弱電解質溶液中EDM/ECM復合加工的高效低損耗特性研究

尹青峰 王寶瑞 張勇斌 吉 方

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

EDM與ECM加工特征存在一定的互補性，其復合可以較容易同時獲得兩者的優點，因此EDM/ECM復合加工技術上世紀90年代起就受到研究者的普遍關注。根據在復合過程中EDM和ECM參與比例不同，EDM/ECM復合加工的內涵非常豐富。哈工大郭永豐、瑞士R.Wuthricha等人采用電解液作為工作液，靠電化學作用產生的氣泡為電火花放電創造條件，成功實現了針對聚晶金剛石、陶瓷等硬脆絕緣材料的EDM/ECM 復合加工［1－3］;西北工業大學任中根、遲恩田等人以NaCl、NaNO3水溶液作為工作液，對鈦合金進行EDM/ECM復合加工，與電火花加工相比，EDM/ECM復合加工在加工速率和表面質量方面都表現出了其優越性［4］;新加坡Minh Dang Nguyen等人在微細加工領域，利用去離子水作為工作液，在電火花放電加工微細孔的同時依靠去離子水中微弱的電化學作用對孔的表面進行光整，實現了一邊加工孔一邊光整表面的良好效果［5－6］;中國工程物理研究院王寶瑞等人研究的EDM/ECM復合加工以弱電解質溶液作為工作液，靠電化學作用對電火花加工質量進行改善，實現了某深曲面紫銅零件的低損耗高精度成形加工［7］。

從EDM/ECM復合加工的研究成果可以看出，只要合理控制復合加工過程中電化學和電火花的作用比例，就可以實現不同目標的加工結果。為了了解利用電化學沉積補償電極損耗的弱電解質溶液中的EDM/ECM復合加工這種新的工藝方法，本文從加工效率和電極損耗兩個方面，將EDM/ECM復合加工技術和EDM技術進行對比研究，以加深對弱電解質溶液中復合加工技術的了解，加快其進入生產應用的步伐。

1 實驗設計

弱電解質溶液中EDM/ECM復合加工原理如圖1所示，以弱電解質溶液作為工作液，加工過程中電火花放電和電化學作用同時發生，材料的去除主要靠電火花放電完成。因為工作液電導率很小，微弱的電化學陽極溶解僅能對電火花放電加工表面進行光整，而不會對加工精度帶來太大影響，電化學陰極沉積將陽極溶解進入工作液的金屬離子沉積在陰極表面，動態地補償電火花放電引起的電極損耗，以保持加工過程中電極的形狀精度和尺寸精度，進而提高成形加工精度。加工時弱電解質溶液以沖液的方式進入被加工區域，電極在機床主軸的驅動下向工件進給，當檢測到工件和電極之間發生短路后，主軸帶動電極回退，開路后再進給，如此循環往復。

實驗的基本條件為:中國工程物理研究院機械制造工藝研究所研發的μEDM－50微細電火花機床(圖2)，該機床具有三軸聯動功能，總體行程為200 mm(X軸)×100 mm(Y軸)×100 mm(Z軸)，5 mm行程內的定位精度為0.5 μm，各軸分辨率均為0.1 μm;電極直徑為0.5 mm，材料紫銅;工件為10 mm×50 mm的平板，厚1 mm，材料根據實驗需要決定;工作液分別為弱電解質水溶液，其電導率根據具體實驗決定;進行對比實驗的電火花放電加工工作液為油基工作液。

受電化學作用的影響，EDM/ECM復合加工在效率方面與電火花加工會有所差別。為了更直觀地認識EDM/ECM復合加工在效率方面的特征，進行了復合加工和電火花加工的對比實驗。實驗方式是在1 mm厚的紫銅板上加工通孔，相關實驗參數如表1所示。實驗過程中，利用示波器對脈沖利用率進行了監測和統計，示波器每次連續采集100 μs內的脈沖信號，統計100 μs內發生放電擊穿的脈沖個數;為了使統計結果準確可信，重復隨機采集100次，然后取平均值作為100 μs發生放電擊穿的脈沖個數;放電擊穿脈沖數除以100 μs內采集到的脈沖總數即得到脈沖利用率。

表1 與加工效率實驗相關的參數

獲得低損耗加工效果是弱電解質溶液中EDM/ECM復合加工技術的研究初衷，為了對電極損耗率有一個量的認識，分別對EDM/ECM復合加工和油基工作液中電火花放電加工的電極損耗率進行了實驗研究，實驗過程中工作液分別采用電導率為1.8 μs/cm的去離子水、67.4 μs/cm的弱電解質溶液和油基工作液，除工作液不同外，其他實驗參數均與表1相同。

2 實驗結果與分析

2.1 與加工速率相關的實驗結果及分析

圖3是分別在油基工作液中進行電火花放電加工和分別在電導率67.4 μs/cm、320 μs/cm 的弱電解質溶液中進行復合加工的加工速率數據。可以看出，復合加工速率遠高于電火花放電加工，且隨著工作液電導率的增大，加工速率提高。

3種工作液中進行加工的脈沖利用率分別如圖4所示，與圖3的規律基本一致，復合加工脈沖利用率高于電火花放電加工，且電導率越大脈沖利用率越高。

EDM/ECM復合加工材料去除速率高于電火花放電加工，這主要有3方面的原因:

(1)放電間隙增大，有助于電蝕微粒的排出。由于弱電解質溶液抗電擊穿強度低及電化學作用產生的氣泡使間隙電場分布發生畸變，工作液的擊穿變得更加容易，因此，在相同電參數條件下，其放電間隙增大。實驗測量結果證明了這一點。在電參數相同的條件下，分別對油基工作液和弱電解質溶液的放電間隙進行10次測量，結果如圖5所示，弱電解質溶液中平均放電間隙是油基工作液中的4.6倍。

(2)氣泡有助于電蝕微粒的排出。氣泡推動是電極間隙電蝕微粒排出的重要動力。在電火花放電加工過程中，氣泡主要是工作液熱分解形成，而EDM/ECM復合加工過程中，由于陰陽電極表面分別發生還原、氧化反應，電極表面產生大量氣泡，隨著氣泡數量的增加和體積的增大，氣泡從電極表面脫離進入溶液中，脫離電極表面的氣泡在后續氣泡的推動和液體壓力作用下，向電極和工件之間的間隙出口運動，在此過程中，推動電蝕微粒從放電凹坑附近向電極間隙出口運動，直到將電蝕微粒排出。電導率越大，通過電化學作用產生的氣泡就越多，其排除電蝕微粒的能力也就越強。

電極間隙的增大和電化學作用產生的氣泡的驅動使電蝕微粒及時排出電極間隙，可避免電蝕微粒堆積在電極間隙，形成拉弧放電而使電極在同一位置反復地進給－回退－進給，浪費加工時間。通常，拉弧放電電壓略低于電火花放電電壓，拉弧電流略大于放電電流，脈沖能量與放電脈沖能量相當，如圖6所示。但由于拉弧放電通道的截面積遠大于電火花放電通道，通道能量比較分散，無法形成足夠使工件材料熔化或者氣化的能量密度，因而不能對工件材料進行有效去除，只能對工件表面進行加熱使其性能發生變化。因為拉弧不能對材料進行有效去除，拉弧太頻繁又會造成電能的浪費，延長加工時間。因此，電極間隙增大和氣泡驅動電蝕微粒排出放電間隙，可避開拉弧放電使加工過程更加穩定，進而提高脈沖利用率(如圖4所示)，最終使加工速率提高。

(3)不存在碳黑覆蓋層對工件進行保護。電火花加工過程中，油基工作液會分解產生碳微粒，在電場驅動下，碳微粒向陽極運動，最終形成碳黑層覆蓋在陽極表面。碳黑覆蓋層的熔點為3 727℃，遠高于金屬的熔點，具有良好抗電蝕能力，當碳黑覆蓋層厚度達到6 μm時，陽極表面的溫度只有碳黑層表面溫度的1/3［8］，因此碳黑層可以對陽極形成保護。在采用正極性進行的電火花加工過程中，油基工作液分解形成碳黑層覆蓋在工件表面，對工件進行保護，加工過程的部分時間是工具電極和碳黑層之間進行放電，這使得加工難以進行。而弱電解質溶液中的EDM/ECM復合加工，溶液分解后產生氫氣和氧氣，不存在覆蓋于工件表面的保護層，只要電蝕微粒能夠及時排出，電火花放電就總是能發生在工具電極和工件之間，對材料進行有效去除，因此加工速率比電火花加工高。

2.2 與電極損耗相關的實驗結果及分析

圖7是分別在油基工作液中進行電火花放電加工、在電導率1.8 μs/cm的去離子水和電導率 67.4 μs/cm的弱電解質溶液中進行復合加工的電極損耗率數據?？煽闯?，當工作液由油基轉變為去離子水，電極損耗率降低，隨著電導率的增大，電極損耗率進一步降低。

采用去離子水作為工作液，電極損耗率降低的原因在于:采用工件正極性加工，工具電極的損耗是由放電通道中的正離子轟擊引起，工件材料的去除由放電通道中的電子轟擊引起。工作液由油基變成水基，加工過程中不再存在碳黑覆蓋層對工件材料進行保護，使加工速率提高，加工時間縮短，這也就縮短了工具電極被放電通道中的正離子轟擊的時間，因此降低了電極損耗。當然，該過程中去離子水流動性好，放電間隙增大等因素也會對電極損耗的降低有貢獻。

隨著電導率的增大，電極損耗率進一步降低的原因在于電沉積補償。由于工作液具有導電性，通過電化學作用，陽極金屬溶解后形成金屬離子進入工作液，金屬離子在電場驅動下運動到陰極表面并發生吸附，吸附在陰極表面的陽離子捕獲電子發生還原沉積，補償電極損耗，使電極損耗降低。為了進一步確認電沉積補償的存在，從電極表面材料成分變化的角度進行了實驗和分析。

分別在油基工作液和弱電解質溶液中進行采用紫銅電極加工不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)工件的實驗，并對實驗后的工具電極表面成分進行能譜分析，其結果如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可以看出，電火花放電加工后的工具電極表層存在少量工件材料的成分，如鐵、鎳、鈦等元素，這是由于電火花放電過程短促，金屬材料的熔化和氣化具有爆炸特性，爆炸力把熔化和氣化的金屬拋離電極表面，部分金屬飛濺到了對面的電極。復合加工后工具電極表面鐵、鉻、鎳等元素含量明顯高于電火花放電加工，這有力的說明了電化學作用通過溶解、轉移和沉積將工件的材料轉移沉積到了工具電極表面。

3 結語

通過對弱電解質溶液中EDM/ECM復合加工及電火花放電加工的對比研究，得到以下結論:

(1)與電火花放電加工相比，弱電解質溶液中的EDM/ECM復合加工效率高、電極損耗低。

(2)弱電解質溶液中的EDM/ECM復合加工速率高的原因，一是沒有分解產物覆蓋在工件表面對其進行保護;二是電極間隙大和電化學作用產生的氣泡可及時將電極間隙的電蝕顆粒排出，提高了加工的穩定性，進而提高加工速率。

(3)弱電解質溶液中的EDM/ECM復合加工電極損耗率低的原因，一是沒有分解產物覆蓋在工件表面對工件進行保護，可縮短工具電極被正離子轟擊的時間;二是陰極沉積動態地補償電極損耗。

［1］郭永豐，黃榮和，李常偉，等.非導電材料的電化學電火花復合加工工藝研究［J］.機械工藝師，2000(2):6－7.

［2］Wuthricha R，Fascio V.Machining of non－conducting materials using electrochemical discharge phenomenon—an overview［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2005，45(9):1095－1108.

［3］Wuthricha R，Hof L A.The gas film in spark assisted chemical engraving(SACE)—A key element for micro － machining applications［J］，International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2006，46(7/8):828－835.

［4］任中根，遲恩田.鈦合金電解放電復合加工工作液研究［C］.第六屆全國電加工學術年會論文集，1989.

［5］Nguyen Minh Dang，Rahman Mustafizur，Wong Yoke San.Simultaneous micro－EDM and micro－ECM in low－resistivity deionized water［J］.International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2012，54/55:55－65.

［6］Nguyenn Minh Dang，Rahman Mustafizur，Wong Yoke San.An experimental study on micro－EDM in low－resistivity deionized water using short voltage pulses［J］.International Journal of Advanced Manufacture Technology，2012，58(5－8):533－544.

［7］王寶瑞，孫寧.利用電化學原理降低電火花加工的電極損耗［J］.電加工，1997(1):30－33.

［8］李明輝.電火花加工理論基礎［M］.北京:國防工業出版社，1989.