振動輔助液中噴氣電火花加工性能研究

李林洮,康小明

(上海交通大學機械與動力工程學院機械系統與振動國家重點實驗室,上海 200240)

放電介質是電火花加工順利進行的一個重要條件,但目前傳統電火花加工的放電介質采用碳氫類化合物(如煤油),在放電產生的高溫作用下,分解成乙炔C2H2及其同系、乙烯C2H4及其同系、烷烴及其同系、H2和CO、CO2等物質,這些物質對操作者的身體及自然環境是有害的[1]。

國枝正典等提出了氣中電火花加工(干式電火花加工)[2-5],不僅突破了電火花加工對液體介質的依賴,還符合當今綠色制造的概念。氣中電火花加工采用管狀工具電極,壓縮氣體在極間間隙高速噴出,取代了傳統的電火花工作液介質。通過大量的實驗發現,氣中電火花加工具有電極損耗率低的優勢,可通過管狀電極銑削的加工方式代替成形加工,降低了電極制造的成本和復雜性,提高了加工柔性。同時還發現,由于氣中電火花加工的極間間隙小,加工短路率有所提高。為此,國枝正典等設計了一個壓電陶瓷驅動器用來控制極間放電間隙,短路率從80%降到了60%。對此,張勤河等提出了超聲振動氣中電火花加工技術,降低了氣中電火花加工的短路率[6-7]。

趙萬生、康小明等提出了液中噴氣電火花加工技術。加工時,將工件和工具電極浸沒在去離子水中,高壓氣體從工具電極底端高速噴出,放電過程在氣體介質中進行。液體介質不直接參與放電,但可有效地排出電蝕產物,使工件和工具更快冷卻,從而改善間隙的放電條件,減少短路、拉弧等非正常放電現象的發生。

湯傳健、丁林松等通過試驗不僅證明了液中噴氣電火花加工繼承了氣中電火花加工電極損耗低的優點,還證明了在同等加工條件下,液中噴氣電火花加工比氣中電火花加工具有更高的材料去除率和更好的表面質量[8-9]。但液中噴氣電火花加工材料去除率的絕對數值并不高。為此,吳岐山等采用高速運動平臺輔助液中噴氣電火花加工,雖明顯提高了材料去除率(35.2mm3/min),但電極損耗率又大幅增加,達到了80%左右[10],使液中噴氣電火花加工失去了電極損耗率低的優點。針對以上液中噴氣電火花加工的不足,本文提出了機械振動輔助液中噴氣電火花加工工藝方法。

1 振動工作臺的設計

為改善極間放電狀態,提高材料去除率,設計制作了一個音圈電機振動平臺,其結構原理見圖1,實物見圖2。

該振動平臺的核心是一個音圈電機。在驅動器作用下,音圈電機的動子上下運動,使振動膜片及安裝在膜片上方的聚四氟乙烯平臺跟隨其振動。工作臺面材料采用聚四氟乙烯,目的是為了電氣隔離。工件固定在聚四氟乙烯工作臺面上加工時,加工回路不與振動平臺外殼連接,振動平臺外殼不會帶電。同時,加工回路和電機驅動回路也相互隔離,即使音圈電機線圈繞組受到損傷,也不會導致加工回路和電機驅動回路短接而損壞脈沖電源或電機驅動器。

振動工作臺的振幅隨輸入電流的變化而變化,采用基恩士傳感器LK-G30對振動頻率為100Hz和300Hz時的振幅進行測量,結果見表1和表2。

表1 振動頻率100Hz時的振幅測量結果

表2 振動頻率300Hz時的振幅測量結果

2 振動工作臺對加工性能的影響

為了考察液中噴氣電火花加工中工件振動對加工效果的影響,對振動輔助液中噴氣電火花加工及常規液中噴氣電火花加工在材料去除、電極損耗及表面質量等方面進行了對比實驗。

實驗在數控電火花成形機床上進行。加工時,將振動工作臺固定在工作液槽的底部。工件材料為Cr12模具鋼,尺寸為50mm×20mm×5mm。工具電極為紫銅管狀電極,長度為 50mm,外徑為4mm,內徑為3mm。加工參數見表3。

表3 對比實驗參數

2.1 對材料去除率和電極損耗率的影響

圖3是工件在有振動及無振動兩種加工條件下的材料去除率和電極損耗率的對比。由圖3可看出,在工件振動條件下,工件材料去除率有明顯提升。這是由于輔助振動能提高伺服進給系統的頻率響應,迅速拉開即將短路的兩極,避免短路現象的發生;輔助振動還可對工件施加較高的瞬時加速度,能將熔融狀態的電蝕產物振離工件表面,避免其反粘,從而提高材料去除率。由圖3還可看出,工件在兩種加工條件下的電極損耗率均趨于零。這表明工件輔助振動在提高材料去除率的情況下,并未增加電極損耗。

圖3 工件振動對材料去除率和電極損耗率的影響

2.2 對表面質量的影響

圖4是工件在有振動和無振動兩種條件下加工表面質量的照片。由圖4可直觀地看出,在振動輔助條件下的加工表面質量較好,經日本三豐SJ-201表面粗糙度儀測量,其表面粗糙度值為 Ra 3.743μm,而無振動時的表面粗糙度值為Ra 4.293μm。這是由于輔助振動可減少短路、拉弧等非正常放電現象的發生,改善極間的放電狀態,從而獲得更好的表面質量。

2.3 振動工作臺參數優化

已有實驗證明液中噴氣電火花加工中,工件正極性較工件負極性能獲得更高的材料去除率[10-11],因此本文的實驗均采用正極性加工。振動工作臺的振幅、頻率等參數見表4,其他參數同表3。

對振動工作臺的研究發現,振動頻率為100Hz和300Hz時的振幅最穩定。因此,本文分別考察振動頻率100Hz和300Hz時的加工效果(圖5、圖6)。從中可見,振動頻率為300Hz時的材料去除率較100Hz時高,且當振幅為22.4μm 時,材料去除率最高,達到45.273mm3/min;在兩種振動頻率下的電極損耗率均較低。

表4 振動臺參數

3 振動輔助條件下電加工參數對液中噴氣電火花加工性能的影響

在振動工作臺振動頻率300Hz、振幅22.4μm的條件下進行實驗,研究了電加工參數對液中噴氣電火花加工性能的影響。實驗中的電介質為壓縮空氣,液體介質仍為去離子水。加工參數見表5。

表5 工藝實驗參數

3.1 脈寬對加工性能的影響

圖7是脈沖寬度與材料去除率及電極相對損耗之間的關系曲線。可見,隨著脈沖寬度的增加,材料去除率呈上升趨勢。當脈沖寬度為400μs時,材料去除率達到最大值45mm3/min。此外,隨著脈寬的變化,電極損耗率都保持在極低的水平。

圖7 脈寬對加工性能的影響

3.2 脈間對加工性能的影響

圖8是脈沖間隔對材料去除率及電極相對損耗的影響曲線。可見,脈沖間隔對加工效果的影響并不明顯。這是由于隨著脈間的增加,放電頻率降低,單位時間內的放電能量也隨之降低,材料去除率有所降低;另一方面,隨著脈間的增加,兩次放電之間有足夠的時間讓介質恢復絕緣強度,從而降低了拉弧、短路等非正常放電發生的幾率,從而改善了極間的放電狀態,提高了加工效率。此外,隨著脈間的變化,電極損耗率都保持在極低的水平。

圖8 脈間對加工性能的影響

3.3 峰值電流對加工性能的影響

圖9是峰值電流對材料去除率及電極相對損耗的影響曲線。可見,材料去除率隨著峰值電流的增加而增加。由于放電能量由放電電流和維持電壓決定,雖然峰值電流和放電電流不同,但峰值電流越大,放電電流也就越大,所以隨著峰值電流的增加,放電能量也增加,單個脈沖的材料去除量也就越大,于是加工效率也就增加了。此外,隨著峰值電流的變化,電極損耗率都保持在極低的水平。

圖9 峰值電流對加工性能的影響

3.4 氣體壓力對加工性能的影響

氣體介質在加工中起著形成放電通道、冷凝并帶走電蝕產物的作用。氣體壓力決定介質的流速,流速的高低對材料的去除起著十分重要的作用。從圖10可看出,當氣體壓力超過0.2MPa后,材料去除率就不再顯著增加。此外,隨著氣體壓力的變化,電極損耗率都保持在極低的水平。

圖10 氣體壓力對加工性能的影響

3.5 電極轉速對加工性能的影響

液中噴氣電火花加工的加工介質是氣體,所以其放電間隙很小,雖然高速噴出的氣體能吹走大量的電蝕產物,但不能吹走的電蝕產物很容易在工具電極和工件之間“搭橋”,從而造成短路、拉弧等非正常放電現象。采用工具電極旋轉的方法,可降低上述現象發生的概率。由圖11可看出,當電極轉速低于1000 r/min時,材料去除率隨著轉速的增加而快速增加;當電極轉速超過這個值后,對材料去除率的影響就不大了。這是因為當工具電極轉速達到1000 r/min后,就能有效阻止“搭橋”和拉弧等現象的發生,所以之后電極轉速的增加都不會對材料去除率產生顯著影響。此外,隨著工具電極轉速的變化,電極損耗率都保持在極低的水平。

圖11 工具電極轉速對加工性能的影響

4 結論

本文研究了工件機械振動對液中噴氣電火花放電加工性能的影響,發現振動輔助液中噴氣電火花加工的材料去除率較不帶振動工作臺的液中噴氣電火花加工有顯著增加,工件表面質量有所改善,而電極損耗率都保持在極低的水平。

[1] Yeo S H,Tan H C,New A K.Assessment of waste streams in electric-discharge machining for environmental impact analysis[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B:Journal of Engineering Manufacture,1998,212(B5):393-401.

[2] Kunieda M,Yoshida M.Electrical discharge machining in gas[J].Annals of the CIRP,1997,46(1):143-146.

[3] Yoshida M,Kunieda M,Kaneko Y.Improvement of material removal rate of dry EDM using piezoelectric actuator coupled with servo-feed mechanism[C]//Proceedings of the 14th CAPE.Tokyo,1998:283-288.

[4] Yu Zhanbo,Takahashi J,Nakajima N,et al.Feasibility of 3-D surface machining by dry EDM[J].International Journal of Electrical M achining,2005(10):15-20.

[5] Kunieda M,Miyoshi Y,Takaya T,et al.High speed 3D milling by dry EDM[J].Annals of the CIRP,2003,52(1):147-150.

[6] 張勤河,張建華,蘇樹朋,等.超聲振動輔助氣中放電加工試驗分析[J].電加工與模具,2006(2):8-12.

[7] Zhang Qinhe,Zhang Jianhua,Ren Shengfeng,et al.Study on technology of ultrasonic vibration aided electrical discharge machining in gas[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1-3):640-644.

[8] 湯傳建,康小明,趙萬生.液中噴氣電火花加工試驗研究[J].電加工與模具,2008(3):16-20.

[9] 丁林松.液中噴氣電火花加工性能研究[D].上海:上海交通大學,2009.

[10] 吳岐山,康小明,趙萬生,等.高速平動臺輔助液中噴氣電火花銑削試驗探究[J].電加工與模具,2011(4):14-18.

[11] 陳煥杰,康小明,趙萬生,等.放電介質對液中噴氣電火花加工的影響[J].航空精密制造技術,2010,46(3):29-37.