電導(dǎo)率對電火花小孔加工速度影響的研究

唐浩峰，曹明讓，劉維進(jìn)，聶常瑞

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024)

0 前言

電火花加工技術(shù)是利用脈沖放電時的電腐蝕對導(dǎo)電材料進(jìn)行加工，使零件達(dá)到預(yù)定要求的加工方法［1］，廣泛應(yīng)用于模具、刀具、微細(xì)加工等領(lǐng)域。電火花小孔加工是電火花加工的應(yīng)運(yùn)技術(shù)之一，它可以在各種導(dǎo)電材料上加工各種小孔。電火花小孔加工中加工速度、電極損耗、小孔質(zhì)量是衡量加工工藝的重要指標(biāo)，影響加工速度的因素可分為電參數(shù) (脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流等)和非電參數(shù) (排屑條件、電極材料和極性、工件材料等)，通過不同添加劑改變工作液電導(dǎo)率，提高放電間隙，優(yōu)化排屑條件勢必會對電火花小孔加工速度產(chǎn)生影響。

在自來水工作液中分別添加PAA(聚丙烯酸)和PAAS(聚丙烯酸鈉)及NaCl(氯化鈉)進(jìn)行實驗，得出了工作液電導(dǎo)率與加工速度的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)電導(dǎo)率的提高可使加工速度提高，超過一定范圍會使加工不穩(wěn)定、工作液消電離受阻，甚至出現(xiàn)“二次放電”，使加工速度降低，最后得到電火花小孔加工中工作液最佳電導(dǎo)率范圍，此結(jié)論對電火花小孔加工工作液的配置有一定參考意義。

1 電導(dǎo)率對加工速度影響的理論分析

電火花小孔加工過程可以分成:電離準(zhǔn)備、放電熱蝕和消離拋出3個階段。在電離準(zhǔn)備階段，又可分為建立電場、極化搭橋和電子發(fā)射。在加工時兩極間會迅速建立一個電場，場強(qiáng)F與電壓U和極間距離S一定關(guān)系:

當(dāng)F足夠大時，極間絕緣的工作液分子會被極化，在極間形成一個低阻通道。隨著場強(qiáng)F的不斷增大，會出現(xiàn)場致電子發(fā)射，從陰極激發(fā)出的電子在電場作用下高速撞擊極間工作液中的中性分子或原子，使其電離。如果在工作液中加入添加劑，使得原有自來工作液含有更多金屬離子，在電場作用下這些離子會集中到場強(qiáng)F最大的區(qū)域，在極間形成一個導(dǎo)電微粒通道，使發(fā)生場致電子發(fā)射所需場能減小。由式 (1)可知，電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率提高后，加工時所需場強(qiáng)F減小，電壓U減小，極間距離S會增大。單個脈沖能量Wo與放電電壓U、電流I和脈沖寬度ti成函數(shù)關(guān)系:

式中:i為間隙瞬間電流，u為間隙瞬間電壓。

電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率提高后，u會減小，由式 (2)可知，在給定間隙電流i不變時，間隙中單個脈沖放電能量Wo會減小。但由于電火花小孔加工中，影響單個脈沖蝕除量q的因素很多，除Wo外還與有效脈沖利用率φ、放電頻率f、加工時間t和與工作液等相關(guān)工藝參數(shù)Ka有關(guān):

由式 (3)可知，雖然單個脈沖能量Wo會由于工作液電導(dǎo)率的提高而減小，但在一定值，工作液等相關(guān)工藝參數(shù)Ka的改變會補(bǔ)償損失，使單個脈沖蝕除量q增加。在電火花小孔加工時，極間距離S的適當(dāng)增加，會使電腐產(chǎn)物不易孔內(nèi)的沉聚，加工碎屑容易排出，不易發(fā)生“二次放電”，加工更加穩(wěn)定，加工速度提升，但加工間隙太大會導(dǎo)致放電空載概率增大，使加工速度大大降低。因此極間距離S在一定值時，會使得加工速度提高，對應(yīng)最佳的工作液電導(dǎo)率值。

2 實驗及分析

2.1 PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實驗

PAAS(Sodium Polyacrylate)和PAA(Polyacrylic Acid)是聚羧酸類阻垢水分散劑，PAAS學(xué)名為聚丙烯酸鈉，PAA學(xué)名為聚丙烯酸，二者結(jié)構(gòu)式見圖1。PAAS和PAA具有除具有相同分散性外，PAAS可電離出鈉離子提高工作液電導(dǎo)率，因此選用這兩種添加劑做對比實驗，二者參數(shù)見表1。

圖1 PAAS和PAA結(jié)構(gòu)式

表1 PAAS和PAA參數(shù)

實驗在D703F電火花小孔機(jī)床上進(jìn)行，工具電極為負(fù)極φ2 mm的黃銅管狀電極;被加工工件接正極，使用8 mm厚的不銹鋼板;工作液壓力p為2.0 MPa，工具電極轉(zhuǎn)速n1為120 r/min，加工電流脈沖寬度ti為35μs，電流強(qiáng)度為9 A;工作液電導(dǎo)率使用HM電導(dǎo)率儀測量，實驗室溫度為23℃，基本誤差為±1%。工作液濃度為添加劑與自來水的體積比η(‰);小孔深度h(mm)與加工擊穿時間t(min)的比值為小孔加工的加工速度va(mm/min)。以不同工作液進(jìn)行電火花小孔加工實驗，所得數(shù)據(jù)見表2，電導(dǎo)率隨濃度變化關(guān)系如圖2所示，加工速度隨濃度的變化如圖3所示。

表2 實驗一所得數(shù)據(jù)

圖2 電導(dǎo)率隨濃度變化

圖3 加工速度隨濃度變化

由圖2、3可見，PAAS和PAA工作液電導(dǎo)率隨濃度增加而變大，但PAA工作液沒有游離的鈉離子，故電導(dǎo)率隨濃度變化比較小。(1)在工作液濃度在0～4‰范圍內(nèi)時，PAAS工作液加工速度曲線斜率大于PAA工作液加工速度曲線斜率，這是因為前者電導(dǎo)率變化幅較大，電導(dǎo)率的增加使放電間隙變大，有利排屑，促使加工速度提高;(2)當(dāng)工作液濃度為4‰時，PAAS和PAA工作液電導(dǎo)率分別達(dá)到1 770 μs/cm和900μs/cm，2種工作液加個速度均達(dá)到最大值，PAAS工作液最大加工速度為1.93 mm/min大于PAA工作液的最大加工速度1.8 mm/min，與自來水工作液相比提高了32.2%，已知二者分散性能相同，可見電導(dǎo)率的區(qū)別使二者最大加工速度不同;(3)隨后工作液濃度和電導(dǎo)率繼續(xù)升高，加工速度反而下降，這是因為分散劑大于一定濃度后，會引起碎屑顆粒團(tuán)聚，分散劑的分散性減弱，排屑環(huán)境變差，加工的不穩(wěn)定性增加，使得電火花小孔加工的加工速度降低，但此時電導(dǎo)率的增大導(dǎo)致了使用PAAS工作液加工出現(xiàn)“二次放電”，有效放電脈沖率減小，加工速度大幅下降，因此出現(xiàn)PAAS工作液的加工速度下降幅度大于PAA工作液的加工速度下降幅度的現(xiàn)象。

2.2 NaCl工作液的電火花小孔加工實驗

所用實驗條件與PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實驗相同，稱量設(shè)備為FA2004A電子天平，工作液為同質(zhì)量濃度的NaCl水溶液，質(zhì)量濃度為NaCl質(zhì)量與自來水體積的比值，單位為g/L。由表2可見，PAAS工作液電導(dǎo)率在1770時，電火花小孔加工速度達(dá)到最大，因此配制NaCl工作液時，需電導(dǎo)率儀和電子天平同時使用，使工作液電導(dǎo)率接近不同濃度的PAAS工作液。用不同濃度NaCl工作液進(jìn)行電火花小孔加工實驗，所得數(shù)據(jù)如表3所示，加工速度隨電導(dǎo)率的變化如圖4所示。

表3 實驗二所得數(shù)據(jù)

圖4 加工速度隨電導(dǎo)率的變化

由實驗數(shù)據(jù)可見，排除PAAS工作液對加工碎屑分散性的作用，使用NaCl水溶液作為工作液僅提高工作液電導(dǎo)率，加工速度比原有自來水工作液加工速度有所提高，變化曲線為駝峰曲線，且最大加工速度所對應(yīng)電導(dǎo)率與實驗一相同。(1)當(dāng)NaCl水溶液工作液濃度小于1.29 g/L，即工作液電導(dǎo)率小于1 780 μs/cm，電火花小孔加工速度隨工作液電導(dǎo)率增大而增加，這是因為電導(dǎo)率的增大使加工間隙變大，小孔加工時有利排屑，加工穩(wěn)定較好，使加工速度提高;(2)在工作液濃度為1.29 g/L時，加工速度達(dá)到最大值，此時工作液電導(dǎo)率為1 780μs/cm;(3)工作液濃度和電導(dǎo)率繼續(xù)增大，電火花小孔加工速度急劇下降，甚至低于自來水工作液的加工速度，這是由于工作液電導(dǎo)率超過臨界值，放電間隙太大，產(chǎn)生“二次放電”現(xiàn)象，放電空載概率增大，有效脈沖率降低，使加工速度大大下降。

3 結(jié)論

(1)電火花小孔加工中，使用一定濃度的PAAS和PAA工作液，會使加工速度提高。PAAS工作液濃度為4‰時，加工速度達(dá)到最大，比原有自來水工作液提高了32.2%。(2)一定濃度的PAAS和PAA工

作液分散性相同，但電導(dǎo)率不同，故在電火花小孔加工中加工速度不同，前者加工性能優(yōu)于后者。 (3)NaCl工作液也使電火花小孔加工速度提高，最佳濃度時的電導(dǎo)率與PAAS最佳濃度電導(dǎo)率相同。(4)電火花小孔加工中存在工作液的最佳電導(dǎo)率值為(1 770±1%)μs/cm，此結(jié)論對D703F電火花小孔機(jī)床工作液的配置有一定參考意義。

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