氣霧混合介質對放電燒蝕成形加工的影響

劉志東，凌加健，邱明波

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016)

傳統電火花加工［1］工作介質在加工中起到為兩極間提供絕緣、冷卻放電通道、消電離以及排除電蝕產物等重要作用。目前使用的大都是油基工作液。多年來，國內外的研究人員對電火花加工的工作介質進行了多種新的嘗試，希望提高電火花成形加工的效率及安全性，Kunieda等［2］提出了干式電火花加工技術，李立青等［3］進行了氣中放電加工的機理研究，Tanimura等［4］提出了霧中電火花加工，顧琳等［5］對氣霧介質下的電火花放電特性做了進一步研究。但上述對電火花加工工作介質的研究仍是在以電能轉化為熱能蝕除材料，且能量利用率并不高的前提下進行的，電火花加工材料去除率低的問題依然存在。

南京航空航天大學的劉志東提出了一種新的加工方法——放電誘導可控燒蝕加工［6-8］，即向加工區域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，由于大部分金屬在高溫作用下，都能與氧氣燃燒并釋放大量的化學能，其釋放的化學能遠大于放電能量，材料蝕除主要依靠金屬燃燒產生的化學能，可大大提高材料去除率。放電在加工過程中主要起到誘導燃燒的目的，因此，該方法可以利用小的放電能量達到高效加工的目的。但由于燒蝕能量較難控制，巨大的燒蝕能作用會在工件表面造成較大的燒蝕坑，影響表面質量。

本文在電火花放電燒蝕成形加工的基礎上研究氣霧工作介質對于電火花放電燒蝕加工影響，利用氣霧分散電火花放電點及燒蝕點能量以減少極間集中燒蝕作用，希望在保持高效加工的同時并獲得較好的表面質量及成形精度。

1 實驗系統

1.1 實驗裝置

實驗系統如圖1所示的，圖1(a)為實驗原理圖。實驗采用凝華NH7125數控電火花機床，以Cr12為工件，紫銅為電極(外徑Ф 8 mm，內徑Ф 3 mm)，加工時，高壓氧氣與一定壓力的自來水在霧化噴嘴內部混合，產生的氣霧介質通過中空電極進入加工區域。整個裝置固定在電火花成形機主軸上，并隨主軸做伺服進給運動。圖1(b)為加工現場圖。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

1.2 氣動霧化噴嘴

為保證極間介質處于氣霧混合狀態，氣霧介質霧滴顆粒必須小于放電間隙。在電火花加工機床上檢測燒蝕成形加工放電間隙［9］:電極沿Z軸向下加工2 min后，停止加工，記錄Z軸坐標Z1，提起電極，對加工表面和電極進行清洗，利用機床感知功能將電極沿Z軸接觸工件表面，記錄Z軸坐標Z2，則放電間隙S=Z2－Z1。通過多次測量得出在某規準下(低壓電流10 A，脈寬 150 μs，脈間 100 μs，氧氣壓力 0.3 MPa)，純氧氣中燒蝕加工放電間隙大約為24 μm。本實驗采用兩相流細水霧系統，所用霧化裝置為DKW-Z-DB型氣動霧化噴嘴，其結構如圖2所示。

圖2 噴嘴內部結構示意圖Fig.2 Inner structure of the nozzle

由于高速運動的氣體在液面會產生很大的摩擦力，然后再使液體散裂成為霧滴。南京航空航天大學安慶龍［10］對DKW-Z-DB型噴嘴霧化性能做了詳細的研究，結果表明:Ф 1.2 mm噴口，距離噴口20～25 mm處，氣壓0.3 MPa，液壓小于0.3 MPa 時，霧滴直徑平均直徑保持在15 μm以下，甚至更小，可以滿足實驗要求，本實驗距離噴口距離取20 mm。

1.3 實驗內容及條件

選用同一組實驗參數，以Cr12為工件，進行3種不同方式的加工。實驗參數如表1所示，3種加工方式分別為內沖液電火花加工、純氧氣中放電燒蝕加工及氣霧中放電燒蝕加工。由于氣體介質中的電火花加工［11］和氣霧介質下的電火花加工［12］對于正極性加工均擁有較高的材料去除率及較低的電極損耗，因此實驗采用正極性加工，工件接正極，電極接負極，加工時間為10 min。加工前后用電子天平稱出工件和電極的質量，并進行體積換算。

表1 實驗參數Table 1 Experiment parameter

2 實驗結果

實驗結果如圖3、4所示。從圖3可以看出，氣霧介質下的燒蝕加工材料去除率較純氧氣中燒蝕加工提高近20%，較內沖液電火花加工提高約4.6倍，電極質量相對損耗較內沖液電火花加工降低近65%。

圖3 3種加工方式結果對比Fig.3 Comparison of experimental results of three different machining methods

圖4為3種加工方式下的工件及電極表面，可以看出:內沖液電火花加工表面可見金屬光澤，電極表面有明顯火花放電凹坑，且電極損耗較大，出現明顯圓角，影響成形精度;純氧中燒蝕加工工件及電極表面覆蓋有致密的氧化物，且工件和電極表面均存在過度燒蝕痕跡，表面質量較差，在工具電極上粘連的氧化物在一定程度上降低了電極損耗;霧中燒蝕加工工件及電極表面亦被氧化物覆蓋，但工件表面較純氧中燒蝕平整光滑，電極表面氧化物覆蓋均勻，無明顯燒傷痕跡，且損耗較小，有利于電火花成形加工精度的控制，且表面質量相對較好。

圖4 3種加工方式工件及電極表面Fig.4 Surface of workpiece and the electrode caused by three different machining methods

3 氣霧介質下的放電燒蝕機理分析

上述實驗結果體現出了氣霧介質下的放電燒蝕加工的優越性，下面對其加工機理進行分析。

3.1 放電波形分析

圖5為3種加工方式的放電波形。如圖5(a)所示為內沖液電火花加工波形圖，試驗所用的自來水作為弱電解質，在電場作用下會形成弱電解，產生電解漏電流［13］，空載電壓(65 V)較低。圖5(b)為純氧中燒蝕加工放電波形，由于氧氣的絕緣性較好，在電場作用下極間不存在介質的電解作用，所以氣中放電的空載電壓(170 V)最高。氣霧介質下的放電燒蝕加工波形如圖5(c)所示，霧中燒蝕加工空載電壓(120 V)介于氣中放電(170 V)與液中放電(65 V)之間。

圖5 3種加工方式下的放電波形Fig.5 Discharge waveform of three machining methods

3.2 擊穿特性分析

放電間隙均勻充滿的氣霧介質實質為氣液兩相流，其中氧氣為連續相，液滴為離散相。由極間電場介質理論［14］可知，液滴的介電系數與氧氣的介電系數不同，液滴會使氧氣介質中的電場發生畸變(圖6)，因此氣霧介質的擊穿特性也會不同。

圖6 氣霧介質極間電場的畸變示意圖Fig.6 The electric field distortion in aerosol medium

3.2.1 液滴之間的“串聯放電”

氣霧介質下的極間擊穿特性主要表現為液滴之間的“串聯放電”［15］，由于有細小的液滴進入放電間隙，導致電場發生畸變，在間隙電壓作用下，液滴上下表層分別聚積正負電荷，且越靠近上下兩頂點，電荷密度越大，這樣在相鄰的兩液滴間，就會形成較強的電場強度，并且以兩液滴的最近處a、b兩點的場強最大，如圖7所示，當場強超過介質的抗擊穿能力時，兩液滴最先在a、b兩點間發生擊穿放電。擊穿放電一旦發生，兩液滴間即處于短路狀態，使電荷在兩液滴上重新分布，分別在c、d兩頂點形成更多的電荷，從而又引起兩液滴同周圍其他霧滴間的放電，這樣“串聯放電”的結果，最終形成電極和工件間的擊穿放電，工件表面被活化，活化的金屬與周圍氧氣發生劇烈燒蝕反應。

圖7 “串聯放電”示意圖Fig.7 “Tandem discharge”schematic drawing

液滴的“串聯放電”使得氧氣的絕緣強度大大降低，間隙中的擊穿放電變得容易，使得放電間隙有所增大。在本實驗條件下，利用電火花機床測得氣霧介質下的燒蝕加工放電間隙為38 μm。放電間隙的增大有利于改善極間狀態，利于蝕除產物的排屑，并可以減少二次放電，提高工效率。

3.2.2 液滴對放電能量的分散作用

發生擊穿放電是在極間介電強度最弱的區域，由于液滴對極間場強的影響，極間實際介電強度最弱處由液滴的分布決定。當脈沖到來時，極間某一液滴所處的位置及其引起的電場畸變如滿足擊穿條件，便在該處引起擊穿，放電通道經由該顆粒將兩極連通，完成一次放電。放電結束后，當下次脈沖到來時，極間懸浮的液滴中必會有滿足介電強度最弱條件的另一顆，于是又在該處引起擊穿放電。如果液滴直徑足夠小，液滴之間的“串聯放電”亦會導致放電通道在多個液滴之間形成(圖8)。

圖8 放電通道在多個液滴之間形成Fig.8 Discharge channel formed between the droplets

由于氣霧介質在一定壓力下從電極內部通入加工區域，液滴遍布整個極間，位置隨時都在發生改變，前后2次引起擊穿放電的液滴之間不存在任何關系，它們在極間出現的位置完全是隨機的，因此放電點能夠迅速分散于整個加工區域內。

3.3 工件及電極表面微觀形貌分析

3.3.1 工件表面微觀形貌分析

氣霧介質下的放電燒蝕加工，由于液滴對于極間放電能量的分散作用，工件表面活化區域隨著火花放電點的隨機變化不斷轉移，因此，活化金屬遇氧氣發生燒蝕反應的位置也會不斷發生變化，燒蝕產生的能量被分散在工件表面。圖9為3種加工方式工件表面在顯微鏡下放大150倍后的顯微圖片，可以看出，內沖液電火花加工工件表面分布著微小的電火花放電凹坑，氣霧介質下的燒蝕加工工件表面燒蝕坑明顯大于火花放電凹坑，并均勻分布在加工區域，且表面不存在純氧中燒蝕加工的局部連續燒蝕反應產生的較大燒蝕坑，表面質量較純氧中燒蝕的情況有顯著改善。

圖9 3種加工方式下的工件表面微觀形貌Fig.9 The workpiece surface microstructure of three kinds of processing methods

3.3.2 電極表面微觀形貌分析

圖10為3種加工方式下的電極表面微觀形貌，可以看出，內沖液電火花加工電極表面較光整，附著的熔融物較少;純氧氣中放電燒蝕加工電極表面覆蓋了大量熔融物，電極表面質量較差，但熔融物的覆蓋作用對電極起到了保護作用，降低了電極損耗;氣霧介質下的放電燒蝕加工表面也有一定的熔融物覆蓋，但由于霧滴對于極間能量的分散作用，工件表面放電燒蝕點被分散，且放電間隙較純氧中燒蝕加工有所增加，因此燃燒產生的熔融物大部分被排除加工間隙，少量熔附在電極表面，且分布均勻。

圖10 3種加工方式下的電極表面微觀形貌Fig.10 The electrode surface microstructure of three kinds of processing methods

3.4 棱角倒圓半徑對比

將工件沿圖11所示截面切斷，截面過軸心并與底面垂直。在顯微鏡下觀察工件截面及底部尖角，并測量其楞角倒圓半徑，對3種加工方式的加工精度做對比分析。

圖12為3種加工方式下的工件截面圖及楞角倒圓半徑。電極損耗與放電間隙是決定楞角倒圓半徑的主要參數，在本實驗條件下，測得內沖液電火花加工放電間隙為55 μm，較純氧中燒蝕加工與霧中燒蝕加工而言，內沖液電火花加工擁有較大的放電間隙與較高的電極相對損耗，因此，楞角倒圓半徑較大，而霧中燒蝕的放電間隙與電極相對損耗稍大于氣中加工，因此霧中燒蝕加工楞角倒圓半徑略大于純氧中燒蝕加工，但相對于內沖液電火花加工，霧中燒蝕加工楞角倒圓半徑減小約35%，成型精度相對較高。

圖11 工件切斷示意圖Fig.11 Cutaway view schematic drawing

圖123 種加工方式工件截面圖(左)及楞角倒圓半徑(右)Fig.12 The workpiece sectional view(left)and the round edge radius of three kinds of processing methods(right)

4 結論

1)氣霧介質下的放電燒蝕加工極間液滴相互之間可形成“串聯放電”，使得燒蝕加工的放電間隙增大，有利于改善極間狀態，利于蝕除產物的排出，并可以減少二次放電，提高工效率。

2)氣霧介質中的液滴能夠分散放電能量，使活化金屬遇氧氣發生燒蝕反應的位置不斷發生變化，燒蝕產生的能量被分散在工件表面，提高了燒蝕加工的表面質量。

3)氣霧介質下的放電燒蝕加工材料去除率較純氧氣中燒蝕加工提高近20%，較內沖液電火花加工提高約4.6倍，電極損耗較內沖液電火花加工降低近65%，且成型精度加高，楞角倒圓半徑較內沖液電火花加工減小約35%。

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