放電誘導可控燒蝕及電火花修整成形加工基礎研究

陳文安 劉志東 王祥志 王懷志

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

傳統電火花加工［1］存在加工效率低、電極損耗較高等缺陷，為改善上述問題，近年來，許多專家學者進行了大量的研究。湯傳建等［2］和陳煥杰等［3］在干式電火花加工的基礎上提出了液中噴氣的加工方式，該方法能有效地排除電蝕產物，加快工件冷卻，改善間隙的放電狀態，具有更高的加工效率和更低的電極損耗。陳煥杰等［4］采用VOF模型和NS方程對液中噴氣放電間隙的流體狀態進行分析，發現加工瞬間的實際放電區域處于氣體之中。Kang等［5］對液中噴氣電火花加工進行了試驗研究，結果表明，與干式電火花加工相比，該加工方法具有更高的材料去除率、較好的表面質量和低的電極損耗。但是液中噴氣電火花加工并沒有改變材料蝕除能量的本質，即仍是以電能轉化為熱能蝕除材料，且其能量利用率并不高。

本研究在電火花加工過程中引入新的加工能量——金屬燃燒產生的化學能，即向加工區域間歇通入氧氣與在電火花放電誘導作用下的活化金屬發生燃燒反應，其釋放的能量將遠大于放電能量，材料蝕除主要依靠燃燒產生的化學能，可大大提高材料蝕除率，并在氧氣關閉燃燒結束階段進行電火花表面修整，保證加工表面質量和精度。由此形成了一種新的加工方法——放電誘導可控燒蝕及電火花修整加工（簡稱間歇燒蝕加工）。

1 試驗

1.1 試驗裝置

試驗所采用的設備及材料如表1所示。實驗系統如圖1所示，中空電極與夾具通過管螺紋連接以保證氣密性，加工時，高壓氧氣通過間歇氣流控制電磁閥間歇性地通入中空電極，進入加工區域。整個輔助裝置固定在機床主軸上，并隨主軸做伺服進給運動。

表1 試驗設備及材料

圖1 實驗系統

1.2 試驗內容

選用同一組加工規準和兩種工作液，對Cr12進行4種不同加工方式的試驗，規準如表2所示。4種加工方式分別為常規火花油中加工、常規水中加工、持續燒蝕加工、間歇燒蝕加工。本試驗采用正極性加工，加工時間為10min。加工前后用電子天平稱出工具電極和工件的質量，并進行體積換算。

表2 加工規準

2 試驗結果

圖3 加工工件和對應的電極端面

試驗結果如圖2所示?？梢钥闯觯涸谕浑妳迪?，間歇燒蝕加工的材料去除率最高，是常規火花油加工條件下的4.28倍，且電極相對損耗率最低，是常規火花油加工的28%。4種加工工件和對應的電極端面如圖3所示，可以看出：常規火花油中加工的工件表面有金屬光澤，其余3種加工工件表面均覆蓋有氧化物；明顯地看出持續燒蝕加工的工件表面存在過度燒傷的情況，表面質量最差，間歇燒蝕加工的工件表面質量介于水中加工和持續燒蝕加工之間。常規水中加工的電極表面最好，火花油中加工的電極表面較粗糙，而持續燒蝕加工和間歇燒蝕加工的電極表面均有附著物，且間歇燒蝕加工的電極表面相對較好。

3 機理分析

上述試驗結果充分體現了間歇燒蝕加工的優越性，下面對其加工的微觀過程進行探討與分析。

3.1 放電波形分析

圖4、圖5分別為火花油和水中的正常放電波形，可以看出：兩者的放電電流基本相當，但峰值電壓相差較大，火花油中的峰值電壓為245V左右，與在空氣中的空載電壓相等，而水中的峰值電壓僅有85V左右。原因是火花油是絕緣體，絕緣性能和空氣類似；而水是弱電解質，具有一定的離子濃度，在電場作用下會發生弱電解，因此空載電壓會低很多。

圖4 常規火花油中的放電波形（界面圖）

圖5 常規水中的放電波形（界面圖）

圖6為間歇燒蝕加工放電波形圖，從圖中可以發現：電流波形基本無變化，但是電壓波形卻出現2種情況，即峰值電壓分為85V和170V，因此其加工狀態存在2種情況：①峰值電壓為85V時（其波形與圖5相似）與水中加工的峰值電壓相近；②峰值電壓為170V時是氧氣沖入后形成的，因此該狀態是在浸液式氧氣氛圍中放電。圖7為持續燒蝕加工的放電波形。

圖6 間歇燒蝕的波形（界面圖）

圖7 持續燒蝕的波形（界面圖）

3.2 微觀過程分析

從放電波形的分析可總結出間歇燒蝕加工的微觀過程分為3個階段，如圖8所示。

圖8 脈沖燒蝕加工過程原理圖

（1）氧氣通入初期，火花放電在放電通道區域形成高溫區，誘導活化金屬。氧氣進入極間間隙后，極間放電介質由水變成氧氣，由于兩者的絕緣性能不同，因此峰值電壓也必定不同。常規火花放電時，由于工件浸沒在工作液中，放電通道中心的金屬會發生活化，但放電結束后即被工作液冷卻，活化區無法擴展；而在高壓氧氣通入過程中，工作液被強行排出加工區域，因此，氧氣通入的整個階段火花放電是在氧氣中進行的，此時產生的活化區可持續一定的時間，金屬活化區域也逐漸擴大，且活化區金屬溫度達到燃點以上。

（2）氧氣與達到燃點溫度以上的金屬材料發生燃燒反應。燃燒產生的熱量遠大于同體積金屬熔化所需要的熱量，其中大部分直接作用于基體，使成倍于燃燒金屬體積的基體金屬加熱至熔融狀態。同時借助電火花放電的熱爆炸力和氣體沖刷作用將部分表層熔化的金屬材料和氧化物排出，露出新的活化表面，并繼續重復上述過程。因此，此階段的材料蝕除率遠大于常規電火花加工的材料蝕除率。

（3）氧氣關閉，電火花修整階段。在持續燃燒一段時間之后，停止供氣，燃燒反應中斷并進行常規電火花加工，蝕除殘留在材料表面的燃燒產物，并修整加工表面，保障加工表面的質量與精度。

3.3 表面微觀形貌SEM分析及能譜分析

3.3.1 工件微觀形貌分析

圖9為在火花油和水中加工的工件表面SEM圖，可以明顯地看出：火花油中加工的工件表面存在大量孔洞和重熔液滴；水中加工的工件表面較平整，并可看到完整的放電坑。分析認為：火花油的流動性比水的流動性差，蝕除產物生成后不易向周圍移動，部分產物重熔凝固在工件表面而形成重熔液滴，影響加工效率；水的介電性能比火花油的介電性能差，運動黏度也低很多，因此不利于壓縮放電通道，削弱了放電通道的能量密度，導致其加工效率比火花油加工效率略低。

圖9 火花油和水中加工的工件SEM圖

圖10為燒蝕加工的工件表面SEM圖。持續燒蝕加工的工件表面存在燒蝕痕跡，很粗糙；間歇燒蝕加工表面既存在燒蝕痕跡也存在放電痕跡。分析認為：持續燒蝕加工燃燒劇烈，燃燒使得較多的基體金屬熔融氧化，但由于未及時排出，附在工件表面，因此阻隔了基體金屬的進一步燃燒，只能通過放電蝕除，因而抑制了加工效率的提高。間歇燒蝕加工在氧氣通入階段存在燃燒，但在氧氣關閉后進行常規電火花修整，而此時放電的能量利用率較通氧階段高（圖6），對表面燃燒產物的蝕除速度較快，表面變得平整。因此，間歇燒蝕加工最終表面以電火花修整的表面為主，且材料去除率比持續燒蝕加工的材料去除率高。

圖10 燒蝕加工的工件SEM圖

3.3.2 工件表面主要成分分析

圖11為4種加工工件表面的能譜圖，表3為對應工件表面的主要成分表。從表3中可以看出，Fe的含量有明顯變化，持續燒蝕和間歇燒蝕加工中O含量基本相等。分析認為：火花油中工件的含碳量較高，主要原因是火花油中的碳在放電高溫下裂解后與金屬表面形成了富碳區。水在加工過程中電解產生少量氧氣，與熔融狀態的鐵反應生成鐵的氧化物，附著在加工表面。持續燒蝕加工中氧氣量充足，使熔融金屬與氧氣發生反應，生成Fe3O4，因此持續燒蝕加工中工件表面氧的含量幾乎是水中的2倍，且Fe的含量有所下降。間歇燒蝕加工中通氧階段加工處于氧氣氛圍內，加工狀態與持續燒蝕加工相同，但是氧氣關閉后進行的常規電火花修整能蝕除部分燃燒產物，使得工件表面的Fe和O含量均有所下降。

圖11 4種加工工件表面的能譜圖

表3 工件表面主要成分（質量分數） %

3.4 電極表面微觀形貌SEM分析

圖12為常規火花油和水中加工的電極表面SEM圖，可以看出：火花油中加工的電極表面存在重熔液滴；水中加工的電極表面較平整，且沒有明顯的重熔液滴。分析認為：水的流動性和冷卻效果均優于火花油，改善了極間介質的流動狀況，因此蝕除產物拋離電極表面的部分可迅速得到冷卻并被介質帶走，使得電極表面較為平整，并且電極上分配到的能量也降低，進一步減少了電極的損耗。

圖12 火花油和水加工的電極SEM圖

圖13為持續燒蝕和間歇燒蝕加工的電極表面SEM圖。從對比中可以發現，持續燒蝕加工的電極表面存在大塊翹曲和斷裂，還有較大的重熔液滴；間歇燒蝕加工的電極表面雖然存在重熔小液滴，但表面的平整度較好。分析認為：在持續燒蝕加工中，氧氣持續通入加工區域，導致燃燒不間斷，燃燒產生的巨大熱量來不及向外輻射擴散而集中在兩極之間，電極吸收的熱量過大，引起內應力變化，使得電極表面的燃燒產物或附著物產生裂痕和翹曲，可能引起大塊剝落；間歇燒蝕加工中，通氧階段的極間狀態和持續燒蝕加工相同，而氧氣關閉階段，進行常規的電火花放電加工，該階段可使燃燒產生的巨大熱量得到釋放，并且蝕除燃燒階段的燃燒產物，改善電極表面的內應力狀態，防止電極表面的產物剝落，可有效地降低電極損耗，雖然表面存在重熔小液滴，但整體較持續燒蝕的平整，接近于水中加工的狀態。

圖13 燒蝕加工的電極SEM圖

4 結論

（1）通過與火花油、水中傳統加工以及持續燒蝕加工進行對比，間歇燒蝕加工的加工效率最高，電極相對損耗率最低，在本文試驗條件下間歇燒蝕加工的材料去除率較傳統火花油中的電火花加工提高了4.28倍，相對電極損耗率降低了72%。

（2）間歇燒蝕加工的放電波形明顯分為2種：常規水中放電和浸液式氣中放電。

（3）間歇燒蝕加工的過程分為3個階段：氧氣通入初期，火花放電誘導金屬活化；加工區域劇烈燃燒；氧氣關閉后，常規電火花放電修整。

（4）間歇燒蝕加工的表面質量和電極表面均介于常規水中加工和持續燒蝕加工之間，其最終的表面主要為電火花修整表面。

［1］ 劉志東，高長水.電火花加工工藝及應用［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［2］ 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.Tang Chuanjian，Kang Xiaoming，Zhao Wansheng.Experimental Study on Submersed Gas－jetting EDM［J］.Electromachining ＆ Mould，2008（3）：16－20.

［3］ 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）：29－32，37.Chen Huanjie，Kang Xiaoming，Zhao Wansheng，et al.Effects of Dielectric Medium on Submersed Gas－jetting EDM［J］.Aviation Precision Manufacturing Technology，2010，46（3）：29－32，37.

［4］ 陳煥杰，康小明，趙萬生.液中噴氣電火花加工的放電介質仿真分析［C］//第13屆全國特種加工學術會議論文集.南昌：中國機械工程學會特種加工分會，2009：186－191.

［5］ Kang X M，Zhao W S，Tang C J，et al.Experimental Study on Submersed Gas－jetting EDM［C］//ASME 2008International Manufacturing Science and Engineering Conference.Evanston，USA，2008：191－195.