肖日增等

摘要：放電脈沖能量是影響加工速度、放電間隙、電極損耗、加工表面粗糙度、加工精度及表面質(zhì)量的主要因素，從放電能量角度研究石墨工具電極電火花加工工藝參數(shù)，并以應(yīng)用為目的，以文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)為依據(jù)，制作了以單個(gè)脈沖能量為自變量，以表面粗糙度、蝕除速度、單邊側(cè)面放電間隙及電極損耗為因變量的一體化的關(guān)系曲線圖，為工具電極設(shè)計(jì)與加工、電

火花放電成型加工提供一種更符合生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)分析選擇方法。

關(guān)鍵詞：石墨電極；電極設(shè)計(jì)；電火花加工；電加工參數(shù)；放電間隙；電極損耗率

引言

1.脈沖能量是影響電火花加工的重要因素

電火花加工是模具行業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，電火花加工的質(zhì)量直接影響模具的使用性能和壽命。但電火花加工最突出的局限性是加工速度較慢和存在電極損耗[1]，加工速度較慢直接影響加工效率，電極損耗既影響加工效率，又影響模具加工質(zhì)量。加工速度、電極損耗都與脈沖能量緊密相關(guān)，電子和正離子對(duì)電極表面的轟擊是影響能量分布的主要因素，而能量在兩極上的分配對(duì)兩個(gè)電極電蝕量的影響是一個(gè)極為重要的因素。[2]

脈沖能量還對(duì)表面變化層產(chǎn)生較大影響，由于受放電點(diǎn)傳來(lái)的高溫影響，使材料金相組織發(fā)生變化，從而影響模具表面質(zhì)量。

2.電火花加工工藝參數(shù)選擇方法有待提高

實(shí)際生產(chǎn)中，電極的設(shè)計(jì)與加工時(shí)選取電火花加工工藝參數(shù)，存在很多不科學(xué)的地方，如選取單邊側(cè)面放電間隙是依經(jīng)驗(yàn)值，常按“粗加工電極留火花位（即單側(cè)面放電間隙）0.15mm，加工電極留火花位0.05mm”去使用，這簡(jiǎn)單方便，但不精確。因?yàn)榭茖W(xué)的做法要查閱很多圖表，如銅+加工鋼﹣時(shí)表面粗糙度與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關(guān)系圖、單邊側(cè)面放電間隙與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關(guān)系圖、工件蝕除速度與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關(guān)系圖、電極損耗率與脈沖寬度和脈沖峰值電流的關(guān)系圖等 [2]。從這些關(guān)系曲線圖可知，電火花加工中電規(guī)準(zhǔn)的變量及取值很多，它們相互影響，給參數(shù)的正確選擇增加了難度，選擇電火花加工工藝參數(shù)已成為模具行業(yè)中一項(xiàng)關(guān)鍵而復(fù)雜的技術(shù)，因此非常有必要研究一種更為簡(jiǎn)便的工藝參數(shù)選擇方法。

3.石墨工具電極單個(gè)脈沖放電能量的分析

脈沖能量、工作液、加工面積和加工極性選擇等對(duì)電極加工性能的都有影響，但脈沖能量對(duì)電火花加工特性有重要的影響。由電火花加工時(shí)的各種放電狀態(tài)[1]可知，計(jì)算脈沖能量并不能用峰值電壓。由于擊穿后間隙上的火花維持電壓是一個(gè)與電極對(duì)材料及工作液種類有關(guān)的數(shù)值（如在煤油中用石墨加工鋼時(shí)約為25～30V）。在通常的晶體管脈沖電源中，脈沖電流近似地為一矩形波，正負(fù)極的電蝕量正比于放電電流的幅值和電流脈寬。[3]故當(dāng)石墨加工鋼時(shí)的脈沖能量為

WM=（25～30）

WM單個(gè)脈沖放電能量，J； 脈沖電流幅值，A； 電流脈寬，μs

4.石墨工具電極單個(gè)脈沖放電能量與電火花加工工藝指標(biāo)的關(guān)系

根據(jù)當(dāng)石墨加工鋼時(shí)的脈沖能量公式WM=（25～30） ，現(xiàn)取擊穿后間隙上的火花維持電壓為28V，根據(jù)現(xiàn)有的石墨加工鋼時(shí)電火花加工的工藝參數(shù)圖表中[3]，取te電流脈寬中的短脈寬值和長(zhǎng)脈寬值（分析工件蝕除速度與脈沖能量的關(guān)系時(shí)特別選用了蝕除速度最高的中脈寬值）， 脈沖電流幅值取不同的值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出 單個(gè)脈沖放電能量，使用插值算法分別求出對(duì)應(yīng)的表面粗糙度、單邊側(cè)面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率等四個(gè)主要的工藝指標(biāo)。

根據(jù)表面粗糙度與脈沖能量的關(guān)系，把單個(gè)脈沖放電能量的對(duì)數(shù)為自變量作為橫坐標(biāo)，以表面粗糙度的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，生成石墨+加工鋼-時(shí)表面粗糙度與脈沖能量的關(guān)系圖，生成乘冪趨勢(shì)線，如圖1中Wm-Ra部分所示。

石墨+、鋼-時(shí)表面粗糙度與脈沖能量的關(guān)系圖可見，在一定加工條件時(shí)，電蝕表面的粗糙度評(píng)定參數(shù)Ra隨單個(gè)脈沖能量增大而增大。要減少表面粗糙度Ra的值，則必須減少單個(gè)脈沖的能量。

根據(jù)單邊側(cè)面放電間隙與脈沖能量的關(guān)系，把單個(gè)脈沖放電能量的對(duì)數(shù)為自變量作為橫坐標(biāo)，以單邊側(cè)面放電間隙為縱坐標(biāo)，生成石墨+加工鋼-時(shí)單邊側(cè)面放電間隙與脈沖能量的關(guān)系圖，生成乘冪趨勢(shì)線，如圖1中Wm-SL部分所示。

電火花放電加工時(shí)，工具電極與工件之間發(fā)生脈沖放電需要保持一定的放電間隙，為使加工出的工件型孔尺寸符合設(shè)計(jì)要求，電極尺寸沿加工輪廓上要減小一個(gè)單邊側(cè)放電間隙，也稱為火花位。由圖1中Wm-SL分析可見，單邊側(cè)面放電間隙隨單個(gè)脈沖能量增大而增大，由于橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)值，而縱坐標(biāo)為非對(duì)數(shù)刻度值，增長(zhǎng)幅度呈先緩后急的趨勢(shì)。

單邊側(cè)面放電間隙影響加工精度，對(duì)復(fù)雜形狀的加工表面影響尤其嚴(yán)重。單邊側(cè)面放電間隙和選取從工具電極、電極成形加工到放電成型加工都要使用，因此生產(chǎn)中必須結(jié)合實(shí)際情況統(tǒng)一選取。放電面積越大，脈沖能量必須增加，相應(yīng)的單邊側(cè)面放電間隙也應(yīng)變大。

根據(jù)工件蝕除速度與脈沖能量的關(guān)系，把單個(gè)脈沖放電能量的對(duì)數(shù)為自變量作為橫坐標(biāo)，以工件蝕除速度的對(duì)數(shù)值作為縱坐標(biāo)，生成石墨+、鋼-時(shí)工件蝕除速度與脈沖能量的關(guān)系圖，生成乘冪趨勢(shì)線，如圖1中Wm-Vw部分所示。

在圖1中Wm-Vw部分中，左上方的趨勢(shì)線由的短脈寬的te電流脈沖生成，中間的趨勢(shì)線由蝕除速度最高的中脈寬的te電流脈沖生成，右下方的趨勢(shì)線由長(zhǎng)脈寬的te電流脈沖生成，從三個(gè)趨勢(shì)線分析可見，在脈沖能量1E+04～1.5E+05J區(qū)域間，相同的脈沖能量，短脈寬的te電流脈沖的工件蝕除速度反而最高，長(zhǎng)脈寬的te電流脈沖的工件蝕除速度反而最低，因此由WM=（25～30） 可知，WM相同時(shí)， 與te成反比，工件蝕除速度與 脈沖電流幅值關(guān)系最大， 脈沖電流幅值越大，工件蝕除速度越高，電流幅值變小，加工速度下降。石墨電極與銅電極相比，因有極好的耐熱性，可加大電流值，提高生產(chǎn)效率。粗加工時(shí)，可以用較大電流。但是在一定加工面積條件下，有一個(gè)極限，超過這個(gè)極限，會(huì)造成加工不穩(wěn)定，電極和工件會(huì)產(chǎn)生拉弧燒傷，生產(chǎn)率反而降低。但從整個(gè)關(guān)系圖分析可知，相同的脈沖電流幅值，選用中脈寬的時(shí)，工件蝕除速度最高。

對(duì)蝕除量影響的綜合作用規(guī)律可以用脈沖能量的大小和變化率來(lái)描述。無(wú)論正極或負(fù)極，都存在單個(gè)脈沖的蝕除量q′與單個(gè)脈沖能量WM在一定范圍成正比的關(guān)系。[3]在相同工藝條件下，對(duì)大型電極而言主，提高加工速度的最有效途徑在于增加單個(gè)脈沖能量WM。增加單個(gè)脈沖能量主要依靠加大脈沖電流和增加脈沖寬度。

根據(jù)電極損耗率與脈沖能量的關(guān)系，把單個(gè)脈沖放電能量的對(duì)數(shù)為自變量作為橫坐標(biāo)，以電極損耗率的對(duì)數(shù)值作為縱坐標(biāo)，生成石墨+加工鋼-時(shí)電極損耗率與脈沖能量的關(guān)系圖，生成乘冪趨勢(shì)線，如圖1中Wm-Ve部分所示。

電火花加工過程中，工具電極也受電腐蝕而發(fā)生損耗，電極損耗對(duì)加工精度影響很大，因而了解和掌握電極損耗規(guī)律，進(jìn)而采取多種措施以盡量減少工具電極的損耗，對(duì)提高模具的加工精度具有重要意義。

在圖1中Wm-Ve部分中，左上方的趨勢(shì)線由的短脈寬的電流脈沖生成，右下方的趨勢(shì)線由的長(zhǎng)脈寬的電流脈沖生成，可見隨著脈沖能量的增大，電極損耗率降低；長(zhǎng)脈寬的電流脈沖與短脈寬的電流脈沖相比，電極損耗率更低，效果更明顯，脈沖寬度越大，電極損耗越小。

根據(jù)圖1脈沖能量與常用工藝參數(shù)的關(guān)系可知，隨著脈沖能量的增大，單邊側(cè)面放電間隙需要隨著增大，蝕除金屬材料也越多，產(chǎn)生的蝕坑越深越寬，加工速度提高，工件的表面粗糙度較大，此時(shí)的電極損耗率相對(duì)更低。因此粗加工時(shí)，脈沖寬度可以選擇大一些，減小電極損耗，提高加工速度。脈沖能量對(duì)表面粗糙度、單邊側(cè)面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率的影響是十分顯著的。不論電流峰值及脈沖寬度的選值大小，脈沖能量對(duì)表面粗糙度、單邊側(cè)面放電間隙的趨勢(shì)是明確的；脈沖能量對(duì)表面粗糙度、單邊側(cè)面放電間隙的趨勢(shì)是也明確的，但不是單值對(duì)應(yīng)，而是一個(gè)范圍，電流峰值及脈沖寬度存在更多的選擇性。

5.從放電能量的角度選擇電火花加工工藝參數(shù)

把單個(gè)脈沖放電能量為主變量作為橫坐標(biāo)，以表面粗糙度、單邊側(cè)面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率為因變量作為縱坐標(biāo)，同在一個(gè)圖上，形成一個(gè)脈沖能量與電火花加工工藝參數(shù)的關(guān)系圖表，如圖1所示，它們都是用乘冪趨勢(shì)預(yù)測(cè)/回歸分析方法，相互影響關(guān)系一目了然，分析更加直觀，更符合生產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)際情況，能更加方便地選擇工藝指標(biāo)和電火花加工參數(shù)規(guī)準(zhǔn)，可以作為一種新工藝曲線圖表使用。

5.1在工具電極設(shè)計(jì)階段的工藝參數(shù)選擇

首先，根據(jù)模具型腔粗糙度的設(shè)計(jì)要求，利用此關(guān)系圖，由表面粗糙度要求初步選取單個(gè)脈沖放電能量及單邊側(cè)面放電間隙。

其次，單邊側(cè)面放電間隙是保證尺寸精度的重要因素，所以要以單邊間隙作為關(guān)鍵工藝參數(shù)，綜合考慮加工量和電極損耗，選擇其它工藝參數(shù)。利用此關(guān)系圖初步選取對(duì)應(yīng)的脈沖能量。

因電火花加工后，還可以再拋光，單邊間隙過小易于短路，加工不穩(wěn)定，因此一般選取偏大的單邊間隙，對(duì)應(yīng)的脈沖能量較大，電極損耗更低。

也要考慮在此條件限制下，工件蝕除速度與電極損耗率對(duì)加工分段的影響，決定是否分粗加工電極、中加工電極和精加工電極。

5.2在工具電極加工階段的工藝參數(shù)選擇

電極加工編程時(shí)，按設(shè)計(jì)時(shí)決定的單邊側(cè)面放電間隙利用刀補(bǔ)值進(jìn)行負(fù)值裕留量編程。

5.3在工具電極加工階段的工藝參數(shù)選擇

應(yīng)以單邊側(cè)面放電間隙為關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)加工效率與電極損耗的要求，利用綜合圖表，選擇理想的脈沖能量，再利用脈沖能量的公式WM=28 ，計(jì)算并選擇合適的電流峰值及脈沖寬度，最后選擇其它的電規(guī)準(zhǔn)，如脈間和峰值電壓等。

6.結(jié)語(yǔ)

通過從脈沖能量角度分析研究電火花加工工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了脈沖能量與表面粗糙度、單邊側(cè)面放電間隙、工件蝕除速度、電極損耗率等四個(gè)主要工藝指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)系。按照生產(chǎn)過程的需要制作的石墨+加工鋼-時(shí)脈沖能量與常用工藝參數(shù)的關(guān)系圖，提供了另一種更符合生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)分析選擇方法，能更加方便地選擇工藝指標(biāo)和電火花加工參數(shù)規(guī)準(zhǔn)，具有較高的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]趙萬(wàn)生.電火花加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3]張建華.精密與特種加工技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：

肖日增（1969-），男，漢族，廣東電白人，畢業(yè)于華南理工大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，在讀在職研究生，機(jī)械高級(jí)講師，高級(jí)數(shù)控技師，研究方向：模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、電火花加工。

葉石華，男，高級(jí)工程師，畢業(yè)于華南理工大學(xué)電力系電機(jī)專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

李多民，男，漢族，48歲，華南理工大學(xué)工學(xué)工學(xué)博士，化工過程機(jī)械教授，碩士生導(dǎo)師。