電導率對電火花小孔加工速度影響的研究

唐浩峰，曹明讓，劉維進，聶常瑞

(太原理工大學機械工程學院，山西太原030024)

0 前言

電火花加工技術是利用脈沖放電時的電腐蝕對導電材料進行加工，使零件達到預定要求的加工方法［1］，廣泛應用于模具、刀具、微細加工等領域。電火花小孔加工是電火花加工的應運技術之一，它可以在各種導電材料上加工各種小孔。電火花小孔加工中加工速度、電極損耗、小孔質量是衡量加工工藝的重要指標，影響加工速度的因素可分為電參數 (脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流等)和非電參數 (排屑條件、電極材料和極性、工件材料等)，通過不同添加劑改變工作液電導率，提高放電間隙，優化排屑條件勢必會對電火花小孔加工速度產生影響。

在自來水工作液中分別添加PAA(聚丙烯酸)和PAAS(聚丙烯酸鈉)及NaCl(氯化鈉)進行實驗，得出了工作液電導率與加工速度的關系，在一定范圍內電導率的提高可使加工速度提高，超過一定范圍會使加工不穩定、工作液消電離受阻，甚至出現“二次放電”，使加工速度降低，最后得到電火花小孔加工中工作液最佳電導率范圍，此結論對電火花小孔加工工作液的配置有一定參考意義。

1 電導率對加工速度影響的理論分析

電火花小孔加工過程可以分成:電離準備、放電熱蝕和消離拋出3個階段。在電離準備階段，又可分為建立電場、極化搭橋和電子發射。在加工時兩極間會迅速建立一個電場，場強F與電壓U和極間距離S一定關系:

當F足夠大時，極間絕緣的工作液分子會被極化，在極間形成一個低阻通道。隨著場強F的不斷增大，會出現場致電子發射，從陰極激發出的電子在電場作用下高速撞擊極間工作液中的中性分子或原子，使其電離。如果在工作液中加入添加劑，使得原有自來工作液含有更多金屬離子，在電場作用下這些離子會集中到場強F最大的區域，在極間形成一個導電微粒通道，使發生場致電子發射所需場能減小。由式 (1)可知，電火花小孔加工工作液電導率提高后，加工時所需場強F減小，電壓U減小，極間距離S會增大。單個脈沖能量Wo與放電電壓U、電流I和脈沖寬度ti成函數關系:

式中:i為間隙瞬間電流，u為間隙瞬間電壓。

電火花小孔加工工作液電導率提高后，u會減小，由式 (2)可知，在給定間隙電流i不變時，間隙中單個脈沖放電能量Wo會減小。但由于電火花小孔加工中，影響單個脈沖蝕除量q的因素很多，除Wo外還與有效脈沖利用率φ、放電頻率f、加工時間t和與工作液等相關工藝參數Ka有關:

由式 (3)可知，雖然單個脈沖能量Wo會由于工作液電導率的提高而減小，但在一定值，工作液等相關工藝參數Ka的改變會補償損失，使單個脈沖蝕除量q增加。在電火花小孔加工時，極間距離S的適當增加，會使電腐產物不易孔內的沉聚，加工碎屑容易排出，不易發生“二次放電”，加工更加穩定，加工速度提升，但加工間隙太大會導致放電空載概率增大，使加工速度大大降低。因此極間距離S在一定值時，會使得加工速度提高，對應最佳的工作液電導率值。

2 實驗及分析

2.1 PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實驗

PAAS(Sodium Polyacrylate)和PAA(Polyacrylic Acid)是聚羧酸類阻垢水分散劑，PAAS學名為聚丙烯酸鈉，PAA學名為聚丙烯酸，二者結構式見圖1。PAAS和PAA具有除具有相同分散性外，PAAS可電離出鈉離子提高工作液電導率，因此選用這兩種添加劑做對比實驗，二者參數見表1。

圖1 PAAS和PAA結構式

表1 PAAS和PAA參數

實驗在D703F電火花小孔機床上進行，工具電極為負極φ2 mm的黃銅管狀電極;被加工工件接正極，使用8 mm厚的不銹鋼板;工作液壓力p為2.0 MPa，工具電極轉速n1為120 r/min，加工電流脈沖寬度ti為35μs，電流強度為9 A;工作液電導率使用HM電導率儀測量，實驗室溫度為23℃，基本誤差為±1%。工作液濃度為添加劑與自來水的體積比η(‰);小孔深度h(mm)與加工擊穿時間t(min)的比值為小孔加工的加工速度va(mm/min)。以不同工作液進行電火花小孔加工實驗，所得數據見表2，電導率隨濃度變化關系如圖2所示，加工速度隨濃度的變化如圖3所示。

表2 實驗一所得數據

圖2 電導率隨濃度變化

圖3 加工速度隨濃度變化

由圖2、3可見，PAAS和PAA工作液電導率隨濃度增加而變大，但PAA工作液沒有游離的鈉離子，故電導率隨濃度變化比較小。(1)在工作液濃度在0～4‰范圍內時，PAAS工作液加工速度曲線斜率大于PAA工作液加工速度曲線斜率，這是因為前者電導率變化幅較大，電導率的增加使放電間隙變大，有利排屑，促使加工速度提高;(2)當工作液濃度為4‰時，PAAS和PAA工作液電導率分別達到1 770 μs/cm和900μs/cm，2種工作液加個速度均達到最大值，PAAS工作液最大加工速度為1.93 mm/min大于PAA工作液的最大加工速度1.8 mm/min，與自來水工作液相比提高了32.2%，已知二者分散性能相同，可見電導率的區別使二者最大加工速度不同;(3)隨后工作液濃度和電導率繼續升高，加工速度反而下降，這是因為分散劑大于一定濃度后，會引起碎屑顆粒團聚，分散劑的分散性減弱，排屑環境變差，加工的不穩定性增加，使得電火花小孔加工的加工速度降低，但此時電導率的增大導致了使用PAAS工作液加工出現“二次放電”，有效放電脈沖率減小，加工速度大幅下降，因此出現PAAS工作液的加工速度下降幅度大于PAA工作液的加工速度下降幅度的現象。

2.2 NaCl工作液的電火花小孔加工實驗

所用實驗條件與PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實驗相同，稱量設備為FA2004A電子天平，工作液為同質量濃度的NaCl水溶液，質量濃度為NaCl質量與自來水體積的比值，單位為g/L。由表2可見，PAAS工作液電導率在1770時，電火花小孔加工速度達到最大，因此配制NaCl工作液時，需電導率儀和電子天平同時使用，使工作液電導率接近不同濃度的PAAS工作液。用不同濃度NaCl工作液進行電火花小孔加工實驗，所得數據如表3所示，加工速度隨電導率的變化如圖4所示。

表3 實驗二所得數據

圖4 加工速度隨電導率的變化

由實驗數據可見，排除PAAS工作液對加工碎屑分散性的作用，使用NaCl水溶液作為工作液僅提高工作液電導率，加工速度比原有自來水工作液加工速度有所提高，變化曲線為駝峰曲線，且最大加工速度所對應電導率與實驗一相同。(1)當NaCl水溶液工作液濃度小于1.29 g/L，即工作液電導率小于1 780 μs/cm，電火花小孔加工速度隨工作液電導率增大而增加，這是因為電導率的增大使加工間隙變大，小孔加工時有利排屑，加工穩定較好，使加工速度提高;(2)在工作液濃度為1.29 g/L時，加工速度達到最大值，此時工作液電導率為1 780μs/cm;(3)工作液濃度和電導率繼續增大，電火花小孔加工速度急劇下降，甚至低于自來水工作液的加工速度，這是由于工作液電導率超過臨界值，放電間隙太大，產生“二次放電”現象，放電空載概率增大，有效脈沖率降低，使加工速度大大下降。

3 結論

(1)電火花小孔加工中，使用一定濃度的PAAS和PAA工作液，會使加工速度提高。PAAS工作液濃度為4‰時，加工速度達到最大，比原有自來水工作液提高了32.2%。(2)一定濃度的PAAS和PAA工

作液分散性相同，但電導率不同，故在電火花小孔加工中加工速度不同，前者加工性能優于后者。 (3)NaCl工作液也使電火花小孔加工速度提高，最佳濃度時的電導率與PAAS最佳濃度電導率相同。(4)電火花小孔加工中存在工作液的最佳電導率值為(1 770±1%)μs/cm，此結論對D703F電火花小孔機床工作液的配置有一定參考意義。

［1］魏佳.淺析電火花展成加工技術相關問題［J］.裝備制造，2009，12(1):110-114.

［2］趙萬生.先進電火花加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［3］曹國鳳.特種加工手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［4］YE S L，SU J，JIA Z X，et al.Study on the Mechanism of High Speed Small Hole Drilling by EDM ［J］.Materials Science Forum，2004，471/472:302-306.

［5］祁魯梁，李永存，張莉.水處理藥劑及材料使用手冊［M］.北京:中國石油出版社，2006.

［6］曹明讓，楊勝強.分散劑在電火花小孔加工中的作用機理及實驗研究［J］.中國機械工程，2010，21(9):1022-1024.

［7］MASUZAWA T，KUO C L，FUJINO M.A Combined Electrical Machining Process for Micro Nozzle Fabrication［J］.Annals of the CIRP，1994，43(1):20-25.

［8］孟慶國，孟慶鑫，趙萬生.添加劑對混粉電火花加工的影響［J］.電加工與模具，2002(5):19-21.

［9］郭諄欽，王承文.電火花加工中速度的影響因素［J］.機床與液壓，2012(8):191-194.