電極加工時間對電火花加工效率影響規律研究

王 津， 韓 福 柱， 盧 建 鳴， 趙 福 令＊

（1.大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.清華大學 精密儀器與機械學系，北京 100084；3.蘇州三光科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

0 引 言

電極加工時間是影響電火花加工效率和穩定性的一個非常重要的因素.以往關于電極加工時間的研究僅局限于檢測放電狀態的方法，缺乏更深入的理論和實驗依據，造成研究結果可靠性低.實際上，當電極和工件材料，以及放電參數一定時，直接影響加工穩定性和加工效率的因素是底面間隙中加工屑的濃度[1－4].電極加工時間正是通過影響間隙中加工屑的濃度來影響加工穩定性和效率的.因此，研究電極加工時間對加工間隙內加工屑運動的影響機理，并在此基礎上揭示電極加工時間對電火花加工效率的影響規律，可以為控制電極加工時間來提高電火花的加工效率提供重要的理論依據.

一些學者的研究工作涉及了電極加工時間對電火花加工特性的影響.Cetin等[5]在研究抬刀對電火花加工影響的工作中提到了電極加工時間對電火花有效放電頻率的影響規律，通過檢測不同電極加工時間對應的有效放電脈沖個數，計算得到了電極加工時間和有效放電頻率的關系曲線.但是其檢測的電極加工時間范圍較小，不能較全面地反映電極加工時間和有效放電頻率的關系，而且并未給出這種關系的可靠理論依據.Rajurkar等[6]通過檢測放電脈沖對其進行控制來實現穩定加工.文獻[7，8]基于不同的時變預測模型來控制電極加工時間.文獻[9，10]基于模糊控制理論對抬刀高度、電極加工時間等參數進行了復合控制.他們的研究都是通過加工過程中實時判斷放電狀態，進而根據不同的理論模型進行計算來調整電極加工時間，并未提及電極加工時間對加工效率的影響機理.

本文較全面地探究放電加工和抬刀交替進行的電火花加工中，電極加工時間對有效放電頻率的影響規律，并通過觀察放電過程中加工屑和氣泡的運動來揭示電極加工時間對電火花加工效率的影響機理.

1 實際加工中電極加工時間對電火花加工效率的影響規律

本研究中所有的電火花加工實驗都是在日本牧野公司的電火花成型機床EDGE3S上進行的.由于實際加工中帶有抬刀，本實驗分別選擇了抬刀高度h為1.4、1.8和2.2mm，檢測不同電極加工時間tm下的有效放電頻率.實驗條件如表1所示，每個電極加工時間下持續加工60s并實時采集極間電壓和電流，根據文獻[11]中的規則將放電脈沖分為正常放電脈沖和有害放電脈沖，用正常放電脈沖的總數除以60得到有效放電頻率f，這個頻率包含了抬刀因素的影響，能夠代表實際的加工效率.而有害放電脈沖占放電脈沖的百分比即為有害放電比率R.有害放電比率反映了電火花加工的穩定性.實驗結果如圖1所示.由圖1（a）可見，當電極加工時間較短時，隨著電極加工時間的增長，有效放電頻率具有嚴格的先增大后減小的規律性；而當電極加工時間大于某一值后，隨著電極加工時間的增長，有效放電頻率的變化變得不規則，偶爾有較大的峰值出現，但總趨勢是隨著電極加工時間的增長而減小的.有效放電頻率的第一個峰值出現在有效放電頻率規則變化的區域，而在有效放電頻率不規則變化區也可能出現一個或幾個峰值，但是取得這些峰值時對應的有害放電比率都高于第一個峰值，如圖1（b）所示.說明取得這些峰值時的加工穩定性比第一個峰值時的變差了.可見，抬刀高度一定而電極加工時間由短到長變化時，有效放電頻率的第一個峰值同時具備大頻率和高穩定性的特點，是加工中希望得到的最優狀態.如果能證明圖1所示的規律具有確定性，將為控制電極加工時間提供十分有利的實驗依據.因此，本文對實際加工中電極加工時間對加工效率的影響機理進行研究.首先研究了放電過程中電極加工時間對電火花加工效率的影響機理.

表1 實驗條件Tab.1 Experimental conditions

圖1 有效放電頻率和有害放電比率隨電極加工時間的變化曲線Fig.1 The variation curves of f and R with electrode machining time

2 放電過程中電極加工時間對電火花加工效率影響機理研究

因為底面間隙中加工屑的濃度是直接影響加工穩定性和效率的因素，而電火花加工中產生的氣泡對加工屑的運動起著關鍵的作用，因此，本研究將通過觀察放電過程中加工間隙中加工屑和氣泡的運動規律來揭示電極加工時間對電火花加工效率的影響機理.實際的電火花加工過程中很難觀察到間隙中氣泡和加工屑的運動情況.為了解決這一問題，本研究運用透明材料制作了一套實驗裝置.這些裝置既可以真實反映實際加工狀況，又能夠顯示連續放電過程中間隙中氣泡和加工屑的運動情況，如圖2所示.該裝置的特點是用透明電極來代替傳統加工所用電極.制作該電極時，首先將一根螺旋狀的細銅絲平放在一個鋁板平面上，然后在該銅絲上澆注熔融的透明材料——EVA熱熔膠，待熱熔膠凝固后從鋁板上取下，這樣就能夠保證透明電極的底面是一個平面，相當于圓柱電極的底面，平面中有細銅絲的部分能夠與工件發生連續放電.因為電極是用透明材料制成的，所以可以觀察到底面間隙中的現象.

以加工圓柱形盲孔作為觀察對象，首先觀察連續放電過程中氣泡和加工屑在底面間隙的運動情況.為了更加接近真實加工狀態，在一個穩定進行的電火花加工過程中，選擇一個抬刀動作剛剛結束時的狀態作為觀察實驗的初始條件.實驗條件如表2所示.實驗的觀察結果如圖3所示.由圖3（a）可見，發生放電前底面間隙內存在很多黑色物質，這些物質為加工屑.由圖3（b）可見，銅絲表面發出亮光，說明開始發生放電.此時，底面間隙內產生了大量成片的白色物質，這些物質是放電產生的氣泡，這些氣泡迅速向底面間隙四周擴展，并將大量底面間隙內的加工屑排出.只有少數獨立的氣泡被其他氣泡推向底面間隙邊緣處，如圖3（c）、（d）所示的氣泡“E”.隨著放電的進行，氣泡開始排出側面間隙，此后，氣泡從底面間隙向側面間隙的擴展運動明顯減弱，如圖3（c）、（d）所示.

圖2 用于觀察底面間隙中氣泡和加工屑運動的實驗裝置Fig.2 Device for observing the movement of bubbles and debris in bottom gap

表2 觀察氣泡和加工屑運動的實驗條件Tab.2 Experimental conditions for observing bubbles and debris movement

根據以上實驗結果，將電極加工時間對有效放電頻率的影響機理歸結如下：

放電開始時，氣泡從底面間隙向側面間隙的擴展運動比較劇烈，能夠將大量底面間隙內的加工屑排出到側面間隙中，所以底面間隙內加工屑濃度的增加速度較慢.在這個階段，底面間隙內工作液的絕緣強度較高，不易產生擊穿放電，所以有效放電頻率較低.

圖3 連續放電過程底面間隙加工屑和氣泡的運動Fig.3 Bubbles and debris movement in bottom gap during consecutive discharge machining

隨著放電的進行，氣泡擴展到側面間隙的出口，并從側面間隙中排出.底面間隙放電產生的氣體體積增量被排出間隙的氣體所抵消，所以間隙內氣泡的擴展運動明顯減弱，很難將底面間隙內的加工屑排出到側面間隙中，導致底面間隙內加工屑的濃度迅速增加.在加工屑的濃度達到最優值前，由于加工屑降低了底面間隙工作液的絕緣強度，有效放電頻率提高.但當底面間隙內加工屑的濃度超過最優值后，加工屑開始出現聚集現象，引起穩態拉弧和短路脈沖，導致有效放電頻率下降.

為驗證以上觀察實驗得出結論的正確性，通過實驗檢測一個較長電極加工時間內有效放電頻率變化情況.電極加工時間設定為3s，實驗是在孔深為15.0mm處進行的，實驗條件如表1所示.開始放電后，檢測每0.2s內的有效放電頻率，結果如圖4所示.可見，放電剛開始時，由于底面間隙內加工屑濃度較低，不易發生擊穿放電，所以有效放電頻率較低.隨著放電的進行，底面間隙內加工屑濃度增加，使擊穿放電變得容易，有效放電頻率提高.但當電極加工時間超過0.6s后，底面間隙內加工屑濃度過大，出現了穩態拉弧和短路等有害放電，導致有效放電頻率開始降低.檢測實驗的結果與觀察實驗得出的結論基本一致，證明了該結論的正確性.

圖4 有效放電頻率隨電極加工時間增加的變化情況Fig.4 The change of effective discharge frequency with the increase of electrode machining time

3 實際加工中電極加工時間對有效放電頻率影響機理研究

為了便于研究，將圖4所示的實時有效放電頻率轉化為0到0.2s，0.4s，0.6s，…，3.0s的累積有效放電頻率fa，結果如圖5所示.可見，累積有效放電頻率隨放電時間的增加而先增大后減小，本文將累積有效放電頻率取得峰值時對應的電極加工時間稱為電極加工時間的最優值.結合本文第2部分的研究結論，可知圖5所示的電極加工時間對累積有效放電頻率的影響規律具有廣泛的代表性，同時，如果每個放電加工期的長短相同，并且每個放電加工期初始時刻底面加工屑濃度相同，則每個放電加工期內的平均有效放電頻率近似相等.在帶有抬刀的電火花加工中，當加工時間T一定時，總有效放電數越大則加工效率越高.假設在加工時間T內有n個抬刀期和n個放電加工期，每個抬刀期和放電加工期的時間分別用tj和tm表示，每個放電加工期內的平均有效放電頻率用f1，f2，…，fn表示，則加工時間T內的總有效放電數計算公式為

如果抬刀高度足夠大，則每個放電加工期的初始時刻底面間隙內加工屑濃度都很小，近似相等，可以認為每個放電加工期內的平均有效放電頻率近似相等.所以式（1）可轉化為下式：

實際上，式（2）結果中T/（1＋tj/tm）代表總加工時間T內的有效加工時間.根據式（2），如果電極加工時間短，那么有效加工時間較短，同時，根據圖5可知，電極加工時間較短時，每段電極加工時間內的平均有效放電頻率也較低.因此，電極加工時間短，則加工效率低.如果電極加工時間變長，那么有效加工時間變長，同時，每段電極加工時間內的平均有效放電頻率也增加了.因此，加工效率隨著電極加工時間增長而增加.但是，當電極加工時間超過最優值后，隨著電極加工時間的增長，雖然有效加工時間繼續變大，但是每段電極加工時間內的有效放電頻率開始下降，所以加工效率開始下降.在電極加工時間剛剛超過最優值的一段區域內，由于電極加工時間內的平均有效放電頻率下降比較緩慢，有可能出現有效加工時間變長的影響超過每段電極加工時間內平均有效放電頻率下降的影響，這時便出現了局部加工效率峰值.但是當電極加工時間過長時，頻繁的有害脈沖和退刀使每段電極加工時間內的平均有效放電頻率嚴重下降，即便有效加工時間增長了，但是加工效率還是會明顯下降.如果抬刀高度不夠，則每個放電加工期內產生的加工屑不能有效排出加工間隙，底面間隙中的加工屑濃度將隨著加工的進行而急劇增大，造成加工不穩定和加工效率迅速降低.這種情況下討論放電時間對加工效率的影響已沒有意義.

圖5 累積有效放電頻率和電極加工時間的關系Fig.5 The relationship between accumulated effective discharge frequency and electrode machining time

4 結 論

本文首先通過實驗發現了電火花加工效率隨電極加工時間的增長而先增加后降低，加工效率在最優電極加工時間處取得最大值的規律.隨后，通過觀察放電過程中間隙中氣泡和加工屑的運動規律，揭示了有效放電頻率隨電極加工時間的增長而先增大后減小的原因.最后，基于這個理論事實，結合實際加工中抬刀和放電加工交替進行的特點，闡明了實際加工中電極加工時間對加工效率的影響機理.本研究對建立電極加工時間的控制策略并提高加工效率有重要參考價值.今后，作者將在此研究工作的基礎上，研究并建立電極加工時間的控制策略，從而提高電火花加工效率.

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