氣中微細電火花線切割加工實驗研究

張　開　王　彪　楊福合　李川懷

中北大學，太原，030051

?

氣中微細電火花線切割加工實驗研究

張開王彪楊福合李川懷

中北大學，太原，030051

摘要：氣中微細電火花線切割加工用氣體作加工介質，可加工難切削材料、復雜零件，具有低應力、無毛刺等特點。研究了氣中微細電火花線切割加工中開路電壓、極間電容、氣壓以及相對進給速度對試件切槽寬度和表面粗糙度的影響。實驗結果顯示：氣壓、相對進給速度和極間電容對切槽寬度和表面粗糙度有明顯影響，開路電壓的變化對加工結果產生有限影響。

關鍵詞：微細電火花線切割；氣中；切槽寬度；表面粗糙度

0引言

氣中電火花線切割加工是現階段新型加工方法。該方法在加工過程中將加工液替換成有壓氣體,使加工屑排出及冷卻[1-2]。與傳統電火花加工相比，該方法放電間隙窄、對電極作用力小，能更好地實現精密加工[3-6]。氣中電火花加工過程中不產生有害氣體和難分解物質，被譽為綠色加工。隨著微機械的加工尺寸與精度要求的不斷提高，微細電火花線切割加工應運而生。微細電火花線切割適用于難切削材料及特殊或復雜形狀零件的加工,具有低應力、無毛刺等優點。現階段國內相關研究較少，因此開展氣中微細電火花線切割精度影響因素的研究不僅有助于完善氣中電火花線切割加工機理, 而且對于在實際生產中提高加工精度具有重要的指導意義。

1加工機理

氣中電火花線切割加工機理見圖1。電極絲與工件之間電場強度達到105V/mm時，電子由陰極逸出并在電場力作用下加速奔向陽極，途中不斷與中性原子碰撞產生更多新的電子和離子，形成電子雪崩最終發展為流光擊穿，使極間介質擊穿電阻率迅速下降形成放電通道(圖1a)。電能最終轉換成工具電極上的熱能，瞬間熱流使材料熔化甚至沸騰汽化(圖1b)。在汽化金屬爆炸性作用和加壓氣體流作用下，熔化、汽化的電極金屬飛散拋出(圖1c)。接著脈沖電源放電結束，極間也實現消電離、恢復絕緣，完成一次脈沖加工(圖1d)。多次重復上述過程并使電極絲做進給運動即可實現電火花加工。

(a)氣體的擊穿與電離(b)電極材料的熔化

(c)拋出電極材料(d)極間介質消電離圖1　氣中電火花線切割加工機理示意圖

2實驗內容

氣中電火花加工裝置如圖2所示。圖中，工件材料為Ti6Al4V，熔點1660 ℃，尺寸為130 mm×110 mm×0.14 mm。機床為新加坡生產的精密電火花加工機床,配備RC脈沖電源[7]。工件接正極,工作介質為加壓空氣。電極絲為黃銅，直徑為0.07 mm，張力為900 MPa。

圖2　氣中電火花加工裝置簡圖

實驗參數設定見表1。p是空氣壓力，U是極間電壓，C是極間電容,v是電極絲相對進給速度，W是切槽寬度，Ra為切槽表面粗糙度。切槽寬度用光學測量顯微鏡測量，表面粗糙度用共焦激光掃描儀測量。

表1　實驗數據

3實驗結果分析

3.1氣壓、相對進給速度對切槽寬度和表面粗糙度的影響

圖3所示為氣壓、相對進給速度對切槽寬度的影響，圖4所示為氣壓、相對進給速度對切槽表面粗糙度的影響。由圖3、圖4可得，隨著氣體壓力增大，切槽寬度增加而切槽表面粗糙度下降。這一方面是由于空氣壓力對氣體材料的介電常數有明顯影響，壓力增大，密度就增大，介電常數隨之增大，從而增大了電極絲與工件之間的放電距離，有利于去除工件表面材料，即提高了材料去除率；另一方面高速氣體介質吹動有助于工件電蝕產物的排除，當空氣壓力增大時，排屑通道通暢，有利于電蝕產物排除，減小異常放電的幾率，增強加工穩定性，減少黏結現象。因此空氣壓力越大材料去除率越高，并且工件的表面粗糙度隨氣體壓力的升高有一定程度的降低。

圖3　氣壓、相對進給速度對切槽寬度的影響

圖4　氣壓、相對進給速度對切槽表面粗糙度的影響

在其他條件不變的情況下，表面粗糙度值隨相對進給速度的增大而增大，切槽寬度則相反。相對進給速度的大小反映了電極絲對工件一定位置的加工時間長短。進給速度增大，電極絲在加工中穩定性變差，表面粗糙度惡化。同時，電極絲對工件一定位置的放電時間變短，材料去除不充分(去除率降低)，切槽寬度減小。

3.2開路電壓、輸入電容對切槽寬度和表面粗糙度的影響

圖5所示為電壓、電容對切槽寬度的影響，圖6所示為電壓、電容對切槽表面粗糙度的影響。由圖5、圖6可得，切槽寬度和表面粗糙度受開路電壓的變化影響不明顯。這是因為實驗用脈沖電源為RC脈沖電源。RC脈沖電源放電能量通常設計得很小，放電能量的變化主要是基于電容輸入。因此，從理論上分析在本次研究中,盡管高電壓可能更會導致介質擊穿造成更大的切口,但與其他參數相比，開啟電壓在切槽加工中的影響并不明顯。

圖5　電壓、電容對切槽寬度的影響

圖6　電壓、電容對切槽表面粗糙度的影響

圖5、圖6中，隨著電容增大，放電能量增大，放電蝕坑變大變深，造成材料去除率提高，因此試件切槽的寬度與表面粗糙度均增大。

4結論

(1)氣中微細電火花線切割加工過程中，隨著電容增大，放電能量增大，材料去除率增大，切槽寬度和表面粗糙度均增大；隨著進給量增大，切槽變窄，表面粗糙度增大。

(2) 與液中電火花加工相比，有壓氣體能增

大放電間隙，改善加工條件，壓力增大對加工有利。但氣壓在0.3 MPa以上時對電極絲穩定性造成很大影響，不利于加工。

參考文獻：

[1]Kunieda M, Yoshida M. Electrical Discharge Machining in Gas[J]. Annals of the CIRP, 1997, 46(1)：143-146.

[2]朱保國,王振龍.微細軸的電加工技術[J].電加工與模具,2005(4)：1-4.

Zhu Baoguo,Wang Zhenlong. Electrical Machining of Micro-rod[J].Machining and Mold,2005(4)：1-4.

[3]王彤, 陳玉全. 氣中電火花線切割加工技術研究[J]. 機械工程學報, 2003, 39(8)：76-80.

Wang Tong, Chen Yuquan. Research of WEDM Processing Technology in Gas[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2003, 39(8)：76-80.

[4]趙學芳,王彤.氣中高速走絲電火花線切割放電狀態的研究[J].機械工程師,2008(5)：61-62.

Zhao Xuefang, Wang Tong.Study on High-Speed WEDM Charge State in Gas[J].Journal of Mechanical Engineer,2008(5)：61-62.

[5]李立青, 王振龍, 趙萬生. 氣體放電加工機理分析[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2001, 36(3)：359-362.

Li Liqing, Wang Zhenlong, Zhao Wansheng. Analysis of Discharge Machining Mechanism in Gas[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2001, 36(3)：359-362.

[6]郭曉霞.線切割加工工藝參數優化方法綜述[J]. 現代制造工程,2015(4)：137-141.

Guo Xiaoxia.Review of Research Work in the Process Parameters Optimization of Wire Electrical Discharge Machine[J].Modern Manufacturing Engineering, 2015(4)：137-141.

[7]黃海清, 劉偉, 曾令燎,等. 微細電火花加工可控式RC脈沖電源研究[J]. 上海交通大學學報, 2011, 45(11)：1684-1693.

Huang Haiqing, Liu Wei, Zeng Lingliao, et al. Micro WEDM Controlled RC Pulse Generator Study[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011, 45(11)：1684-1693.

(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-02

中圖分類號：TG661

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.008

作者簡介：張開，男，1992年生。中北大學機械與動力工程學院碩士研究生。主要研究方向為機械制造系統及自動化。王彪，男，1964年生。中北大學機械與動力工程學院教授。楊福合，男，1975年生。中北大學機械與動力工程學院博士研究生。李川懷，男，1986年生。中北大學機械與動力工程學院碩士研究生。

Experimental Study of Micro-wire Electrical Discharge Machining in Gas

Zhang KaiWang BiaoYang FuheLi Chuanhuai

North University of China, Taiyuan, 030051

Abstract:Micro-wire electrical discharge machining using gas as processing medium,might be used to process hard-cutting materials and complex parts,featured with low stress and no burr.The effects of slot width and roughness of specimens influenced by open circuit voltage,electrode capacitance,air pressure and relative electrode feed-rate were researched.Experimental results show that air pressure,relative electrode feed-rate and electrode capacitance have obvious effects on slot width and roughness.The change of open circuit voltage has little to do with processing results.

Key words:micro-wire electrical discharge machining(micro-WEDM); gas; slot width;roughness