弱電解質(zhì)溶液中EDM/ECM復(fù)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(guó)工程物理研究院機(jī)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(bǔ)性，其復(fù)合可以較容易同時(shí)獲得兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此EDM/ECM復(fù)合加工技術(shù)上世紀(jì)90年代起就受到研究者的普遍關(guān)注。根據(jù)在復(fù)合過程中EDM和ECM參與比例不同，EDM/ECM復(fù)合加工的內(nèi)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(xué)作用產(chǎn)生的氣泡為電火花放電創(chuàng)造條件，成功實(shí)現(xiàn)了針對(duì)聚晶金剛石、陶瓷等硬脆絕緣材料的EDM/ECM 復(fù)合加工［1－3］;西北工業(yè)大學(xué)任中根、遲恩田等人以NaCl、NaNO3水溶液作為工作液，對(duì)鈦合金進(jìn)行EDM/ECM復(fù)合加工，與電火花加工相比，EDM/ECM復(fù)合加工在加工速率和表面質(zhì)量方面都表現(xiàn)出了其優(yōu)越性［4］;新加坡Minh Dang Nguyen等人在微細(xì)加工領(lǐng)域，利用去離子水作為工作液，在電火花放電加工微細(xì)孔的同時(shí)依靠去離子水中微弱的電化學(xué)作用對(duì)孔的表面進(jìn)行光整，實(shí)現(xiàn)了一邊加工孔一邊光整表面的良好效果［5－6］;中國(guó)工程物理研究院王寶瑞等人研究的EDM/ECM復(fù)合加工以弱電解質(zhì)溶液作為工作液，靠電化學(xué)作用對(duì)電火花加工質(zhì)量進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)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(fù)合加工的研究成果可以看出，只要合理控制復(fù)合加工過程中電化學(xué)和電火花的作用比例，就可以實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)的加工結(jié)果。為了了解利用電化學(xué)沉積補(bǔ)償電極損耗的弱電解質(zhì)溶液中的EDM/ECM復(fù)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(gè)方面，將EDM/ECM復(fù)合加工技術(shù)和EDM技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，以加深對(duì)弱電解質(zhì)溶液中復(fù)合加工技術(shù)的了解，加快其進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用的步伐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

弱電解質(zhì)溶液中EDM/ECM復(fù)合加工原理如圖1所示，以弱電解質(zhì)溶液作為工作液，加工過程中電火花放電和電化學(xué)作用同時(shí)發(fā)生，材料的去除主要靠電火花放電完成。因?yàn)楣ぷ饕弘妼?dǎo)率很小，微弱的電化學(xué)陽極溶解僅能對(duì)電火花放電加工表面進(jìn)行光整，而不會(huì)對(duì)加工精度帶來太大影響，電化學(xué)陰極沉積將陽極溶解進(jìn)入工作液的金屬離子沉積在陰極表面，動(dòng)態(tài)地補(bǔ)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(jìn)而提高成形加工精度。加工時(shí)弱電解質(zhì)溶液以沖液的方式進(jìn)入被加工區(qū)域，電極在機(jī)床主軸的驅(qū)動(dòng)下向工件進(jìn)給，當(dāng)檢測(cè)到工件和電極之間發(fā)生短路后，主軸帶動(dòng)電極回退，開路后再進(jìn)給，如此循環(huán)往復(fù)。

實(shí)驗(yàn)的基本條件為:中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所研發(fā)的μEDM－50微細(xì)電火花機(jī)床(圖2)，該機(jī)床具有三軸聯(lián)動(dòng)功能，總體行程為200 mm(X軸)×100 mm(Y軸)×100 mm(Z軸)，5 mm行程內(nèi)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(jù)實(shí)驗(yàn)需要決定;工作液分別為弱電解質(zhì)水溶液，其電導(dǎo)率根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)決定;進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的電火花放電加工工作液為油基工作液。

受電化學(xué)作用的影響，EDM/ECM復(fù)合加工在效率方面與電火花加工會(huì)有所差別。為了更直觀地認(rèn)識(shí)EDM/ECM復(fù)合加工在效率方面的特征，進(jìn)行了復(fù)合加工和電火花加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方式是在1 mm厚的紫銅板上加工通孔，相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)過程中，利用示波器對(duì)脈沖利用率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)，示波器每次連續(xù)采集100 μs內(nèi)的脈沖信號(hào)，統(tǒng)計(jì)100 μs內(nèi)發(fā)生放電擊穿的脈沖個(gè)數(shù);為了使統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確可信，重復(fù)隨機(jī)采集100次，然后取平均值作為100 μs發(fā)生放電擊穿的脈沖個(gè)數(shù);放電擊穿脈沖數(shù)除以100 μs內(nèi)采集到的脈沖總數(shù)即得到脈沖利用率。

表1 與加工效率實(shí)驗(yàn)相關(guān)的參數(shù)

獲得低損耗加工效果是弱電解質(zhì)溶液中EDM/ECM復(fù)合加工技術(shù)的研究初衷，為了對(duì)電極損耗率有一個(gè)量的認(rèn)識(shí)，分別對(duì)EDM/ECM復(fù)合加工和油基工作液中電火花放電加工的電極損耗率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過程中工作液分別采用電導(dǎo)率為1.8 μs/cm的去離子水、67.4 μs/cm的弱電解質(zhì)溶液和油基工作液，除工作液不同外，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)均與表1相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 與加工速率相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是分別在油基工作液中進(jìn)行電火花放電加工和分別在電導(dǎo)率67.4 μs/cm、320 μs/cm 的弱電解質(zhì)溶液中進(jìn)行復(fù)合加工的加工速率數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯瑥?fù)合加工速率遠(yuǎn)高于電火花放電加工，且隨著工作液電導(dǎo)率的增大，加工速率提高。

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

EDM/ECM復(fù)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(zhì)溶液抗電擊穿強(qiáng)度低及電化學(xué)作用產(chǎn)生的氣泡使間隙電場(chǎng)分布發(fā)生畸變，工作液的擊穿變得更加容易，因此，在相同電參數(shù)條件下，其放電間隙增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果證明了這一點(diǎn)。在電參數(shù)相同的條件下，分別對(duì)油基工作液和弱電解質(zhì)溶液的放電間隙進(jìn)行10次測(cè)量，結(jié)果如圖5所示，弱電解質(zhì)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(dòng)是電極間隙電蝕微粒排出的重要?jiǎng)恿?。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(fù)合加工過程中，由于陰陽電極表面分別發(fā)生還原、氧化反應(yīng)，電極表面產(chǎn)生大量氣泡，隨著氣泡數(shù)量的增加和體積的增大，氣泡從電極表面脫離進(jìn)入溶液中，脫離電極表面的氣泡在后續(xù)氣泡的推動(dòng)和液體壓力作用下，向電極和工件之間的間隙出口運(yùn)動(dòng)，在此過程中，推動(dòng)電蝕微粒從放電凹坑附近向電極間隙出口運(yùn)動(dòng)，直到將電蝕微粒排出。電導(dǎo)率越大，通過電化學(xué)作用產(chǎn)生的氣泡就越多，其排除電蝕微粒的能力也就越強(qiáng)。

電極間隙的增大和電化學(xué)作用產(chǎn)生的氣泡的驅(qū)動(dòng)使電蝕微粒及時(shí)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(fù)地進(jìn)給－回退－進(jìn)給，浪費(fèi)加工時(shí)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(dāng)，如圖6所示。但由于拉弧放電通道的截面積遠(yuǎn)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(duì)工件材料進(jìn)行有效去除，只能對(duì)工件表面進(jìn)行加熱使其性能發(fā)生變化。因?yàn)槔〔荒軐?duì)材料進(jìn)行有效去除，拉弧太頻繁又會(huì)造成電能的浪費(fèi)，延長(zhǎng)加工時(shí)間。因此，電極間隙增大和氣泡驅(qū)動(dòng)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(wěn)定，進(jìn)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(duì)工件進(jìn)行保護(hù)。電火花加工過程中，油基工作液會(huì)分解產(chǎn)生碳微粒，在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，碳微粒向陽極運(yùn)動(dòng)，最終形成碳黑層覆蓋在陽極表面。碳黑覆蓋層的熔點(diǎn)為3 727℃，遠(yuǎn)高于金屬的熔點(diǎn)，具有良好抗電蝕能力，當(dāng)碳黑覆蓋層厚度達(dá)到6 μm時(shí)，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(duì)陽極形成保護(hù)。在采用正極性進(jìn)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(duì)工件進(jìn)行保護(hù)，加工過程的部分時(shí)間是工具電極和碳黑層之間進(jìn)行放電，這使得加工難以進(jìn)行。而弱電解質(zhì)溶液中的EDM/ECM復(fù)合加工，溶液分解后產(chǎn)生氫氣和氧氣，不存在覆蓋于工件表面的保護(hù)層，只要電蝕微粒能夠及時(shí)排出，電火花放電就總是能發(fā)生在工具電極和工件之間，對(duì)材料進(jìn)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(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7是分別在油基工作液中進(jìn)行電火花放電加工、在電導(dǎo)率1.8 μs/cm的去離子水和電導(dǎo)率 67.4 μs/cm的弱電解質(zhì)溶液中進(jìn)行復(fù)合加工的電極損耗率數(shù)據(jù)?？煽闯觯?dāng)工作液由油基轉(zhuǎn)變?yōu)槿ルx子水，電極損耗率降低，隨著電導(dǎo)率的增大，電極損耗率進(jìn)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(duì)工件材料進(jìn)行保護(hù)，使加工速率提高，加工時(shí)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(shí)間，因此降低了電極損耗。當(dāng)然，該過程中去離子水流動(dòng)性好，放電間隙增大等因素也會(huì)對(duì)電極損耗的降低有貢獻(xiàn)。

隨著電導(dǎo)率的增大，電極損耗率進(jìn)一步降低的原因在于電沉積補(bǔ)償。由于工作液具有導(dǎo)電性，通過電化學(xué)作用，陽極金屬溶解后形成金屬離子進(jìn)入工作液，金屬離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到陰極表面并發(fā)生吸附，吸附在陰極表面的陽離子捕獲電子發(fā)生還原沉積，補(bǔ)償電極損耗，使電極損耗降低。為了進(jìn)一步確認(rèn)電沉積補(bǔ)償?shù)拇嬖?，從電極表面材料成分變化的角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。

分別在油基工作液和弱電解質(zhì)溶液中進(jìn)行采用紫銅電極加工不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)工件的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的工具電極表面成分進(jìn)行能譜分析，其結(jié)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(duì)面的電極。復(fù)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(xué)作用通過溶解、轉(zhuǎn)移和沉積將工件的材料轉(zhuǎn)移沉積到了工具電極表面。

3 結(jié)語

通過對(duì)弱電解質(zhì)溶液中EDM/ECM復(fù)合加工及電火花放電加工的對(duì)比研究，得到以下結(jié)論:

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

(2)弱電解質(zhì)溶液中的EDM/ECM復(fù)合加工速率高的原因，一是沒有分解產(chǎn)物覆蓋在工件表面對(duì)其進(jìn)行保護(hù);二是電極間隙大和電化學(xué)作用產(chǎn)生的氣泡可及時(shí)將電極間隙的電蝕顆粒排出，提高了加工的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高加工速率。

(3)弱電解質(zhì)溶液中的EDM/ECM復(fù)合加工電極損耗率低的原因，一是沒有分解產(chǎn)物覆蓋在工件表面對(duì)工件進(jìn)行保護(hù)，可縮短工具電極被正離子轟擊的時(shí)間;二是陰極沉積動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償電極損耗。

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