楊曉冬，田 靜

（ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001 ）

由于電火花加工的放電過程具有復(fù)雜性和隨機性，且放電蝕除發(fā)生在極短時間內(nèi)和極微小空間內(nèi)，一直以來無論是用實驗觀測手段還是用理論分析和數(shù)值解析方法，對電火花加工放電過程進行研究都極其困難，電火花加工放電蝕除的極間微觀信息仍很缺乏， 放電蝕除機理仍未能被明確地解釋，制約其進一步發(fā)展。

近年來，高速攝像技術(shù)的快速發(fā)展為揭示電火花加工的極間微觀現(xiàn)象提供了有效的觀測手段，研究者針對等離子體放電通道[1-3]和極間氣泡[4-6]等進行了觀測研究。 但由于等離子體通道發(fā)射出亮度極高的可見光，電極與工件之間的極間現(xiàn)象被等離子通道的亮光遮擋，故很難觀測到放電點處的極間現(xiàn)象。 本文采用一種新的觀測方法，將等離子體通道的亮光過濾，再用不可見激光作為外部光源，并利用高速攝像機對單脈沖放電過程中的熔池及材料蝕除過程進行了觀測和分析。

1 實驗裝置和觀測方法

由于放電過程中等離子體放電通道會發(fā)射出波長為380～780 nm 的可見光， 本實驗裝置在高速攝像機鏡頭前安裝了帶寬范圍為（810±10） nm 的帶通濾光鏡。這樣，只有波長范圍在（810±10） nm 之間的光可通過該濾光鏡，而等離子體放電通道所發(fā)射的光則被過濾掉。 拍攝時， 實驗用可發(fā)射波長為（810±10） nm 的不可見脈沖激光作為外部光源來照射放電點處。

單脈沖放電觀測裝置見圖1， 其中脈沖電源可輸出單脈沖電壓信號，當(dāng)工具電極和工件之間發(fā)生放電時，電流傳感器檢測到放電電流后將示波器觸發(fā)，同時示波器觸發(fā)高速攝像機，攝像機拍攝的圖像被傳輸?shù)接嬎銠C。 實驗條件和觀測條件分別見表1 和表2。

表1 單脈沖放電實驗條件

表2 拍攝條件

為了能從不同角度觀測放電過程中熔池內(nèi)的情況，本文用厚度0.09 mm 的塞尺作為工件，分別在不同位置放電。 圖2a 是在塞尺窄邊上放電，由于塞尺很薄， 當(dāng)熔池較大時會貫穿整個塞尺厚度方向， 故從正面拍攝時相當(dāng)于觀察熔池的剖切面；圖2b 是將塞尺平放后在其邊緣放電，由于塞尺邊緣有圓弧倒角， 熔池相當(dāng)于形成在一個近似斜面上，故從正面拍攝時近似觀察熔池的俯視圖。

2 單脈沖放電過程中熔池的觀測結(jié)果

2.1 熔池中熔融金屬的運動狀態(tài)

圖3、圖4 是在脈沖寬度為1 ms、煤油滴在極間放電點處的條件下，分別從不同視角的單脈沖放電過程中觀測熔池中熔融金屬的運動狀況。 由于過濾了等離子體放電通道的光，故可清晰地觀測到熔池和放電屑等極間現(xiàn)象。其中，圖3 對應(yīng)圖2a，該觀測方向近似于熔池的主視方向，可見熔池內(nèi)的熔融金屬一直在某種壓力作用下處于不斷往復(fù)翻滾的狀態(tài)，且熔池內(nèi)的熔融金屬在某種驅(qū)動力的作用下從中心被擠向圓周并外翻形成圓周凸起，該外翻的凸起由于熔融金屬的不斷運動呈現(xiàn)非對稱和非規(guī)則的狀態(tài)。 圖4 則對應(yīng)圖2b，該觀測方向近似于熔池的俯視方向，可見熔池內(nèi)熔融金屬液體形成漩渦且在熔池邊緣形成翻邊，之后漩渦逐漸消失，被擠向圓周的金屬液體向中心回流。 單脈沖放電過程的完整觀測結(jié)果顯示，放電過程中熔池內(nèi)多次形成旋轉(zhuǎn)運動的漩渦，且在漩渦消失時熔池內(nèi)的金屬液體處于劇烈翻騰運動狀態(tài)。

結(jié)合圖3 所示熔池主視方向的觀測結(jié)果，可知熔池內(nèi)的熔融金屬不是單純地左右晃動，而是繞某個中心旋轉(zhuǎn)運動。 根據(jù)本研究另外發(fā)表的有關(guān)等離子體通道運動規(guī)律的觀測結(jié)果[7]可知，極間介質(zhì)擊穿后， 等離子體通道在幾微秒之內(nèi)完成膨脹，之后以接近穩(wěn)定的直徑在極間做類圓周運動，由此可推斷熔池內(nèi)熔融金屬的漩渦是由等離子體通道的類圓周運動引起的。 此外，隨著放電的進行，熔池的直徑不斷變大至某一最大值后保持不變。 圖5 是熔池直徑隨放電時間的變化趨勢圖。

2.2 熔池中熔融金屬的凝固過程

如圖6（主視方向）、圖7（俯視方向）所示，放電結(jié)束后熔融金屬開始凝固。 主視方向的熔池近似半橢球形，熔池底部外緣首先開始凝固，逐漸向上向中心收縮，從開始凝固到完全凝固約1200 μs；俯視方向的熔池呈圓形，其邊緣首先開始凝固，逐漸向中心收縮，從開始凝固到完全凝固約800 μs。 可發(fā)現(xiàn)，熔池中的絕大部分熔融金屬沒有被蝕除，而是形成熔融再凝固層。

3 單脈沖放電蝕除過程的觀測結(jié)果

本研究分別在煤油和空氣介質(zhì)中進行了單脈沖放電觀測，其中煤油是滴在極間放電點處，煤油中的放電間隙為20 μm， 且由于空氣中不易放電，放電間隙小于10 μm。 觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是在煤油介質(zhì)還是空氣介質(zhì)中，極間介質(zhì)被擊穿后即發(fā)生材料蝕除， 且放電蝕除持續(xù)在整個放電過程中，這與仿真結(jié)果一致[8-9]；同時還發(fā)現(xiàn)，放電開始后的短暫時間（數(shù)十微秒）之內(nèi)，極間出現(xiàn)了類似爆炸的現(xiàn)象，放電點處極間被飛濺的物質(zhì)遮擋，導(dǎo)致圖像模糊，而后飛濺物質(zhì)消散，圖像又恢復(fù)清晰。 在此，將拍攝視野較模糊的階段稱作放電初始階段，拍攝視野清晰的階段稱作放電持續(xù)階段。

3.1 放電初始階段的蝕除過程

圖8 是極間介質(zhì)為煤油、工件為量塊（鋼）、其他條件如表1 所示時的放電初始階段圖像。 可發(fā)現(xiàn)，放電開始后，極間煤油向四周飛濺且有大量溶池內(nèi)的金屬熔滴一起飛濺出來（第3～5 幀圖像），隨后可明顯看到工件上有熔池形成并逐漸擴大（第6～8 幀圖像）；還可發(fā)現(xiàn)，針尖電極的尖端被損耗掉，這說明之前飛濺出的金屬熔滴來自工件和工具電極；之后，飛濺物質(zhì)消散，圖像逐漸變得清晰（第9～11幀圖像）。

結(jié)合等離子體通道膨脹過程觀測結(jié)果可知，極間介質(zhì)擊穿后，等離子體通道在幾微秒之內(nèi)迅速完成膨脹，之后保持穩(wěn)定的直徑不變[7]。 在第1 幀即約7 μs 時，等離子體通道已完成膨脹，其膨脹過程導(dǎo)致有很高的熱流密度作用在極間和兩極表面，使極間和放電點表面溫度驟增，進而導(dǎo)致等離子體放電通道周圍的極間液態(tài)煤油介質(zhì)瞬間氣化，同時也會使工件和工具電極放電點表面的金屬驟然氣化，瞬間發(fā)生的熱膨脹導(dǎo)致放電處表面熔融態(tài)金屬被拋出極間。 之后，由于等離子體通道完成膨脹，沒有再出現(xiàn)初始階段那樣劇烈的蝕除現(xiàn)象。

為了明確極間介質(zhì)的驟然氣化對放電蝕除的影響， 本研究還在空氣介質(zhì)情況下進行了觀測研究。 圖9 是極間介質(zhì)為空氣時放電初始階段的圖像，同樣經(jīng)歷了由模糊到清晰的變化過程。 可發(fā)現(xiàn)，有霧狀熔融小液滴和較大的金屬液滴從極間飛濺而出。 對比圖8 所示煤油中放電初始階段的蝕除過程，可發(fā)現(xiàn)在空氣中熔融金屬的飛濺現(xiàn)象不如液中劇烈，說明在放電初始階段液態(tài)極間介質(zhì)的驟然氣化膨脹可促進放電點的材料蝕除。

為了明確放電點處電極材料的驟然氣化對放電蝕除的影響，本研究還在煤油介質(zhì)中以鋅作為工件進行了觀測研究。 圖10 是鋅作為工件時放電初始階段的圖像。 對比圖8 可明顯看出工件材料為鋅時，極間飛濺現(xiàn)象非常劇烈，拋入極間的熔融金屬也更多。 這是因為鋅的沸點約為鋼的三分之一，更易發(fā)生氣化，說明在放電初始階段放電點表面的金屬驟然氣化對放電蝕除具有重要的影響。

3.2 放電持續(xù)階段的蝕除過程

3.2.1 熔融液滴拋出現(xiàn)象

放電初始階段，在發(fā)生劇烈飛濺蝕除的同時形成熔池，在之后的放電持續(xù)過程中，熔池內(nèi)熔融金屬在等離子體通道的作用下不斷地做翻滾運動，該過程中材料蝕除不如放電初始階段劇烈，僅有小熔滴被拋出到極間。 圖11 是工件材料為鋼時熔池內(nèi)熔融液滴拋出現(xiàn)象。 連續(xù)觀察第72～80 幀圖像可發(fā)現(xiàn)，熔池內(nèi)液態(tài)金屬形成逆時針運動的漩渦，同時有液滴沿著渦旋的方向被拋入極間，說明等離子體通道運動導(dǎo)致的熔池內(nèi)熔融金屬的漩渦運動是促使熔融金屬蝕除的驅(qū)動力之一。

圖12 是在相同放電條件下，工件材料為鋅時熔池內(nèi)熔融液滴的拋出現(xiàn)象。 從第45～50 幀圖像可發(fā)現(xiàn)，熔池運動更明顯，導(dǎo)致有較大的液滴從鋅熔池邊緣飛出，這是因為鋅的熔點、沸點較低而導(dǎo)致熔池運動更加劇烈。

3.2.2 熔融金屬爆破現(xiàn)象

連續(xù)觀察圖13 所示的工件材料為鋼時的第32～34 幀、第49～51 幀圖像可發(fā)現(xiàn)，熔池表面出現(xiàn)鼓包，其在短暫時間內(nèi)爆破并帶動熔融物質(zhì)飛出形成放電屑。 可認為鼓包是熔池內(nèi)熔融物質(zhì)過熱產(chǎn)生的內(nèi)部壓力梯度所致，當(dāng)鼓包內(nèi)部壓力超過外部壓力時產(chǎn)生爆破形成放電屑，導(dǎo)致熔融金屬被蝕除[10]。進一步觀察圖14 所示的工件材料為鋅時的第74～76幀圖像可見，鋅熔池左側(cè)形成較大的鼓包，之后在熔池邊緣爆破 （第91～93 幀圖像）， 這是由于鋅的熔、沸點較低，熔池內(nèi)部更大的壓力梯度所致。

4 結(jié)論

本文利用一種新的觀測方法，實現(xiàn)了對單脈沖放電過程中的熔池及材料蝕除過程的觀測，得到以下結(jié)論：

（1）在等離子體通道類圓周運動的作用下，熔池內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運動的漩渦，熔池內(nèi)的熔融金屬從中心被擠向圓周且在熔池邊緣形成圓周翻邊凸起，該外翻的凸起由于熔融金屬的不斷運動呈現(xiàn)非對稱和非規(guī)則的狀態(tài)。

（2）熔池中的絕大部分熔融金屬沒有被蝕除，而是重新凝固，形成熔融再凝固層。

（3）在極間介質(zhì)被擊穿之后即發(fā)生材料蝕除，且放電蝕除持續(xù)在整個放電過程中。

（4）在放電初始階段，快速膨脹的等離子體通道導(dǎo)致兩極放電點表面金屬驟然氣化，瞬間發(fā)生的熱膨脹又導(dǎo)致放電點表面熔融態(tài)金屬被拋出極間而 出現(xiàn)劇烈的材料蝕除。 此外，該階段液態(tài)極間介質(zhì)的驟然氣化膨脹可促進放電點的材料蝕除。

（5）放電持續(xù)階段的材料蝕除不如放電初始階段劇烈，并出現(xiàn)熔融液滴拋出現(xiàn)象和熔融金屬爆破現(xiàn)象。 熔融金屬的漩渦運動和熔池內(nèi)熔融物質(zhì)過熱產(chǎn)生的內(nèi)部壓力梯度是該階段材料蝕除的兩種驅(qū)動力。