分布式內沖液對多孔質電極電火花加工性能的影響

分布式內沖液對多孔質電極電火花加工性能的影響

蔣毅1孔令蕾1李其1平雪良1趙萬生2

1.江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,無錫,214122

2.上海交通大學,上海,200240

摘要：對分布式內沖液條件下的多孔質電極電火花加工性能進行了實驗研究。實驗結果表明，采用分布式內沖液方法能夠達到充分降低極間蝕除產物濃度的目的，不僅可代替抬刀和平動方法,而且可采用較小的脈沖間隙以較大的占空比進行加工，獲得較高的加工效率；對沖液流量影響的研究發現，隨著沖液流量的增大,在沖液降低極間蝕除產物濃度和沖液干擾等離子體放電通道的雙重作用下，加工材料去除率曲線變化呈現雙峰值特征。通過獲取極間電壓和分析長連續開路時間對加工總時間的占比可知,沖液流量在增大過程中，首先使極間蝕除產物濃度降低至理想水平,再使等離子體通道擾動達到理想水平。

關鍵詞:電火花加工;多孔質電極;內沖液;等離子體通道

中圖分類號：TG661

收稿日期：2015-01-14

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51205169)

作者簡介：蔣毅，男，1981年生。江南大學機械工程學院講師、博士。主要研究方向為電火花加工。發表論文15篇。孔令蕾，男，1987年生。江南大學機械工程學院碩士研究生。李其，男，1992年生。江南大學機械工程學院碩士研究生。平雪良，男，1962年生。江南大學機械工程學院教授。趙萬生，男，1957年生。上海交通大學機械與動力工程學院教授。

Influences of Distributed Inner-flushing on Performance of Porous-electrode EDM

Jiang Yi1Kong Linglei1Li Qi1Ping Xueliang1Zhao Wansheng2

1.Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment

and Technology,Jiangnan University,Wuxi,Jiangsu,214122

2.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240

Abstract:The influences of distributed inner-flushing on performance of porous-electrode EDM were studied by a series of experiments.Experimental results show that the concentration of debris within discharge gap is able to be reduced adequately by using distributed inner-flushing,such that the tool lifting and orbiting are able to be substituted.Furthermore,a tiny pulse interval can be applied and a high material removal rate(MRR) is able to be achieved due to the high duty cycle.Experimental results also show that as the flushing flux increases,the MRR curve demonstrates a two peak-value characteristics,as a result of the dual roles of flushing on both debris evacuation and plasma channel disturbance.By means of acquiring gap voltage and analyzing the proportion of long-term open-circuit period to the whole machining time,it is proved that,as the flux increases,the debris concentration is reduced to a ideal level firstly, and then a ideal level of plasma channel disturbance is achieved.

Key words:electrical discharge machining(EDM);porous electrode;inner-flushing;plasma channel

0引言

在電火花加工過程中,維持良好的極間狀態是實現穩定加工的關鍵，其主要目標是將極間蝕除產物濃度控制于合理范圍內。極間蝕除產物濃度過高會導致拉弧、二次放電等不利后果，過低則會降低擊穿放電脈沖的占比,同樣影響到加工效率。在普通電火花成形加工中較容易出現的是蝕除產物濃度過高的情況。

改善極間狀態的方法一般包括增大脈沖間隙、施加抬刀和施加沖液三種。前兩種方法均減少了單位時間內的放電時間或放電次數，是以犧牲部分時間的方式換取整體的高加工效率，而沖液方法不會在本質上對放電次數產生影響。此外，采用平動方法也可起到改善極間狀態[1]、提高材料去除率的作用，但其應用場合通常受到一定限制。由于電火花加工極間間隙狹窄，通常使用的液槽內工作液自然流動或外部沖液難以有效降低蝕除產物濃度，這在深孔、半封閉型腔加工中更為明顯。因此,外部沖液一般只能起到輔助作用，而仍需采用抬刀或內沖液等手段[2]。

趙萬生等[3]提出的集束電極法將大量管狀或棒狀單元電極捆綁后，可快速制備出具有復雜端面形狀的集束電極。由于管狀電極自然形成了分布式的流道，故可在加工過程中施加分布式的多孔內沖液，利用沖液對蝕除產物的強制排出作用和流體動力斷弧機制[4]進行大電流、大脈寬加工,從而大幅提高電火花成形粗加工過程的加工效率。

多孔質電極電火花加工是采用多孔材料作為工具電極，并在電火花粗加工過程中施加內沖液，以實現材料快速去除的一種電火花加工方法[5]。多孔質電極由粒徑較大的紫銅顆粒經高溫燒結而成，可利用顆粒間孔隙形成的流道在放電加工過程中實現分布式的、三維全向的內沖液，有利于發揮與集束電極相似的優勢，大幅提高加工效率。

施加沖液是多孔質電極與實體電極之間最大的區別，因此，本文通過實驗研究了沖液對多孔質電極電火花加工的影響，并與實體電極進行了對比分析。

1實驗裝置與實驗參數

實驗所用的多孔質電極是將直徑為3mm的紫銅顆粒置于石墨模具中，經過真空燒結而獲得的直徑為30mm的圓柱形電極，如圖1所示。在燒結溫度為1078℃,保溫120min時，紫銅顆粒間可生成粗壯的燒結頸將顆粒緊密連接。實驗結果顯示，多孔質電極在加工過程中發生較大損耗后仍不會發生顆粒脫落；同時，顆粒之間能保持通暢的流道，能夠滿足分布式沖液的要求。

圖1　多孔質電極及加工前后的電極損耗

電火花加工實驗在Agie-Charmille SC110數控電火花成形機上進行,電極夾持裝置和沖液情況分別如圖2、圖3所示。

圖2　電極夾具

圖3　多孔質電極沖液情況

工件材料為45鋼,加工深度為6mm,采用負極性加工(工件接負)。實驗過程中采用的其他加工參數見表1。

在多孔質電極的燒結過程中，紫銅顆粒在模具內是隨機排列的，因此，最終在電極內部形成了隨機排布的流道，并在電極表面形成了隨機的分布式的沖液出口。利用這些分布式的沖液出口，可實現多孔分布式內沖液。前期極間流場仿真結果表明，在較大的沖液流量下，極間流動類型為湍流，極間蝕除產物可被快速排出加工區域，而不易形成穩定的漩渦和極間蝕除產物的局部聚集。

表1　電火花加工實驗參數

2分布式內沖液對極間狀態的改善作用

采用不同的加工方式，如采用抬刀、平動、內沖液或增大脈沖間隙，均能起到改善極間狀態作用。但這些方式能在多大程度上提高加工效率，特別是當多孔質電極所施加的分布式內沖液與其他加工方式配合使用時，各加工方式間如何相互作用，是需要研究的問題。

首先進行分布式內沖液加工方式與抬刀方式、平動方式的交互實驗。實驗分為兩組：第一組在工件上表面進行，在分布式內沖液條件下，分別進行不抬刀不平動、抬刀而不平動、平動而不抬刀加工；第二組在深孔中進行，工件深孔的初始深度為25mm,內直徑為30.8mm,比電極外直徑大0.8mm,亦即電極與深孔側面有0.4mm的徑向間隙，該組實驗不進行平動。多孔質電極底面的沖液流量均為155L/h，峰值電流為64A,脈沖寬度和脈沖間隙分別為560μs和100μs。實驗結果如圖4所示。

圖4　不同加工方式對材料去除率的影響

實驗結果顯示,無論在工件上表面還是在深孔中加工,都是采用施加了分布式內沖液的不抬刀不平動加工方式的材料去除率最高。雖然抬刀一般有改善極間狀態從而提高材料去除率的作用,但由于分布式內沖液能將極間蝕除產物濃度降低至較小程度，使得抬刀對極間狀態的改善作用不明顯,反而由于抬刀時間的損失，降低了材料去除率。同時，采用分布式內沖液加工方式后，其材料去除率也高于平動加工方式。

以上實驗結果表明,多孔質電極采用分布式內沖液加工方式能夠達到充分降低極間蝕除產物濃度的目的，而不再需要額外施加抬刀，亦即施加分布式內沖液能夠代替施加抬刀，并由于省去了抬刀時間而使加工效率有所提高。同時，施加分布式內沖液也能夠代替施加平動,即使在不適合進行平動加工的場合,采用施加了分布式內沖液的多孔質電極電火花加工也能獲得較高的加工效率。

除了抬刀和平動兩種改善極間狀態的加工方式外,通過增大脈沖間隙的方式也能夠使極間狀態得以恢復,并促進放電點轉移,保持加工過程穩定。為此,通過改變脈沖間隙,對分布式內沖液條件下多孔質電極和實體電極的電火花加工性能進行了對比。實驗脈沖寬度為320μs,峰值電流為64A,多孔質電極底面的沖液流量為1050L/h,采用不抬刀方式加工,實驗結果如圖5所示。

如圖5a所示,對于實體電極,隨著脈沖間隙的變化,其材料去除率變化不大。雖然增大脈沖間隙有改善極間狀態的作用,但同時也減小了脈沖占空比，因此增大或減小脈沖間隙會對加工效率產生正反兩方面的作用,導致實驗結果中實體電極材料去除率對脈沖間隙的變化不敏感。

(a)材料去除率-脈沖間隙曲線

(b)工具電極相對損耗率-脈沖間隙曲線 圖5　分布式內沖液條件下脈沖間隙對加工性能的影響

施加了分布式內沖液的多孔質電極則表現出不同的特征，隨著脈沖間隙從100μs減小至機床可提供的最小脈沖間隙7.5μs，材料去除率呈明顯的增大趨勢，且脈沖間隙的減小在提高脈沖占空比的同時，其所帶來的極間狀態惡化并不明顯。例如，當脈沖間隙為18μs和32μs時,其占空比和材料去除率分別為η18、η32和r18、r32,則有

即隨著占空比增大,其材料去除率的提高比例甚至略高于占空比的提高比例，表明減小脈沖間隙并沒有對放電穩定性造成大的影響。

以上實驗結果表明，多孔質電極通過采用分布式的內沖液,能夠大大降低極間蝕除產物的濃度,不僅可代替抬刀和平動手段，而且可采用較小的脈沖間隙進行加工，以較大的占空比獲得較高的加工效率。

如圖5a所示,當脈沖間隙較大時,多孔質電極的材料去除率小于實體電極的材料去除率。這是因為此時極間狀態已可在脈沖間隙時段內得到充分恢復,且由于在工件上表面進行加工，液槽內的工作液自然流動已可起到改善極間狀態的作用,故多孔質電極雖然采用沖液，但沖液的優勢無法得到充分發揮，反而因多孔質電極底面不平整，粗糙度較大，易產生大量側向放電而影響其加工效率。如圖5b所示，多孔質電極的相對損耗率高于實體電極的相對損耗率，這是因為多孔質電極采用沖液方式加工，對炭黑保護膜的形成有干擾作用，這一結果與采用集束電極加工是一致的[1]。

3沖液流量對電火花加工性能的影響

分布式內沖液的流量是影響沖液效果最直接的因素,并進而影響到加工性能。當脈沖寬度為320μs、脈沖間隙為7.5μs、峰值電流分別為64A和50A時,多孔質電極電火花加工的材料去除率隨電極底面沖液流量的變化趨勢如圖6所示。

圖6　電極底面沖液流量對材料去除率的影響

由圖6可見，隨著沖液流量的增大，在不同的電流下，材料去除率曲線均呈現兩個峰值，64A時的峰值分別出現在730L/h和1100L/h,50A時的峰值位于620L/h和950L/h。這一實驗結果與文獻[6]得到的單一峰值，即材料去除率隨沖液流量增大而先上升后下降的結果存在差異。

一般認為，通過沖液，將極間蝕除產物濃度降低至某一理想值時，材料去除率會相應上升；但繼續增大沖液流量,極間蝕除產物濃度過低，又會導致極間介質不易擊穿，開路率上升，反而使得材料去除率下降。但遵循這一思路，材料去除率僅會出現一個峰值，而無法解釋圖6所示的雙峰值特征。

實際上,沖液不僅有強制排出極間蝕除產物的作用，也會對等離子體放電通道產生影響。當沖液足夠強時，等離子體放電通道將在流體動力作用下發生較大的擾動，產生彎曲、拉伸形變，甚至被切斷。反映在極間波形上，可明顯見到放電過程中電壓和電流的畸變[7]。當等離子體通道受到的擾動較小時，原先作用于工件上某一位置的放電點會發生一定程度的偏移，熔池面積相應擴大，這對材料的拋出是有利的；而當沖液過強，等離子體通道無法保持自身穩定甚至容易被切斷時，正常的能量釋放過程將無法維持，加工效率相應降低。

圖6所示的雙峰值特征應為沖液降低極間蝕除產物濃度和沖液干擾等離子體放電通道的雙重作用的結果。但材料去除率所呈現出的兩個峰值分別是由哪一個作用所造成的，亦即沖液流量在增大的過程中，首先達到了極間蝕除產物理想濃度的臨界點還是等離子體通道理想擾動的臨界點，這一問題未見相關研究報道,也難以用較為直接的方法加以觀測和驗證。

采用間接手段對以上問題加以分析和解釋。以脈沖寬度為320μs、脈沖間隙為7.5μs、峰值電流為64A的加工參數，分別進行不同沖液流量下的電火花加工實驗,利用數據采集卡獲得了各次實驗全過程的極間電壓數據，并對數據進行了分析。從數據中提取了長時間連續開路的數據段，并根據其連續開路時間的長短劃分了區間，分別計算各區間內數據段所表征的時間占加工總時間的比例，結果如圖7所示。

圖7　不同連續開路時間段占加工總時間的比例

如圖7所示,長時間連續開路被分為6個區間。以沖液流量qV=0為例,在其加工過程中，連續開路在400～800μs區間內的開路總時間占加工總時間的比例為6.8%,連續開路在2400～2800μs區間內的開路總時間占加工總時間的比例僅為0.18%。

由圖7可看出，在不同沖液流量下，較短的連續開路相對于較長的連續開路均更容易發生，亦即其占加工總時間的比例更大。當沖液流量為0時，雖然連續開路在400～800μs區間內的開路時間占比較高，但在隨后更長區間內的開路時間占比卻極低，顯示在沒有沖液存在的情況下，由于極間蝕除產物濃度高，相對來說不易發生長時間開路。

隨著沖液流量增加，各區間連續開路時間的占比呈整體增大趨勢，這是因為沖液降低了極間蝕除產物濃度，使得極間介質擊穿變得較為不易。但這一增大趨勢逐漸減緩，并在qV=945L/h時達到最高。當沖液流量增加至1400L/h時,其開路時間占比在800μs至2800μs范圍內均較945L/h時低。

將各個區間的連續開路時間占加工總時間比例相加,也可得到圖8所示的曲線,并可清楚地觀測到qV=945L/h時,其開路占比最高,而qV=1400L/h時有所下降。由于加工過程中較高的開路占比會引起伺服系統的進給運動,主動地減小極間間隙,使得蝕除產物濃度變大,而令長時間開路變得不易發生,故開路率最終會穩定于某一范圍內并進行波動,這是qV=1400L/h時的長時間開路占比呈下降趨勢的原因。

圖8　底面沖液流量對連續開路占加工總時間比例的影響

以上分析結果表明,當qV=945L/h、開路比例達到最高時，正是極間蝕除產物濃度達到最低的時刻,而這一時刻的沖液流量必定比極間蝕除產物濃度達到理想值時的沖液流量大，亦即沖液流量對極間蝕除產物濃度降低作用的理想臨界點應小于945L/h。因此，對照圖6所示曲線，在64A的峰值電流下,qV=730L/h時材料去除率所達到的第一個峰值可認為是理想極間蝕除產物濃度所在的位置，進而得知在qV=1100L/h時所達到的第二個峰值是等離子體通道理想擾動所在的位置。亦即,沖液流量在增大的過程中,首先達到極間蝕除產物理想濃度的臨界點，隨后達到等離子體通道理想擾動的臨界點。而在50A的峰值電流下，其材料去除率所呈現的兩個峰值及其產生原因與64A峰值電流下的情況類似。

如圖6所示,當峰值電流為50A時,其材料去除率兩個峰值所在的沖液流量均小于64A峰值電流時的沖液流量。這是因為峰值電流較小,極間蝕除產物濃度不大,故只需較小的沖液流量即可將極間蝕除產物濃度降低至理想范圍;同時,由于峰值電流較小,等離子體通道的穩定性較差,更容易被沖液流體動力干擾和切斷,故其等離子體通道理想擾動的臨界沖液流量也較小。

4結論

(1)多孔質電極采用分布式內沖液加工方式能夠達到充分降低極間蝕除產物濃度的目的,而不再需要額外的抬刀或平動加工動作,節約了加工過程中的輔助時間,可獲得較高的加工效率;同時也可采用較小的脈沖間隙進行加工,以較大的脈沖占空比獲得較高的加工效率。

(2)隨著沖液流量的增大，多孔質電極電火花加工的材料去除率曲線呈現雙峰值特征，這是沖液降低極間蝕除產物濃度和沖液干擾等離子體放電通道雙重作用的結果。

(3)對加工過程中長連續開路時間占比的分析結果表明，沖液流量在增大的過程中,首先達到極間蝕除產物理想濃度的臨界點,隨后達到等離子體通道理想擾動的臨界點，并因此導致材料去除率隨沖液流量增大而出現的雙峰值特征。

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(編輯陳勇)