正交磁場對電火花單脈沖放電間隙的影響

賈建宇 王燕青 楊勝強 李文輝

太原理工大學機械工程學院，精密加工山西省重點實驗室，太原，030024

正交磁場對電火花單脈沖放電間隙的影響

賈建宇 王燕青 楊勝強 李文輝

太原理工大學機械工程學院，精密加工山西省重點實驗室，太原，030024

通過普通電火花單脈沖放電(EDM)與磁場輔助電火花單脈沖放電(MF-EDM)放電間隙對比試驗，分析得出不同磁感應強度、開路電壓、放電電容及電極外伸端長度對磁場輔助電火花加工放電間隙的影響規(guī)律。試驗發(fā)現(xiàn)：隨著磁感應強度的增大，放電間隙增大；開路電壓和放電電容對放電間隙的影響較?。浑S著電極外伸長度的增大,放電間隙變小。最后對試驗數(shù)據(jù)進行部分析因分析，得出磁場輔助電火花加工中影響放電間隙的主要因素為磁感應強度、電極外伸長度及其交互耦合作用。

電火花加工；正交磁場；單脈沖放電；放電間隙

0 引言

電火花加工效率的提高是眾多學者長期以來所關注的研究課題，尤其是電火花加工逐漸普遍應用于航天航空、船舶制造等領域的特殊金屬材料工件或特殊結構工件的加工，其加工效率和加工精度的問題更為突出。研究結果表明，磁場輔助電火花加工(MF-EDM)可以有效提高加工效率。MANESH等[1]使用有限元法分析了磁場輔助電火花加工的材料去除率，結果證明磁場有助于熔池材料噴出從而提高了加工效率。劉宇等[2]研究了外加磁場對電火花小孔加工鐵磁材料的影響，證明其加工速度和電極損耗較普通電火花小孔加工有所改善。文獻[3-6]也一直致力于磁場復合電火花加工的加工效率的研究。

少數(shù)學者研究了磁場對電火花加工等離子體放電通道、電蝕凹坑等的影響。KUNIEDA等[7]較早開展了這方面的研究，以放電凹坑的位移證明了放電通道沿洛倫茲力方向的延展，磁通密度越大，伸展長度越長。GOVINDAN等[8]分析了環(huán)狀布局磁場條件下氣中和液中放電腐蝕凹坑直徑和深度的變化情況，發(fā)現(xiàn)磁場輔助電火花加工電蝕凹坑比普通電火花加工電蝕凹坑直徑減小20%，深度增大13%。JOSHI 等[9]在電火花氣中放電的基礎上布置正交的脈動磁場，通過加工效果證明磁場提高了放電通道中電子的電離度和運動速度。王燕青[10]分析了MF-EDM放電通道的形成及等離子體運動軌跡，進行了MF-EDM溫度場、電蝕凹坑仿真，并與試驗結果進行了對比分析。

目前國內外學者對MF-EDM的研究多集中于磁場的引入對加工效率的影響，分析的角度集中于磁場力引入對排屑的促進作用，而磁場的引入對放電間隙的影響進而對排屑流道的影響則未見報道；報道磁場對電蝕凹坑形態(tài)影響的文獻相對較少；磁場對放電等離子體通道影響的研究多集中于理論分析。放電間隙作為電火花加工中重要的參數(shù)，對放電電蝕產物的排出具有重要的影響，直接決定零件加工尺寸精度，因此，本文以MF-EDM中放電間隙為研究目標，在不同磁感應強度、開路電壓、放電電容、電極外伸長度參數(shù)下進行試驗研究，分析并獲得各參數(shù)在MF-EDM中對放電間隙的影響規(guī)律，并進行參數(shù)影響顯著度分析。

1 試驗方法及方案

1.1 試驗方法

以銳捷三軸數(shù)控銑床(進給精度為1 μm)為基礎運動平臺，集合放電模塊、單脈沖電路模塊、磁場發(fā)生裝置及測試裝置，自行搭建試驗平臺，如圖1所示。

圖1 試驗裝置簡圖Fig.1 Diagram of experimental equipment

磁場布置如圖2所示，圖3所示為單脈沖放電電路。

圖2 磁場布置簡圖Fig.2 Magnetic field installation diagram

圖3 單脈沖放電原理圖Fig.3 Schematic diagram of single pulse discharge circuit

首先，數(shù)控機床主軸Z方向大步距進給，當接近工件時，小步距進給，并利用萬用表的短路接觸感知功能判斷工具電極與工件的接觸情況，在工件與電極接觸時刻記錄機床數(shù)控系統(tǒng)Z軸坐標Z1，然后反方向抬起機床Z軸，抬起高度為50 μm，打開單脈沖放電直流電源及磁場裝置直流電源，電極下降直至放電發(fā)生，在放電發(fā)生時刻記錄機床數(shù)控系統(tǒng)Z軸坐標Z2，Z1、Z2的差值即放電間隙。

工具電極材料為AgW50，直徑為0.3 mm，試驗所用鈦合金材料為Ti80(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)，工件尺寸為120 mm×10 mm×5 mm，用于放電的工件的上下表面粗糙度為0.4 μm。使用SJ700特斯拉計測量磁感應強度，使用CM2202數(shù)字存儲示波器記錄放電波形。

1.2 試驗設計

試驗采用JMP10部分析因設計方法。JMP10是由SAS公司研發(fā)的用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的系列軟件，其中包含試驗設計單元和數(shù)據(jù)分析單元。采用JMP10進行部分析因設計并進行試驗參數(shù)的顯著性分析。析因設計是一種多因素的交叉分組設計，區(qū)別于全析因設計(即全因子試驗設計)，部分析因設計為提高試驗效率，軟件中選取全析因設計中的有效參數(shù)組合，生成部分析因設計數(shù)據(jù)表，其中輸入因素見表1，以放電間隙為輸出響應。

表1 輸入因素及其水平

2 試驗結果及分析

2.1 磁感應強度對放電間隙的影響

圖4a～圖4d分別給出了電極外伸長度L為20 mm,電容為100 μF、220 μF、330 μF、470 μF時，放電間隙隨磁感應強度變化曲線圖?？梢钥闯?，當磁感應強度低于0.2 T時，隨著磁感應強度的增大，放電間隙呈現(xiàn)緩慢增大的變化趨勢。當磁感應強度大于0.2 T時，放電間隙增大速度加快。

(a)C=100 μF

(b)C=220 μF

(c)C=330 μF

(d)C=470 μF1.V=80 V 2.V=100 V 3.V=120 V 4.V=140 V圖4 放電間隙隨磁感應強度變化曲線(L=20 mm)Fig.4 Variation curves of discharge gap with different magnetic field intensity(L=20 mm)

工具電極與工件之間未形成放電通道前，在正交磁場作用下，電子的激發(fā)溫度隨磁感應強度的增大而降低[11]。磁感應強度增大，電子逸出電極表面所需給予的能量減小，在較大的放電間隙條件下就有電子逸出，因此，磁感應強度增大導致放電間隙的增大。

在帶相同電荷時，磁場洛倫茲力對離子產生的加速度遠小于電子，磁場主要影響電子的擴散，對場致發(fā)射電子的膨化作用使周圍空氣離子化程度增加，進而使放電通道內電流增大[12]。磁場造成放電的非對稱壓縮，使單側場致發(fā)射電子密度增大[13-14]，如圖5所示，磁場的引入有利于放電通道的形成及擴展。根據(jù)ZAIDI等[15]的研究結果，不同磁場下，洛倫茲力使電子運動速度增大，電子的運動自由度增大，在0.3 T磁場下，電子速度可增大近一倍，即磁場的引入使得電子具有更大的運動速度，可以在較大的放電間隙條件下形成放電通道。

圖5 無磁場與有磁場時電子運動簡圖Fig.5 Electronic motion diagram with or without magnetic field

綜上所述，磁場的引入改變了電子的激發(fā)溫度，提高了通道內電子密度，使放電電流密度增大；提高了電子運動速度，增加了放電能量。因此，隨著磁感應強度的增加，電火花放電間隙增大。

2.2 開路電壓對放電間隙的影響

電容為330 μF，電極外伸長度分別為20 mm、35 mm、50 mm條件下，放電間隙隨開路電壓變化曲線如圖6所示。可以看出，在磁場輔助的電火花加工中，放電間隙有隨電壓增大而增大的趨勢，但變化幅度較小，因此，開路電壓對放電間隙的影響相對其他參數(shù)并不顯著?？赡艿脑蚴?，電子偏轉導致最終放電通道的偏轉，但其偏轉路徑內、外側電離度存在差異，容易造成單次放電失穩(wěn)；王續(xù)躍等[16]通過電火花加工鈦合金研究證實，在無外加磁場時，放電通道已經呈現(xiàn)不均勻性；田希暉等[14]也指出，在磁場作用下，放電周期內出現(xiàn)了大電流脈沖，放電呈不均勻性，隨著磁感應強度的增大，放電的不均勻性也增大，因此，磁場的存在使放電不穩(wěn)定，可能導致放電間隙不隨放電能量的增加而呈現(xiàn)增大特性。

(a)L=20 mm

(b)L=35 mm

(c)L=50 mm1.B=0 2.B=0.1 T 3.B=0.2 T 4.B=0.3 T圖6 放電間隙隨電壓的變化曲線Fig.6 Variation curves of discharge gap with different voltage

2.3 電容對放電間隙的影響

在正交磁場作用下的放電間隙隨電容的變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，電極外伸長度為20 mm，開路電壓分別為80 V、100 V、120 V情況下，電容值為330 μF時放電間隙最大；開路電壓為140 V情況下，電容值為220 μF時放電間隙較大。另外從圖7中還可以看出，隨著放電電容的增大，放電間隙先增大后減小。但是在磁感應強度較小(0、0.1 T、0.2 T)的情況下，放電間隙變化范圍較小。南京大學綜合化學試驗室在研究 RC電路火花光源時發(fā)現(xiàn)，增大電容C，電容器貯存的能量增加，放電峰值電流增大，同時振蕩周期T延長，放電速度變慢，電流密度實際上改變不大，因此，放電間隙隨著電容變化在小范圍內波動。磁感應強度為0.3 T時，放電間隙的變化范圍較大?？赡茉蚴谴艌鍪狗烹娛Х€(wěn)，隨著磁感應強度的增大，放電的不均勻性也增大[15]。

(a)V=80 V

(b)V=100 V

(c)V=120 V

(d)V=140 V1.B=0 2.B=0.1 T 3.B=0.2 T 4.B=0.3 T圖7 放電間隙隨電容的變化曲線(L=20 mm)Fig.7 Variation curves of discharge gap with different capacitance(L=20 mm)

上述規(guī)律表明，磁感應強度和放電電容值之間存在最佳匹配關系。進一步而言，為了使加工間隙充分大，從而獲得更有利的排屑條件，應選擇磁感應強度與放電能量的最優(yōu)匹配關系。本試驗表明，開路電壓不大于120 V時，采用330 μF的電容值可使MF-EDM中的放電間隙最大；開路電壓為較高值140 V時，較大加工間隙所對應的電容值為220 μF。

2.4 電極外伸長度對放電間隙的影響

放電間隙隨電極外伸長度(即圖1中的L值)的變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，當開路電壓、電容及磁感應強度相同時，隨著電極外伸長度的增大，放電間隙逐漸變小。

(a)V=80 V

(b)V=100 V

(c)V=120 V

(d)V=140 V1.B=0 2.B=0.1 T 3.B=0.2 T 4.B=0.3 T圖8 放電間隙隨電極外伸長度的變化曲線(C=330 μF)Fig.8 Variation curves of discharge gap with different electrode overhang length(C=330 μF)

電極的外伸長度不同，導致陽極與陰極間的電場線密度不同，且工具電極上的電荷線密度不同，陽極、陰極間的電場強度也不同。應用MAXWELL軟件模擬極間電場分布，電場分布軸對稱，故建立半電場仿真模型，模型如圖9所示，微細電極與工件之間的電勢差為100 V，電場分布云圖見圖10。不同電極外伸長度仿真建模過程中，設置相同的放電間隙。從圖10可以看出，電極外伸長度較短時，極間電場強度大，這也意味著在相同開路電壓條件下，電極伸出長度較小時，放電間隙較大就可以引起場致電子發(fā)射。隨著電極外伸長度的增大，放電間隙減小。此外附加磁場后同時導致電子激發(fā)溫度降低，所以從圖8中可以看出，隨著磁感應強度的增大，放電間隙增大。

圖9 電場仿真模型Fig.9 Electric field simulation model

L=20 mm L=35 mmL=50 mm圖10 不同電極外伸長度的電場分布Fig.10 Electric field distributionwith different electrode overhang length

3 試驗數(shù)據(jù)部分析因分析

電火花放電間隙可采用下式進行計算[17]：

(1)

從式(1)可以看出，電火花加工放電間隙的主要影響因素是開路電壓及放電能量，然而在磁場輔助電火花加工中，輸入因素包括開路電壓、電容、磁感應強度及電極外伸長度，為了分析其中放電間隙的主要影響因素，通過JMP10部分析因分析得出，R2值為0.71，但分析結果得出總體模型矯正F比小于0.0001，即試驗數(shù)據(jù)總體偏離預測值的累計和較小，試驗數(shù)據(jù)的部分析因分析結果可信。

各因子顯著度見表2，因子包括磁感應強度B、電極外伸長度L、開路電壓V及電容C及各因素的交互作用，根據(jù)t比及其置信度分析結果，t比的值越大且大于|t|的概率小于0.0001，則認為該因素對放電間隙的影響是顯著的，在表中以上標*標注。其中,放電間隙的主要影響因子分別為磁感應強度、電極外伸長度及該兩因素的耦合作用。

表2 因子顯著度

MF-EDM放電間隙變化趨勢與部分析因分析結果相吻合，放電間隙隨磁感應強度及電極外伸長度的變化明顯。

4 結論

(1)磁場輔助電火花單脈沖加工試驗中，開路電壓、電容及外伸長度不變時，放電間隙隨著磁感應強度的增大而增大，磁感應強度達到0.3 T，電極外伸長度為20 mm時，放電間隙變化幅度較大，放電間隙最大達到39 μm。

(2)為使MF-EDM加工間隙充分大，可采用放電能量、電極外伸長度及磁感應強度的最優(yōu)匹配參數(shù)組合：外伸長度20 mm、磁感應強度0.3 T、電壓不大于120 V、電容值330 μF。

(3)磁場輔助電火花加工中，開路電壓、電容及磁感應強度一定，放電間隙隨著電極外伸長度的增大而減小，磁感應強度為0.3 T時放電間隙減小幅度較大。

(4)通過對試驗數(shù)據(jù)進行部分析因分析得出MF-EDM放電間隙的主要影響因素為磁感應強度、電極外伸長度及兩者的交互耦合作用。

[1] MANESH K K, NARAYANAN A A. Numerical Simulation of Magnetic Field-assisted Material Removal in Micro-EDM[J].Materials Science Forum,2015,830/831:104-107.

[2] 劉宇, 閻長罡, 張生芳, 等. 外加磁場對鐵磁材料電火花小孔加工的影響[J]. 電加工與模具,2014(1):13-16. LIU Yu, YAN Changgang, ZHANG Shengfang, et al. Influence of the Additional Magnetic Field on Small-hole EDM of Ferromagnetic Material[J]. Electro Machining and Mould,2014(1):13-16.

[3] CAO M R, GENG X D. Process Research on High-speed Small Hole Drilling by EDM Combined with Magnetic Field and Water Dispersant[J]. Advanced Materials Research,2011,189/193:269-272.

[4] 袁永全. 垂直磁場輔助的電火花加工的機理研究與試驗分析[D]. 太原: 太原理工大學,2007. YUAN Yongquan. Study on the Mechanism of Perpendicular Magnetic Field Assisted EDM and Simulation Analysis[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2007.

[5] 馬麗華, 楊世春, 曹明讓, 等. 永磁磁場與電火花復合加工試驗分析[J].新技術新工藝,2008(4):36-38. MA Lihua, YANG Shichun, CAO Mingrang, et al. The Experimental Analysis on the Permanent Magnet Field and EDM Compound Machining[J]. New Technology and New Process,2008(4):36-38.

[6] 葉明國, 楊勝強, 曹明讓. 永磁電火花復合深小孔加工流場排屑模擬[J]. 電加工與模具,2009(4):17-20. YE Mingguo, YANG Shengqiang, CAO Mingrang. Fluid Field Simulation of Debris Driven during Small Hole Permanent Magnetic Field and EDM Compound Drilling[J]. Electromaching&Mould,2009(4):17-20.

[7] KUNIEDA M, XIA H, NISHIWAKI N,et al. Observation of Arc Column Movement during 0020 Monopulse Discharge in EDM [J].CIRP Annals—Manufacturing Technology,1992,41(1):227-230.

[8] GOVINDAN P, GUPTA A, JOSHI S S, et al. Single-spark Analysis of Removal Phenomenon in Magnetic Field Assisted Dry EDM[J]. Journal of Materials Processing Technology,2013,213(7):1048-1058.

[9] JOSHI S, GOVINDAN P, MALSHE A, et al. Experimental Characterization of Dry EDM Performed in a Pulsating Magnetic Field[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology,2011,60(1):239-242.

[10] 王燕青. 垂直磁場輔助的電火花加工理論與仿真分析[D]. 太原：太原理工大學,2009. WANG Yanqing. Study on the Mechanism of Perpendicular Magnetic Field Assisted EDM and Simulation Analysis[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2009.

[11] 楊嘉祥, 張楠, 周恩平,等. 恒定磁場下水中交流電弧放電的特性[J].高電壓技術,2011,37(7):1760-1765.

YANG Jiaxiang, ZHANG Nan, ZHOU Enping, et al. Characteristics of AC Arc Discharge in Water with Constant Magnetic Field[J].High Voltage Engineering,2011,37(7):1760-1765.

[12] 田希暉, 車學科, 聶萬勝. 外磁場作用下的介質阻擋面放電研究[J]. 裝備學院學報,2012,23(3):120-124. TIAN Xihui, CHE Xueke, NIE Wansheng. Study of Dielectric Barrier Surface Discharge in External Magnetic Field[J].Journal of Academy of Equipment,2012,23(3):120-124.

[13] LEONOV S B, BITYURIN V A, YARANTSEV D A, et al. High-speed Flow Control due to Interaction with Electrical Discharges[C]//AIAA/CIRA 13th International Space Planes and Hypersonics Systems Technologies Conference. Capua,2005:1-12.

[14] SHANG J S, SURZHIKOV S T, KIMMEL R, et al. Mechanisms of Plasma Actuators for Hypersonic Flow Control[J].Progress in Aerospace Sciences,2005,41(8):642-668.

[15] ZAIDI S H, SMITH T, MACHERET S O, et al. Snowplow Surface Discharge in Magnetic Field for High Speed Boundary Layer Control[C]//44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno,2006:1006(1-13).

[16] 王續(xù)躍, 胡輝, 梁延德, 等. 鈦合金小孔電火花加工有限元仿真研究[J].中國機械工程,2013,24(13):1738-1742. WANG Xuyue, HU Hui, LIANG Yande, et al. Finite Element Simulation of Small-hole on Titanium Alloy Drilled by EDM[J].China Mechanical Engineering,2013,24(13):1738-1742.

[17] 白基成, 劉晉春,郭永豐，等. 特種加工[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013. BAI Jicheng, LIU Jinchun, GUO Yongfeng,et al. Non-traditional Machining[M].Beijing:China Machine Press,2013.

(編輯 陳 勇)

Investigation of Discharge Gap in Orthogonal Magnetic Field Assisted Dry Single-spark EDM

JIA Jianyu WANG Yanqing YANG Shengqiang LI Wenhui

Key Laboratory of Precision Machining of Shanxi Province,College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024

The experiments for comparing the discharge gaps in EDM and MF-EDM were conducted. Then the effects of magnetic field strength, open circuit voltage, capacitance and extension length of toolelectrode on discharge gaps were analyzed.The experimental results show that the discharge gaps increase with the increases of the magnetic field strengths. The open-circuit voltages and discharge capacitances do not have significant effects on the discharge gaps. In addition, the increases of the electrode extension lengths lead to the decreases of discharge gaps. Finally, the fractional factorial analysis of the experimental data shows that the magnetic field strengths, the extension lengths of toolelectrodes and their interaction are the main factors that affect the discharge gaps in MF-EDM.

electric discharge machining (EDM)；orthogonal magnetic field；single-spark discharge;discharge gap

2017-01-13

國家自然科學基金資助項目(51605323)；山西省自然科學基金資助項目(2014011026-3)；山西省研究生教育創(chuàng)新項目(2017SY029)

TG661DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2017.15.009

賈建宇，男，1992年生。太原理工大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為電火花加工。王燕青，男，1982年生。太原理工大學機械工程學院講師。楊勝強，男，1964年生。太原理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。李文輝，男，1975年生。太原理工大學機械工程學院教授。