电火花放电微细电极振动的测量与研究

赵之谦，朱烨添，李 淋，吴 江，裴景玉

（ 上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240 ）

随着工业的发展，当前社会对微细化、精密化零件的需求也越来越大[1-2]。 响应国家 “中国制造2025”[3]的号召，要实现制造业创新发展和产业升级的目标，高精度、极微细制造技术至关重要。 精密机械中的很多关键微细零部件都离不开微细制造。 而微细电火花加工技术是微细制造中的一种重要加工方法。

电火花脉冲放电产生的冲击作用力是客观存在的。 已有研究表明，电火花加工过程中尽管没有宏观的机械作用力，但在工件和电极之间存在因放电产生的冲击力[4]。 在普通电火花成形加工工艺中，电极尺寸较大且具有稳定的形状，故一般可忽略放电脉冲引起的冲击力的影响。 而在电火花线切割加工工艺中，可将所用的电极丝视为极大长径比的电极，其刚度低，易受加工过程中放电力的影响，从而影响工件的加工效果[5]。 Kunieda 等[6]研究了干式电火花线切割中的加工作用力， 认为在加工过程中，电极和工件之间主要存在两种作用力：脉冲作用力和静电力。 褚旭阳等[7]认为，电极丝这种柔性体在加工过程中易受力的干扰而改变其形状和位置，影响加工精度。

对于更具一般性的电火花加工放电脉冲力研究，国内外也已积累了相当一部分成果。Kunieda[8]总结分析了在较大参数的电火花加工过程中，放电能量较大，认为静电力明显小于放电力，可忽略不计，故电火花加工中的主要作用力是脉冲放电力。 张勤河等[9]提出了测量脉冲放电产生微细作用力的两种方法，即直接测量法和霍普金森杆法，前者测量方便但不够精确，后者较前者精确但其测量系统的搭建及计算过程复杂度高。 李剑忠等[10]通过微细电极加工孔实验，得出电极越长、加工孔径越大的结论。

在微细电火花加工微小尺寸零件时，不可忽视电极与工件之间的放电作用力，必须考虑该作用力对加工零件的影响。 为了探究放电脉冲力在极间的作用机理，本文在微细尺度下，将电极和工件的尺寸控制在1 mm 以下， 利用显微镜和高速相机对放电过程及放电前后电极的振动状态进行直接观测，并利用Matlab 软件将拍摄到的电极振动图片进行一列图像二值化、边缘检测、振幅计算等处理，从而得到单次脉冲下的电火花放电作用力对电极振动的影响结果；同时，通过改变电流、脉宽等电参数，对不同电参数下的振幅做数据和误差分析。

1 单脉冲放电作用下的电极振动实验

1.1 实验目的及方案

为了直接观察电极在放电瞬间前后的振动变化情况及为后续估算作用力准备数据，本文进行了单脉冲放电作用下的电极振动实验，研究了峰值电流、脉宽及放电能量对振动的影响。实验装置见图1和图2。 采用Roboform 35 型机床，主要观测设备是显微镜和高速相机组成的图像采集系统，包括VHZ450 高倍率变焦距镜头 （放大倍数450～3000）、V1210 型高速数字摄像机， 可实现微米级尺度的观测， 图像则通过配套软件Phantom Camera Control Application 呈现在计算机上， 并用平行光源MTWL40 作为背光源。

实验时，空心黄铜电极由弹簧夹头夹持固定在机床底座上，工件被安装在机床夹头上；工件做成尖状置于电极侧面， 其尖端指向电极末端侧面，确保放电过程中只发生一次放电； 工件尖端按5 μm的步进距离沿Y轴负方向靠近电极，直至放电。

实验参数见表1。 工件的原始厚度为0.1 mm，为保证其尖锐程度， 实验前用砂纸对其进行打磨，实际尖部厚度约为20 μm。 峰值电流的取值为1.5、3、12、24、48 A，脉宽的取值为3.2、6.4、12.8、25、50、100、200、400 μs， 将峰值电流与脉宽的乘积能级作为划分实验序号的依据。

表1 加工参数

1.2 实验数据采集方法

采集实验数据时， 用Phantom Camera Control Application 进行拍摄， 设置录屏帧率为1000 FPS、画面尺寸为1200×800 Pixel。 开始实验前，调整显微镜、高速相机、工件及电极，使电极与工件尖端进入视野，并使两者初始间距约30 μm；实验开始后，设定程序使机床夹头带着工件尖端按5 μm 的步距步进靠近电极，直至放电；保留放电前后各2 s 时间的视频，共保留4 s，即拍摄4000 张照片，完成一次拍摄。 将这4000 张照片导入Matlab 软件进行二值化、腐蚀膨胀、边缘提取等处理后，得到电极边缘的像素位置； 分析比较4000 张照片中每一张电极边缘的像素位置，再标定像素和实际位移的尺寸，从而生成电极的振动位移图。 为尽可能保证实验数据的可靠性，针对同一组参数重复三次实验，并取三次实验的平均值作为所测的振幅峰值。

本实验将高倍率变焦距镜头的放大倍数设定为1500 倍， 在图像处理前对拍摄图像进行尺寸标定，得到像素和实际距离之间的转换比例关系（比例尺为0.257 μm/Pixel）。 图3 是图像处理过程中某次实验图像放入Matlab 软件经二值化处理、腐蚀膨胀和边缘提取后得到的放电瞬间前后的两帧图片。如图3a 所示，左侧尖端物体为削尖的不锈钢工件，右侧圆柱物体为黄铜电极；如图3b 所示，由于火花在放电后将工件蚀除掉了， 故看不到左侧的工件，仅留有电极。

实验提取图3 所示电极的左侧边缘像素点，将其作为实验对象， 分析每一帧照片的像素偏移量。图4 是对4000 张照片进行分析后得到的电极边缘振动图片像素位置-时间曲线。 可看出，放电对电极稳定性有明显干扰。

为了方便从图上获得振动幅值信息，将像素点转换为位移距离，从而使得放电后电极边缘的位移振动情况更直观、清晰，如图5 所示。 由此完成了图像处理和数据采集过程。

1.3 实验数据规划

峰值电流和脉宽这两个单因素与放电能量呈正相关关系。 随着峰值电流的提高或脉宽的增加，电路输出总能量等比增加。 因此，本文通过设定峰值电流和脉宽以及峰值电流和脉宽的乘积能级开展实验。 实验参数设定见表2。 其中，序号栏有两个数字，第一个数字代表能级代号，第二个数字代表峰值电流代号。 峰值电流通过与不同脉宽组合得到相近的能量，从而将其划分为同一能级。 本实验共划分了三个能量级别。 可见， 本实验共有18 组参数，每组参数重复3 次，共有54 组数据。 实验结果取其平均值。

表2 实验参数规划表

1.4 实验数据结果展示

本文将峰值电流和脉宽作为控制变量进行实验，结果见表3。每组参数取振幅最大值作为该参数下的电极振幅值，实验还选取能级等级分别为L=1、L=2、L=4 的情况，进行同一能量等级、不同参数组合及不同能级之间的对比研究。

根据能级划分，之后得到的同一能级下振幅随电流增大的变化趋势见图6。当峰值电流一定时，比较振幅随脉宽增大的变化趋势见图7。 当脉宽一定时，比较振幅随峰值电流增大的变化趋势见图8。

表3 振动实验结果

从上述结果中得到以下规律：

（1）从图6 来看，不同能级曲线的变化有一定的一致性，会随着峰值电流的相对增大和脉宽的相对减小，出现振幅先减小、后增大、再减小的情况。故可认为，在小电流、大脉宽阶段，峰值电流对电极的作用力占主导因素；在大电流、小脉宽阶段，小脉宽对作用力产生明显制约。

（2）从图6 来看，在所有能级中，实验序号为1的小电流、大脉宽的振幅要大于实验序号为6 的大电流、小脉宽的振幅，且随着能级的增大，实验序号1 和序号6 的振幅之间的差值越小。

（3）从图6 来看，在实验序号为1 的小电流、大脉宽阶段，振幅的大小顺序是L1>L2>L3；在其他阶段， 实验结果与之相反， 振幅大小顺序是L3>L2>L1。

（4）从图7 来看，电极振幅随着脉宽的增大而增大；但在小电流、大脉宽的情况下，振幅随着脉宽的增大而减小。

（5）从图8 来看，电极振幅基本随着峰值电流的增大而增大；在大脉宽的情况下，振幅随着电流增大而先减小后增大。

（6）电极的振幅与峰值电流和脉宽的综合作用因素有关。 总的来说，振幅与能级大小呈现正比关系，即能级越大，振幅越大。

2 实验结果与原理分析

上述变化规律表明，电极受到作用力导致振动的程度是峰值电流和脉宽综合作用下的结果，为此建立了如图9 所示的气中放电作用力示意图，并主要从粒子作用和能量分配两个角度进行原理分析。

根据电火花加工极性效应，基于本文在空气中进行单脉冲放电、电极接负极的条件[11]，可作出如下推理：电极作为阴极，其材料被蚀除的主要原因是受到放电通道中阳离子的轰击，这也是其所受放电作用力的主要来源；相应地，工件被蚀除主要是由于放电过程中电子的轰击。 此外，电极还受工件抛蚀产物的附着冲击和放电通道扩展、通过空气介质传递的冲击作用，但上述作用力相对较小。

2.1 从粒子作用角度分析

与电子轰击阳极相比， 阳离子的质量更大、加速度更小，电子在短时间内就能充分加速并轰击阳极，而阳离子则需更多时间。 因此，只有当脉宽足够大时，阳离子才能被充分加速，其轰击带给电极的作用力才更大，放电能量也才能较充分地转化为电极的机械能。

在大电流、小脉宽的情况下，脉宽过小会在一定程度上限制放电通道中阳离子的加速时间，使其轰击电极时尚未完成充分加速，能限制放电能量向电极振动机械能转化时的比例。 另外，除了放电通道中的阳离子，熔融态的工件金属材料，其整体带正电荷，在电场作用下也会向电极轰击，并最终粘附在电极上。 该作用与阳离子类似，因其质量更大、加速度更小， 能量传递能力更易受时间因素的影响。 因此，在大电流、小脉宽的情况下，脉宽的微小增加对电极的振动有明显的促进作用，小脉宽对电极振动的制约作用非常显著（图7）；而在小脉宽的情况下，峰值电流的继续增大对电极振动影响较小（图8）。

2.2 从能量角度分析

根据文献[11]，在电火花加工过程中，电路产生的总能量被分配成三个部分，即：传递给阳极的能量、 传递给阴极的能量及用于等离子通道生成、维持和扩张的能量。

在小电流、大脉宽的情况下，能量在时间轴上相对分散， 同时放电通道有较充足的时间向外扩张，持续散失能量，带来的效应是放电能量大部分用于放电通道的形成及维持，通过电子轰击工件传递的能量及阳离子轰击传递给电极的能量相对较小；当电流增大时，放电通道的形成及维持需要更多的能量，同时其散失能量也更多，因此带给电极、工件的能量增加程度是有限的。 因此出现了图6 所示的小电流、大脉宽情况下，高能级振幅小于低能级振幅的现象。

综上所述，可认为将放电参数的组合分为两个阶段，即小电流、大脉宽阶段和大电流、小脉宽阶段。 对于前者，峰值电流是主要影响因素，较小的峰值电流会制约放电产生的作用力；对于后者，脉宽是主要影响因素，较小的脉宽会明显限制作用力。

3 结论

（1）本文建立了一种测量侧向单脉冲放电情况下电极振幅的实验方法，并提出了基于Matlab 的图像识别和数据处理方案，探究了峰值电流、脉宽及两者乘积对电极振动的影响，进行了数据分析。

（2）本文发现在微细尺度下进行微细电火花加工时，确实存在电极振动，且不可忽视。 通过前述模型对多组电参数下的电极振动进行了测量并分析数据的规律性。

（3）实验结果显示：在小电流、大脉宽的情况下， 放电通道在其形成后无法维持大脉宽下的能量，且能级越大、散失的能量也越大，这会导致低能级的电极振幅大于高能级的电极振幅的情况；在其他情况下，能级是峰值电流和脉宽乘积的主要影响因素，电极振幅随着能级的增大而增大。