電極內(nèi)沖氣外沖液的雙介質(zhì)高速電火花銑削技術(shù)

劉小勇 申 泱 陳濟輪

電極內(nèi)沖氣外沖液的雙介質(zhì)高速電火花銑削技術(shù)

劉小勇1申 泱2陳濟輪2

（1. 中國人民解放軍火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076；2. 首都航天機械有限公司，北京 100076）

研究電極內(nèi)高速氣體沖刷和電極外高速液體沖刷排屑（氣液組合高速電火花加工）的高速電火花銑削加工技術(shù)。電極管外的液體用來壓縮和冷卻氣體介質(zhì)，它能夠增加氣體介質(zhì)的排屑能力和冷卻加工間隙的能力。通過對比研究純氣體、純液體和氣液組合三種介質(zhì)模式的高速電火花銑削試驗，發(fā)現(xiàn)和氣中電火花加工相比，氣液組合電火花加工的材料去除率可以提高23%，寬度過切量可以減少15%，并獲得相似的表面粗糙度。和液中電火花加工相比，氣液組合電火花加工的優(yōu)勢體現(xiàn)在：表面粗糙度可以降低30%，寬度過切量降低50%，重鑄層厚度降低82%，微裂紋明顯減少。

電火花加工；高速加工；氣液組合電介質(zhì)；重鑄層

1 引言

鎳基高溫合金[1]、鈦合金[2]、硬質(zhì)合金[3]等難切削材料，由于其優(yōu)良的機械性能、優(yōu)秀的可焊接性，以及較高的性價比，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、石油化工等領(lǐng)域。然而，較低的加工效率一直制約著該類材料的應(yīng)用推廣。雖然國內(nèi)外專家進行了大量的試驗探索來提高該類材料的加工效率，如氧氣輔助[4]、超聲輔助[5]、磁場輔助[6]、壓電傳動裝置輔助[7]等，該材料的加工效率都沒有超過200mm3/min。

高速電火花銑削加工技術(shù)是一種通過大幅提高加工電流和脈沖寬度來提高加工效率的加工技術(shù)[8]。該技術(shù)和傳統(tǒng)電火花加工方法相比，電流從5～30A提高到1000A，脈沖寬度從100μs提高到10ms。該方法在加工鈦合金Ti6Al4V[9]時最大加工效率21494mm3/min，加工模具鋼時的最大加工效率12688mm3/min[10]，明顯高于傳統(tǒng)電火花加工。在該技術(shù)中，液體介質(zhì)的高速沖刷保證了碎屑的快速去除。然而，使用液體介質(zhì)的高速電火花加工會在被加工表面產(chǎn)生較高的粗糙度、較厚的重鑄層、較大的放電坑和較多的微裂紋。而使用氣體介質(zhì)的高速電火花加工又會呈現(xiàn)出較低的加工效率和較厚的熱影響層[11]?？梢婋娊橘|(zhì)對高速電火花加工具有重要的影響。

本文使用兩種不同的電介質(zhì)研究基于空芯管狀電極的高速電火花銑削技術(shù)。其中高速氣體從電極的內(nèi)部沖入加工間隙，而高速液體介質(zhì)從電極外部沖入。分別對比氣、液、氣-液組合介質(zhì)下的加工效果，研究介質(zhì)類型、氣體壓力和液體壓力對材料去除率、表面粗糙度和寬度過切量的影響。

2 不同介質(zhì)的研究情況

Misbah等人[12]發(fā)現(xiàn)使用煤油介質(zhì)的電火花加工鋁合金6061T6能夠獲得比去離子水介質(zhì)更高的材料去除率。Dhakara和Dvivedi[13]研究發(fā)現(xiàn)在相同參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)干式電火花加工中，甘油和空氣的混合介質(zhì)比水和空氣的混合介質(zhì)能夠獲得更高的材料去除率。吳等人[14]發(fā)現(xiàn)表面活性劑可以提高電火花加工模具鋼SKD61的加工效率，歸因于較高的導(dǎo)電率和較少的放電延遲。陶[4]等人發(fā)現(xiàn)在電火花加工中，水-氣混合介質(zhì)可以獲得更好的表面粗糙度，而煤油-氣混合介質(zhì)可以獲得較高的材料去除率。Kao[15]等人研究發(fā)現(xiàn)和干式電火花加工相比，準(zhǔn)干式電火花加工能得到較快的材料去除率，更精確地加工外形，碎屑粘附更少；和液中電火花加工相比，準(zhǔn)干式電火花加工在小能量時能夠獲得更高的加工效率和更窄的放電間隙。申泱[16]等發(fā)現(xiàn)在高速電火花加工中使用霧介質(zhì)（水氣混合）比氣體介質(zhì)能夠獲得更高的材料去除率、更低的表面粗糙度和更窄的過切量。綜上所述，氣液混合介質(zhì)能夠獲得更好的加工效果。

3 實驗過程

3.1 實驗原理

電極內(nèi)部沖氣外部沖液的高速電火花加工原理圖如圖1所示。使用一臺自主開發(fā)的數(shù)控電火花機床對比銑削試驗；使用一臺高功率脈沖電源（最大峰值電流700A）連接在旋轉(zhuǎn)電極和工件兩側(cè)，以提供足夠的能量滿足加工需要；使用一臺最大氣壓0.7MPa的空氣壓縮機通過電極內(nèi)芯向加工間隙提供壓縮空氣；使用一臺最大壓力0.4MPa的水泵通過電極外部的沖液裝置向加工間隙提供高速液體介質(zhì)；氣體和液體對加工間隙的組合作用能夠影響火花放電過程，冷卻電極并高效地排除碎屑；使用一個氣壓計和一個液壓計分別測量氣體和液體的壓力值；利用一個工控機顯示加工狀態(tài)并控制運動卡，設(shè)置電源加工參數(shù)；使用一個運動控制卡作為下位機控制主軸的伺服運動和旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)送和接收脈沖電源信號。

圖1 電極內(nèi)部沖氣外部沖液高速電火花加工原理圖

3.2 實驗條件

一臺精度為0.1mg的天平稱重GH4169和石墨管加工前后的質(zhì)量；一個記錄精度為0.1s的秒表用來記錄加工持續(xù)的時間；一個測量精度0.02mm的游標(biāo)卡尺用來測量被加工位置的尺寸；一臺掃描電子顯微鏡用來觀察被加工材料表面的微觀形貌；一個連接在該掃描電子顯微鏡上的3D繪圖插件用來標(biāo)定GH4169的表面粗糙度。

3.3 實驗步驟

理論上，氣體和液體對加工間隙的組合作用效果能夠結(jié)合兩者的優(yōu)勢。為了驗證該假設(shè)，分別對比氣、液、氣-液組合介質(zhì)下的加工效果。試驗過程中，在鎳基高溫合金GH4169上加工長度80mm深度2mm的窄槽。對比試驗參數(shù)如表1所示。在試驗過程中，研究介質(zhì)類型、氣體壓力和液體壓力對材料去除率、表面粗糙度和寬度過切量的影響。

表1 高速電火花加工的工藝參數(shù)

4 結(jié)果與討論

4.1 介質(zhì)類型對加工性能的影響

圖2 不同介質(zhì)中GH4169 的加工性能（I=700A；U=310V；S=500r/min；td=9ms；ti=2ms）

分別使用氣體、液體和氣液組合作為電介質(zhì)進行高速電火花加工，獲得材料去除率、表面粗糙度和寬度過切量如圖2所示。電極內(nèi)氣壓為0.7MPa，外液壓為0.3MPa。氣液組合介質(zhì)加工可獲得比氣體介質(zhì)中更高的材料去除率。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是氣液組合介質(zhì)具有較高的介電強度和冷卻能力。介電強度和氣體壓力正相關(guān)。Kao等[15]使用氣液混合介質(zhì)進行電火花加工獲得了比氣中加工更高的材料去除率。研究發(fā)現(xiàn)氣液混合介質(zhì)較高的介電強度和粘度是提高材料去除率的主要原因。然而，在高速電火花加工中，介質(zhì)粘度對材料去除率沒有明顯影響。使用氣液組合電介質(zhì)進行高速電火花加工獲得的材料去除率明顯低于液體介質(zhì)，這可能是由于在氣液介質(zhì)中加工區(qū)域充滿的是氣體。

氣液組合介質(zhì)加工表面的粗糙度明顯低于液體介質(zhì)，這是由于氣液組合介質(zhì)氣體粘度較低，表面產(chǎn)生更淺的放電坑。氣液組合介質(zhì)的表面粗糙度與氣中加工類似，這可能是由以下兩方面原因造成的：一方面是氣液組合介質(zhì)有較高的介電強度，在單次放電中產(chǎn)生較大的放電坑，增加了表面粗糙度；另一方面，氣液組合介質(zhì)加工產(chǎn)生的碎屑在被加工表面沉積量的減少會減小表面粗糙度。

氣液組合介質(zhì)加工的寬度過切量低于氣體介質(zhì)，這可能是兩個原因造成的：一是介電強度較高的作用，二是碎屑堆積量少的效果。高的介電強度會產(chǎn)生一個較窄的放電距離，而電極側(cè)面較少量的工件材料堆積能夠減少電極的等效直徑。氣中加工和氣液組合介質(zhì)加工的寬度過切量均低于液體介質(zhì)，這歸因于液體介質(zhì)明顯高的介電強度。

4.2 內(nèi)部沖氣壓力對加工性能的影響

圖3 內(nèi)部沖氣壓力的影響

使用氣液組合電介質(zhì)進行高速電火花加工鎳基高溫合金GH4169，內(nèi)部沖氣壓力對材料去除率、表面粗糙度和寬度過切量的影響如圖3所示。氣液組合介質(zhì)的材料去除率隨著沖氣壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。而普通電火花加工中，碎屑沖刷作用的增強效果比介電常數(shù)的影響效果更大。氣液混合介質(zhì)液滴的尺寸會隨著氣體壓力的增大而減小[17]，從而增強介質(zhì)的冷卻能力，這可能是導(dǎo)致材料去除率增加的另一個原因。Lonardo 和Bruzzone[18]也發(fā)現(xiàn)在電火花加工中較大的介質(zhì)規(guī)準(zhǔn)會產(chǎn)生更高的材料去除率。

由于碎屑沖刷作用的改善和碎屑粘附在工件表面體積的減少，被加工材料的表面粗糙度隨著氣體壓力的增加逐漸減少。由于更多的工件材料被去除，寬度過切量隨著內(nèi)部沖氣壓力的增大有一定程度的增加。

4.3 外部沖液壓力對加工性能的影響

圖4 外部沖液壓力的影響

使用氣液組合電介質(zhì)進行高速電火花加工，外部沖液壓力對材料去除率、表面粗糙度和寬度過切量的影響如圖4所示。當(dāng)沖液壓力低于0.3MPa時，隨著外部沖液壓力的增大，材料去除率逐漸增大。Dhakara 和 Dvivedi[13]發(fā)現(xiàn)較高的氣體壓力能夠增強沖刷效果，從而導(dǎo)致材料去除率的提高。張彥振等[19]發(fā)現(xiàn)放電點的壓力大小也是影響材料去除特性的重要因素。當(dāng)液體壓力超過0.3MPa時，材料去除率隨著外部沖液壓力的

增大明顯下降。這是由于此時高速液體對放電間隙的壓縮作用明顯增強而冷卻作用保持在一個相對穩(wěn)定的水平。高度壓縮的氣體會減小放電區(qū)域氣體流動的速度，導(dǎo)致材料去除率下降。

外部沖液壓力的變化對表面粗糙度影響不大。由于在較高的沖刷壓力下更多的熔融材料被排出加工間隙，隨著外部沖液壓力的增大，加工的寬度過切量從0.8mm增加到1.1mm。

4.4 被加工表面和橫截面研究

分別使用氣體、液體和氣液組合作為電介質(zhì)進行高速電火花加工鎳基高溫合金GH4169，被加工表面和橫截面的顯微照片如圖5所示。和液體介質(zhì)加工相比，如圖5c所示，氣液組合介質(zhì)加工（圖5b）的表面燃燒坑明顯小而且淺。而氣中加工（圖5a）表面沒有發(fā)現(xiàn)類似的燃燒坑?？梢酝茰y出燃燒坑是由液體介質(zhì)在加工過程中產(chǎn)生的。當(dāng)高速氣體遇到液體時會產(chǎn)生許多微小的液滴，這些液滴在放電加工時會汽化并在加工時產(chǎn)生燃燒坑。由于這些燃燒坑，氣液組合介質(zhì)加工的表面粗糙度明顯低于液體介質(zhì)加工。

圖5 不同介質(zhì)中高速電火花加工GH4169表面和橫截面的顯微照片

氣液組合介質(zhì)中重鑄層厚度約180μm，而液體介質(zhì)中的重鑄層厚度超過1000μm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是氣體的冷卻能力明顯低于液體。在液體介質(zhì)加工的工件橫截面上可以發(fā)現(xiàn)許多微裂紋和微氣泡，在氣體和氣液組合介質(zhì)加工中未被發(fā)現(xiàn)，如圖5d所示，這是由于氣體的冷卻能力低于液體。Wong等人[20]研究發(fā)現(xiàn)更多的熱量傳遞到母體材料能夠減少表面裂紋，因此較高的冷卻能力會減少傳遞到母體材料的能量比例，從而增多表面微裂紋。

5 結(jié)束語

本文分別對比氣、液、氣-液組合介質(zhì)下的加工效果。研究介質(zhì)類型、氣體壓力和液體壓力對材料去除率、表面粗糙度和寬度過切量的影響。得到如下結(jié)論：

a. 和氣中電火花加工相比，氣液組合電火花加工的材料去除率可以提高23%，寬度過切量可以減少15%，并獲得相似的表面粗糙度。和液中電火花加工相比，氣液組合電火花加工的優(yōu)勢體現(xiàn)在：表面粗糙度可以降低30%，寬度過切量降低50%，重鑄層厚度降低82%，微裂紋明顯減少；

b. 由于高氣壓會產(chǎn)生較高的氣流速度，因此隨著電極內(nèi)部氣壓的增加，在氣液組合介質(zhì)的加工中獲得較快的材料去除率、較優(yōu)的表面粗糙度和較少的寬度過切量；

c. 以材料去除率為考核標(biāo)準(zhǔn)，外部沖液壓力存在一個最優(yōu)值為0.3MPa；

d. 和液體介質(zhì)加工相比，氣液組合介質(zhì)加工的表面燃燒坑明顯小而淺，因此氣液組合介質(zhì)加工中表面粗糙度較低，微裂紋較少。氣液組合介質(zhì)加工產(chǎn)生的重鑄層厚度大約為180μm。

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High-speed EDM Milling with In-gas and Outside-liquid Electrode Flushing Techniques

Liu Xiaoyong1Shen Yang2Chen Jilun2

71. First Military Representative Office of CPLA Rocket Army Equipment Department in Beijing Area,Beijing 100076；2. Capital Aerospace Machinery Co.,Ltd.,Beijing 100076)

This study investigates the high-speed electrical discharge machining (EDM) milling process with high-speed gas flushing in electrode inner and liquid in outer (gas-liquid high-speed EDM). The liquid in electrode outer is used to compress and cool the gas dielectric, which can add to the capacity of expelling the debris and cooling the machining gap for gas dielectric. Comparative milling experiments of high-speed EDM using gas, liquid and gas-liquid as dielectric were conducted. Compared to gas EDM, the MRR of gas-liquid EDM can improve 23% and the WOC can reduce 15% with the same SR. Gas-liquid EDM shows advantages over the liquid EDM in reducing 30% SR, 50% WOC, 82% re-solidified layer thickness and significantly fewer micro-cracks.

EDM；high-speed machining；air-liquid dielectric；re-solidified layer

2019-07-29

“十三五”裝備預(yù)研共用技術(shù)（41423030406）；“十三五”裝備預(yù)研領(lǐng)域基金重點項目（61409230307)。

劉小勇（1980），碩士，航天工程專業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品特種加工。