气雾混合介质对放电烧蚀成形加工的影响

刘志东，凌加健，邱明波

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)

传统电火花加工［1］工作介质在加工中起到为两极间提供绝缘、冷却放电通道、消电离以及排除电蚀产物等重要作用。目前使用的大都是油基工作液。多年来，国内外的研究人员对电火花加工的工作介质进行了多种新的尝试，希望提高电火花成形加工的效率及安全性，Kunieda等［2］提出了干式电火花加工技术，李立青等［3］进行了气中放电加工的机理研究，Tanimura等［4］提出了雾中电火花加工，顾琳等［5］对气雾介质下的电火花放电特性做了进一步研究。但上述对电火花加工工作介质的研究仍是在以电能转化为热能蚀除材料，且能量利用率并不高的前提下进行的，电火花加工材料去除率低的问题依然存在。

南京航空航天大学的刘志东提出了一种新的加工方法——放电诱导可控烧蚀加工［6-8］，即向加工区域通入氧气与在电火花放电诱导作用下的活化金属发生燃烧反应，由于大部分金属在高温作用下，都能与氧气燃烧并释放大量的化学能，其释放的化学能远大于放电能量，材料蚀除主要依靠金属燃烧产生的化学能，可大大提高材料去除率。放电在加工过程中主要起到诱导燃烧的目的，因此，该方法可以利用小的放电能量达到高效加工的目的。但由于烧蚀能量较难控制，巨大的烧蚀能作用会在工件表面造成较大的烧蚀坑，影响表面质量。

本文在电火花放电烧蚀成形加工的基础上研究气雾工作介质对于电火花放电烧蚀加工影响，利用气雾分散电火花放电点及烧蚀点能量以减少极间集中烧蚀作用，希望在保持高效加工的同时并获得较好的表面质量及成形精度。

1 实验系统

1.1 实验装置

实验系统如图1所示的，图1(a)为实验原理图。实验采用凝华NH7125数控电火花机床，以Cr12为工件，紫铜为电极(外径Ф 8 mm，内径Ф 3 mm)，加工时，高压氧气与一定压力的自来水在雾化喷嘴内部混合，产生的气雾介质通过中空电极进入加工区域。整个装置固定在电火花成形机主轴上，并随主轴做伺服进给运动。图1(b)为加工现场图。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

1.2 气动雾化喷嘴

为保证极间介质处于气雾混合状态，气雾介质雾滴颗粒必须小于放电间隙。在电火花加工机床上检测烧蚀成形加工放电间隙［9］:电极沿Z轴向下加工2 min后，停止加工，记录Z轴坐标Z1，提起电极，对加工表面和电极进行清洗，利用机床感知功能将电极沿Z轴接触工件表面，记录Z轴坐标Z2，则放电间隙S=Z2－Z1。通过多次测量得出在某规准下(低压电流10 A，脉宽 150 μs，脉间 100 μs，氧气压力 0.3 MPa)，纯氧气中烧蚀加工放电间隙大约为24 μm。本实验采用两相流细水雾系统，所用雾化装置为DKW-Z-DB型气动雾化喷嘴，其结构如图2所示。

图2 喷嘴内部结构示意图Fig.2 Inner structure of the nozzle

由于高速运动的气体在液面会产生很大的摩擦力，然后再使液体散裂成为雾滴。南京航空航天大学安庆龙［10］对DKW-Z-DB型喷嘴雾化性能做了详细的研究，结果表明:Ф 1.2 mm喷口，距离喷口20～25 mm处，气压0.3 MPa，液压小于0.3 MPa 时，雾滴直径平均直径保持在15 μm以下，甚至更小，可以满足实验要求，本实验距离喷口距离取20 mm。

1.3 实验内容及条件

选用同一组实验参数，以Cr12为工件，进行3种不同方式的加工。实验参数如表1所示，3种加工方式分别为内冲液电火花加工、纯氧气中放电烧蚀加工及气雾中放电烧蚀加工。由于气体介质中的电火花加工［11］和气雾介质下的电火花加工［12］对于正极性加工均拥有较高的材料去除率及较低的电极损耗，因此实验采用正极性加工，工件接正极，电极接负极，加工时间为10 min。加工前后用电子天平称出工件和电极的质量，并进行体积换算。

表1 实验参数Table 1 Experiment parameter

2 实验结果

实验结果如图3、4所示。从图3可以看出，气雾介质下的烧蚀加工材料去除率较纯氧气中烧蚀加工提高近20%，较内冲液电火花加工提高约4.6倍，电极质量相对损耗较内冲液电火花加工降低近65%。

图3 3种加工方式结果对比Fig.3 Comparison of experimental results of three different machining methods

图4为3种加工方式下的工件及电极表面，可以看出:内冲液电火花加工表面可见金属光泽，电极表面有明显火花放电凹坑，且电极损耗较大，出现明显圆角，影响成形精度;纯氧中烧蚀加工工件及电极表面覆盖有致密的氧化物，且工件和电极表面均存在过度烧蚀痕迹，表面质量较差，在工具电极上粘连的氧化物在一定程度上降低了电极损耗;雾中烧蚀加工工件及电极表面亦被氧化物覆盖，但工件表面较纯氧中烧蚀平整光滑，电极表面氧化物覆盖均匀，无明显烧伤痕迹，且损耗较小，有利于电火花成形加工精度的控制，且表面质量相对较好。

图4 3种加工方式工件及电极表面Fig.4 Surface of workpiece and the electrode caused by three different machining methods

3 气雾介质下的放电烧蚀机理分析

上述实验结果体现出了气雾介质下的放电烧蚀加工的优越性，下面对其加工机理进行分析。

3.1 放电波形分析

图5为3种加工方式的放电波形。如图5(a)所示为内冲液电火花加工波形图，试验所用的自来水作为弱电解质，在电场作用下会形成弱电解，产生电解漏电流［13］，空载电压(65 V)较低。图5(b)为纯氧中烧蚀加工放电波形，由于氧气的绝缘性较好，在电场作用下极间不存在介质的电解作用，所以气中放电的空载电压(170 V)最高。气雾介质下的放电烧蚀加工波形如图5(c)所示，雾中烧蚀加工空载电压(120 V)介于气中放电(170 V)与液中放电(65 V)之间。

图5 3种加工方式下的放电波形Fig.5 Discharge waveform of three machining methods

3.2 击穿特性分析

放电间隙均匀充满的气雾介质实质为气液两相流，其中氧气为连续相，液滴为离散相。由极间电场介质理论［14］可知，液滴的介电系数与氧气的介电系数不同，液滴会使氧气介质中的电场发生畸变(图6)，因此气雾介质的击穿特性也会不同。

图6 气雾介质极间电场的畸变示意图Fig.6 The electric field distortion in aerosol medium

3.2.1 液滴之间的“串联放电”

气雾介质下的极间击穿特性主要表现为液滴之间的“串联放电”［15］，由于有细小的液滴进入放电间隙，导致电场发生畸变，在间隙电压作用下，液滴上下表层分别聚积正负电荷，且越靠近上下两顶点，电荷密度越大，这样在相邻的两液滴间，就会形成较强的电场强度，并且以两液滴的最近处a、b两点的场强最大，如图7所示，当场强超过介质的抗击穿能力时，两液滴最先在a、b两点间发生击穿放电。击穿放电一旦发生，两液滴间即处于短路状态，使电荷在两液滴上重新分布，分别在c、d两顶点形成更多的电荷，从而又引起两液滴同周围其他雾滴间的放电，这样“串联放电”的结果，最终形成电极和工件间的击穿放电，工件表面被活化，活化的金属与周围氧气发生剧烈烧蚀反应。

图7 “串联放电”示意图Fig.7 “Tandem discharge”schematic drawing

液滴的“串联放电”使得氧气的绝缘强度大大降低，间隙中的击穿放电变得容易，使得放电间隙有所增大。在本实验条件下，利用电火花机床测得气雾介质下的烧蚀加工放电间隙为38 μm。放电间隙的增大有利于改善极间状态，利于蚀除产物的排屑，并可以减少二次放电，提高工效率。

3.2.2 液滴对放电能量的分散作用

发生击穿放电是在极间介电强度最弱的区域，由于液滴对极间场强的影响，极间实际介电强度最弱处由液滴的分布决定。当脉冲到来时，极间某一液滴所处的位置及其引起的电场畸变如满足击穿条件，便在该处引起击穿，放电通道经由该颗粒将两极连通，完成一次放电。放电结束后，当下次脉冲到来时，极间悬浮的液滴中必会有满足介电强度最弱条件的另一颗，于是又在该处引起击穿放电。如果液滴直径足够小，液滴之间的“串联放电”亦会导致放电通道在多个液滴之间形成(图8)。

图8 放电通道在多个液滴之间形成Fig.8 Discharge channel formed between the droplets

由于气雾介质在一定压力下从电极内部通入加工区域，液滴遍布整个极间，位置随时都在发生改变，前后2次引起击穿放电的液滴之间不存在任何关系，它们在极间出现的位置完全是随机的，因此放电点能够迅速分散于整个加工区域内。

3.3 工件及电极表面微观形貌分析

3.3.1 工件表面微观形貌分析

气雾介质下的放电烧蚀加工，由于液滴对于极间放电能量的分散作用，工件表面活化区域随着火花放电点的随机变化不断转移，因此，活化金属遇氧气发生烧蚀反应的位置也会不断发生变化，烧蚀产生的能量被分散在工件表面。图9为3种加工方式工件表面在显微镜下放大150倍后的显微图片，可以看出，内冲液电火花加工工件表面分布着微小的电火花放电凹坑，气雾介质下的烧蚀加工工件表面烧蚀坑明显大于火花放电凹坑，并均匀分布在加工区域，且表面不存在纯氧中烧蚀加工的局部连续烧蚀反应产生的较大烧蚀坑，表面质量较纯氧中烧蚀的情况有显著改善。

图9 3种加工方式下的工件表面微观形貌Fig.9 The workpiece surface microstructure of three kinds of processing methods

3.3.2 电极表面微观形貌分析

图10为3种加工方式下的电极表面微观形貌，可以看出，内冲液电火花加工电极表面较光整，附着的熔融物较少;纯氧气中放电烧蚀加工电极表面覆盖了大量熔融物，电极表面质量较差，但熔融物的覆盖作用对电极起到了保护作用，降低了电极损耗;气雾介质下的放电烧蚀加工表面也有一定的熔融物覆盖，但由于雾滴对于极间能量的分散作用，工件表面放电烧蚀点被分散，且放电间隙较纯氧中烧蚀加工有所增加，因此燃烧产生的熔融物大部分被排除加工间隙，少量熔附在电极表面，且分布均匀。

图10 3种加工方式下的电极表面微观形貌Fig.10 The electrode surface microstructure of three kinds of processing methods

3.4 棱角倒圆半径对比

将工件沿图11所示截面切断，截面过轴心并与底面垂直。在显微镜下观察工件截面及底部尖角，并测量其楞角倒圆半径，对3种加工方式的加工精度做对比分析。

图12为3种加工方式下的工件截面图及楞角倒圆半径。电极损耗与放电间隙是决定楞角倒圆半径的主要参数，在本实验条件下，测得内冲液电火花加工放电间隙为55 μm，较纯氧中烧蚀加工与雾中烧蚀加工而言，内冲液电火花加工拥有较大的放电间隙与较高的电极相对损耗，因此，楞角倒圆半径较大，而雾中烧蚀的放电间隙与电极相对损耗稍大于气中加工，因此雾中烧蚀加工楞角倒圆半径略大于纯氧中烧蚀加工，但相对于内冲液电火花加工，雾中烧蚀加工楞角倒圆半径减小约35%，成型精度相对较高。

图11 工件切断示意图Fig.11 Cutaway view schematic drawing

图123 种加工方式工件截面图(左)及楞角倒圆半径(右)Fig.12 The workpiece sectional view(left)and the round edge radius of three kinds of processing methods(right)

4 结论

1)气雾介质下的放电烧蚀加工极间液滴相互之间可形成“串联放电”，使得烧蚀加工的放电间隙增大，有利于改善极间状态，利于蚀除产物的排出，并可以减少二次放电，提高工效率。

2)气雾介质中的液滴能够分散放电能量，使活化金属遇氧气发生烧蚀反应的位置不断发生变化，烧蚀产生的能量被分散在工件表面，提高了烧蚀加工的表面质量。

3)气雾介质下的放电烧蚀加工材料去除率较纯氧气中烧蚀加工提高近20%，较内冲液电火花加工提高约4.6倍，电极损耗较内冲液电火花加工降低近65%，且成型精度加高，楞角倒圆半径较内冲液电火花加工减小约35%。

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