楊翔鈞，張亞歐，鄭 倩，高 強(qiáng)，趙萬(wàn)生

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

微細(xì)電火花加工是利用脈沖電源在工具電極和工件間產(chǎn)生周期性等離子體放電來(lái)蝕除材料的加工方法。 由于無(wú)宏觀切削力且不受工件硬度和脆性限制，微細(xì)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(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車、航天、電子、光學(xué)、醫(yī)療設(shè)備和通信等領(lǐng)域。 由于微細(xì)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(huì)出現(xiàn)電極損耗。 在微細(xì)電火花加工過(guò)程中，電極損耗和補(bǔ)償問(wèn)題是影響加工精度和加工成本的核心因素，而且隨著微細(xì)加工尺度的減小，該影響越發(fā)明顯[2]。

場(chǎng)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(guò)高壓電場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生微細(xì)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(lái)說(shuō)，強(qiáng)直流電場(chǎng)條件下，儲(chǔ)存于毛細(xì)管的電介質(zhì)在末端形成泰勒錐，從泰勒錐的尖端噴射出非常細(xì)的射流， 尖端的感應(yīng)電荷和工件間產(chǎn)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(yīng)電荷被中和，因表面張力作用，微細(xì)射流回彈，放電過(guò)程結(jié)束。單脈沖放電的能量可達(dá)到10-11J，放電蝕坑直徑約1 μm[6]。 場(chǎng)致射流微細(xì)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(diǎn)也明顯。 與實(shí)體電極不同，高壓電場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的射流極細(xì)，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(diǎn)具有較強(qiáng)的分散性和隨機(jī)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(chǎng)致射流微細(xì)放電加工中要解決的核心問(wèn)題。

在關(guān)于約束帶電粒子的研究中，外加磁場(chǎng)是一種頗為有效的方法。 許多學(xué)者針對(duì)磁場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)電火花加工的輔助作用進(jìn)行了相關(guān)研究。Teimouri 等[8]使用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)電極結(jié)合的方法提高了加工性能，研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度和電極旋轉(zhuǎn)速度對(duì)放電加工性能的影響，根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度和工具轉(zhuǎn)速的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)材料蝕除率和刀具磨損的預(yù)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)可促進(jìn)加工碎屑從間隙中排出，在降低表面粗糙度值的同時(shí)增加了材料蝕除率和刀具磨損。 Gholipoord等[9]將磁場(chǎng)應(yīng)用于半干式電火花加工過(guò)程，在加工區(qū)域施加外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，結(jié)果表明：磁場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)用于微型電火花銑削，對(duì)比了有無(wú)外部磁場(chǎng)對(duì)材料蝕除率、相對(duì)刀具磨損率和表面粗糙度的影響，并研究了不同磁場(chǎng)方向?qū)庸ばЧ挠绊懀?結(jié)果表明：存在外部磁場(chǎng)時(shí)， 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(duì)刀具磨損率更高。 并且，加工效果與磁場(chǎng)方向有關(guān)，平行于進(jìn)給方向的外部磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)應(yīng)用在非磁性材料上，以研究洛倫茲力對(duì)材料去除的機(jī)械效應(yīng)，結(jié)果表明：侵蝕效率增加了54%，碎屑排出的速度更快；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明無(wú)論工件是否有磁性，洛倫茲力都會(huì)對(duì)材料去除過(guò)程產(chǎn)生影響。 Govindan 等[12]比較了具有脈沖磁場(chǎng)的氣體和液體電介質(zhì)在EDM 加工中的單火花特性，研究表明：施加磁場(chǎng)時(shí)，兩種介質(zhì)中的放電凹坑的直徑都減小、深度都增加；并且，磁場(chǎng)輔助對(duì)干式電火花加工性能的增強(qiáng)效果相比于液體電介質(zhì)電火花加工時(shí)更加顯著。

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

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

場(chǎng)致射流放電加工試驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)及載物臺(tái)組成。 注射器和噴管通過(guò)夾具固定在載物臺(tái)上， 磁場(chǎng)施加裝置安裝在另一側(cè)的載物臺(tái)上，工件裝夾在磁場(chǎng)施加裝置內(nèi)，工件與噴管分別接于高壓電源的兩端。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為施加四極磁場(chǎng)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖2 所示磁場(chǎng)施加裝置， 裝置內(nèi)壁安裝了N35 釹鐵硼磁鐵片，磁極間交替排列、相同磁極對(duì)稱布置，第1、3 面的磁鐵S 極朝向內(nèi)側(cè)， 第2、4 面的磁鐵N 極朝向內(nèi)側(cè)。試驗(yàn)通過(guò)改變磁鐵片的數(shù)量來(lái)控制磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖2 四極磁場(chǎng)施加裝置

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用P 型單晶拋光硅片作為工件，其參數(shù)見表1。對(duì)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(zhǎng)度20 mm、寬度10 mm 的薄片；選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.73%的NaCl 溶液作為加工介質(zhì)；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(diǎn)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(nèi)可調(diào)。

表1 單晶硅片參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

正極性場(chǎng)致射流加工時(shí)，陽(yáng)極工件上易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[13]。 為避免電化學(xué)反應(yīng)對(duì)加工后的觀測(cè)帶來(lái)不利影響，試驗(yàn)采用負(fù)極性加工，將工件接在高壓直流電源的負(fù)極，噴管則接在電源的正極。

試驗(yàn)時(shí)，設(shè)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(zhì)殘留，將工件置入清水超聲清洗5 min，并烘干以備觀測(cè)。 采用VHX-500F 型光學(xué)顯微鏡觀測(cè)工件表面的蝕坑樣貌，并測(cè)量蝕坑的寬度、深度及表面粗糙度。采用TM5100 高斯計(jì)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，其精度為±5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 四極磁場(chǎng)仿真及結(jié)果

場(chǎng)致射流放電加工時(shí)，由于泰勒錐尖端產(chǎn)生的射流極細(xì)，易受到外界干擾而偏移，難以在同一點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定放電加工， 并且放電會(huì)改變工件表面形貌，也會(huì)對(duì)后續(xù)加工中的射流偏移產(chǎn)生影響，使放電位置分散性擴(kuò)大，難以加工出連續(xù)、平直的溝槽。

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

圖3 四極磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖4 粒子軌跡追蹤圖

為研究四極磁場(chǎng)對(duì)射流的約束作用， 通過(guò)COMSOL 仿真模擬離子束在四極磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。 間隔90°設(shè)置4 個(gè)永磁體，并且正對(duì)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(guò)求解磁標(biāo)勢(shì)A 的靜態(tài)磁方程描述磁場(chǎng)為：

式中：μ0表示真空磁導(dǎo)率；M是磁化強(qiáng)度，A/m?？諝庥騻?cè)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(yīng)強(qiáng)度。

通過(guò)后處理中的粒子追蹤功能，研究穿過(guò)磁場(chǎng)的離子運(yùn)動(dòng)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(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。 穿過(guò)磁場(chǎng)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(guò)磁場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

仿真結(jié)果顯示，偏離軸線的離子束經(jīng)過(guò)一段飄移距離后，在Y軸方向上向內(nèi)側(cè)偏移、在X軸方向上向外側(cè)偏移，最終整體上呈現(xiàn)橢圓狀分布。 可見，當(dāng)射流因外界干擾而偏離軸線方向時(shí)，若往豎直方向偏移，會(huì)在磁場(chǎng)的作用下向內(nèi)側(cè)匯聚，逐漸靠近軸線位置；若往水平方向偏移，則會(huì)在磁場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度越大，射流越偏離軸線受磁場(chǎng)的影響越大； 由于靠近中心處磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，軸線上的射流不受磁場(chǎng)影響。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)場(chǎng)致射流加工效果的影響

通過(guò)改變磁鐵片數(shù)量， 分別在磁感應(yīng)強(qiáng)度為50、100、150、200 mT 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)， 研究磁場(chǎng)對(duì)場(chǎng)致射流放電加工效果的影響規(guī)律，并與未施加磁場(chǎng)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 如圖5 所示，磁場(chǎng)約束下的場(chǎng)致射流加工蝕坑形貌呈現(xiàn)橢圓形，與仿真結(jié)果相符。 利用光學(xué)顯微鏡測(cè)量蝕坑寬度，結(jié)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(yīng)強(qiáng)度變化的曲線圖。 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著磁場(chǎng)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(chǎng)下，水平寬度與無(wú)磁場(chǎng)時(shí)相比增加了4%，變化幅度較??；豎直寬度與無(wú)磁場(chǎng)時(shí)相比減小了18.2%，變化幅度較大。加工時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，離子束受到的洛倫茲力就越強(qiáng)，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(chǎng)對(duì)場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的增加而減小。 引入外界磁場(chǎng)抑制了微細(xì)射流的偏移，導(dǎo)致加工放電位置的分散性減小，放電位置的分布較為均勻，故表面粗糙度值減小；同時(shí)，磁場(chǎng)的約束作用導(dǎo)致射流直徑減小，引起表面電勢(shì)降低[16]，由射流表面電勢(shì)誘發(fā)的極化電場(chǎng)也隨之降低，導(dǎo)致放電能量降低，從而引起放電蝕坑深度減少。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)極間距離的影響

場(chǎng)致射流加工時(shí)，噴管與工件之間會(huì)產(chǎn)生高壓電場(chǎng)。 隨著極間的距離逐漸減小，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加。 當(dāng)帶電液體所受電場(chǎng)力足夠克服表面張力時(shí)，噴管口會(huì)形成泰勒錐并產(chǎn)生微細(xì)射流，射流尖端會(huì)在工件表面擊穿空氣介質(zhì)產(chǎn)生放電， 從而蝕除材料。 為研究磁場(chǎng)對(duì)放電時(shí)極間距離的影響，分別在磁感強(qiáng)度為50、100、150、200 mT 時(shí)以及未施加磁場(chǎng)時(shí)進(jìn)行場(chǎng)致射流加工，調(diào)節(jié)極間距離直至噴管與工件之間產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，并記錄此時(shí)的極間距離。 圖7 是不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下、擊穿間隙放電時(shí)的噴管口與工件之間的距離。 試驗(yàn)結(jié)果表明，極間距離會(huì)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而減小。

圖7 放電時(shí)極間距離隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線

未施加磁場(chǎng)時(shí)，在噴管與工件之間施加一定電壓后，因強(qiáng)電場(chǎng)作用，液體內(nèi)的自由電荷匯聚于液體表面，此時(shí)帶電液體受到電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，液體的自由表面在電場(chǎng)力作用下形成錐形。 當(dāng)電場(chǎng)力大于液體表面張力及粘滯力時(shí)，錐形尖端射出一束極細(xì)的射流并擊穿間隙產(chǎn)生放電。 施加外部磁場(chǎng)后，水中的氫鍵變得更加穩(wěn)定[17]，導(dǎo)致內(nèi)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(dǎo)致液體表面張力增加[18]。由于磁場(chǎng)導(dǎo)致泰勒錐上的液體表面張力增加，電場(chǎng)力不足以克服表面張力而形成射流，此時(shí)需減小極間距離、增大極間電場(chǎng)強(qiáng)度，才能形成射流并產(chǎn)生放電。 故在磁場(chǎng)下產(chǎn)生放電時(shí)，極間距離相較于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)較小，并隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加而逐漸減小。

2.4 溝槽加工試驗(yàn)

施加四極磁場(chǎng)會(huì)使離子束在水平方向上散焦、在豎直方向上聚焦，產(chǎn)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(chǎng)可使用場(chǎng)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(dǎo)致的加工溝槽不穩(wěn)定的難題。 為驗(yàn)證四極磁場(chǎng)對(duì)溝槽加工效果的影響，將電源電壓設(shè)置為2.5 kV、電流設(shè)置為1.5 mA，分別在200 mT 的磁場(chǎng)下和無(wú)磁場(chǎng)時(shí)進(jìn)行溝槽加工，隨機(jī)選取五個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量溝槽的寬度及深度，并計(jì)算其平均值。

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

表2 溝槽加工試驗(yàn)結(jié)果

圖8 水平溝槽加工結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)場(chǎng)致射流加工方法中產(chǎn)生的射流因柔性較大而導(dǎo)致加工時(shí)發(fā)散性較大、難以加工溝槽的問(wèn)題， 提出了通過(guò)磁約束解決溝槽加工的方案，通過(guò)加工試驗(yàn)探究了磁場(chǎng)對(duì)場(chǎng)致射流加工效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)四極磁場(chǎng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，越靠近磁場(chǎng)中心，磁感應(yīng)強(qiáng)度越??；離子束的分布在該磁場(chǎng)條件下會(huì)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(yīng)強(qiáng)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(chǎng)會(huì)降低放電的分散性，導(dǎo)致表面粗糙度值減??；磁場(chǎng)減小射流的直徑、降低表面電勢(shì)，導(dǎo)致放電蝕坑的深度減小。

（3）場(chǎng)致射流放電加工的極間距離會(huì)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減小。 外部磁場(chǎng)的作用，導(dǎo)致液體的表面張力增加， 因此需減小間隙來(lái)增大極間場(chǎng)強(qiáng)，才能產(chǎn)生放電。

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