電極材料對電火花加工金屬蒸汽能量傳遞影響

常 皓，王文建，張文超，劉 宇

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河南 鄭州 450121；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；3.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧大連 116034；4.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

1 引言

在電火花加工過程中，工件上能量的獲得與分配對材料蝕除產(chǎn)生重要的影響。其中，放電過程中電極表面金屬材料汽化噴爆產(chǎn)生的金屬蒸汽炬在整個能量傳遞及表面熱源的形成中占有一定比重，并對工件上的放電痕尺寸及材料蝕除產(chǎn)生影響[1-2]。為了揭示蒸汽作用機(jī)理與規(guī)律，文獻(xiàn)[3-4]采用可過濾等離子體的高速攝像機(jī)對電火花線切割加工及單脈沖放電的材料蝕除過程進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)在材料蝕除過程中存在極間金屬蒸汽噴流徑向剪切力的作用，并提出采用易汽化材料作為工具電極提高徑向剪切力，進(jìn)而提高工件電極上單個放電凹坑的材料蝕除量。文獻(xiàn)[5]對電火花加工放電通道及材料蝕除機(jī)理進(jìn)行了分析，研究表明放電通道中主要是電子在運(yùn)動。同時，對陽極和陰極獲得的能量進(jìn)行了探討，表明在采用高沸點(diǎn)鎢材料作為陰極時蒸汽炬?zhèn)髂軙龃螅羝鎮(zhèn)髂芸梢耘c電子轟擊能量相比擬，陽極會獲得更多的能量。

揭示蒸汽炬作用機(jī)理及能量傳遞規(guī)律對于深入探究電火花加工物理本質(zhì)和提高加工質(zhì)量具有重要意義。目前，對于電火花加工放電過程中蒸汽炬能量傳遞影響規(guī)律的研究相對較少。因此，本文基于能量分配及蒸汽炬能量理論，對蒸汽炬?zhèn)鬟f能量機(jī)理進(jìn)行分析，建立不同電極材料產(chǎn)生的表面熱源及材料蝕除仿真模型，探究電極材料對蒸汽炬能量傳遞的影響規(guī)律，提出增大蒸汽炬?zhèn)鬟f能量的方法。采用不同電極材料的單脈沖放電加工試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真模型有效性。

2 蒸汽炬能量傳遞的物理過程

在一次火花放電的全過程中，工件表面的熱源主要通過電子轟擊、金屬蒸汽炬、氣體質(zhì)點(diǎn)沖擊及放電通道熱輻射四種傳能方式產(chǎn)生。而極間金屬蒸汽炬形成的機(jī)理為：在十分短暫的放電過程中，高密度的脈沖電流集中作用于微小電極表面上，表面能量急劇增大并來不及傳遞到金屬內(nèi)部，進(jìn)而在金屬表面瞬間產(chǎn)生爆炸性汽化。大量高溫高壓的蒸汽流噴出金屬表面并進(jìn)入極間形成蒸汽炬，其具有很高的傳播速度。當(dāng)蒸汽炬到達(dá)對面電極時，沖擊壓力使得電極表面熔坑內(nèi)的一部分熔融金屬材料被拋出蝕除，并將能量傳遞給對面電極。工件表面熱源及放電痕形成[6]，如圖1所示。

圖1 工件能量獲得及蒸汽炬能量傳遞機(jī)理Fig.1 Energy Obtained of Workpiece and Mechanism of Energy Transfer by Vapor Torch

3 放電能量與熱源分析

單次火花放電產(chǎn)生的總能量通過熱傳導(dǎo)、對流和輻射等形式分別傳遞給工具電極、工件電極和極間介質(zhì)。極間總能量分配方程為[1]：

式中：U（t）—t時刻放電通道中的壓降（V）；I（t）—t時刻峰值電流

（A）；T—放電脈寬（s）。

3.1 工件電極上所獲得的能量分析

根據(jù)A.C.Зигерман對放電產(chǎn)生熱源的研究，得出的結(jié)論是在熱過程中表面熱源起主要作用。而表面熱源的能量組成為：

式中：We—極間電子轟擊工件電極表面能量；Wu—放電通道熱輻射能量；Wt—放電通道氣體質(zhì)點(diǎn)沖擊能量；WФ—工具電極表面噴爆出的金屬蒸汽炬能量。

工件陽極所獲得的能量主要是電子轟擊所傳遞的，而熱輻射和氣體質(zhì)點(diǎn)沖擊傳能相對較小，在很多情況下都可以忽略不計。金屬蒸氣炬能量傳遞受蒸氣炬溫度等因素的影響，在一定加工條件下，其傳遞的能量大小可與電子轟擊能量相比擬[5]。電子轟擊與蒸汽炬能量的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

（1）極間電子轟擊工件電極表面的能量表達(dá)式：

式中：A—熱功當(dāng)量（A=4.1868J/K）；Cp—定壓力下的熱容量（J/g k）；ρ—工具電極蒸汽炬密度（g/cm3）；v—工具電極蒸汽炬的速度（cm/s）；K—摩擦系數(shù)，K=1.938×10-5Pa·s；Tq—蒸汽炬溫度（K）；k—定壓力下的熱容量/定體積下的熱容量，k=0.7；M—蒸氣炬的速度與聲速之比；Tu—蒸氣炬被遏制的表面溫度（K）；s—工件電極上遏止蒸氣炬的表面積（cm2）；t—脈寬（s）。

3.2 熱源模型分析

根據(jù)大量研究，電火花加工工件表面的熱源采用高斯分布熱流密度模型更符合實(shí)際加工情況[7-8]。因此，工件表面的熱源模型的表達(dá)式為：

4 仿真模型建立

4.1 仿真假設(shè)

由于電火花加工的放電過程和蒸汽炬能量理論相關(guān)參數(shù)比較復(fù)雜，為了建立仿真模型，需對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

（1）只考慮電子轟擊能量與蒸汽炬能量傳遞，忽略作用較小的熱輻射能量和氣體質(zhì)點(diǎn)沖擊能量的傳遞；

（2）蒸汽炬能量理論表達(dá)式中，蒸汽炬速度假定為v=200m/s（根據(jù)文獻(xiàn)[1]得到，放電過程中蝕除材料的徑向運(yùn)動速度約（100～200）m/s，蒸汽炬溫度等于工具電極材料的沸點(diǎn)溫度，蒸氣炬被遏制的表面溫度等于工件表面熔融硬質(zhì)合金的熔點(diǎn)溫度，遏止蒸氣炬的表面積等于放電通道產(chǎn)生的熱源加載面積；

（3）放電能量產(chǎn)生的熱源采用理想的高斯分布熱源加載。

4.2 仿真模型

單脈沖電火花加工工件表面熱源的物理模型，如圖2所示。

圖2 單脈沖放電工件材料熱蝕物理模型Fig.2 Physical Model of Thermal Erosion on Single Pulse Discharge

在前處理軟件中建立二維仿真模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行仿真計算。為減少計算時間，選擇1/2 模型進(jìn)行計算，工件模型半徑長度750μm，高度200μm，極間間隙80μm。利用軟件提供的二次開發(fā)接口UDF 分別加載不同電極材料的高斯分布熱源模型，仿真中的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 電火花加工仿真參數(shù)Tab.1 Simulation Parameters of EDM

5 仿真結(jié)果與分析

黃銅電極、鉬電極以及鎢電極對硬質(zhì)合金工件進(jìn)行單脈沖放電加工產(chǎn)生的溫度場及放電痕情況，如圖3、圖4所示。黃銅、鉬和鎢三種材料電極產(chǎn)生的熱源溫度場最高溫度分別為5329℃、5879℃和7749℃。對仿真中放電痕尺寸數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在相同的放電條件下，黃銅電極使得工件表面產(chǎn)生放電痕的尺寸最小，半徑和深度分別為255μm和42μm。鎢電極加工所產(chǎn)生的放電痕尺寸最大，半徑和深度分別為313μm和52.5μm。而鉬電極加工時形成的放電痕尺寸介于黃銅與鎢之間，半徑和深度分別為303μm和50μm。

圖3 不同電極材料產(chǎn)生的表面熱源溫度場仿真結(jié)果Fig.3 Simulation Results of Temperature Field Generated by Different Electrode Materials

圖4 不同電極材料產(chǎn)生的表面放電痕仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results of Discharge Crater Generated by Different Electrode Materials

這種現(xiàn)象的出現(xiàn)實(shí)質(zhì)上與放電時在工件表面施加的能量有關(guān)。由于不同電極材料的物理屬性不同，從電極表面噴爆出的金屬蒸汽炬?zhèn)鬟f給工件表面的能量也有所差異。根據(jù)蒸汽炬能量理論，密度和沸點(diǎn)高的電極材料噴出蒸汽炬所傳遞的能量會比密度和沸點(diǎn)低的材料高很多。鎢電極是三種電極材料中密度和沸點(diǎn)（8.96g/cm3和5933K）最高的，相同時間內(nèi)被分配到工件表面的能量最多，放電痕尺寸也就最大。黃銅電極的密度和沸點(diǎn)（10.2g/cm3和2835K）是三者中最低的，因此產(chǎn)生的放電痕不論在深度還是半徑方向都是最小的。而鉬電極介于兩種材料之間（19.25g/cm3和4912K）。因此，工件表面的放電痕尺寸實(shí)質(zhì)上與其表面能量的分配有關(guān)。不同材料的電極影響了蒸汽炬?zhèn)鬟f能量的大小，從而影響在工件表面蝕除能量的大小。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

由于放電過程中電極獲得的能量無法直接測量，而放電痕尺寸可以反映出材料表面獲得的能量大小。為了探究不同電極材料對蒸汽炬能量的規(guī)律影響，試驗(yàn)在電參數(shù)、工件材料、工作液介質(zhì)、放電間隙和工具電極尺寸相同的條件下，采用不同材料的工具電極進(jìn)行單脈沖放電加工，并對試驗(yàn)得到的放電痕形貌和尺寸進(jìn)行觀測，即可得到蒸汽炬?zhèn)鬟f能量的相關(guān)規(guī)律。

6.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在電火花加工單脈沖放電實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，對加工后工件電極表面的放電痕采用VHX-1000 超精深三維顯微鏡對放電痕的表面輪廓、半徑和深度進(jìn)行觀測，具體試驗(yàn)裝置，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置Fig.5 Test Equipment

其中，試驗(yàn)臺由軸向伺服進(jìn)給控制裝置、步進(jìn)電動機(jī)、脈沖電源、控制開關(guān)、電極和工件等組成，伺服控制步進(jìn)電動機(jī)向下進(jìn)給，當(dāng)極間間隙達(dá)到放電條件并產(chǎn)生一次火花放電，控制開關(guān)收到放電信號后立即使伺服系統(tǒng)和脈沖電源關(guān)閉，步進(jìn)電動機(jī)和極間分別停止進(jìn)給和放電，觀測工件表面形成的放電痕。

6.2 試驗(yàn)條件與參數(shù)

試驗(yàn)采用黃銅、鉬和鎢三種材料的電極進(jìn)行單脈沖放電加工，為了預(yù)先確定放電點(diǎn)位置以及避免其他部位放電干擾，將圓柱工具電極端面進(jìn)行處理，保證其具有一定的尖角。首先使用400目的粗砂紙進(jìn)行形狀的打磨，保證電極端面形成90°尖角，再用3000目的細(xì)砂紙進(jìn)行電極尖角表面的粗糙度處理。制備出的尖電極，如圖5 所示。工件電極為尺寸20mm×20mm×4mm 的六面體硬質(zhì)合金，工作液為火花機(jī)油。

加工中電參數(shù)及試驗(yàn)條件，如表2所示。

表2 電火花加工試驗(yàn)條件Tab.2 Parameters of EDM Test

6.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

黃銅、鉬和鎢三種材料工具電極單脈沖放電加工硬質(zhì)合金工件表面的放電痕形貌和尺寸，如圖6所示。

圖6 單脈沖放電加工試驗(yàn)測量結(jié)果Fig.6 Measurement Results of Single Pulse Discharge

從放電痕形貌觀測中發(fā)現(xiàn)，采用黃銅電極加工出的放電痕呈扁平狀，放電痕邊緣凸起較小；鉬和鎢的放電痕則近似呈半橢球狀，鉬電極產(chǎn)生的放電痕邊緣凸起比黃銅電極的略大且較高，而鎢電極產(chǎn)生的放電痕邊緣凸起最大且高度最高。分析原因?yàn)槭艿秸羝婺芰總鬟f的影響，大密度高沸點(diǎn)的鎢產(chǎn)生蒸汽炬能量較大，并對工件獲得能量和材料蝕除產(chǎn)生影響。

測量放電痕的直徑和深度，黃銅、鉬和鎢材料電極產(chǎn)生的放電痕直徑逐次增大，分別為516.9μm、580.3μm和712.7μm。在深度方向的測量發(fā)現(xiàn)，黃銅電極產(chǎn)生的放電痕最淺為34.18μm，鉬電極產(chǎn)生的放電痕深度較比黃銅電極產(chǎn)生的放電痕深度略大為92.9μm，而鎢電極加工出的放電痕深度最深，最深位置達(dá)到129.2μm，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果得出相似的趨勢與規(guī)律。

6.4 仿真與試驗(yàn)對比分析

對比仿真與試驗(yàn)測量的放電痕直徑和深度，如圖7所示。仿真模型對三種不同材料電極產(chǎn)生的放電痕直徑均有較好的預(yù)測。但仿真模型對于放電痕深度的預(yù)測存在一定的誤差，在蒸汽炬能量作用較小的黃銅電極加工條件下，模型的仿真計算結(jié)果符合試驗(yàn)測量值；當(dāng)能量作用較大的鉬、鎢電極加工時，模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差距較大。分析產(chǎn)生誤差的原因?yàn)椋涸囼?yàn)測量的放電痕深度是從邊緣凸起的最高點(diǎn)到放電痕內(nèi)最低點(diǎn)的距離，而仿真結(jié)果沒有凸邊的存在，其深度為從工件表面到放電痕最低點(diǎn)距離，因此仿真結(jié)果比試驗(yàn)測量結(jié)果小。同時，采用鉬和鎢電極放電加工產(chǎn)生的蒸汽炬沖擊作用更明顯，熱量沖蝕材料的作用效果更大，但仿真模型未考慮沖蝕力的影響，并且仿真為了探究電極材料對蒸汽炬能量傳遞的影響規(guī)律而忽略了其他干擾因素。所以放電痕深度的試驗(yàn)測量結(jié)果會大于仿真結(jié)果。

圖7 仿真與試驗(yàn)對比統(tǒng)計Fig.7 Dimensional Comparison of Experimental and Simulation；

在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，存在黃銅電極產(chǎn)生的放電痕尺寸比鉬電極產(chǎn)生的放電痕尺寸大的情況，這與之前得出的蒸汽炬能量傳遞規(guī)律存在一定差異。這主要是放電痕尺寸受到蒸汽炬熱能和蒸汽炬沖擊兩方面因素的影響。雖然大密度高沸點(diǎn)材料產(chǎn)生更多的蒸汽炬能量傳遞給工件并產(chǎn)生材料蝕除，但采用低沸點(diǎn)材料也會產(chǎn)生較大的汽化區(qū)并產(chǎn)生更多的金屬蒸汽和更大的蒸汽炬力，蒸汽從工具電極汽化位置噴射出沖擊熔坑內(nèi)熔融材料，使得材料被蝕除拋出，也會對放電痕尺寸產(chǎn)生一定影響。由此看出，放電痕尺寸會受到蒸汽炬的“熱”和“力”等綜合作用的影響。

7 結(jié)論

（1）仿真模型可預(yù)測產(chǎn)生的表面熱源及放電痕形貌和尺寸。

（2）在實(shí)際的放電加工中，采用高沸點(diǎn)和大密度的鎢材料作為工具電極可傳遞更多的蒸汽炬能量，并產(chǎn)生大尺寸的放電痕和提高材料的蝕除體積。

（3）放電過程中產(chǎn)生的放電痕會受到蒸汽炬的“熱”和“力”等綜合作用影響。其尺寸不僅受蒸汽炬能量傳遞的影響，還受產(chǎn)生的蒸汽噴射量和蒸汽炬力對材料拋出作用的影響。