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電火花加工單脈衝放電通道直徑擴（kuò）展規律研究

2017-3-23 來源：合（hé）肥工業大學機械與汽（qì）車工程學院作者：常偉,陳遠龍,張（zhāng）建華,徐斌, 方明（míng）

摘要：電火花加工的加工表麵是由一係列的脈衝放電凹坑疊加而成的，因此研究單脈衝放電通道直徑的擴展規律，對研究電火花加工的（de）工（gōng）藝規律以及加工表麵質量預測等具有非常重要的意義。研究脈衝（chōng）放電通道的（de）形（xíng）成與擴展機理（lǐ），討論電壓、極值電流（liú）、脈寬等放電參數對放電通道直徑擴展的影響（xiǎng），並根據理論推導建立了單脈衝放電（diàn）通（tōng）道（dào）直徑擴展的數學模型。以煤油作為電介質工（gōng）作液開展了單脈衝放電試驗（yàn），使用超（chāo）景深顯微鏡對單脈衝放電凹坑的直徑進行了測量，並把（bǎ）測量得到的單脈衝放電直徑數（shù）據代（dài）入建立的數學模型進行回歸求解。回歸公式（shì）的計（jì）算值與試驗測量得到的單脈衝直徑（jìng）數據吻合度較高。

關鍵詞：電火花加工(EDM)；單脈衝；放電通道；擴展規律

0 .前言

電（diàn）火花加工(Electrical discharge machining，EDM)是在電介（jiè）質工作液內，使工具電極與工件保持一定的間隙並產生脈（mò）衝性火花放電，利用電蝕作用（yòng）去除工件材料的一（yī）種加工方法，也（yě）稱為“電蝕加工”或“放電加工”。隨著科技的發展和進步，各種（zhǒng）新材料的硬度、強度、脆性、黏性和純度不斷提高，零部的結構越來越複雜性，工藝的特殊要求（qiú）越來越多，給製造業（yè）帶來了嚴峻的挑戰。電火花（huā）加工過程中，工具電極與工（gōng）件不接觸，因此沒有切削力，可以使用銅等較軟的材料加工高硬度、高脆性的導電材料。隨著電火花加工研究的發展，除了可以加（jiā）工導電材料外，還可以（yǐ）對不導電材料進行電火花加工，並向微細領域（yù）發展[1-2]。電（diàn）火花（huā）加（jiā）工作為重要的特種加工方法，已經被廣泛應用於模具製造、電子、精密機械、航空航天以（yǐ）及國防工業等領域，具有非常重（chóng）要的地位[3]。

電火花加工（gōng）的加工表麵是由一係列的脈衝放電凹坑疊加而成（chéng）的，所以研究單脈衝放電（diàn）通道直徑的擴展規律，對研究電火花加工的工藝（yì）規律以及加工表麵質（zhì）量預測等具有非常重（chóng）要的意義。

劉蜀陽等[4]研究了基於場致發射理論的 EDM平板電容模型及其參數，把單脈衝放電周期依次劃分為幾（jǐ）件電（diàn）場建立、極間通道擊穿、正常放電加工與消（xiāo）電（diàn）離四個階段，並分別進行了各階段的極間電場強度、極間電子自由程、極（jí）間介質介電常數和極（jí）間電流變化規律的理論分析。MING 等[5]建立了一種基於有限元法和高斯過程回歸（guī）的混合模型，用於預測電火（huǒ）花加工的加工效率（lǜ）。其中，建立的高斯回歸模型用於建立單脈衝熱分（fèn）布預測，並通過試驗數（shù）據訓練、測試和調整，以實現對加（jiā）工過程的預測。SOMASHEKHAR 等[6]基於單脈衝放電和電（diàn）熱理（lǐ）論（lùn）對微（wēi）細電火花加工原理進行了研究，建立了單（dān）脈衝熱（rè）仿真模型，仿真得到的放電凹坑徑深比為 2.92，試驗得到的放電凹坑徑深比為 2.67。SARADINDU等[7]建立了一個包含等離子特性（xìng）、移動熱（rè）源特性、多脈衝放電和電極絲振動影響的電（diàn）火花（huā）線（xiàn）切割單脈衝放電（diàn）綜合數學模型，用以預測電火花線切割（gē）加工中單脈衝和多脈衝放（fàng）電下的（de）電極絲損耗，其驗證（zhèng）試驗與模型計算數據吻合較好。GOVINDAN 等[8]建立了磁場輔助氣中電（diàn）火花加工的單脈衝（chōng）放電模型，模型包含電流、電壓、電磁場、脈衝寬度等參數，與試驗得到的趨勢吻合較好（hǎo）。

電介質工作液被擊穿形成放電通道的過程中，放（fàng）電通道在極短的（de）時間（jiān）內形成，並以極高的速度擴展。KOJIMA 等[9]利用高速攝像機研究了（le）放電通道半（bàn）徑在不同電（diàn）流（liú）、放電間隙等參數下的（de）變化規律，發現放電通道擴展在很短時間內就已經完成。文（wén）獻[9]拍攝的單脈（mò）衝（chōng）放電過程（chéng）如（rú）圖 1 所示(極值（zhí）電流 IA：23 A，脈寬 td：80 μs，開路電壓 Uo：280 V)。

圖 1 文獻[9]中（zhōng）單脈（mò）衝放電過程

SNOTYS 等[10-11]分別對放電通（tōng）道的擴展速度進行了定量分析，發現在放電開始的第一微秒內放電通道的擴展速度為 30～75 m/s，其後由於壓力減小擴（kuò）展速度也逐漸減小。

由於放（fàng）電通道的直（zhí）徑難以測量（liàng），故本文通過研究脈衝放（fàng）電點直徑的變化（huà）規律，側麵反映放電（diàn）通道直徑的變化規律。對脈衝（chōng）放電通道直（zhí）徑（jìng）擴展規律進行理論分析，給（gěi）出了脈衝放電通道直徑擴展數學模型，進（jìn）行單脈衝放電試驗並測量脈衝放電點的直徑,根據試驗數據進行回歸。

1.試驗方法和試驗方案

1.1試驗方（fāng）法

在 SF201 電火花成（chéng）型機床上進行單脈衝放電試驗(圖 2)，並測量不同（tóng）參數下放電凹坑的（de）直徑，從而研究單脈衝放電通道直徑的擴展規律。SF201 電火（huǒ）花成型機床的 Z 軸垂直進給（gěi）分辨率為（wéi） 1μm，配備 HELI-50A 型脈衝電源，其脈寬輸出範圍1～2 000 μs，脈間可設定（dìng）範圍為 1～500 μs，最大輸出電流為 40 A；工具電（diàn）極和（hé）工件（jiàn）均采用 45 鋼，其中工具電極直徑 0.2 mm；電介質工作液為煤油。

圖（tú） 2試驗裝置

分別進行各參數的單脈衝（chōng）放電試驗，使用KEYENCE 超景深顯微係統 VHX-600 對單脈衝放電點的顯（xiǎn）微形貌進行觀察，並測量單脈衝放電點的直徑。

1.2 試（shì）驗方案及試驗數據

每（měi）組參（cān）數取 3 個脈衝點直徑，取其平（píng）均值作為試驗結果，以電壓（yā） U：70 V、極值電流 IA：3.2 A、脈寬 td：130 μs 為放電參（cān）數為基準放電參數。單脈衝放電的試驗（yàn）參數和凹坑直徑（jìng）數據列於表 1。

2 .數學模型

由於（yú）電子的尺（chǐ）寸與質（zhì）量極小，帶單位負電荷，所以其遷移率為離子的千倍以上，約為 0.37 m2/s·V。當電子被（bèi）中性氣（qì）體分子（zǐ）或其他分子吸附變成負離子時，其遷（qiān）移率降（jiàng）低很多。通常，同種氣體的（de）正離子與負離子遷移率（lǜ）基本相同，而負離子的遷移率常（cháng）略高於正（zhèng）離子（zǐ）的遷移率。於麗麗等[12]通過仿真研（yán）究得出（chū）結論，電子的（de）高速運動是放電通道形成與擴展的主要因素（sù），而離子的（de）運動作用不（bú）明顯。

要研（yán）究單脈衝（chōng）放電通道直徑的擴展規律，需要重（chóng）點研究電子在放電通道形成與擴展（zhǎn）中的作（zuò）用。電子從陰（yīn）極到陽極方向的運動導（dǎo）致電介質的擊（jī）穿，而其（qí）沿徑向（xiàng）向外的速度分量則會導致放電通道（dào）的擴展（zhǎn）。電子由陰極向陽極運動時的偏（piān）移率，是導（dǎo）致放電通（tōng）道擴（kuò）展的關鍵因素。

表 1 試驗參數及（jí）數據表

每種電介質（zhì）工作液都有其固有的擊穿電場強度 Eb [13]，當兩極間電場強度達到電介質工作液的擊穿電場強度 Eb時，電介質工作液就（jiù）會被擊穿發生火花放電。由於極間電場強度為極間電壓 U 與極間距（jù）d 的比值，故電壓 U 決定了擊穿（chuān）距離，即（jí）極間距 d。當（dāng）電壓U增大時，可擊穿電解質工（gōng）作液的間距增大，擊穿時（shí）的能量損耗增加。在一定電壓範圍內，隨著電壓 U 的增大（dà），單脈衝放電直徑會減小。但電壓 U的影響比極值電流 IA與脈衝持續時間 td小。

以陰極放電點為原點（diǎn）建立直角坐標係，如圖 3所示。兩極間電子在電場中的運動速度 v 有 vx和 vy兩個（gè）方向的分量，其中 x 軸向速度分量 vx垂直於電場方向，電子沿 x 方向運動時，電子電（diàn）勢能不變，電（diàn）子能量（liàng）不增加（jiā），vx不變；電子沿 y 方向運動時，電場力對電子做功，電子的能量得（dé）到加（jiā）強，y 方（fāng）向速度分量（liàng） vy增大。如果電子在電場中（zhōng）任意方向運動距離為 d，設（shè） dy為其 y 方向運動距（jù）離分量，則其能量增量為

圖 3 坐標係

圖 4 放電通道直徑（jìng）的擴展（zhǎn）

通過放電通道的電子數量隨極（jí）值電流IA的增大而增加（jiā），導（dǎo）致在 x 方向運動分量的電子數目也會（huì）增加，相當（dāng）於兩極間在 x 方向擴展的能量得（dé）以增大，有利於（yú）增大放電通（tōng）道（dào）直徑。因此，極值電流的增大（dà）會導致放電通道（dào）直徑的增大。

脈寬 td也是（shì）決（jué）定放電（diàn）直（zhí）徑的重要因（yīn）素。隨（suí）著放電時間的延長，放電通道的半徑也在（zài）增大，但是當放電通道達到自持放電並且放電（diàn）通道已經穩定時，電介質已經被擊穿。此時，被擊（jī）穿的電介質（zhì）的（de）電阻相（xiàng）當於導體，放電通道停止擴展，並且放電通（tōng）道的半徑會穩定在（zài）一個最大值附近。當脈寬 td繼續增大，並且脈（mò）衝間隔不能使電介質完全消電離時，便會發生電弧放電，並使（shǐ）工件燒傷。在（zài）該（gāi）放電參數下，放（fàng）電通道直徑的最大（dà）值即為電弧的直徑。

根（gēn）據（jù）碰撞遊離理論（lùn）[13-14]可以推導出放電通道徑向邊界的穩定條（tiáo）件。邊（biān）界處的電（diàn）介（jiè）質工作液處於不斷地遊離與（yǔ）複合的動態過（guò）程中，如果遊離的速度大於複合的速度，則放電通道直徑將（jiāng）增大；如果遊離速度與複合速度相當，則邊界處（chù）電介質工作液的遊離與（yǔ）複合平衡，放電（diàn）通道直徑大小穩定在一個（gè）值附近，放電通道的直（zhí）徑不再增大；如果遊離的速度小於複（fù）合的速度，放電通道直徑將減小，最（zuì）終（zhōng）放電通道閉合。圖 5 為動（dòng）態平衡區域示意圖。

圖 5 放電通道外圍的動平衡區

根據前文（wén）對放（fàng）電通道擴展影響因素的分析，建立電壓、極（jí）值電流、脈寬（kuān）與放電通道（dào）半徑擴展的數學關係式，設半徑擴展方（fāng）程形式為

3.計算結果與比較

使用 KEYENCE 超景深顯微係統（tǒng） VHX-600 對單脈衝放（fàng）電點的（de）顯微（wēi）形貌進行（háng）觀察，並測量單脈衝放電點的直徑（jìng）。正極性單脈衝放電點的顯微形貌如圖 6a 所示。正極性脈衝（chōng）放（fàng）電點材料的去除方式主要是氣化和熔（róng）化，放電（diàn）凹坑深度（dù）大邊緣整齊。負極性單脈衝放電點的顯（xiǎn）微形貌如圖 6b 所示。與正極性脈衝放電相比，負極性脈衝放電點的直徑略大（dà）。材料表麵隻有燒蝕的痕跡，並且邊（biān）界比較模糊，沒有形成放電凹坑。根據液體的碰撞遊離擊穿理論[14]，電子崩（bēng）由初始電子引發（fā），並（bìng）向（xiàng）正極（jí）發展，經極（jí）間電場加速後在陽極釋放能（néng）量，故陰極（jí）作為擊穿始發端放電凹坑直（zhí）徑相對較大但深度小，而陽極放點凹坑直徑相（xiàng）對較小但深度大。由於負極性單脈衝放（fàng）電點的直徑難（nán）以（yǐ）測量，因此，選用正極性單脈衝放電進行研究，按照表 1 所示參數進行單脈衝（chōng）放電試驗（yàn）並測量凹坑（kēng）直徑，數據如表 1 所示。

圖 6單脈衝放電點的顯微照片

圖 7 為單脈衝放電點直徑的理論值與試驗值隨電（diàn）壓值的變化情（qíng）況。試驗值略高於理論值，但二者總體變化趨勢相同。

圖 7 不同電壓單脈衝直徑試驗值與理論值

圖 8 為單脈衝放電點（diǎn）直（zhí）徑隨極值電流的變化情況（kuàng）。脈衝放電（diàn）點直徑隨極值電流的增大（dà）呈（chéng）指數（shù）上升，兩（liǎng）條曲線緊密貼合，數值（zhí）差別很小。

圖 8 不（bú）同極值電流單脈衝（chōng）直徑試驗值與理論（lùn）值

圖 9 為單脈衝放電點（diǎn）直徑的理（lǐ）論值（zhí）與試驗值隨脈（mò）寬的變（biàn）化情況。單（dān）脈衝放電點直徑隨著脈寬的增加呈指數（shù）上升趨勢。雖然在脈寬 32 μs 時二者有差別，但兩條曲線總體貼合性很好。

圖 9 不同脈寬條件下單（dān）脈衝放電點（diǎn）直徑試驗值與理論值

在滿足消電離條件的前提下，脈間大小對放電通道直徑的大小沒有影響。

4.結（jié）論

(1)研究了脈衝放電（diàn）通道的形成與擴展機理。對放電通道的形成與（yǔ）擴展起主（zhǔ）要作（zuò）用是自由（yóu）電子，電子的高速運動是放電通道形成與擴展的主要因素，而（ér）離子的運動作用不明顯。電子從陰（yīn）極到陽極方向的運（yùn）動（dòng）導（dǎo）致電介質的擊穿，而其沿徑向向（xiàng）外的速度分量則會導致放電通道的擴展。電子由陰極向陽極運動（dòng）時的偏移率，是導（dǎo）致放電通道擴展的關（guān）鍵因素。

(2)討論了脈（mò）衝放電通道的形成與擴展（zhǎn）機理，討論了電壓、極值電流、脈寬與脈間等放電參數對放電通道（dào）直徑擴展的影（yǐng）響，並根據理論（lùn）推導建立了單脈衝放電通（tōng）道直徑擴展的數學模型（xíng）。

(3)以煤油為電介質工作液，在 SF201 電（diàn）火花成（chéng）型機床上進行了單脈衝放電試驗，使用顯微鏡對正極性單脈衝放電點的直徑進行（háng）了測量。把試驗得到的數據代入數學模（mó）型進行回歸計算，試驗數（shù）據（jù）與公式計算（suàn）值吻（wěn）合度較高。

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