電火花放電通道運(yùn)動遷移試驗(yàn)研究

徐安陽，王曉明，朱 勝，韓國峰，袁鑫鵬

（ 陸軍裝甲兵學(xué)院，裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072 ）

電火花加工具有不受工件材料強(qiáng)度和硬度等機(jī)械性能限制、無宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、儀器和儀表等工業(yè)領(lǐng)域，是目前應(yīng)用廣泛且具有發(fā)展前景的特種加工方法之一。 電火花加工是利用兩極之間擊穿放電，形成等離子體放電通道，熔化、氣化兩極材料，達(dá)到去除材料的目的，因此等離子體放電通道的形成和變化過程等直接影響放電蝕除及放電凹坑的形貌等加工特性。 研究等離子體放電通道，對于更好地分析火花放電微觀過程和電火花加工機(jī)理具有重要意義。

目前， 國內(nèi)外學(xué)者對放電通道做了一定研究。趙偉等[1]研究發(fā)現(xiàn)放電通道中主要是電子在運(yùn)動，放電通道發(fā)生了跳躍。Weingartner 等[2-3]研究了電火花線切割中電極絲與工件相對移動速度對加工的影響，認(rèn)為過大的相對速度使等離子體通道易滑過陽極，產(chǎn)生拉長的放電蝕坑，影響放電蝕坑的形狀和蝕除量。 Kunieda 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，陰極表面的放電通道比陽極表面的易滑移， 且隨著電極轉(zhuǎn)速增加，工具電極損耗率下降。 Kojima 等[5]研究了放電通道半徑在不同電流、 放電間隙等參數(shù)下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)放電通道可在被擊穿的幾個微秒內(nèi)完成擴(kuò)張，且隨著放電電流和放電間隙的增大， 電弧直徑增大。 Dibitono 等[6]發(fā)現(xiàn)在加工速度最高的情況下，一個峰值電流對應(yīng)一個最佳脈沖寬度。 彭子龍等[7]應(yīng)用Ansoft Maxwell 有限元分析軟件對微細(xì)電火花放電通道的磁場分布和磁場強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，得到了放電通道自身磁場特性及工藝參數(shù)對放電通道的影響規(guī)律。 邱玉良[8]測量并研究了電火花放電通道的半徑與氣體密度時間演化及影響規(guī)律。 張發(fā)旺等[9]基于圓柱形等離子體變物質(zhì)擴(kuò)張的觀點(diǎn)，研究了放電通道擴(kuò)張的規(guī)律，并建立了一個瞬態(tài)熱分析模型用來研究電火花放電加工的材料去除過程。何春華等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著工具電極電阻提高，放電電流峰值逐漸降低，脈沖放電時間增加，放電能量減小，放電凹坑直徑逐漸降低。楊飛等[11]提出了一種雙極性通用型電火花加工用脈沖電源，保證加工過程中單次放電能量的一致。 Kojima 等[12]利用高速攝像機(jī)研究了放電通道半徑在不同電流、放電間隙等參數(shù)下的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)放電通道擴(kuò)展在很短時間內(nèi)就已經(jīng)完成。 Pandey 等[13]分析了電火花加工中等離子體通道尺寸隨脈沖持續(xù)時間的變化規(guī)律，提出了一種評價(jià)電火花加工再結(jié)晶層厚度的方法。 常偉杰等[14]研究了脈沖放電通道的形成與擴(kuò)展機(jī)理，并根據(jù)理論推導(dǎo)建立了單脈沖放電通道直徑擴(kuò)展的數(shù)學(xué)模型。 彭威震等[15]基于Ansys 軟件建立了移動熱源的有限元模型，分析了單脈沖放電過程中溫度場在工件表面的分布及幾何模型中心點(diǎn)溫度隨時間的變化規(guī)律。魏國等[16]的研究表明，用短脈沖小功率沉積和較小的潤濕角電極，相關(guān)聯(lián)時序控制開關(guān)電源能有效提高沉積層的質(zhì)量。 亓利偉等[17]對放電通道的波動特性進(jìn)行的研究表明，放電通道的波動可分解成縱波和橫波兩個分量，并對材料的拋出機(jī)理作出了符合實(shí)際加工的解釋。 崔景芝等[18]研究發(fā)現(xiàn)放電通道達(dá)到平衡狀態(tài)時，放電通道的負(fù)極為喇叭口形，中部為腰鼓形。倪楊等[19]通過對單脈沖放電通道的等離子體振蕩特性研究，發(fā)現(xiàn)放電電流初始階段和短脈沖加工對電極損耗的影響。 朱凱等[20]對放電等離子體通道進(jìn)行了深入研究，建立了一個適用于微細(xì)電火花放電加工的等離子體擴(kuò)展模型。

上述研究雖然對放電通道的結(jié)構(gòu)、變化特點(diǎn)及規(guī)律做了一定研究，但對于兩極相對運(yùn)動速度對放電通道結(jié)構(gòu)和遷移的影響，并沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析。 本文利用電極靜止、工件旋轉(zhuǎn)的單脈沖放電系統(tǒng)進(jìn)行放電通道運(yùn)動遷移單脈沖試驗(yàn)，研究極間相對運(yùn)動速度對放電通道運(yùn)動遷移的影響規(guī)律，建立電火花加工/沉積放電通道運(yùn)動遷移模型，為電火花加工/沉積打下理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

放電通道遷移單脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)原理見圖1。 電源是自制RC 電源， 經(jīng)斬波器分別與電極和工件相連，根據(jù)放電設(shè)定控制放電脈沖寬度，調(diào)制形成脈沖電源；試驗(yàn)時，調(diào)速電機(jī)帶動工件高速旋轉(zhuǎn)，電極在步進(jìn)電機(jī)的帶動下逐步向工件靠近，到達(dá)放電間隙時產(chǎn)生擊穿放電，形成放電通道，由工件的旋轉(zhuǎn)在兩極間產(chǎn)生相對運(yùn)動，誘發(fā)放電通道產(chǎn)生運(yùn)動遷移。 通過檢測兩極之間有無電流變化判斷是否放電，若極間產(chǎn)生放電，則控制工具電極與工件表面保持相對距離，生成完整的放電蝕坑。

圖1 放電通道遷移單脈沖試驗(yàn)原理圖

1.2 試驗(yàn)材料及參數(shù)

工件材料是直徑35 mm 的鋁青銅，工件轉(zhuǎn)速為50～2800 r/min；電極材料是直徑1 mm 的紫銅。試驗(yàn)參數(shù)是：開路電壓120 V、脈沖寬度1000 μs、峰值電流55 A。 試驗(yàn)放電介質(zhì)為空氣，采用單步進(jìn)給方式使電極靠近工件，通過電流觸發(fā)停止方式進(jìn)行。

1.3 表征與分析

采用TDS2024C 型數(shù)字存儲式示波器和CP401型電流探頭，以電流觸發(fā)方式采集兩極間放電的電壓和電流波形。采用OLS 型激光三維形貌測試儀觀察分析放電蝕坑微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 放電波形分析

采用圖1 所示放電通道運(yùn)動遷移單脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行兩極相對靜止和相對運(yùn)動 （工件轉(zhuǎn)速為1960 r/min）的單脈沖放電試驗(yàn)，采集得到的極間電壓和電流波形見圖2?？梢?，上述兩種運(yùn)動狀態(tài)下的放電波形基本相同，開路電壓為120 V，初始放電電壓約為20 V，之后均逐漸降低；結(jié)束時，電壓約為12 V，擊穿時的電流約55 A，放電時電流則降至約30 A，呈現(xiàn)了典型的RC 電源放電特性。 因此，穩(wěn)定的相對速度對兩極間放電狀態(tài)影響較小。

圖2 兩種運(yùn)動狀態(tài)下放電波形

2.2 極間相對速度對放電蝕坑長度影響

由表1 所示工件轉(zhuǎn)速和脈沖寬度計(jì)算單個放電脈沖內(nèi)兩極相對運(yùn)動距離，并采用三維形貌儀觀察不同轉(zhuǎn)速條件下生成放電蝕坑形貌并測量長度，求其平均值，得到的不同轉(zhuǎn)速下兩極相對運(yùn)動距離和放電蝕坑平均長度對比曲線見圖3。可見，隨著工件轉(zhuǎn)速增大，兩極相對運(yùn)動距離和放電蝕坑長度都呈現(xiàn)直線增大趨勢。 在靜止?fàn)顟B(tài)時，放電蝕坑為近圓形，其直徑約為0.51 mm。 在兩極相對運(yùn)動時，初始階段放電蝕坑長度大于極間相對運(yùn)動距離，當(dāng)相對速度大于1.5 m/s 時， 放電蝕坑長度小于相對運(yùn)動距離。 分析原因如下：初始階段極間相對運(yùn)動距離短且放電蝕坑直徑影響明顯，遷移距離與放電蝕坑半徑之和要大于兩極間運(yùn)動距離；當(dāng)極間相對運(yùn)動距離增大后， 擊穿延遲等降低了放電蝕坑的長度，放電蝕坑長度就小于極間相對運(yùn)動距離。

表1 不同工件轉(zhuǎn)速下電極相對運(yùn)動距離和放電蝕坑長度

圖3 單脈沖極間運(yùn)動距離與放電蝕坑長度

2.3 放電通道結(jié)構(gòu)分析

如圖4 所示，前述兩種運(yùn)動狀態(tài)下生成放電蝕坑明顯地分成了兩個部分，即：位于中心位置的完全熔化的放電蝕坑和位于放電蝕坑周圍的受熱而未完全熔化且呈現(xiàn)黑色的表面熱影響區(qū)。 在兩極相對靜止時（圖4a），放電蝕坑為完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)域明顯；在兩極相對運(yùn)動時（圖4b），放電蝕坑表面有明顯的熔化、熔融物重凝形成魚鱗狀多層疊加重凝堆積現(xiàn)象。 根據(jù)后熔化金屬材料會覆蓋前期熔化材料的規(guī)律可知，放電蝕坑由左向右逐次熔化重凝，則放電通道由左向右遷移。

圖4 兩種運(yùn)動狀態(tài)下放電蝕坑

由于放電蝕坑是等離子體放電通道在兩極表面的反映，則放電蝕坑的雙層結(jié)構(gòu)也表明放電通道具有內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)（圖5）。 由流注理論可知，兩極間放電擊穿之后，在放電通道外圍會產(chǎn)生磁場[21-22]，放電通道中的帶電粒子和電子受極間電場力FE和自身磁場電磁力FL的作用。 在電場力作用下，帶點(diǎn)粒子（正離子和電子）加速奔向兩極。 運(yùn)動的帶電粒子產(chǎn)生的自身磁場對帶電粒子有較強(qiáng)的約束作用，使其沿著特定區(qū)域向兩極運(yùn)動，該區(qū)域被稱為弧柱通道（圖5 所示P 處），飛離弧柱通道的帶電粒子大部分也在磁場作用下，沿回轉(zhuǎn)曲線運(yùn)動（圖5 所示BB′軸線）回歸弧柱通道，集中絕大部分的放電能量于特定范圍內(nèi)，加熱熔化兩極放電點(diǎn)材料，生成放電蝕坑見圖4a。

由于兩極距離很小，部分飛離弧柱通道的帶電粒子在電場力作用下加速向兩極運(yùn)動，在未回歸等離子體弧柱通道前就與兩極表面碰撞，對兩極表面材料加熱并形成熱影響區(qū)域， 即熱擴(kuò)散通道 （圖5所示 T 處），由于承載能量較少，只能加熱熔融部分表面材料。

少數(shù)速度較大的電子和帶電粒子，在連續(xù)碰撞中產(chǎn)生光子并釋放出大量光輻射，形成隨著時間推移而向熱擴(kuò)散通道外圍高速擴(kuò)展的放電光暈，被稱為光輻射通道（圖5 所示 L 處），其擴(kuò)散距離由放電能量和放電時間（脈沖寬度）決定。

圖5 放電通道結(jié)構(gòu)示意圖

由此可知， 電火花放電通道分為三個部分，即弧柱通道、熱擴(kuò)散通道和光輻射通道。

2.4 放電通道的運(yùn)動遷移

不同工件轉(zhuǎn)速下放電蝕坑微觀形貌見圖6。 可見，在兩極間存在相對運(yùn)動時，工件表面會生成長槽型放電蝕坑， 且隨著極間相對運(yùn)動速度增大，放電蝕坑長度增大、影響面積增大、熔化液化表面材料水平降低；當(dāng)兩極間相對速度過大時，工件表面會生成長達(dá)數(shù)毫米、部分?jǐn)嗬m(xù)、淺痕狀斷續(xù)熔化的放電蝕坑（圖 6c）。

圖6 不同工件轉(zhuǎn)速下放電蝕坑形貌

以上現(xiàn)象表明：①兩極間的相對運(yùn)動使放電通道發(fā)生遷移， 在工件表面生成長槽型狀放電蝕坑；放電通道遷移速度隨著兩極間相對運(yùn)動速度的增大而增大；②當(dāng)兩極間相對運(yùn)動速度過大時，放電通道由連續(xù)遷移向不連續(xù)、跳躍式遷移過渡，放電蝕坑也從連續(xù)向斷續(xù)發(fā)展；③放電通道運(yùn)動遷移受表面微觀結(jié)構(gòu)的影響，運(yùn)動路徑并不一致，生成的放電蝕坑形狀各異。

放電蝕坑形態(tài)和長度變化都表明極間相對運(yùn)動誘發(fā)了放電通道的運(yùn)動遷移運(yùn)動（圖7），其原理過程如下：

圖7 相對運(yùn)動放電通道遷移示意圖

（1）在電源作用下，兩極產(chǎn)生放電擊穿，形成了包含弧柱通道、熱擴(kuò)散通道和光輻射通道在內(nèi)的放電通道。

（2）當(dāng)兩極間有相對運(yùn)動時，放電通道兩端放電點(diǎn)之間的距離逐漸拉長，放電通道（弧柱）長度增大（圖 7），根據(jù)最小電壓原理[21，23-24]，電弧通過放電點(diǎn)的弧柱能量消耗最小， 也就是IEL 最小 （I 為電流，E 為弧柱電場強(qiáng)度，L 為弧柱長度）。 當(dāng)弧柱長度增大時，陰極斑點(diǎn)跳動自動選擇發(fā)射電子消耗能量最低的點(diǎn)，即弧長小的位置放電。 弧柱必然沿著降低電阻、減小弧柱長度的方向移動，形成與運(yùn)動方向相反的弧柱遷移路線。

（3）放電通道的剛直性作用推動其向運(yùn)動相反方向遷移。 當(dāng)電流通過等離子體空間時，在放電通道周圍產(chǎn)生環(huán)繞磁場（圖5），運(yùn)動的帶電粒子在電磁力FL的作用下，將其推向AA′軸線方向，當(dāng)電弧受機(jī)械作用使其偏離軸線方向時，自身磁場抵抗這種干擾，使電弧盡量保持在軸線方向，電流越大，電弧自身磁場強(qiáng)度越大，電弧通道受約束越大，電弧的剛直性越大，對極間運(yùn)動遷移的放電通道的推動力也就越大。

（4）放電通道遷移需電離遷移方向上的極間介質(zhì)形成新的放電通道， 需一定的擴(kuò)散電離時間，即放電通道連續(xù)遷移具有極限速度。 當(dāng)極間相對運(yùn)動速度超過極限速度時，放電通道為不連續(xù)、跳躍式傳播，甚至造成弧柱斷裂，結(jié)束放電，生成斷續(xù)不規(guī)則放電蝕坑。 在本試驗(yàn)條件下，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和初次出現(xiàn)斷續(xù)放電蝕坑的電極轉(zhuǎn)速可得出生成連續(xù)放電蝕坑的最大相對速度為4.6 m/s。

（5）放電蝕坑由弧柱通道釋放的熱量熔化、氣化工件表面材料生成，需有一定的能量密度。 隨著極間相對運(yùn)動速度增大，放電通道遷移的距離和作用面積均增大、 單位面積上的放電能量密度降低，對表面的熔化作用也逐漸降低，這表現(xiàn)為隨著放電蝕坑長度的增大，表面魚鱗狀波紋逐漸稀疏。 當(dāng)能量密度小于表面材料熔化所需能量密度時，放電區(qū)域會出現(xiàn)部分材料未熔化的現(xiàn)象，甚至生成斷續(xù)的放電蝕坑（圖6c）。若要利用放電通道遷移帶來的單脈沖放電面積大且均勻、 對基體熱影響減小等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電火花加工，則兩極之間的相對運(yùn)動速度不能大于放電通道的最大遷移速度。

（6）在放電通道運(yùn)動遷移過程中，凸凹不平的表面會使極間電場產(chǎn)生畸變，造成放電通道運(yùn)動遷移路線為非均衡直線，在電極波動范圍內(nèi)沿著表面凸出部分遷移，熔化工件材料生成形態(tài)各異和遷移路徑多樣化的放電蝕坑 （圖6a 和圖6b 所示彎曲狀）。 因此，遷移路徑由運(yùn)動方向決定，受表面微觀結(jié)構(gòu)的影響。

兩極間相對運(yùn)動使電火花放電通道運(yùn)動遷移，在加工表面生成更大面積的放電蝕坑，可有效熔化蝕除更大面積的表面材料，提高熔化效率能；放電區(qū)域能量密度降低， 對加工工件基體的熱影響降低，避免了放電通道在某一處持續(xù)電弧放電對加工表面的破壞作用，降低了電火花加工/沉積中放電熱對加工基體的影響，避免熱變形等不利影響。

3 結(jié)論

（1）兩極間穩(wěn)定的相對運(yùn)動對極間放電狀態(tài)影響較小，隨著極間相對運(yùn)動速度增大，放電通道遷移距離增大，生成放電蝕坑長度增大。

（2）電火花放電通道由弧柱通道、熱發(fā)散通道和光輻射通道組成。 放電通道運(yùn)動遷移主要由電場力和磁場的剛直性作用推動， 其連續(xù)性由放電能量、極間相對運(yùn)動速度、表面微觀結(jié)構(gòu)等決定，相對速度超過極限值時， 放電通道出現(xiàn)跳躍式遷移，生成點(diǎn)狀斷續(xù)放電蝕坑，甚至出現(xiàn)機(jī)械斷弧現(xiàn)象。

（3）在相對運(yùn)動作用下，放電通道沿運(yùn)動相反方向發(fā)生了運(yùn)動遷移，生成長槽狀放電蝕坑，遷移路徑由相對運(yùn)動決定，受表面微觀結(jié)構(gòu)影響。