放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工试验研究

刘志东，凌加健，陈文安，王祥志

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

传统电火花加工[1]存在着材料蚀除率低、电极损耗较高等缺陷。为改善上述问题，上海交通大学的研究人员在干式电火花加工的基础上，提出了液中喷气的加工方式。该方法能有效地排除电蚀产物，加快工件冷却，改善间隙的放电状态，具有更高的加工效率和更低的电极损耗[2-3]；并采用VOF 模型和NS 方程对液中喷气放电间隙的流体状态进行分析，发现加工瞬间的实际放电区域处于气体之中[4]；还对液中喷气电火花加工进行了试验研究，结果表明与干式电火花加工相比，该加工方法具有更高的材料去除率、较好的表面质量和较低的电极损耗[5]。但液中喷气电火花加工并没有改变材料蚀除能量的本质，即仍以电能转化为热能蚀除材料，且其能量利用率并不高。

对此，本文提出了一种新的加工方法——放电诱导可控烧蚀及电火花修整加工。在电火花加工过程中引入新的加工能量——金属燃烧产生的化学能，即向加工区域间歇通入氧气，与在电火花放电诱导作用下的活化金属发生燃烧反应，其释放的能量远大于放电能量，材料蚀除主要依靠燃烧产生的化学能，可大大提高材料蚀除率，并在氧气关闭燃烧结束阶段进行电火花表面修整，保证加工表面质量和精度。本文主要通过试验研究探讨这种新型加工方法在电火花成形加工中的应用特点。

1 试验原理和试验条件

放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工的原理见图1a。高压氧气通过间歇气流控制装置间歇性地从中空电极内喷出，进入加工间隙，与达到燃点的工件基体材料发生烧蚀反应，释放大量的能量。伺服机构控制电极的进给，以满足材料的蚀除速度。冲液系统可加快加工区域工作介质的流动，有利于蚀除产物的排出。图1b 是加工现场。

图1 试验系统

试验在数控电火花成形机床上进行，采用了电极夹具和间歇气流控制装置，试验用的测量设备有数字存储示波器、扫描电子显微镜和电子天平等。试验参数及条件见表1。

表1 试验参数及条件

2 试验结果和讨论

2.1 极性效应对加工性能的影响

表2 是极性效应试验主要的电规准。图2 是采用正、负极性进行加工的结果，可看出，采用正极性加工时，材料蚀除率比负极性加工时高，且电极相对损耗率较低。主要原因是：无氧阶段为常规电火花加工；在氧气冲入阶段，放电介质为氧气，属于浸液式气中放电。根据气中放电的原理[6]可知，在气中放电的整个过程，无论脉宽大小，材料的蚀除主要依靠电子的轰击作用。因此，当工件接正极时，电子轰击工件产生巨大能量，在氧气氛围下，使工件材料燃烧，加快工件的蚀除，有利于加工；当工件接负极时，电子轰击工具电极，燃烧反应发生在工具电极上，而工件的蚀除是由正离子轰击来实现的，其产生的能量有限，这些能量并不能将足够多的材料加热到熔点而引发燃烧，因此，工件的蚀除速率很低，电极损耗加剧。该特征在小脉宽时尤其明显，电极损耗量超过工件的蚀除量。由此可知，放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工适于采用正极性加工，且电极损耗较低。

表2 极性效应试验主要电规准

由于这种极性效应的存在，所以在本文下述的试验中，均采用正极性加工。

2.2 电参数对加工性能的影响

2.2.1 脉冲宽度对加工性能的影响

图2 正、负极性加工性能对比

图3 是脉冲宽度对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲间隔120 μs，低压电流8 A，气体通断时间0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，气体压力0.3 MPa，电极壁厚4 mm。由图3 可看出，材料蚀除率随着脉冲宽度的增大而增加。在其他条件不变的情况下，单个脉冲放电能量会随着脉冲放电时间的增加而增大，单个脉冲能量所能活化的基体材料增多，可燃烧蚀除更多的基体材料；反之，脉冲宽度过小，单个脉冲放电能量小，活化材料减少，甚至无法燃烧。因为燃烧的先决条件是活化区足够大，小脉宽情况下的放电几率（或放电频率）过小，导致活化区形成后还未来得及扩大，能量就已经向外扩散消失了，所以脉冲宽度过小，可能无法燃烧，严重限制了材料蚀除率的提高。

图3 脉冲宽度对加工性能的影响

另外，电极相对损耗率保持在较低的水平，且呈现下降趋势。电极相对损耗率与工具电极的绝对损耗、工件的蚀除量有关。脉冲宽度增加引起单个脉冲放电能量增多，在氧气通入阶段，属于气中放电，可有效地补偿电极损耗。

2.2.2 脉冲间隔对加工性能的影响

图4 是脉冲间隔对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲宽度150 μs，低压电流8 A，气体通断时间0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，气体压力0.3 MPa，电极壁厚4 mm。由图4 可看出，在一定范围内，材料蚀除率随着脉冲间隔的增大而增加，但超过这一范围时（图示脉冲间隔为120 μs），材料蚀除率将迅速降低。分析认为：当脉冲间隔过短时，放电频率增大，单位时间内的放电次数增加，虽然在氧气通入阶段，材料活化速度增加，但因为燃烧过于剧烈，将使无氧阶段的蚀除产物无法排出，而降低了蚀除效率，且表面质量不易得到保障，因此随着脉冲间隔的增加，极间状态得到改善，使材料蚀除率略有增加；而当脉冲间隙为120 μs 时，此时的极间状态已经不是主要矛盾，而放电频率的下降，必然导致材料活化速度降低，燃烧剧烈程度会下降，所蚀除的产物也将减少。因此，其材料蚀除率迅速下降，但表面质量会显著改善。

图4 脉冲间隔对加工性能的影响

另外，随着脉冲间隔的变化，电极相对损耗率一直保持在较低水平，并没有明显变化。因此，脉冲间隔对电极相对损耗率的影响不显著。

2.2.3 低压电流对加工性能的影响

图5 是低压电流对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲宽度150 μs，脉冲间隔120 μs，气体通断时间0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm，气体压力0.3 MPa，电极壁厚4 mm。由图5 可看出，随着低压电流的增大，材料蚀除率逐渐增加。在其他条件不变的情况下，单个脉冲放电能量随着低压电流的增加而增大。在氧气通入阶段，使得活化区迅速扩大，燃烧过程中不断地补充能量，燃烧更加剧烈，烧蚀材料更多；但电流过大，会使燃烧过于剧烈，严重烧伤工件表面，不利于无氧阶段的常规电火花修整，导致加工表面恶化。

图5 低压电流对加工性能的影响

另外，随着低压电流的增大，电极相对损耗率仍保持在较低的水平。分析认为：低压电流增大，单个脉冲放电能量变大，燃烧更剧烈，使产物飞溅量增加，附着在工具电极表面的燃烧产物增多，对电极损耗起到一定的补偿作用。

2.3 非电参数对加工性能的影响

2.3.1 气体通断时间

图6 是气体通断时间对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲宽度150 μs，脉冲间隔120 μs，低压电流8 A，液位高度40 mm，气体压力0.3 MPa，电极壁厚4 mm。由图6 可看出，保证气体的通入时间0.5 s，而气体断开时间在一定范围内时，材料蚀除率随着气体断开时间的增加而增大；当气体断开时间超过一定值后（图示为1.0 s），材料蚀除率将迅速减少。分析认为：气体断开时间过短，说明燃烧时间长，而常规电火花修整时间短，氧气通入阶段剧烈燃烧，粘附在工件表面的燃烧产物多，而在无氧阶段，电火花修整时间短，无法完全蚀除表面的燃烧产物，下个氧气脉冲通入阶段到来后，将首先蚀除上次的燃烧产物，因为该产物已无法再燃烧，使燃烧时间缩短，材料蚀除率下降，且表面烧伤严重。当气体断开时间超过一定值后，将使单位时间内的燃烧次数减少，电火花修整时间增加，导致材料蚀除率迅速下降，加工表面质量更好。

另外，随着气体断开时间逐渐增加，电极相对损耗率虽然呈现一定的上升趋势，但仍保持在较低水平。分析认为：在电参数不变的条件下，单个脉冲放电能量一定，电极绝对损耗并无显著变化，燃烧频率较大时，电极损耗的补偿量较多，电极绝对损耗会小一些。因此，随着燃烧频率的减小，电极绝对损耗会有所上升。

图6 气体通断时间对加工性能的影响

2.3.2 液位高度对加工性能的影响

图7 是液位高度对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲宽度150 μs，脉冲间隔120 μs，低压电流8 A，气体通断时间0.5 s：0.5 s，气体压力0.3 MPa，电极壁厚4 mm。由图7 可看出，随着液位高度的增加，材料蚀除率呈上升趋势，但增幅不大。

高压氧气从中空的工具电极中冲入加工间隙，并从侧壁间隙流出，工作液覆盖加工间隙。由于自来水的压缩性要远低于外部大气，使出口阻力增大，加工间隙的气体压力变大，放电通道内部的压力也变大，导致放电通道内的能量密度更高，有利于燃烧。因此，液位高度增加，材料蚀除率也会相应提高；只是工作液增加的压力有限，故材料蚀除率的增加并不显著。

图7 液位高度对加工性能的影响

另外，随着液位高度的增加，电极相对损耗率并没有变化，保持在极低的水平。分析认为：电极的损耗量并不会随着液位高度的变化而出现明显变化，且材料蚀除率的变化不大，导致电极相对损耗率几乎不变。

2.3.3 气体压力对加工性能的影响

图8 是气体压力对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲宽度150 μs，脉冲间隔120 μs，低压电流8 A，气体通断时间0.5 s：0.5 s，壁厚4 mm，液位高度40 mm。由图8 可看出，气体压力在一定范围时，材料蚀除率将随着气体压力的增加而增大；但当气体压力超过这一范围时，材料蚀除率会随着气体压力的增加而减小。分析认为：氧气通入阶段，气体压力过小，加工间隙的气体压力和流量过小，燃烧程度受到限制，材料的烧蚀效率增加不明显。所以在一定范围内，气体压力的增大，会使加工间隙获得足够的氧气，进行燃烧反应，以蚀除更多的材料。当气体压力超过一定范围时，加工间隙的气体流速过大，带走的能量也增多，燃烧产生的能量利用率下降，影响材料进一步蚀除，所以材料蚀除率会逐渐下降。

图8 气体压力对加工性能的影响

另外，电极相对损耗率虽然也保持在较低的水平，但还是随着气体压力的增加呈现下降的趋势。分析认为：气体压力越大，绝缘性能越好，极间消电离越充分，放电状态稳定，不易产生拉弧，有效地减少了电极的损耗。

2.3.4 电极壁厚对加工性能的影响

图9 是电极壁厚对加工性能的影响曲线。加工参数为：脉冲宽度150 μs，脉冲间隔120 μs，低压电流8 A，气体压力0.3 MPa，气体通断时间0.5 s：0.5 s，液位高度40 mm。由图9 可看出，材料蚀除率随着电极壁厚的增大而逐渐下降。分析认为：电极的壁厚会影响极间的气体压力，其分布是以中心孔为圆心向外扩散且逐渐降低；因此，电极壁厚越厚，电极底面横跨的气体压力梯度越多，加工时对燃烧程度的影响很大，靠近中心孔的部分燃烧较剧烈，远离中心孔的部分燃烧较平缓，从而影响整体的加工速度。而电极壁厚越小，电极底面横跨的气体压力梯度越少，燃烧区域集中，有利于材料的进一步烧蚀，材料蚀除率有所增加。

图9 壁厚对加工性能的影响

另外，电极壁厚减小，使加工区域减小，电极底面放电面积变小，因此电极损耗也会减小，电极相对损耗率则一直保持在极低的水平，无明显变化。

2.4 加工实例

根据上述试验内容，可基本了解放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工的工艺规律。为此选取优化参数进行加工，并与常规水中加工方法进行对比。加工参数见表3，实验结果见图10和图11。

表3 优化参数

图10 加工实例结果对比

图11 常规水中加工和间歇烧蚀加工的实物

3 结论

通过对放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工的一系列工艺试验，可初步得出以下结论：

（1）放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工适合于正极性加工。

（2）材料蚀除率随着脉冲宽度、低压电流和液位高度的增加而增加；随着脉冲间隔、气体断开时间和气体压力的增加而呈现先增加后下降的趋势；随着电极壁厚的增加而略有下降。

（3）不同的电参数和非电参数，电极相对损耗率都很低。

（4）在优化参数条件的下，放电诱导可控烧蚀及电火花修整成形加工的材料蚀除率是常规水中加工的8.81 倍，电极相对损耗率只有其25.5 %。

[1]刘志东，高长水.电火花加工工艺及应用[M].北京：国防工业出版社，2011.

[2]汤传建，康小明，赵万生.液中喷气电火花加工试验研究[J].电加工与模具，2008（3）：16－20.

[3]陈焕杰，康小明，赵万生，等.放电介质对液中喷气电火花加工的影响[J].航空精密制造技术，2010，46（3）：29－32.

[4]陈焕杰，康小明，赵万生.液中喷气电火花加工的放电介质仿真分析[C]//第13 届全国特种加工学术会议论文集.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009：186－191.

[5]Kang Xiaoming，Zhao Wansheng，Tang Chuanjian，et al.Experimental study on submersed gas－jetting EDM[C]//ASME 2008 International Manufacturing Science and Engineering Conference.Evanston，2008.

[6]李立青，王振龙，赵万生.气体放电加工机理分析[J].哈尔滨工业大学学报，2004，36（3）：359－362.