鉬絲。觀測(cè)裝置示意圖見圖2。

圖2 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為保證觀測(cè)對(duì)常規(guī)加工參數(shù)具有指導(dǎo)意義，同時(shí)盡可能多地獲取觀測(cè)信息，本實(shí)驗(yàn)選擇適當(dāng)脈寬的參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，經(jīng)綜合考慮設(shè)置脈寬為40 μs、峰值電流為25 A、電極絲移動(dòng)速度為10 m/s。高速攝像機(jī)參數(shù)見表1。

表1 放電通道等離子體觀測(cè)實(shí)驗(yàn)高速攝像機(jī)參數(shù)

2 放電通道等離子體發(fā)展過程觀測(cè)

放電通道等離子體的發(fā)生在時(shí)間和空間上具有一定隨機(jī)性。本文通過觀察大量單脈沖放電通道等離子體的發(fā)展過程，對(duì)其中具有代表性的現(xiàn)象進(jìn)行了分析。為了更加直觀地表明各時(shí)刻放電通道等離子體的發(fā)展情況，以5 μs 為一個(gè)周期對(duì)觀測(cè)到的系列圖像進(jìn)行分析。

2.1 電極絲向下運(yùn)動(dòng)時(shí)極間現(xiàn)象觀測(cè)與分析

圖3 直觀地顯示了在電極與工件有較大相對(duì)移動(dòng)速度時(shí)的放電通道等離子體發(fā)展過程。為更加清晰地觀察放電通道等離子體發(fā)展過程和電蝕產(chǎn)物的拋出情況，后處理時(shí)在每幀照片上標(biāo)記了工件邊緣的位置，以此作為參考位置。

在t=0 μs 時(shí)，電介質(zhì)被擊穿，放電通道等離子體形成。圖3a 是放電脈沖開始時(shí)刻的放電通道等離子體形態(tài)，此時(shí)電極絲向下運(yùn)動(dòng)；照片左側(cè)為電極絲及放電間隙，右側(cè)為工件基體，在擊穿時(shí)刻放電通道等離子體直徑較小，弧光也較微弱。

圖3 電極絲向下運(yùn)動(dòng)時(shí)放電通道等離子體發(fā)展與電蝕產(chǎn)物拋出過程

在t=5、10、15、20 μs 時(shí)，放電通道等離子體的直徑相較于與初始時(shí)刻明顯增大，同時(shí)伴隨電極絲與工件的相對(duì)移動(dòng)，放電通道等離子體也在工件表面不斷滑移，滑移方向與電極絲移動(dòng)方向相同。此外，伴隨電極絲的高速移動(dòng)，放電通道等離子體被明顯拉長(zhǎng)，其直徑發(fā)展到一定程度后變化較小。

在t=25、30、35 μs 時(shí)，放電通道等離子體直徑發(fā)展到一定程度之后便保持不變。此階段放電通道等離子體繼續(xù)隨著電極絲的移動(dòng)而滑移。

在t=40 μs 時(shí)，高亮區(qū)域的形貌是放電通道等離子體的最終形態(tài)。放電通道等離子體相對(duì)于初始位置發(fā)生了較大范圍的滑移，在其初始位置已看不到弧光，此時(shí)被等離子體掃掠過的區(qū)域逐漸降溫。通過比例尺可見，放電通道等離子體的滑移長(zhǎng)度約400 μm，而蝕坑尺寸大約為100～500 μm，與電極絲在放電持續(xù)時(shí)間內(nèi)的滑移距離相當(dāng)。

2.2 電極絲向上運(yùn)動(dòng)時(shí)極間現(xiàn)象觀測(cè)與分析

在往復(fù)走絲電火花線切割加工中，電極絲做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電極向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向與重力方向一致，而向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向與重力方向相反。

為研究電極絲運(yùn)動(dòng)方向和重力作用對(duì)放電通道等離子體發(fā)展的影響，本文還觀測(cè)了電極絲向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的放電通道等離子體的發(fā)展情況，觀測(cè)結(jié)果見圖4?？梢?，隨著電極絲向上移動(dòng)，放電通道等離子體改為向上發(fā)展，放電通道等離子體發(fā)展方向與電極絲運(yùn)動(dòng)方向相同。該觀測(cè)結(jié)果表明，在電極絲與工件具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，放電通道等離子體發(fā)展方向受重力影響較小，主要受電極絲運(yùn)動(dòng)方向影響。

圖4 電極絲向上運(yùn)動(dòng)時(shí)放電通道等離子體發(fā)展過程

3 電蝕產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)觀測(cè)與分析

3.1 電蝕產(chǎn)物拋出規(guī)律

圖3 中偏離放電通道等離子體中心區(qū)域的亮點(diǎn)為發(fā)光的熔融金屬材料形成的加工屑被拋出熔池，而拍攝出的大片較為模糊的霧狀區(qū)域?yàn)榉烹娡ǖ赖入x子體中迸發(fā)出的金屬蒸氣[13]。

由圖3 可知，在t=10、15、20、25、30、35 μs 的階段，即脈沖放電持續(xù)期間，有大量的金屬蒸氣和少量的加工屑被拋出熔池。而在t=40、45、50、55 μs 的階段，即脈沖結(jié)束前后的短時(shí)間內(nèi)，有大量金屬蒸氣與加工屑噴爆而出。隨著時(shí)間的推移，加工屑數(shù)量以及加工屑光強(qiáng)逐漸減弱。該現(xiàn)象說明：在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，雖然工件材料受到熱物理場(chǎng)的影響發(fā)生相變，但是熔融材料的拋出動(dòng)力較小；在脈沖結(jié)束階段，熔池受到流體動(dòng)力以及熱爆炸力影響，大量熔融材料被拋出。

3.2 放電通道等離子體與電蝕產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律

金屬蒸氣與電蝕產(chǎn)物的拋出方向也具有一定的規(guī)律關(guān)系。以圖3 所示t=30 μs 時(shí)刻的觀測(cè)結(jié)果為例進(jìn)行說明，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律見圖5。

圖5 放電通道等離子體與電蝕產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律

由圖5 可見，放電通道等離子體與金屬蒸氣、熔融材料發(fā)出的弧光整體呈擴(kuò)散喇叭形，并且靠近電極絲端等離子體通道直徑較小，而靠近工件端的等離子體通道直徑較大。此外，由圖5 可知，金屬蒸氣與電蝕產(chǎn)物的拋出方向主要沿著電極絲指向工件的方向，即電子運(yùn)動(dòng)的方向。放電過程中，材料蝕除主要體現(xiàn)在電子對(duì)工件的蝕除作用，以此可解釋上述現(xiàn)象。

放電通道等離子體中電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于正離子質(zhì)量，短時(shí)間內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)速度要遠(yuǎn)高于正離子運(yùn)動(dòng)速度，因此脈沖放電過程中材料蝕除主要為電子對(duì)工件的蝕除。而電子因?yàn)殡妶?chǎng)的畸變和電子碰撞導(dǎo)致電子群逐漸發(fā)散，形成的放電通道等離子體在電極絲一端通道直徑較小，而在末端即工件端放電通道直徑較大，因此形成的放電通道等離子體呈擴(kuò)散喇叭形。隨著電極絲的移動(dòng)，放電通道等離子體作用區(qū)域不斷發(fā)生變化，而放電通道等離子體整體形貌并未發(fā)生較大改變。

在材料去除過程中，電子高速撞向工件。微觀上看，工件蝕除部分的受力方向?yàn)殡娮痈咚龠\(yùn)動(dòng)的方向，因此可觀測(cè)到電蝕產(chǎn)物的拋出方向主要為電極絲指向工件的方向，并且隨著電子的碰撞和擴(kuò)散進(jìn)一步形成了擴(kuò)散喇叭形的電蝕產(chǎn)物噴射形狀。而電蝕產(chǎn)物向電極絲一側(cè)的拋出量較少，由此可認(rèn)為電極絲蝕除量較小。前述現(xiàn)象也為往復(fù)走絲電火花線切割加工的“低絲損”性能提供了直觀證據(jù)支持。

此外，本文還分別觀測(cè)了開路與短路情況下的極間現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)整個(gè)脈沖持續(xù)過程中無明顯弧光出現(xiàn)，這表明在兩種極端狀態(tài)下并無放電通道等離子體和高溫熔融金屬的形成。

4 結(jié)論

本文利用高速攝像技術(shù)對(duì)往復(fù)走絲電火花線切割加工單脈沖放電過程中的放電通道等離子體發(fā)展過程和電蝕產(chǎn)物拋出過程進(jìn)行觀測(cè)研究，得出以下結(jié)論：

（1）在電極絲與工件存在較大相對(duì)移動(dòng)速度的情況下，放電通道等離子體會(huì)在工件表面持續(xù)滑移。受放電通道等離子體的滑移作用影響，放電通道等離子體被拉長(zhǎng)且整體呈擴(kuò)散喇叭形。放電通道等離子體的直徑發(fā)展到一定程度后，其變化較小，隨著等離子體的滑移，起始位置的光強(qiáng)逐漸減弱。

（2）脈沖放電持續(xù)期間有大量金屬蒸氣和少量熔融金屬從熔池中被拋出，而在脈沖放電結(jié)束前后的短時(shí)間內(nèi)，有大量電蝕產(chǎn)物從熔池中噴爆而出。隨著時(shí)間的推移，噴爆而出的電蝕產(chǎn)物逐漸減少、弧光逐漸減弱。

（3）放電過程中金屬蒸氣、熔融金屬形成的加工屑等電蝕產(chǎn)物的拋出方向主要為電子運(yùn)動(dòng)的方向。放電通道等離子體與噴射出的電蝕產(chǎn)物呈擴(kuò)散喇叭形，電子對(duì)材料的蝕除作用可解釋該現(xiàn)象。