電火花加工中積碳和二次放電的原因與對(duì)策

□齊 飛

電火花加工屬于特種加工，尤其在模具制造行業(yè)更是不可替代的一種加工方法。而在電火花加工過程中總會(huì)有各種原因的異常發(fā)生，這些異常在電火花加工中是難以避免的。在這種種異常之中，積碳和二次放電出現(xiàn)頻率最高，并且很難用理論數(shù)據(jù)進(jìn)行有效控制。在積碳和二次放電的問題上，現(xiàn)階段的研究尚未取得突破性進(jìn)展，所以經(jīng)驗(yàn)顯得尤為重要。

一、認(rèn)識(shí)積碳和二次放電

(一)積碳。積碳是指電極與工件放電間隙中的粉屑、加工液燃燒生成的碳化物、氣泡等電蝕產(chǎn)物，在冷卻排渣過程中來不及去除而淤積于某一處，使得此處產(chǎn)生集中放電，在工件表面形成燒傷或小坑，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生缺陷的現(xiàn)象。

(二)二次放電。二次放電是指加工粉屑排出狀況不良，已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等的介入而再次進(jìn)行的非正常放電的現(xiàn)象。

二、積碳和二次放電對(duì)產(chǎn)品的影響

積碳和二次放電都會(huì)影響工件的表面質(zhì)量，使表面粗糙度不均勻，產(chǎn)生加工缺陷，影響產(chǎn)品的使用。由于積碳會(huì)產(chǎn)生短路現(xiàn)象，使得機(jī)床不能完成火花放電，則極大地降低了加工效率。此外二次放電還會(huì)使加工深度方向產(chǎn)生斜度和加工棱角、棱邊產(chǎn)生圓角等方面問題。

三、積碳和二次放電的原因及對(duì)策

由上文可以看出，積碳和二次放電將影響工件的加工精度，特別在精密模具加工將會(huì)是致命的。下面來分析一下具體的原因并提出解決問題的對(duì)策。

(一)原因分析。

1.放電間隙設(shè)計(jì)不合理。在電火花加工中，放電間隙是指工具電極和工件之間產(chǎn)生火花放電的一層距離，在不同的地域或不同資料中放電間隙有時(shí)被稱為加工間隙、電極間隙和過切量。它的大小一般在0.01～0.5mm之間，實(shí)際效果反映在加工后工件尺寸的單邊擴(kuò)大量。放電間隙選擇的原則是:在該距離范圍內(nèi)，既可滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可適應(yīng)在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離及排出電蝕產(chǎn)物的要求。當(dāng)放電間隙不合理時(shí)則會(huì)產(chǎn)生積碳和二次放電現(xiàn)象。

2.電極材料選用不當(dāng)?，F(xiàn)階段電火花加工使用的電極材料一般是紫銅和石墨，兩種材料在使用中各有利弊。如在大脈沖寬度的負(fù)極加工中使用銅電極時(shí)，由于銅的密度大，而脈沖間隔又較小，因電極損耗而蝕除下來的金屬顆粒會(huì)沉積到底部，使工作液渾濁，增大了排屑難度，從而易產(chǎn)生二次放電。而石墨電極密度低，但在加工中會(huì)有細(xì)顆粒脫落，導(dǎo)致積碳。

3.工作液渾濁污染嚴(yán)重，過濾芯長(zhǎng)時(shí)間沒有更換。在電火花成形加工中，工作液具有一定的介電能力，它有助于產(chǎn)生脈沖式火花放電，形成放電通道，放電結(jié)束后又能恢復(fù)極間絕緣狀態(tài)。現(xiàn)階段電火花加工的工作液一般為電火花專用煤油，由于油基放電介質(zhì)粘度比較大、流動(dòng)性差，所以不利于電蝕產(chǎn)物的迅速排出;同時(shí)放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物淤積一處產(chǎn)生積碳，不利于加工進(jìn)行。隨著工作液長(zhǎng)時(shí)間的使用，工作液逐漸會(huì)變得稠密，電蝕的顆粒狀產(chǎn)物，如金屬顆粒、碳渣會(huì)懸浮在工作液中停留很長(zhǎng)時(shí)間而不易沉降，工作液混濁，放電間隙狀態(tài)惡化，產(chǎn)生“二次放電”降低加工穩(wěn)定性，影響加工質(zhì)量。如果此種情況下還存在工作液過濾系統(tǒng)的濾芯長(zhǎng)時(shí)間未更換，導(dǎo)致循環(huán)過濾系統(tǒng)不能有效工作，則更會(huì)加劇加工條件惡化，進(jìn)一步影響加工質(zhì)量。

4.放電條件選用不當(dāng)。放電條件主要是指放電電壓、放電電流、放電時(shí)間以及放電休止時(shí)間等參數(shù)。如果在加工過程中放電條件選用不當(dāng)，如粗加工過程中選擇了短的放電時(shí)間或是低的放電電流就會(huì)產(chǎn)生積碳現(xiàn)象，從而降低加工效率。

5.沖油方式不合理。放電過程中電蝕產(chǎn)物不斷被蝕除，若加工的工作液流動(dòng)性差，則電蝕產(chǎn)物(金屬微粒、汽泡、碳渣等)大量增加，會(huì)使介質(zhì)處于氣液混合狀態(tài)，產(chǎn)生二次放電現(xiàn)象。電蝕產(chǎn)物不能及時(shí)排除，則加工很難穩(wěn)定進(jìn)行。而且會(huì)使脈沖利用率及加工速度降低。

6.輔助功能設(shè)定不當(dāng)。合理利用輔助功能里的參數(shù)設(shè)定，對(duì)于提高表面粗糙度、控制電極消耗、尤其是對(duì)電蝕產(chǎn)物的排除等都有很大的幫助。而通過本文上述內(nèi)容可知，電蝕產(chǎn)物是否能順利排除是影響積碳和二次放電的關(guān)鍵性因素。輔助功能(以MAKION電火花機(jī)床為例)主要是控制加工過程中的抬刀，包括抬刀周期、抬刀模式、抬刀的次數(shù)、抬刀的方式以及各種開關(guān)量的設(shè)置。經(jīng)試驗(yàn)表明抬刀對(duì)于改善深槽及窄縫等微細(xì)加工的排屑，防止積碳和二次放電等現(xiàn)象有明顯影響，發(fā)展高速抬刀是必然趨勢(shì)。

(二)解決對(duì)策。

1.改變電極的實(shí)際間隙。一般情況在粗加工過程中會(huì)選擇較大的間隙，精加工過程中選擇較小的間隙。并根據(jù)工位形狀、特性、加工條件綜合考慮決定間隙的大小。

2.合理選用電極。應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工情況，根據(jù)電極材料的特性，揚(yáng)長(zhǎng)避短，合理選用電極。

3.定期更換工作液及過濾芯。不定期對(duì)油槽進(jìn)行清潔與維護(hù)。

4.依據(jù)下列內(nèi)容綜合考慮，選擇放電條件。加工面積的計(jì)算以電極的正投影面積為準(zhǔn)。對(duì)于尖角電極，開始適當(dāng)調(diào)小電流，隨著深度的增加逐漸加大電流。表面粗糙度:根據(jù)要求加工表面的粗糙度來選擇條件，最終條件要達(dá)到表面粗糙度要求。排屑狀況:當(dāng)排屑良好時(shí)，選擇無消耗的條件。當(dāng)排屑一般時(shí)，選擇小消耗條件。當(dāng)排屑不暢時(shí)，選擇大消耗條件。電極減寸量:電極減寸量越大，初始條件亦可選的越大。工件材質(zhì):在電火花加工中，促使工件融化的速度，決定于工件材料的熔點(diǎn)、熱傳導(dǎo)和比熱。原因是放電的瞬間溫度大體一樣，而工件吸收熱量使溫度升高。開始融化則決定于工件的熱傳道和比熱。熔點(diǎn)越高、熱傳導(dǎo)性越好、比熱越大，則放電脈沖時(shí)間越短，休止時(shí)間加長(zhǎng)。除以上選擇依據(jù)外，必要時(shí)可進(jìn)行試加工，以獲取最佳的放電條件。

5.加工中改變沖油方式。一般都采用強(qiáng)迫沖油以提高加工速度，但是對(duì)于一定的加工條件下沖油壓力會(huì)有一個(gè)臨界值，超過這個(gè)臨界值會(huì)使電極的消耗增大。所以，在高精度加工中，沖油壓力調(diào)節(jié)要適當(dāng)，以提高加工質(zhì)量，必要時(shí)也可采用吸油方式。

6.合理的設(shè)置輔助功能。目前交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，抬刀速度一般可達(dá)3～5m/min。日本Sadick公司AQ35L主軸采用直線電機(jī)控制，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，不用滾珠絲杠，沒有傳動(dòng)間隙，能實(shí)現(xiàn)高速度、高加速度移動(dòng)，滿足了EDM加工高速響應(yīng)的要求。最大驅(qū)動(dòng)力高達(dá)3，000N，快進(jìn)速度可達(dá)100m/min，最大加速度達(dá)到1g以上，能及時(shí)排除電蝕產(chǎn)物消除集中放電、二次放電。

另外，由于機(jī)床生產(chǎn)廠家不同，輔助功能的具體設(shè)置方法是各有不同的，不能一概而論。但不論是何種機(jī)床，輔助功能設(shè)置的原理是相通的。首先想要設(shè)好輔助功能就必須先學(xué)好相關(guān)的輔助功能的理論知識(shí)，然后通過實(shí)踐不斷去測(cè)試，對(duì)加工狀況進(jìn)行記錄，去對(duì)比，去驗(yàn)證，要綜合地去評(píng)估和觀察加工狀況之后，去調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，要達(dá)到靈活運(yùn)用和合理組合才能夠避免產(chǎn)生積碳和二次放電現(xiàn)象，真正體現(xiàn)出加工的技術(shù)和效率。

四、結(jié)語(yǔ)

以上對(duì)于電火花加工中的積碳和二次放電的原因?qū)Σ叩年U述，是筆者近些年來在電火加工方面的經(jīng)驗(yàn)的歸納和整理。電火花設(shè)備種類繁多，解決積碳和二次放電的方法也不盡相同，不能一篇盡述。希望能以此文與大家共同交流。

［1］張曉燕，梁榮.電火花加工中放電間隙影響因素的分析［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006

［2］彭文利，刁仁飛，黨新安.電火花成形加工中積碳問題的探討［J］.機(jī)床與液壓，2009

［3］馬仕龍.基于單脈沖電火花加工的材料蝕除機(jī)理研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006

［4］崔紅，龐中華，劉軍.電火花加工控制技術(shù)綜述［J］.電加工與模具，2005