電火花加工單脈沖放電通道直徑擴(kuò)展規(guī)律研究
2017-3-23 來(lái)源：合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 作者：常偉,陳遠(yuǎn)龍,張建華,徐斌, 方明
摘要：電火花加工的加工表面是由一系列的脈沖放電凹坑疊加而成的，因此研究單脈沖放電通道直徑的擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)研究電火花加工的工藝規(guī)律以及加工表面質(zhì)量預(yù)測(cè)等具有非常重要的意義。研究脈沖放電通道的形成與擴(kuò)展機(jī)理，討論電壓、極值電流、脈寬等放電參數(shù)對(duì)放電通道直徑擴(kuò)展的影響，并根據(jù)理論推導(dǎo)建立了單脈沖放電通道直徑擴(kuò)展的數(shù)學(xué)模型。以煤油作為電介質(zhì)工作液開(kāi)展了單脈沖放電試驗(yàn)，使用超景深顯微鏡對(duì)單脈沖放電凹坑的直徑進(jìn)行了測(cè)量，并把測(cè)量得到的單脈沖放電直徑數(shù)據(jù)代入建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸求解。回歸公式的計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量得到的單脈沖直徑數(shù)據(jù)吻合度較高。
關(guān)鍵詞：電火花加工(EDM)；單脈沖；放電通道；擴(kuò)展規(guī)律
0 .前言
電火花加工(Electrical discharge machining，EDM)是在電介質(zhì)工作液內(nèi)，使工具電極與工件保持一定的間隙并產(chǎn)生脈沖性火花放電，利用電蝕作用去除工件材料的一種加工方法，也稱(chēng)為“電蝕加工”或“放電加工”。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，各種新材料的硬度、強(qiáng)度、脆性、黏性和純度不斷提高，零部的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜性，工藝的特殊要求越來(lái)越多，給制造業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。電火花加工過(guò)程中，工具電極與工件不接觸，因此沒(méi)有切削力，可以使用銅等較軟的材料加工高硬度、高脆性的導(dǎo)電材料。隨著電火花加工研究的發(fā)展，除了可以加工導(dǎo)電材料外，還可以對(duì)不導(dǎo)電材料進(jìn)行電火花加工，并向微細(xì)領(lǐng)域發(fā)展[1-2]。電火花加工作為重要的特種加工方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于模具制造、電子、精密機(jī)械、航空航天以及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域，具有非常重要的地位[3]。
電火花加工的加工表面是由一系列的脈沖放電凹坑疊加而成的，所以研究單脈沖放電通道直徑的擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)研究電火花加工的工藝規(guī)律以及加工表面質(zhì)量預(yù)測(cè)等具有非常重要的意義。
劉蜀陽(yáng)等[4]研究了基于場(chǎng)致發(fā)射理論的 EDM平板電容模型及其參數(shù)，把單脈沖放電周期依次劃分為幾件電場(chǎng)建立、極間通道擊穿、正常放電加工與消電離四個(gè)階段，并分別進(jìn)行了各階段的極間電場(chǎng)強(qiáng)度、極間電子自由程、極間介質(zhì)介電常數(shù)和極間電流變化規(guī)律的理論分析。MING 等[5]建立了一種基于有限元法和高斯過(guò)程回歸的混合模型，用于預(yù)測(cè)電火花加工的加工效率。其中，建立的高斯回歸模型用于建立單脈沖熱分布預(yù)測(cè)，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練、測(cè)試和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的預(yù)測(cè)。SOMASHEKHAR 等[6]基于單脈沖放電和電熱理論對(duì)微細(xì)電火花加工原理進(jìn)行了研究，建立了單脈沖熱仿真模型，仿真得到的放電凹坑徑深比為 2.92，試驗(yàn)得到的放電凹坑徑深比為 2.67。SARADINDU等[7]建立了一個(gè)包含等離子特性、移動(dòng)熱源特性、多脈沖放電和電極絲振動(dòng)影響的電火花線切割單脈沖放電綜合數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測(cè)電火花線切割加工中單脈沖和多脈沖放電下的電極絲損耗，其驗(yàn)證試驗(yàn)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好。GOVINDAN 等[8]建立了磁場(chǎng)輔助氣中電火花加工的單脈沖放電模型，模型包含電流、電壓、電磁場(chǎng)、脈沖寬度等參數(shù)，與試驗(yàn)得到的趨勢(shì)吻合較好。
電介質(zhì)工作液被擊穿形成放電通道的過(guò)程中，放電通道在極短的時(shí)間內(nèi)形成，并以極高的速度擴(kuò)展。KOJIMA 等[9]利用高速攝像機(jī)研究了放電通道半徑在不同電流、放電間隙等參數(shù)下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)放電通道擴(kuò)展在很短時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)完成。文獻(xiàn)[9]拍攝的單脈沖放電過(guò)程如圖 1 所示(極值電流 IA：23 A，脈寬 td：80 μs，開(kāi)路電壓 Uo：280 V)。
1
圖 1 文獻(xiàn)[9]中單脈沖放電過(guò)程
SNOTYS 等[10-11]分別對(duì)放電通道的擴(kuò)展速度進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)在放電開(kāi)始的第一微秒內(nèi)放電通道的擴(kuò)展速度為 30～75 m/s，其后由于壓力減小擴(kuò)展速度也逐漸減小。
由于放電通道的直徑難以測(cè)量，故本文通過(guò)研究脈沖放電點(diǎn)直徑的變化規(guī)律，側(cè)面反映放電通道直徑的變化規(guī)律。對(duì)脈沖放電通道直徑擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行理論分析，給出了脈沖放電通道直徑擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行單脈沖放電試驗(yàn)并測(cè)量脈沖放電點(diǎn)的直徑,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸。
1.試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案
1.1試驗(yàn)方法
在 SF201 電火花成型機(jī)床上進(jìn)行單脈沖放電試驗(yàn)(圖 2)，并測(cè)量不同參數(shù)下放電凹坑的直徑，從而研究單脈沖放電通道直徑的擴(kuò)展規(guī)律。SF201 電火花成型機(jī)床的 Z 軸垂直進(jìn)給分辨率為 1μm，配備 HELI-50A 型脈沖電源，其脈寬輸出范圍1～2 000 μs，脈間可設(shè)定范圍為 1～500 μs，最大輸出電流為 40 A；工具電極和工件均采用 45 鋼，其中工具電極直徑 0.2 mm；電介質(zhì)工作液為煤油。
2
圖 2試驗(yàn)裝置
分別進(jìn)行各參數(shù)的單脈沖放電試驗(yàn)，使用KEYENCE 超景深顯微系統(tǒng) VHX-600 對(duì)單脈沖放電點(diǎn)的顯微形貌進(jìn)行觀察，并測(cè)量單脈沖放電點(diǎn)的直徑。
1.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)
每組參數(shù)取 3 個(gè)脈沖點(diǎn)直徑，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，以電壓 U：70 V、極值電流 IA：3.2 A、脈寬 td：130 μs 為放電參數(shù)為基準(zhǔn)放電參數(shù)。單脈沖放電的試驗(yàn)參數(shù)和凹坑直徑數(shù)據(jù)列于表 1。
2 .數(shù)學(xué)模型
由于電子的尺寸與質(zhì)量極小，帶單位負(fù)電荷，所以其遷移率為離子的千倍以上，約為 0.37 m2/s·V。當(dāng)電子被中性氣體分子或其他分子吸附變成負(fù)離子時(shí)，其遷移率降低很多。通常，同種氣體的正離子與負(fù)離子遷移率基本相同，而負(fù)離子的遷移率常略高于正離子的遷移率。于麗麗等[12]通過(guò)仿真研究得出結(jié)論，電子的高速運(yùn)動(dòng)是放電通道形成與擴(kuò)展的主要因素，而離子的運(yùn)動(dòng)作用不明顯。
要研究單脈沖放電通道直徑的擴(kuò)展規(guī)律，需要重點(diǎn)研究電子在放電通道形成與擴(kuò)展中的作用。電子從陰極到陽(yáng)極方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電介質(zhì)的擊穿，而其沿徑向向外的速度分量則會(huì)導(dǎo)致放電通道的擴(kuò)展。電子由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏移率，是導(dǎo)致放電通道擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。
表 1 試驗(yàn)參數(shù)及數(shù)據(jù)表
每種電介質(zhì)工作液都有其固有的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度 Eb [13]，當(dāng)兩極間電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電介質(zhì)工作液的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度 Eb時(shí)，電介質(zhì)工作液就會(huì)被擊穿發(fā)生火花放電。由于極間電場(chǎng)強(qiáng)度為極間電壓 U 與極間距d 的比值，故電壓 U 決定了擊穿距離，即極間距 d。當(dāng)電壓U增大時(shí)，可擊穿電解質(zhì)工作液的間距增大，擊穿時(shí)的能量損耗增加。在一定電壓范圍內(nèi)，隨著電壓 U 的增大，單脈沖放電直徑會(huì)減小。但電壓 U的影響比極值電流 IA與脈沖持續(xù)時(shí)間 td小。
以陰極放電點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，如圖 3所示。兩極間電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度 v 有 vx和 vy兩個(gè)方向的分量，其中 x 軸向速度分量 vx垂直于電場(chǎng)方向，電子沿 x 方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子電勢(shì)能不變，電子能量不增加，vx不變；電子沿 y 方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)電子做功，電子的能量得到加強(qiáng)，y 方向速度分量 vy增大。如果電子在電場(chǎng)中任意方向運(yùn)動(dòng)距離為 d，設(shè) dy為其 y 方向運(yùn)動(dòng)距離分量，則其能量增量為
1
圖 3 坐標(biāo)系
圖 4 放電通道直徑的擴(kuò)展
通過(guò)放電通道的電子數(shù)量隨極值電流IA的增大而增加，導(dǎo)致在 x 方向運(yùn)動(dòng)分量的電子數(shù)目也會(huì)增加，相當(dāng)于兩極間在 x 方向擴(kuò)展的能量得以增大，有利于增大放電通道直徑。因此，極值電流的增大會(huì)導(dǎo)致放電通道直徑的增大。
脈寬 td也是決定放電直徑的重要因素。隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，放電通道的半徑也在增大，但是當(dāng)放電通道達(dá)到自持放電并且放電通道已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，電介質(zhì)已經(jīng)被擊穿。此時(shí)，被擊穿的電介質(zhì)的電阻相當(dāng)于導(dǎo)體，放電通道停止擴(kuò)展，并且放電通道的半徑會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)最大值附近。當(dāng)脈寬 td繼續(xù)增大，并且脈沖間隔不能使電介質(zhì)完全消電離時(shí)，便會(huì)發(fā)生電弧放電，并使工件燒傷。在該放電參數(shù)下，放電通道直徑的最大值即為電弧的直徑。
根據(jù)碰撞游離理論[13-14]可以推導(dǎo)出放電通道徑向邊界的穩(wěn)定條件。邊界處的電介質(zhì)工作液處于不斷地游離與復(fù)合的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，如果游離的速度大于復(fù)合的速度，則放電通道直徑將增大；如果游離速度與復(fù)合速度相當(dāng)，則邊界處電介質(zhì)工作液的游離與復(fù)合平衡，放電通道直徑大小穩(wěn)定在一個(gè)值附近，放電通道的直徑不再增大；如果游離的速度小于復(fù)合的速度，放電通道直徑將減小，最終放電通道閉合。圖 5 為動(dòng)態(tài)平衡區(qū)域示意圖。
圖 5 放電通道外圍的動(dòng)平衡區(qū)
根據(jù)前文對(duì)放電通道擴(kuò)展影響因素的分析，建立電壓、極值電流、脈寬與放電通道半徑擴(kuò)展的數(shù)學(xué)關(guān)系式，設(shè)半徑擴(kuò)展方程形式為
3.計(jì)算結(jié)果與比較
使用 KEYENCE 超景深顯微系統(tǒng) VHX-600 對(duì)單脈沖放電點(diǎn)的顯微形貌進(jìn)行觀察，并測(cè)量單脈沖放電點(diǎn)的直徑。正極性單脈沖放電點(diǎn)的顯微形貌如圖 6a 所示。正極性脈沖放電點(diǎn)材料的去除方式主要是氣化和熔化，放電凹坑深度大邊緣整齊。負(fù)極性單脈沖放電點(diǎn)的顯微形貌如圖 6b 所示。與正極性脈沖放電相比，負(fù)極性脈沖放電點(diǎn)的直徑略大。材料表面只有燒蝕的痕跡，并且邊界比較模糊，沒(méi)有形成放電凹坑。根據(jù)液體的碰撞游離擊穿理論[14]，電子崩由初始電子引發(fā)，并向正極發(fā)展，經(jīng)極間電場(chǎng)加速后在陽(yáng)極釋放能量，故陰極作為擊穿始發(fā)端放電凹坑直徑相對(duì)較大但深度小，而陽(yáng)極放點(diǎn)凹坑直徑相對(duì)較小但深度大。由于負(fù)極性單脈沖放電點(diǎn)的直徑難以測(cè)量，因此，選用正極性單脈沖放電進(jìn)行研究，按照表 1 所示參數(shù)進(jìn)行單脈沖放電試驗(yàn)并測(cè)量凹坑直徑，數(shù)據(jù)如表 1 所示。
圖 6單脈沖放電點(diǎn)的顯微照片
圖 7 為單脈沖放電點(diǎn)直徑的理論值與試驗(yàn)值隨電壓值的變化情況。試驗(yàn)值略高于理論值，但二者總體變化趨勢(shì)相同。
圖 7 不同電壓?jiǎn)蚊}沖直徑試驗(yàn)值與理論值
圖 8 為單脈沖放電點(diǎn)直徑隨極值電流的變化情況。脈沖放電點(diǎn)直徑隨極值電流的增大呈指數(shù)上升，兩條曲線緊密貼合，數(shù)值差別很小。
圖 8 不同極值電流單脈沖直徑試驗(yàn)值與理論值
圖 9 為單脈沖放電點(diǎn)直徑的理論值與試驗(yàn)值隨脈寬的變化情況。單脈沖放電點(diǎn)直徑隨著脈寬的增加呈指數(shù)上升趨勢(shì)。雖然在脈寬 32 μs 時(shí)二者有差別，但兩條曲線總體貼合性很好。
圖 9 不同脈寬條件下單脈沖放電點(diǎn)直徑試驗(yàn)值與理論值
在滿足消電離條件的前提下，脈間大小對(duì)放電通道直徑的大小沒(méi)有影響。
4.結(jié)論
(1)研究了脈沖放電通道的形成與擴(kuò)展機(jī)理。對(duì)放電通道的形成與擴(kuò)展起主要作用是自由電子，電子的高速運(yùn)動(dòng)是放電通道形成與擴(kuò)展的主要因素，而離子的運(yùn)動(dòng)作用不明顯。電子從陰極到陽(yáng)極方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電介質(zhì)的擊穿，而其沿徑向向外的速度分量則會(huì)導(dǎo)致放電通道的擴(kuò)展。電子由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏移率，是導(dǎo)致放電通道擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。
(2)討論了脈沖放電通道的形成與擴(kuò)展機(jī)理，討論了電壓、極值電流、脈寬與脈間等放電參數(shù)對(duì)放電通道直徑擴(kuò)展的影響，并根據(jù)理論推導(dǎo)建立了單脈沖放電通道直徑擴(kuò)展的數(shù)學(xué)模型。
(3)以煤油為電介質(zhì)工作液，在 SF201 電火花成型機(jī)床上進(jìn)行了單脈沖放電試驗(yàn)，使用顯微鏡對(duì)正極性單脈沖放電點(diǎn)的直徑進(jìn)行了測(cè)量。把試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸計(jì)算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與公式計(jì)算值吻合度較高。
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