王祥志，劉志東，江 煒

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.常州工學(xué)院江蘇省特種加工重點實驗室，江蘇常州213032）

混氣電火花加工氣泡形成機(jī)理及實驗研究

王祥志1，2，劉志東1，江 煒2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.常州工學(xué)院江蘇省特種加工重點實驗室，江蘇常州213032）

為了研究混氣電火花加工中微氣泡的形成機(jī)理，建立了微氣泡數(shù)學(xué)模型。分析發(fā)現(xiàn)，微氣泡的大小與氣泡內(nèi)外的壓力差有關(guān)，壓力越大，氣泡直徑越小。選擇不同的混氣壓力進(jìn)行了對比試驗，結(jié)果表明：極間混入氣體后改變了原有的放電狀態(tài)，加工效率略有降低，電極絕對損耗變小，表面粗糙度值下降；隨著混氣壓力的增加，放電間隙減小，增大了電蝕產(chǎn)物從極間排出的難度，加工效率繼續(xù)降低，電極損耗基本不變，表面粗糙度值略有下降。

電火花加工；混氣加工；微氣泡；數(shù)學(xué)模型；工藝指標(biāo)

混氣電火花加工是一種新型的電火花加工方式，它利用氣體在原有工作介質(zhì)中形成微小氣泡，使進(jìn)入極間的介質(zhì)呈現(xiàn)氣液兩相混合的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到改善電火花加工特性的目的[1]。李立青等[2-4]對混氣電火花加工進(jìn)行了系統(tǒng)性研究：首先，對其加工機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為極間混氣后有利于電蝕產(chǎn)物排出，可使放電狀態(tài)較快趨于穩(wěn)定，進(jìn)而提高加工速度，且有利于分散放電，提高工件的加工表面質(zhì)量；其次，研究了脈沖放電參數(shù)對混氣電火花加工工藝性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著脈寬和峰值電流的增大，加工速度降低，表面粗糙度值減??；此外，還研究了主軸伺服參數(shù)對混氣電火花加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著抬刀高度的增大，加工速度下降，表面粗糙度值變大；隨著抬刀周期的增大，加工速度上升，表面粗糙度值減??；且抬刀高度和抬刀周期均存在一個最佳值，能使電極損耗最小。何廣敏等[5]對混氣電火花鏡面加工進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)放電極間混入氣體后，能有效改善工件的表面粗糙度，且能提高加工效率。

雖然研究人員都設(shè)計了用于混氣電火花加工的裝置，但并未對裝置的設(shè)計原理進(jìn)行詳細(xì)說明，也未對微氣泡的形成機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)研究。因此，本文建立了微氣泡形成的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了機(jī)理的驗證實驗，研究了微氣泡對電火花加工效率、電極絕對損耗和表面粗糙度的影響。

1 混氣電火花加工技術(shù)

混氣電火花加工實驗裝置見圖1。利用氣泵產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)氣壓計進(jìn)入加工間隙，形成微氣泡。氣壓計實時顯示氣體壓力；示波器顯示當(dāng)前的放電電壓電流波形，可間接反映極間加工狀況。

圖1 混氣電火花加工試驗裝置示意圖

微氣泡進(jìn)入加工間隙的原理見圖2。具有一定壓力的氣體從噴嘴噴出，進(jìn)入工作介質(zhì)后，受液體壓力和剪切力作用形成微氣泡。氣體壓力將微氣泡壓入放電間隙中，推動加工蝕除產(chǎn)物運動，使產(chǎn)物能在放電間隙中均勻分布，從而有效防止蝕除產(chǎn)物在極間形成堆積，使加工趨于穩(wěn)定（圖3）。

圖2 微氣泡進(jìn)入加工間隙的模型

圖3 微氣泡促進(jìn)極間電蝕產(chǎn)物均布的模型

2 混氣電火花加工微氣泡模型

2.1 微氣泡數(shù)學(xué)建模

液體中形成的氣泡模型見圖4。氣泡受到外界液體的壓力PL，其內(nèi)部將產(chǎn)生壓力PV。根據(jù)氣泡動力學(xué)理論[6]可知，對于每個氣泡都有：

式中：R為氣泡半徑；σ為氣泡表面張力。

由此可求得：

或

由式（2）進(jìn)一步可推出：

式中：r為汽化潛熱；TL為液體溫度；TS為飽和溫度；ρv為氣體密度。

圖4 氣泡在液體中的受力情況

2.2 微氣泡形成方案

由于電火花加工放電間隙為幾十微米，故氣泡直徑應(yīng)小于放電間隙。假定氣泡半徑R=30 μm，則根據(jù)式（3）可計算出氣泡內(nèi)外產(chǎn)生的壓力差為：

說明要使液體中產(chǎn)生半徑為30 μm的氣泡，理論上需要氣液壓力差△P=4.86 kPa即可，即氣體壓力需比液體壓力大4.86 kPa。考慮到氣體在充入液體過程中的各種損失，可將氣壓選得高一些，如：10～20 kPa。

為了驗證極間氣泡大小的情況，進(jìn)行了模擬實驗。采用精確的氣壓計進(jìn)行測量，范圍為0.1～1 kPa；采用二片薄玻璃，利用塞尺確定其距離為50 μm后固定；采用直徑0.5 mm的銅管連接氣泵，并對準(zhǔn)玻璃間隙吹氣體。圖5是在不同混氣壓力下所形成的氣泡?？梢?，通過控制混氣壓力，可在放電間隙中成功混入不同大小的氣泡；混氣壓力越大，形成的氣泡越小，達(dá)到了混氣加工的效果。

2.3 微氣泡引起的電場畸變

在電火花加工過程中，氣泡會使工件和工具電極之間原本均勻的電場發(fā)生畸變[7]。氣泡進(jìn)入加工間隙后的極間電場模型見圖6。距離氣泡中心r處P點的電場強(qiáng)度E1為：

式中：a為氣泡半徑；ε1為工作介質(zhì)的介電系數(shù)；ε2為氣泡的介電系數(shù)；E2為氣泡的電場強(qiáng)度；θ為P點與氣泡中心的夾角。

圖5 不同混氣壓力下的氣泡大小

圖6 均勻介質(zhì)中氣泡的電場模型

由式（6）可知，當(dāng)r=a、cosθ=1時，P點的電場強(qiáng)度達(dá)到最大值：

即：

對于蒸餾水而言，其最大電場強(qiáng)度E1max是一定的。當(dāng)蒸餾水中混入空氣氣泡時，ε2=ε0，ε1=80ε0，代入式（8）可得：

說明空氣氣泡中的場強(qiáng)比蒸餾水中大得多。當(dāng)蒸餾水中混入氣泡時，將首先擊穿氣泡，形成放電通道，大大降低了工作介質(zhì)的擊穿難度。

3 實驗驗證

3.1 實驗準(zhǔn)備

實驗在NH7125電火花成形機(jī)床上進(jìn)行，工件材料為鈦合金TC4，工具電極材料為紫銅，加工介質(zhì)為蒸餾水，其他實驗條件見表1。由于鈦合金在水介質(zhì)中采用正極性加工時會因電解腐蝕在工件表面形成一層耐腐蝕、熔點高的藍(lán)紫膜，影響加工的正常進(jìn)行[8]，故本實驗采用負(fù)極性加工方式。

表1 加工條件

3.2 極間氣液狀況監(jiān)測

在用水作為基體放電介質(zhì)時，由于水的弱導(dǎo)電性，使極間在脈沖電源的作用下易產(chǎn)生漏電流，導(dǎo)致加工介質(zhì)的絕緣性降低。由于氣體的絕緣性高，氣體進(jìn)入極間將對漏電流的形成起到抑制作用，使消耗在因漏電流產(chǎn)生的電解作用上的壓降降低，故隨著氣體量的增多，介質(zhì)擊穿電壓將增大[9]。因此，可通過檢測放電時的電壓波形來判斷極間介質(zhì)中是否成功混入了氣體。圖7是常規(guī)電火花加工和采用氣壓10 kPa進(jìn)行混氣電火花加工的放電電壓波形對比?？梢姡Ｒ?guī)電火花加工的電壓為80 V，混氣后的電壓上升至93 V，說明采用10 kPa的氣壓成功地在極間混入了氣泡。

圖7 常規(guī)、混氣電火花加工放電電壓波形對比

3.3 放電間隙檢測

如圖6所示，混入氣泡后，極間電場將發(fā)生畸變，氣泡抗壓強(qiáng)度小，在小于常規(guī)電火花放電的電場強(qiáng)度下即會被擊穿，因此氣泡的混入必將導(dǎo)致放電間隙的變化。本實驗利用電火花成形機(jī)床進(jìn)行微米級進(jìn)給，并手動測量不同壓力混氣下的放電間隙大小。對每種氣壓情況分別測量10次取平均值，結(jié)果見圖8。可看出，隨著混氣壓力的增加，放電間隙不斷減??；當(dāng)混氣壓力為15 kPa時，放電間隙減小到常規(guī)加工時的27%左右。

圖8 放電間隙隨混氣壓力的變化情況

4 結(jié)果分析

4.1 混入氣泡對加工效率的影響

不同混氣壓力下對鈦合金進(jìn)行電火花加工的效率變化見圖9?？梢?，當(dāng)混氣壓力為15 kPa時，加工效率比常規(guī)加工降低了約15%。

圖9 氣體壓力對電火花加工效率的影響

圖10是常規(guī)電火花加工和氣壓10 kPa混氣電火花加工后的表面放電坑形貌?？煽闯?，常規(guī)電火花放電坑的深度和直徑都明顯比混氣后的放電坑大。這是因為極間混入氣泡后，大量氣泡在浮力和加工介質(zhì)流動的作用下作無規(guī)則運動，使極間電蝕產(chǎn)物分布更均勻，增加了電蝕產(chǎn)物在極間架橋的機(jī)會，促進(jìn)了放電過程中的電流分散，單個放電通道內(nèi)的能量降低，從而使放電坑直徑較小、深度較淺。

由圖8可知，隨著混氣壓力的增加，放電間隙不斷減小。氣泡在極間的擾動及氣泡爆裂時產(chǎn)生的沖擊波作用能增強(qiáng)放電爆炸力，使電蝕產(chǎn)物以更高的速度被拋出。但隨著放電間隙減小，更多的電蝕產(chǎn)物并不能及時排出放電通道，而是粘附在電極和工件表面上重新冷凝，從而導(dǎo)致加工效率下降。

圖10 常規(guī)、混氣電火花加工的放電坑對比

4.2 混入氣泡對電極損耗的影響

不同混氣壓力下對鈦合金進(jìn)行電火花加工的電極絕對損耗變化見圖11。可見，混氣后的電極絕對損耗略低于常規(guī)電火花加工，但隨著混氣壓力的增加，電極絕對損耗變化不明顯。這是因為混入氣泡可使電蝕產(chǎn)物均勻分布，從而降低單個放電通道內(nèi)的能量，使工件蝕除量減小，同時電極蝕除量也減??；此外，靠近電極的氣體在電極表面形成一層氣體薄膜（圖12）[10]，減小了加工時的電解腐蝕，從而降低了電極損耗量。

圖11 氣體壓力對電火花加工電極絕對損耗的影響

圖12 氣體對電極的保護(hù)作用示意圖

4.3 混入氣泡對表面質(zhì)量的影響

不同混氣壓力下對鈦合金進(jìn)行電火花加工后的表面粗糙度變化見圖13?？梢姡鞖夂蟮谋砻娲植诙戎得黠@下降，且隨著混氣壓力的增加，表面粗糙度值仍在緩慢下降。

圖13 氣體壓力對電火花加工表面粗糙度的影響

如4.1節(jié)所述，混氣后，極間的大量氣泡有利于分散放電能量，產(chǎn)生直徑小、深度淺的放電坑。放電間隙的減小使粘附在工件表面的電蝕產(chǎn)物增多，加之氣體的冷卻速度慢，熔融的金屬材料在電蝕坑內(nèi)及其周圍重新冷凝的幾率增大、速度放緩，從而減小了工件的表面粗糙度值。隨著混氣壓力的增加，極間混入的氣泡體積變小，存在于極間的微小氣泡量必然增多，氣泡的無規(guī)則擾動作用增強(qiáng)，顆粒分布更均勻，放電分散效果顯著，也使表面粗糙度值降低。圖14是常規(guī)電火花加工和氣壓10 kPa混氣電火花加工后的工件微觀表面?？梢?，常規(guī)電火花加工時大量熔融物在放電蝕除坑周圍冷凝，而混氣加工后的蝕除坑被熔融物覆蓋，表面較平整。

圖14 常規(guī)、混氣電火花加工的工件微觀表面對比

5 結(jié)論

本文對混氣電火花加工中的氣泡形成機(jī)理進(jìn)行了研究，并針對常規(guī)、混氣電火花加工進(jìn)行了對比實驗，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)所建立的微氣泡模型可知，液中形成的微氣泡大小和氣泡內(nèi)外的壓力差有關(guān)，壓力差越大，形成的氣泡直徑越小。

（2）通過監(jiān)測放電電壓可判斷極間是否成功混入了氣泡，混入氣泡量越多，放電電壓越大。

（3）混入微氣泡會導(dǎo)致極間電場畸變，從而改變放電間隙的大小，隨著混氣壓力的增加，極間放電間隙不斷減小。

（4）混入的大量氣泡有利于電蝕產(chǎn)物在極間均勻分布，促使放電分散并細(xì)化單次放電能量，加工效率比常規(guī)電火花更低，但表面粗糙度較好。

（5）氣泡可在電極表面形成一層薄膜，減小了帶電粒子對電極基體的撞擊，進(jìn)而減小電極損耗。

（6）綜合本文的實驗和理論研究可知，采用表1所示的電參數(shù)，當(dāng)混氣壓力為5 kPa時，能使綜合加工效果達(dá)到最佳。

[1] 李立青，郭艷玲．不同工作介質(zhì)的電火花加工性能研究現(xiàn)狀[J]．機(jī)床與液壓，2008，36（10）：224-228.

[2] 李立青，趙萬生，孟慶國，等．關(guān)于介質(zhì)混氣電火花加工機(jī)理的分析[J]．電加工與模具，2001（5）：14-15.

[3] 李立青，郭永豐，呂善進(jìn)．脈沖電參數(shù)對混氣電火花加工工藝性能的影響[J]．電加工與模具，2002（4）：47-50.

[4] 李立青，郭永豐，趙萬生，等．關(guān)于主軸伺服系統(tǒng)參數(shù)對混氣電火花加工性能影響的研究 [J]．航空精密制造技術(shù)，2003，39（3）：13-16.

[5] 何廣敏，趙萬生，郭永豐，等．混氣電火花鏡面加工的研究[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2000（3）：43-45.

[6] 徐濟(jì)鋆.沸騰傳熱和氣液兩相流[M].北京：原子能出版社，2001.

[7] 何廣敏，趙萬生，耿春明，等．混氣電火花精微光整加工技術(shù)[J]．航空精密制造技術(shù)，1999，35（5）：9-11.

[8] 鄭鑄，遲恩田．鈦合金水中電火花加工的研究[J]．航空工藝技術(shù)，1986（4）：31-36.

[9] 王祥志，劉志東，薛榮媛，等．極間自混氧改善鈦合金電火花加工特性研究[J]．航空學(xué)報，2013，34（10）：2419-2426.

[10]趙萬生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

Formation Mechanism and Experimental Study of Bubbles in Mixed-air EDM

WANG Xiangzhi1,2，LIU Zhidong1，JIANG Wei2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Non-traditional Machining，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213032，China）

To study the forming mechanism of micro bubbles in mixed-air EDM，a mathematical model for micro bubbles has been established，finding out that the size of micro bubble has something to do with the pressure difference in and out it.The bigger the pressure difference is，the smaller the bubble will be.Contrast tests have been taken by choosing different pressure of gas.The results show that gas getting into the discharge gap changes the old discharge condition，leading to the decline of material removal rate，electrode absolute wear and surface roughness.With the rise of gas pressure，the discharge gap becomes narrower，which results in more trouble for erosion debris to get out of the gap，making material removal rate decrease，electrode wear not change and surface roughness decrease a bit.

EDM；mixed air machining；micro bubble；mathematical model；technic index

TG661

A

1009－279X（2017）02－0006-05

2017-02-17

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項目（BK20150255，BK20150256）；江蘇省科技支撐計劃 （工業(yè)）項目（BE2014051）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項目（15KJA460002）；常州市科技項目（CJ20159041）；常州工學(xué)院校級科研基金資助項目（YN1406）

王祥志，男，1985年生，講師。