磁場輔助場致射流微細放電加工研究

楊翔鈞，張亞歐，鄭 倩，高 強，趙萬生

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械與振動國家重點實驗室，上海 200240）

微細電火花加工是利用脈沖電源在工具電極和工件間產生周期性等離子體放電來蝕除材料的加工方法。 由于無宏觀切削力且不受工件硬度和脆性限制，微細電火花加工方法適用于加工各種難切削材料零件及薄壁類零件[1]，是一種頗具前景的特種加工技術，廣泛應用于汽車、航天、電子、光學、醫(yī)療設備和通信等領域。 由于微細電火花加工利用電熱原理去除材料，工具電極不可避免地會出現(xiàn)電極損耗。 在微細電火花加工過程中，電極損耗和補償問題是影響加工精度和加工成本的核心因素，而且隨著微細加工尺度的減小，該影響越發(fā)明顯[2]。

場致射流放電加工是一種不存在電極損耗的新加工方法， 通過高壓電場誘導產生微細射流，使射流與工件之間發(fā)生放電，從而蝕除材料[3-7]。 具體來說，強直流電場條件下，儲存于毛細管的電介質在末端形成泰勒錐，從泰勒錐的尖端噴射出非常細的射流， 尖端的感應電荷和工件間產生擊穿放電，從而去除工件表面的材料[3]。 放電完成后，尖端的感應電荷被中和，因表面張力作用，微細射流回彈，放電過程結束。單脈沖放電的能量可達到10-11J，放電蝕坑直徑約1 μm[6]。 場致射流微細放電加工使用射流替代傳統(tǒng)的固體工具電極，不存在電極損耗[4]，但是采用液態(tài)電極的缺點也明顯。 與實體電極不同，高壓電場誘導產生的射流極細，極易受到外界環(huán)境干擾和工件表面狀態(tài)影響，并且放電點具有較強的分散性和隨機性。 因此，如何控制射流放電位置、減少等離子體飄忽不定的情況，是場致射流微細放電加工中要解決的核心問題。

在關于約束帶電粒子的研究中，外加磁場是一種頗為有效的方法。 許多學者針對磁場對傳統(tǒng)電火花加工的輔助作用進行了相關研究。Teimouri 等[8]使用旋轉磁場與旋轉電極結合的方法提高了加工性能，研究了磁場強度和電極旋轉速度對放電加工性能的影響，根據(jù)磁場強度和工具轉速的變化實現(xiàn)對材料蝕除率和刀具磨損的預測，研究發(fā)現(xiàn)：磁場可促進加工碎屑從間隙中排出，在降低表面粗糙度值的同時增加了材料蝕除率和刀具磨損。 Gholipoord等[9]將磁場應用于半干式電火花加工過程，在加工區(qū)域施加外部旋轉磁場，結果表明：磁場輔助加工改善了加工間隙的碎屑排出效果，減少了異常放電量，提高了材料蝕除率。 Xu 等[10]將外部磁場應用于微型電火花銑削，對比了有無外部磁場對材料蝕除率、相對刀具磨損率和表面粗糙度的影響，并研究了不同磁場方向對加工效果的影響， 結果表明：存在外部磁場時， 電火花加工中的短路受到抑制、加工穩(wěn)定性得到改善、加工效率更高且能有效降低表面粗糙度，但相對刀具磨損率更高。 并且，加工效果與磁場方向有關，平行于進給方向的外部磁場對表面粗糙度的改善作用更加顯著。Heinz 等[11]將平行于工件表面的磁場應用在非磁性材料上，以研究洛倫茲力對材料去除的機械效應，結果表明：侵蝕效率增加了54%，碎屑排出的速度更快；同時，實驗證明無論工件是否有磁性，洛倫茲力都會對材料去除過程產生影響。 Govindan 等[12]比較了具有脈沖磁場的氣體和液體電介質在EDM 加工中的單火花特性，研究表明：施加磁場時，兩種介質中的放電凹坑的直徑都減小、深度都增加；并且，磁場輔助對干式電火花加工性能的增強效果相比于液體電介質電火花加工時更加顯著。

目前的磁場輔助加工研究大多數(shù)針對傳統(tǒng)微細電火花加工，而就場致射流放電加工引入磁場的相關研究較少。 雖然磁場能增加材料蝕除率、減小表面粗糙度值，但同時也會增加刀具磨損率。 微細射流柔性強、加工時易偏移，而磁場具有約束帶電粒子的作用，適合引入場致射流放電加工，以抑制微細射流的偏移。 對此，本文提出一種四極磁場施加裝置，在工件加工表面附近施加四極磁場，并研究了磁場對場致射流放電加工的影響規(guī)律。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

場致射流放電加工試驗平臺如圖1 所示，主要由注射器、噴管、工件、高壓直流電源、三軸移動平臺及載物臺組成。 注射器和噴管通過夾具固定在載物臺上， 磁場施加裝置安裝在另一側的載物臺上，工件裝夾在磁場施加裝置內，工件與噴管分別接于高壓電源的兩端。

圖1 實驗平臺

為施加四極磁場，試驗設計了如圖2 所示磁場施加裝置， 裝置內壁安裝了N35 釹鐵硼磁鐵片，磁極間交替排列、相同磁極對稱布置，第1、3 面的磁鐵S 極朝向內側， 第2、4 面的磁鐵N 極朝向內側。試驗通過改變磁鐵片的數(shù)量來控制磁感應強度。

圖2 四極磁場施加裝置

1.2 試驗條件

試驗選用P 型單晶拋光硅片作為工件，其參數(shù)見表1。對所選硅片雙面拋光至光滑表面，以易于觀察加工蝕坑的形貌特征；工件厚度為500 μm，需裁切為長度20 mm、寬度10 mm 的薄片；選用質量分數(shù)為1.73%的NaCl 溶液作為加工介質；采用直徑為10 mm 的注射器針管， 而噴管選用直徑為0.72 mm的點膠針頭；選用SL-30P30 型直流高壓電源，其輸出電壓在0～30 kV 范圍內可調。

表1 單晶硅片參數(shù)

1.3 試驗方法

正極性場致射流加工時，陽極工件上易發(fā)生電化學反應[13]。 為避免電化學反應對加工后的觀測帶來不利影響，試驗采用負極性加工，將工件接在高壓直流電源的負極，噴管則接在電源的正極。

試驗時，設置高壓電源的電壓為3.1 kV、電流為1 mA，保持噴管口與工件之間的距離為0.2 mm，接通電源后維持放電加工3 s， 斷開電源后完成加工。 為清除工件表面存在的溶質殘留，將工件置入清水超聲清洗5 min，并烘干以備觀測。 采用VHX-500F 型光學顯微鏡觀測工件表面的蝕坑樣貌，并測量蝕坑的寬度、深度及表面粗糙度。采用TM5100 高斯計測量磁感應強度，其精度為±5%。

2 結果與討論

2.1 四極磁場仿真及結果

場致射流放電加工時，由于泰勒錐尖端產生的射流極細，易受到外界干擾而偏移，難以在同一點進行穩(wěn)定放電加工， 并且放電會改變工件表面形貌，也會對后續(xù)加工中的射流偏移產生影響，使放電位置分散性擴大，難以加工出連續(xù)、平直的溝槽。

為抑制微細射流偏移、 精確控制放電位置，在空間中引入磁場來約束射流。 目前在磁場輔助加工的相關研究中，多數(shù)采用施加正交磁場的方式。 這會導致帶電粒子在洛倫茲力的影響下往垂直于運動方向的單側偏移，帶電粒子轟擊形成的電蝕坑出現(xiàn)了拉長型畸變[14]，難以對粒子的運動起到良好的約束作用。 為此，如圖3 和圖4 所示，試驗采用磁四極透鏡[15]的方式施加磁場，并且磁極間交替排列、相同磁極對稱布置，使帶電粒子在其中一個方向上受匯聚作用，在另一個方向上受發(fā)散作用。

圖3 四極磁場磁感應強度分布

圖4 粒子軌跡追蹤圖

為研究四極磁場對射流的約束作用， 通過COMSOL 仿真模擬離子束在四極磁場中的運動軌跡。 間隔90°設置4 個永磁體，并且正對布置相同磁極、相間布置相反磁極，永磁體四周由空氣域包圍。通過求解磁標勢A 的靜態(tài)磁方程描述磁場為：

式中：μ0表示真空磁導率；M是磁化強度，A/m。空氣域側面采用磁絕緣邊界條件，即n·B=0，其中n 為平面法向量、B 為磁感應強度。

通過后處理中的粒子追蹤功能，研究穿過磁場的離子運動軌跡及呈圓柱狀分布的離子束模擬射流在外界干擾下偏離軸線時的運動情況。 穿過磁場的離子受到洛倫茲力作用， 故求解方程qv×B=ma，從而追蹤離子穿過磁場時的運動軌跡。

仿真結果顯示，偏離軸線的離子束經過一段飄移距離后，在Y軸方向上向內側偏移、在X軸方向上向外側偏移，最終整體上呈現(xiàn)橢圓狀分布。 可見，當射流因外界干擾而偏離軸線方向時，若往豎直方向偏移，會在磁場的作用下向內側匯聚，逐漸靠近軸線位置；若往水平方向偏移，則會在磁場的作用下向外發(fā)散，逐漸偏移軸線位置。 并且，由于越靠近磁極位置的磁感應強度越大，射流越偏離軸線受磁場的影響越大； 由于靠近中心處磁感應強度為零，軸線上的射流不受磁場影響。

2.2 磁場對場致射流加工效果的影響

通過改變磁鐵片數(shù)量， 分別在磁感應強度為50、100、150、200 mT 時進行試驗， 研究磁場對場致射流放電加工效果的影響規(guī)律，并與未施加磁場時的試驗結果進行對比。 如圖5 所示，磁場約束下的場致射流加工蝕坑形貌呈現(xiàn)橢圓形，與仿真結果相符。 利用光學顯微鏡測量蝕坑寬度，結果顯示水平方向的寬度比豎直方向的寬度大了約18.9%。

圖6a 和圖6b 分別為放電蝕坑的水平寬度和豎直寬度隨著磁感應強度變化的曲線圖。 試驗結果表明，隨著磁場的增大，放電蝕坑的水平寬度增加，豎直寬度則減小。 在200 mT 的磁場下，水平寬度與無磁場時相比增加了4%，變化幅度較小；豎直寬度與無磁場時相比減小了18.2%，變化幅度較大。加工時的磁感應強度越大，離子束受到的洛倫茲力就越強，發(fā)生偏移的幅度也越大，因此放電蝕坑在散焦方向上的寬度增加，而聚焦方向上的寬度則減小。

圖6 磁場對場致射流加工的影響

圖6c 和圖6d 分別是放電蝕坑的最大深度、表面粗糙度隨著磁感應強度變化曲線圖。 可見，放電蝕坑的最大深度和表面粗糙度都隨著磁感應強度的增加而減小。 引入外界磁場抑制了微細射流的偏移，導致加工放電位置的分散性減小，放電位置的分布較為均勻，故表面粗糙度值減??；同時，磁場的約束作用導致射流直徑減小，引起表面電勢降低[16]，由射流表面電勢誘發(fā)的極化電場也隨之降低，導致放電能量降低，從而引起放電蝕坑深度減少。

2.3 磁場對極間距離的影響

場致射流加工時，噴管與工件之間會產生高壓電場。 隨著極間的距離逐漸減小，電場強度逐漸增加。 當帶電液體所受電場力足夠克服表面張力時，噴管口會形成泰勒錐并產生微細射流，射流尖端會在工件表面擊穿空氣介質產生放電， 從而蝕除材料。 為研究磁場對放電時極間距離的影響，分別在磁感強度為50、100、150、200 mT 時以及未施加磁場時進行場致射流加工，調節(jié)極間距離直至噴管與工件之間產生火花放電現(xiàn)象，并記錄此時的極間距離。 圖7 是不同磁感應強度下、擊穿間隙放電時的噴管口與工件之間的距離。 試驗結果表明，極間距離會隨著磁感應強度的增加而減小。

圖7 放電時極間距離隨著磁感應強度的變化曲線

未施加磁場時，在噴管與工件之間施加一定電壓后，因強電場作用，液體內的自由電荷匯聚于液體表面，此時帶電液體受到電場力、表面張力和液體粘滯力三者的作用。 隨著噴管與工件之間的距離減小，電場強度逐漸增大，液體的自由表面在電場力作用下形成錐形。 當電場力大于液體表面張力及粘滯力時，錐形尖端射出一束極細的射流并擊穿間隙產生放電。 施加外部磁場后，水中的氫鍵變得更加穩(wěn)定[17]，導致內能增加且表面熵降低，因此氣液界面上的自由能增加，從而導致液體表面張力增加[18]。由于磁場導致泰勒錐上的液體表面張力增加，電場力不足以克服表面張力而形成射流，此時需減小極間距離、增大極間電場強度，才能形成射流并產生放電。 故在磁場下產生放電時，極間距離相較于無磁場時較小，并隨著磁感應強度增加而逐漸減小。

2.4 溝槽加工試驗

施加四極磁場會使離子束在水平方向上散焦、在豎直方向上聚焦，產生了水平寬度較大而豎直寬度較小的橢圓形蝕坑，因此引入該磁場可使用場致射流放電加工深窄溝槽，以解決因柔性電極易受外界干擾而導致的加工溝槽不穩(wěn)定的難題。 為驗證四極磁場對溝槽加工效果的影響，將電源電壓設置為2.5 kV、電流設置為1.5 mA，分別在200 mT 的磁場下和無磁場時進行溝槽加工，隨機選取五個點來測量溝槽的寬度及深度，并計算其平均值。

表2 所示試驗結果表明，溝槽的平均深度及表面粗糙度無明顯差異。 由于溝槽加工時間較長，放電次數(shù)較多，此時溝槽的深度與表面粗糙度主要受放電能量影響， 有磁場與無磁場時的結果相差不大。 在其余試驗條件相同的情況下，磁場中所加工溝槽的平均寬度相比于無磁場的減小了27.9%，表明該磁場的分布有利于加工水平溝槽（圖8）。

表2 溝槽加工試驗結果

圖8 水平溝槽加工結果對比

3 結論

本文針對場致射流加工方法中產生的射流因柔性較大而導致加工時發(fā)散性較大、難以加工溝槽的問題， 提出了通過磁約束解決溝槽加工的方案，通過加工試驗探究了磁場對場致射流加工效果的影響，得出以下結論：

（1）經四極磁場仿真分析發(fā)現(xiàn)，越靠近磁場中心，磁感應強度越??；離子束的分布在該磁場條件下會呈現(xiàn)沿著Y軸聚焦、沿著X軸散焦的現(xiàn)象。

（2）隨著磁感應強度增大，放電蝕坑的水平寬度增加、豎直寬度減小，并且豎直寬度變化幅度較大；磁場會降低放電的分散性，導致表面粗糙度值減??；磁場減小射流的直徑、降低表面電勢，導致放電蝕坑的深度減小。

（3）場致射流放電加工的極間距離會隨著磁感應強度的增大而減小。 外部磁場的作用，導致液體的表面張力增加， 因此需減小間隙來增大極間場強，才能產生放電。

（4）在四極磁場條件下加工的溝槽，相較于無磁場時的寬度顯著減小，而溝槽的深度及表面粗糙度無明顯差異，這表明該磁場能解決場致射流放電加工中因射流電極易受干擾而導致的難以連續(xù)加工深溝槽的問題。