電火花小孔加工電極損耗及形狀變化試驗研究

劉宇,王普永,張文超,宿崇,馬付建,張生芳

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

電火花小孔加工電極損耗及形狀變化試驗研究

劉宇,王普永,張文超,宿崇,馬付建,張生芳

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

對電火花小孔加工進行試驗研究，分析電極長度損耗和角損耗的影響因素，得到電極材料、工件材料、加工極性對電極長度損耗和角損耗的影響規(guī)律.以模具鋼為加工對象進行電火花小孔加工，分析了小孔加工時黃銅電極與石墨電極的形狀變化規(guī)律.發(fā)現(xiàn)電極先發(fā)生角損耗，形成球狀端面，當進入側面損耗階段后，形成錐狀電極.試驗結果還表明隨著加工的進行，工具電極前端面的錐度不斷增大，但電極端面圓弧的圓心角基本恒定.

電火花；小孔；電極損耗；極性；形狀變化

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，高深徑比、高精度小孔廣泛應用在航空航天，生物醫(yī)療、光電通訊等一些高端產(chǎn)品的零部件中，起到傳輸、散熱、定位、連接等作用.由于工作環(huán)境特殊，許多零件都需采用高強度、高硬度、高熔點的高性能材料制造，采用傳統(tǒng)方法對這些材料進行高質量的小孔加工十分困難.電火花加工利用脈沖性放電在工件和電極空隙中產(chǎn)生局部高溫，使材料熔融拋出，實現(xiàn)材料蝕除[1].由于加工過程中無宏觀切削力、切削熱，不受材料強度、硬度限制，因此特別適合難加工材料小孔加工.但是在電火花加工過程中電極損耗問題突出，而電極損耗和形狀變化對加工小孔的精度影響嚴重.國內外很多學者對于電火花小孔加工中電極損耗進行了大量研究.Pradhan B B等人研究了峰值電流、脈寬、沖液壓力和占空比對電極損耗、材料去除率和錐度的影響，采用田口法優(yōu)化了加工參數(shù)，改善孔的錐度[2].王祥志等人發(fā)現(xiàn)具有氧化特性的工作介質可在加工過程中使電極氧化，并在電極表面形成氧化保護膜，降低電極絕對損耗[3].王振龍等針對深小孔加工提出內沖液壓力越大，加工效率越高，電極相對損耗越?。坏攭毫_到一定值后，繼續(xù)增大壓力，對提高效率和減小電極損耗的作用會減弱[4].蘭起洪等對SiCp/Al進行加工，發(fā)現(xiàn)當電源放電能量越大、放電頻率越高時電極損耗越大[5].劉宇等針對電火花加工中電蝕產(chǎn)物電極損耗嚴重等問題，研究了外加磁場對鐵磁性材料電火花小孔加工的影響，發(fā)現(xiàn)采用磁場電火花復合加工方法在鐵磁材料工件上加工小孔，電極損耗比普通電火花加工有明顯改善[6].

本文采用電火花加工試驗方法研究了不同工件、工具電極材料對小孔加工過程的電極損耗和形狀變化的影響規(guī)律.綜上可見，前人的研究工作往往著重與小孔加工中放電參數(shù)對電極損耗的影響，對不同電極材料間的放電損耗規(guī)律研究不多，并且對加工過程中電極形狀變化規(guī)律關注較少.事實上加工過程中工具電極形狀變化是影響小孔精度的主要因素.

1 電極損耗形式

在電火花加工過程中電極損耗十分嚴重，電極損耗包括長度損耗和形狀變化.長度損耗使得電極軸向長度減小，主要影響加工的尺寸精度，形狀變化主要影響加工的形狀精度[7].電極損耗可以分為端面損耗、角損耗、側面損耗三種形式[8].

2 電極損耗試驗結果與分析

2.1 試驗方法

為分析電極材料、工件材料、加工極性對電極長度損耗及角損耗的影響，設計電火花加工試驗，試驗條件如表1所示.每組試驗均將加工時間設置為定值，量取加工前后的電極長度，計算電極損耗長度，用電子顯微系統(tǒng)觀察電極端面形狀，分析角損耗情況.從而得到電極材料、工件材料、加工極性對電極長度損耗和角損耗的影響.

表1 電極損耗試驗條件

2.2 工件材料對電極損耗的影響

紫銅電極分別對模具鋼、硬質合金、鈦合金進行電火花小孔加工試驗.整理實驗數(shù)據(jù)，電極損耗長度情況如圖1所示.

圖1 紫銅電極加工不同材料工件的電極損耗

2.2.1 工件材料對長度損耗的影響

從圖1可以看出紫銅正極性加工鈦合金時電極長度損耗最大，加工硬質合金時次之，加工模具鋼時最小.這是因為鈦合金和硬質合金的熔點高于模具鋼；而模具鋼的導熱系數(shù)高于硬質合金和鈦合金的導熱系數(shù)，模具鋼的熱量向外傳遞更快，放電區(qū)域溫度更低，所以加工模具鋼時電極蝕除最少.由于鈦合金的化學特性活潑，極易和氧作用，在高溫和高電場作用下和氧作用生成鈦的氧化物，由于氧化物的熔點高，導致加工鈦合金時電極蝕除率最高.

從圖1還可以看出負極性加工時,加工鈦合金時的電極損耗最大，加工模具鋼時次之，加工硬質合金時最小.這是因為當采用小脈寬負極性加工時，能量主要來自電子的轟擊，而電子逸出功排序為模具鋼的大于硬質合金的大于鈦合金的.逸出功越小在相同的條件下放電通道中的電子越多，電極表面得到的能量越多，電極損耗速度更快；但是加工模具鋼時的孔深卻是加工硬質合金的1.4倍，說明模具鋼的放電穩(wěn)定性比硬質合金好，放電成功率更高，在相同的時間內電極蝕除量會有所提升甚至超過硬質合金；由于鈦的氧化物的作用，加工鈦合金時電極損耗更為嚴重.

2.2.2 工件材料對角損耗的影響

圖2為紫銅正極性加工不同材料工件時得到的電極形狀.發(fā)現(xiàn)正極性加工時電極端面角損耗較大.因為擊穿放電點位置分布是引起電火花加工中電極形狀改變的決定因素,而影響擊穿放電點位置變化的主要因素就是極間電場強度的分布.電極端面尖角，曲率的急劇變化會引起電場強度畸變，其電場強度比其它位置要高，更容易放電，導致電極底部邊緣位置的電蝕量大，電極在端面形成圓弧.

加工鈦合金時角損耗較小，電極兩端為圓弧，中間近似為平面；加工模具鋼和硬質合金時角損耗較大，電極端面是球狀，但是加工模具鋼時角損耗比加工硬質合金大.這是因為加工鈦合金時電極蝕除速度最快，其次為加工硬質合金，加工模具鋼的電極損耗最慢.為了保證火花放電的正常發(fā)生，當電極損耗速度較快時，工具電極在伺服系統(tǒng)的控制下同樣會以較快的速度向下進給，這造成電極中部與底面平行距離減小，增加了工具電極中間部位的放電概率，使得電極的中間變平，角損耗不明顯.進給速度越快，角損耗越不明顯.

圖3為紫銅負極性加工不同材料的工件時得到的電極形狀.可以發(fā)現(xiàn)無論加工鈦合金、硬質合金還是模具鋼電極端面均近乎為平面.這是因為電加工參數(shù)設置為小脈寬，當采用小脈寬負極性加工時，能量主要來自電子的轟擊，電子的動能在陽極表面轉化為熱能，使電極材料熔融拋出，導致工具電極的蝕除速度較快，工具電極進給速度很快，電極中間部分參與放電概率增加，角損耗不明顯.

2.3 電極材料對電極損耗的影響

分別用紫銅、黃銅、石墨電極對模具鋼進行小孔加工.并整理試驗數(shù)據(jù)，電極長度損耗情況如圖4所示.

圖4 紫銅、黃銅、石墨加工模具鋼電極損耗長度

2.3.1 電極材料對長度損耗影響

從圖4可以看出負極性加工時黃銅電極長度損耗最大，紫銅次之，石墨最小.因為紫銅的熔點、導熱系數(shù)高于黃銅，所以其損耗長度要低于黃銅；石墨電極加工時，當電極表面瞬時溫度高于400℃且能維持一段時間，正極就會吸附介質中游離的石墨離子，在石墨電極表面形成一定厚度和強度的碳黑膜，減小石墨電極的損耗，因而石墨電極損耗是最小的.在試驗中發(fā)現(xiàn)紫銅電極加工時工件會隨著電極的抬起而向上移動，這是因為紫銅電極熔融后會粘附在工件表面，增加電極損耗.但是因為小脈寬負極性加工時電極長度損耗很大，所以因粘附在工件表面而造成的電極損耗對其總損耗會影響并不明顯.

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)正極性加工時紫銅電極長度損耗最大，石墨電極次之，黃銅電極最小.黃銅電極損耗低于紫銅，是因為加工時紫銅會有一部分粘附在工件表面，而正極性加工時工件向上抬起的頻率比負極性加工時要高，所以因粘附在工件表面而造成的損耗會更大.而正極性加工時電極損耗長度較小，因粘附在工件表面而造成的損耗對電極總損耗影響很大，甚至造成紫銅電極損耗長度大于黃銅電極損耗；石墨的蝕除量高于黃銅，是因為在工件表面形成碳黑膜，會對工件有一定的保護作用，增加工具電極的損耗，甚至因此超過黃銅電極蝕除量.

2.3.2 電極材料對角損耗影響

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)正極性加工時石墨的端面近乎為平面，而紫銅、黃銅電極的端面卻是球狀.但是紫銅電極端面圓弧半徑卻要高于黃銅，因為正極性加工時紫銅電極蝕除速度比黃銅快，進給速度加快，電極中部間隙較小，放電概率增大，角損耗不明顯.石墨電極加工時，由于吸附效應，會在工件表面形成一層碳黑膜，阻礙工件的蝕除，增大石墨電極本身的長度損耗，因而角損耗降低.

觀察圖6發(fā)現(xiàn)紫銅電極端面近似為平面，石墨電極和黃銅電極端面近似為球狀.石墨端面呈球狀，是因為負極性加工時在石墨電極表面會形成碳黑膜，減小石墨電極的長度損耗，此時角損耗會增大，形成球狀端面；紫銅電極的端面近乎為平面的原因與紫銅負極性加工時相同.雖然黃銅電極負極性加工損耗速度很快，但黃銅電極的角損耗很大，介于黃銅和石墨之間.因為黃銅電極的加工速度約為紫銅的2倍，加工的孔比紫銅深，電蝕產(chǎn)物排除困難，堆積在電極底部邊角處，會產(chǎn)生二次放電，加速角損耗，得到如圖6(c)所示端面形狀.2.4 加工極性對電極損耗影響

觀察圖1、圖4可以發(fā)現(xiàn)負極性加工時除石墨外的電極損耗都比正極性加工時要大，這是因為當采用小脈寬加工時，電子的質量和慣性小，容易獲得很高的加速度和速度，在擊穿放電初始階段就有大量的電子奔向正極，把能量傳遞給陽極表面，使電極材料迅速熔化和氣化.而正離子則由于質量和慣性較大，啟動和加速較慢，在擊穿放電的初始階段，到達負極表面并傳遞能量的只有一小部分正離子.所以當采用負極性加工時電極損耗要比正極性加工時大.石墨電極正極性加工時的電極損耗高于負極性加工，原因和電極材料對角損耗的影響中的石墨加工模具鋼一樣.

比較圖2和圖3，圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)除石墨外正極性加工時更容易產(chǎn)生球狀端面，而石墨電極則是負極性加工時更容易產(chǎn)生球狀端面.石墨電極負極性加工時更容易產(chǎn)生球狀端面的原因與石墨負極性加工模具鋼時相同.除石墨外負極性加工時底面近似為平面，是因為小脈寬負極性加工時，電極損耗速度較快，電極進給速度較快，尖端效應弱，角損耗較少.

3 電極形狀變化規(guī)律

電極損耗中的形狀變化對于電火花小孔加工形狀精度影響尤為嚴重.為分析電極形狀變化規(guī)律，分別采用黃銅、石墨對模具鋼進行小孔加工，觀察其形狀變化.同一組試驗中制作多個電極分別進行小孔加工，在固定時間將電極換下，并用電子顯微系統(tǒng)進行拍照，觀察電極形狀變化，得到電極形狀變化規(guī)律.

3.1 黃銅電極形狀變化規(guī)律

3.1.1 正極性加工黃銅電極形狀變化規(guī)律

圖7是黃銅正極性加工模具鋼時的電極形狀變化.可以看出在放電初始階段角損耗較大，電極尖端先被蝕除形成弧狀端面；隨著電極尖角的逐漸減小，角損耗逐漸減小，當端面進入均勻損耗階段形成一個等勢面后，半徑在一段時間會維持不變.而進入側面損耗階段后，端面圓弧半徑會逐漸減小.求出端面圓心角，得到圓心角和端面半徑的變化趨勢如圖8所示.

圖7 黃銅正極性加工模具鋼

圖8 正極性加工黃銅電極端面半徑及圓心角

通過觀察圓心角可以發(fā)現(xiàn)從2 min開始，圓心角基本保持一個定值不變，這說明電極即使進入側面損耗階段導致端面圓弧半徑減小，但是因為此時已經(jīng)形成等勢面所以電極端面圓心角卻基本不變.

3.1.2 負極性加工黃銅電極形狀變化規(guī)律

觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)黃銅負極性加工模具鋼時隨著時間的延長端面圓弧半徑在不斷減小.從4 min開始端面半徑雖然在不斷減小，但圓心角卻基本維持恒值不變.

圖9 負極性加工黃銅電極端面半徑及圓心角

3.2 石墨電極形狀變化規(guī)律

3.2.1 負極性加工石墨電極形狀變化規(guī)律

觀察圖10同樣可以發(fā)現(xiàn)端面圓弧半徑在逐漸減小，但是從6 min開始端面半徑雖然在不斷減小，圓心角卻基本不變.

圖10 負極性加工石墨電極端面半徑及圓心角

3.2.2 正極性加工石墨電極形狀變化規(guī)律

石墨電極正極性加工時，沒有形成負極性加工時的錐狀電極.這是因為采用正極性加工時會在工件表面形成一層碳黑膜，保護工件不被蝕除，而電極的蝕除速度卻會提高.為保證正常放電，石墨電極會有很快的進給速度，尖端效應的影響減弱，角損耗不明顯.

4 結論

在電火花加工過程中電極損耗十分嚴重，而且其大大降低了加工精度.為了分析電極損耗影響因素，采用單因素試驗研究方法分析了電極材料、工件材料、加工極性對電極長度損耗和角損耗的影響；同時也分析了黃銅和石墨電極加工模具鋼時的電極形狀變化過程，分析電極形狀變化規(guī)律.得到如下結論：

(1)石墨電極采用負極性加工時可以明顯的減小電極損耗，同時相對于正極性加工更容易產(chǎn)生錐狀電極；

(2)在采用小脈寬負極性加工時電極損耗速度遠遠大于正極性加工電極損耗速度，而且正極性加工電極端面更容易產(chǎn)生圓??；

(3)電極損耗速度越慢，角損耗現(xiàn)象越明顯，電極端面越容易產(chǎn)生弧狀端面；

(4)電火花加工過程中由于尖端效應的影響，導致電極兩端先被蝕除，形成球狀端面，當電極進入側面損耗階段，會形成錐狀電極，隨著加工的進行，錐度逐漸增大，但電極端面圓弧的圓心角基本恒定.

[1]李明輝.電火花加工理論基礎[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989:20- 21．

[2]PRADHAN B B,MASAMTA M,SARKAR B R,et al.Investigation of electro-discharge micro-machining of titanium super alloy[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2009,41(11):1094- 1106.

[3]王祥志,劉志東,薛榮媛,等.介質氧化特性對鈦合金電火花加工電極損耗的影響研究[J].電加工與模具,2014(1):5- 8.

[4] 王振龍,張靜,王玉魁,等.微細電火花內沖液小孔加工的非電參數(shù)工藝研究[J].電加工與模具,2014(4):1- 7.

[5]蘭起洪,王玉魁,王振龍,等.電參數(shù)對SiCp/Al復合材料電火花深小孔加工的影響[J].電加工與模具,2015(3):26- 30.

[6]劉宇,閻長罡,張生芳,等.外加磁場對鐵磁材料電火花小孔加工的影響[J].電加工與模具,2014(1):13- 16.

[7]郭成波.鈦合金電火花高效銑削電極運動軌跡控制及工藝研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2011.

[8]SUNDARAM M M,RAJURKAR K P.Toward freeform machining by micro electro discharge machining process[J].2008,36:381- 388.

Experiment Research on Tool Wear and Shape Change in Small Hole Electrical Discharge Machining

LIU Yu,WANG Puyong,ZHANG Wenchao,SU Chong,MA Fujian,ZHANG Shengfang

(School of Mechanical Engineering Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Experiment is conducted on small hole EDM to analyze the factors of electrode length loss and periphery loss,and the influences of electrode material, workpiece material and the polarity effect are obtained.Taking die steel as the research object and carrying small hole EDM,the shape variation of brass electrode and graphite electrode in small hole machining is analyzed.It is found that the electrode occurs periphery loss first,forming a spherical end surface.After entering the lateral electrode,it will form a tapered electrode.The test results also show that with the advance of processing,the taper of the front end face of the tool electrode is increasing,but the electrode surface of circular arc angle is almost constant.

EDM;hole machining;tool wear;polarity;shape change

1673- 9590(2017)03- 0046- 05

2016- 06- 03

國家自然科學基金資助項目(51405058)；遼寧省教育廳科技平臺資助項目(JDL2016006)；大連市人才專項計劃資助項目(2016RQ054)

劉宇(1982-)，男，副教授，博士，主要從事微細、特種加工理論與技術的研究E-mail:liuyu_ly12@djtu.edu.cn.

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