劉志東，凌加健，陳文安，王祥志

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016）

傳統(tǒng)電火花加工[1]存在著材料蝕除率低、電極損耗較高等缺陷。為改善上述問題，上海交通大學(xué)的研究人員在干式電火花加工的基礎(chǔ)上，提出了液中噴氣的加工方式。該方法能有效地排除電蝕產(chǎn)物，加快工件冷卻，改善間隙的放電狀態(tài)，具有更高的加工效率和更低的電極損耗[2-3]；并采用VOF 模型和NS 方程對液中噴氣放電間隙的流體狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)加工瞬間的實際放電區(qū)域處于氣體之中[4]；還對液中噴氣電火花加工進行了試驗研究，結(jié)果表明與干式電火花加工相比，該加工方法具有更高的材料去除率、較好的表面質(zhì)量和較低的電極損耗[5]。但液中噴氣電火花加工并沒有改變材料蝕除能量的本質(zhì)，即仍以電能轉(zhuǎn)化為熱能蝕除材料，且其能量利用率并不高。

對此，本文提出了一種新的加工方法——放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整加工。在電火花加工過程中引入新的加工能量——金屬燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，即向加工區(qū)域間歇通入氧氣，與在電火花放電誘導(dǎo)作用下的活化金屬發(fā)生燃燒反應(yīng)，其釋放的能量遠(yuǎn)大于放電能量，材料蝕除主要依靠燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，可大大提高材料蝕除率，并在氧氣關(guān)閉燃燒結(jié)束階段進行電火花表面修整，保證加工表面質(zhì)量和精度。本文主要通過試驗研究探討這種新型加工方法在電火花成形加工中的應(yīng)用特點。

1 試驗原理和試驗條件

放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的原理見圖1a。高壓氧氣通過間歇氣流控制裝置間歇性地從中空電極內(nèi)噴出，進入加工間隙，與達到燃點的工件基體材料發(fā)生燒蝕反應(yīng)，釋放大量的能量。伺服機構(gòu)控制電極的進給，以滿足材料的蝕除速度。沖液系統(tǒng)可加快加工區(qū)域工作介質(zhì)的流動，有利于蝕除產(chǎn)物的排出。圖1b 是加工現(xiàn)場。

圖1 試驗系統(tǒng)

試驗在數(shù)控電火花成形機床上進行，采用了電極夾具和間歇氣流控制裝置，試驗用的測量設(shè)備有數(shù)字存儲示波器、掃描電子顯微鏡和電子天平等。試驗參數(shù)及條件見表1。

表1 試驗參數(shù)及條件

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 極性效應(yīng)對加工性能的影響

表2 是極性效應(yīng)試驗主要的電規(guī)準(zhǔn)。圖2 是采用正、負(fù)極性進行加工的結(jié)果，可看出，采用正極性加工時，材料蝕除率比負(fù)極性加工時高，且電極相對損耗率較低。主要原因是：無氧階段為常規(guī)電火花加工；在氧氣沖入階段，放電介質(zhì)為氧氣，屬于浸液式氣中放電。根據(jù)氣中放電的原理[6]可知，在氣中放電的整個過程，無論脈寬大小，材料的蝕除主要依靠電子的轟擊作用。因此，當(dāng)工件接正極時，電子轟擊工件產(chǎn)生巨大能量，在氧氣氛圍下，使工件材料燃燒，加快工件的蝕除，有利于加工；當(dāng)工件接負(fù)極時，電子轟擊工具電極，燃燒反應(yīng)發(fā)生在工具電極上，而工件的蝕除是由正離子轟擊來實現(xiàn)的，其產(chǎn)生的能量有限，這些能量并不能將足夠多的材料加熱到熔點而引發(fā)燃燒，因此，工件的蝕除速率很低，電極損耗加劇。該特征在小脈寬時尤其明顯，電極損耗量超過工件的蝕除量。由此可知，放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工適于采用正極性加工，且電極損耗較低。

表2 極性效應(yīng)試驗主要電規(guī)準(zhǔn)

由于這種極性效應(yīng)的存在，所以在本文下述的試驗中，均采用正極性加工。

2.2 電參數(shù)對加工性能的影響

2.2.1 脈沖寬度對加工性能的影響

圖2 正、負(fù)極性加工性能對比

圖3 是脈沖寬度對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖3 可看出，材料蝕除率隨著脈沖寬度的增大而增加。在其他條件不變的情況下，單個脈沖放電能量會隨著脈沖放電時間的增加而增大，單個脈沖能量所能活化的基體材料增多，可燃燒蝕除更多的基體材料；反之，脈沖寬度過小，單個脈沖放電能量小，活化材料減少，甚至無法燃燒。因為燃燒的先決條件是活化區(qū)足夠大，小脈寬情況下的放電幾率（或放電頻率）過小，導(dǎo)致活化區(qū)形成后還未來得及擴大，能量就已經(jīng)向外擴散消失了，所以脈沖寬度過小，可能無法燃燒，嚴(yán)重限制了材料蝕除率的提高。

圖3 脈沖寬度對加工性能的影響

另外，電極相對損耗率保持在較低的水平，且呈現(xiàn)下降趨勢。電極相對損耗率與工具電極的絕對損耗、工件的蝕除量有關(guān)。脈沖寬度增加引起單個脈沖放電能量增多，在氧氣通入階段，屬于氣中放電，可有效地補償電極損耗。

2.2.2 脈沖間隔對加工性能的影響

圖4 是脈沖間隔對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖4 可看出，在一定范圍內(nèi)，材料蝕除率隨著脈沖間隔的增大而增加，但超過這一范圍時（圖示脈沖間隔為120 μs），材料蝕除率將迅速降低。分析認(rèn)為：當(dāng)脈沖間隔過短時，放電頻率增大，單位時間內(nèi)的放電次數(shù)增加，雖然在氧氣通入階段，材料活化速度增加，但因為燃燒過于劇烈，將使無氧階段的蝕除產(chǎn)物無法排出，而降低了蝕除效率，且表面質(zhì)量不易得到保障，因此隨著脈沖間隔的增加，極間狀態(tài)得到改善，使材料蝕除率略有增加；而當(dāng)脈沖間隙為120 μs 時，此時的極間狀態(tài)已經(jīng)不是主要矛盾，而放電頻率的下降，必然導(dǎo)致材料活化速度降低，燃燒劇烈程度會下降，所蝕除的產(chǎn)物也將減少。因此，其材料蝕除率迅速下降，但表面質(zhì)量會顯著改善。

圖4 脈沖間隔對加工性能的影響

另外，隨著脈沖間隔的變化，電極相對損耗率一直保持在較低水平，并沒有明顯變化。因此，脈沖間隔對電極相對損耗率的影響不顯著。

2.2.3 低壓電流對加工性能的影響

圖5 是低壓電流對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，氣體通斷時間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖5 可看出，隨著低壓電流的增大，材料蝕除率逐漸增加。在其他條件不變的情況下，單個脈沖放電能量隨著低壓電流的增加而增大。在氧氣通入階段，使得活化區(qū)迅速擴大，燃燒過程中不斷地補充能量，燃燒更加劇烈，燒蝕材料更多；但電流過大，會使燃燒過于劇烈，嚴(yán)重?zé)齻ぜ砻?，不利于無氧階段的常規(guī)電火花修整，導(dǎo)致加工表面惡化。

圖5 低壓電流對加工性能的影響

另外，隨著低壓電流的增大，電極相對損耗率仍保持在較低的水平。分析認(rèn)為：低壓電流增大，單個脈沖放電能量變大，燃燒更劇烈，使產(chǎn)物飛濺量增加，附著在工具電極表面的燃燒產(chǎn)物增多，對電極損耗起到一定的補償作用。

2.3 非電參數(shù)對加工性能的影響

2.3.1 氣體通斷時間

圖6 是氣體通斷時間對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，液位高度40 mm，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖6 可看出，保證氣體的通入時間0.5 s，而氣體斷開時間在一定范圍內(nèi)時，材料蝕除率隨著氣體斷開時間的增加而增大；當(dāng)氣體斷開時間超過一定值后（圖示為1.0 s），材料蝕除率將迅速減少。分析認(rèn)為：氣體斷開時間過短，說明燃燒時間長，而常規(guī)電火花修整時間短，氧氣通入階段劇烈燃燒，粘附在工件表面的燃燒產(chǎn)物多，而在無氧階段，電火花修整時間短，無法完全蝕除表面的燃燒產(chǎn)物，下個氧氣脈沖通入階段到來后，將首先蝕除上次的燃燒產(chǎn)物，因為該產(chǎn)物已無法再燃燒，使燃燒時間縮短，材料蝕除率下降，且表面燒傷嚴(yán)重。當(dāng)氣體斷開時間超過一定值后，將使單位時間內(nèi)的燃燒次數(shù)減少，電火花修整時間增加，導(dǎo)致材料蝕除率迅速下降，加工表面質(zhì)量更好。

另外，隨著氣體斷開時間逐漸增加，電極相對損耗率雖然呈現(xiàn)一定的上升趨勢，但仍保持在較低水平。分析認(rèn)為：在電參數(shù)不變的條件下，單個脈沖放電能量一定，電極絕對損耗并無顯著變化，燃燒頻率較大時，電極損耗的補償量較多，電極絕對損耗會小一些。因此，隨著燃燒頻率的減小，電極絕對損耗會有所上升。

圖6 氣體通斷時間對加工性能的影響

2.3.2 液位高度對加工性能的影響

圖7 是液位高度對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時間0.5 s：0.5 s，氣體壓力0.3 MPa，電極壁厚4 mm。由圖7 可看出，隨著液位高度的增加，材料蝕除率呈上升趨勢，但增幅不大。

高壓氧氣從中空的工具電極中沖入加工間隙，并從側(cè)壁間隙流出，工作液覆蓋加工間隙。由于自來水的壓縮性要遠(yuǎn)低于外部大氣，使出口阻力增大，加工間隙的氣體壓力變大，放電通道內(nèi)部的壓力也變大，導(dǎo)致放電通道內(nèi)的能量密度更高，有利于燃燒。因此，液位高度增加，材料蝕除率也會相應(yīng)提高；只是工作液增加的壓力有限，故材料蝕除率的增加并不顯著。

圖7 液位高度對加工性能的影響

另外，隨著液位高度的增加，電極相對損耗率并沒有變化，保持在極低的水平。分析認(rèn)為：電極的損耗量并不會隨著液位高度的變化而出現(xiàn)明顯變化，且材料蝕除率的變化不大，導(dǎo)致電極相對損耗率幾乎不變。

2.3.3 氣體壓力對加工性能的影響

圖8 是氣體壓力對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體通斷時間0.5 s：0.5 s，壁厚4 mm，液位高度40 mm。由圖8 可看出，氣體壓力在一定范圍時，材料蝕除率將隨著氣體壓力的增加而增大；但當(dāng)氣體壓力超過這一范圍時，材料蝕除率會隨著氣體壓力的增加而減小。分析認(rèn)為：氧氣通入階段，氣體壓力過小，加工間隙的氣體壓力和流量過小，燃燒程度受到限制，材料的燒蝕效率增加不明顯。所以在一定范圍內(nèi)，氣體壓力的增大，會使加工間隙獲得足夠的氧氣，進行燃燒反應(yīng)，以蝕除更多的材料。當(dāng)氣體壓力超過一定范圍時，加工間隙的氣體流速過大，帶走的能量也增多，燃燒產(chǎn)生的能量利用率下降，影響材料進一步蝕除，所以材料蝕除率會逐漸下降。

圖8 氣體壓力對加工性能的影響

另外，電極相對損耗率雖然也保持在較低的水平，但還是隨著氣體壓力的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。分析認(rèn)為：氣體壓力越大，絕緣性能越好，極間消電離越充分，放電狀態(tài)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生拉弧，有效地減少了電極的損耗。

2.3.4 電極壁厚對加工性能的影響

圖9 是電極壁厚對加工性能的影響曲線。加工參數(shù)為：脈沖寬度150 μs，脈沖間隔120 μs，低壓電流8 A，氣體壓力0.3 MPa，氣體通斷時間0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm。由圖9 可看出，材料蝕除率隨著電極壁厚的增大而逐漸下降。分析認(rèn)為：電極的壁厚會影響極間的氣體壓力，其分布是以中心孔為圓心向外擴散且逐漸降低；因此，電極壁厚越厚，電極底面橫跨的氣體壓力梯度越多，加工時對燃燒程度的影響很大，靠近中心孔的部分燃燒較劇烈，遠(yuǎn)離中心孔的部分燃燒較平緩，從而影響整體的加工速度。而電極壁厚越小，電極底面橫跨的氣體壓力梯度越少，燃燒區(qū)域集中，有利于材料的進一步燒蝕，材料蝕除率有所增加。

圖9 壁厚對加工性能的影響

另外，電極壁厚減小，使加工區(qū)域減小，電極底面放電面積變小，因此電極損耗也會減小，電極相對損耗率則一直保持在極低的水平，無明顯變化。

2.4 加工實例

根據(jù)上述試驗內(nèi)容，可基本了解放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的工藝規(guī)律。為此選取優(yōu)化參數(shù)進行加工，并與常規(guī)水中加工方法進行對比。加工參數(shù)見表3，實驗結(jié)果見圖10和圖11。

表3 優(yōu)化參數(shù)

圖10 加工實例結(jié)果對比

圖11 常規(guī)水中加工和間歇燒蝕加工的實物

3 結(jié)論

通過對放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的一系列工藝試驗，可初步得出以下結(jié)論：

（1）放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工適合于正極性加工。

（2）材料蝕除率隨著脈沖寬度、低壓電流和液位高度的增加而增加；隨著脈沖間隔、氣體斷開時間和氣體壓力的增加而呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；隨著電極壁厚的增加而略有下降。

（3）不同的電參數(shù)和非電參數(shù)，電極相對損耗率都很低。

（4）在優(yōu)化參數(shù)條件的下，放電誘導(dǎo)可控?zé)g及電火花修整成形加工的材料蝕除率是常規(guī)水中加工的8.81 倍，電極相對損耗率只有其25.5 %。

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