劉 宇，閻長罡，張生芳，關(guān)天民，趙福令

（1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028；2.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024）

外加磁場對鐵磁材料電火花小孔加工的影響

劉 宇1，閻長罡1，張生芳1，關(guān)天民1，趙福令2

（1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028；2.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024）

針對電火花加工中電蝕產(chǎn)物排出困難、加工效率低、電極損耗嚴重等問題，研究了外加磁場對鐵磁性材料電火花小孔加工的影響，分析了鐵磁性電蝕微粒在加工區(qū)域受外加磁場磁力作用的影響規(guī)律，實驗研究了在不同電極材質(zhì)條件下，外加磁場對加工速度、電極損耗的影響。結(jié)果表明：采用磁場電火花復合加工方法在鐵磁材料工件上加工小孔，其加工速度和電極損耗都比普通電火花加工有明顯改善。

電火花加工；外加磁場；加工速度；電極損耗

電火花加工是利用正負電極間火花放電的電熱效應去除材料的一種特種加工技術(shù)。由于電火花加工過程幾乎不存在切削力，且不受材料強度、硬度限制，使其能完成各種難加工材料、復雜表面和某些特殊或極端要求的零部件的加工[1-2]。但在電火花加工技術(shù)的應用中，仍存在著較多問題，如：①電蝕產(chǎn)物排出困難，使加工過程不穩(wěn)定，加工效率低；②存在電極損耗，使加工精度降低等。這些問題在電火花小孔加工和電火花微細加工等一些因間隙空間小而使沖液對排屑效果不明顯的工況中顯得尤為突出[3]。采用外加磁場對鐵磁材料的工件進行電火花復合加工[4]，可通過外加磁場的磁力作用對火花放電的電蝕產(chǎn)物進行引導和收集，以改善因放電區(qū)域排屑不暢而造成的加工不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文在鐵磁材料的電火花小孔加工中引入垂直軸向磁場，理論分析并實驗研究了外加磁場對電火花加工電蝕產(chǎn)物排出及電極損耗的影響。

1 極間電蝕產(chǎn)物對放電過程的影響

電火花加工的放電過程會產(chǎn)生大量的電蝕產(chǎn)物，其中包括從電極對上拋出的電極材料蝕除微粒、小氣泡和碳粒（油類工作介質(zhì)）等，這些電蝕產(chǎn)物常以大小不同的微粒分散在極間工作介質(zhì)中。由于這些微粒的介電系數(shù)與工作介質(zhì)的介電系數(shù)不

同，電蝕產(chǎn)物在電場中被極化，會使極間電場發(fā)生畸變，導致工作介質(zhì)易擊穿[5]。如果大量的電蝕產(chǎn)物在放電間隙內(nèi)淤積，甚至集中結(jié)鏈，將使放電點始終集中在某一區(qū)域不能轉(zhuǎn)移，從而使該區(qū)域溫度升高，消電離不充分，導致放電過程不穩(wěn)定。

當被加工材料為鐵磁性物質(zhì)時，放電拋出的電極蝕除微粒也具備基體材料的鐵磁特性，若加工區(qū)域存在外加磁場的影響，則電蝕產(chǎn)物在外加磁場的作用下將被磁化而受到磁場力的作用。對于極間介質(zhì)中鐵磁物質(zhì)所受磁場力，可由式（1）進行估算[6]：

式中：μi為永磁體周圍介質(zhì)磁導率；μr為磁介質(zhì)的相對磁導率；B為磁感應強度；S為磁場與磁性材料的作用面積。

對于永磁體形成的磁場，不同空間位置的磁感應強度是不同的。設永磁體為圓柱形，則空間某點P （x，y，z）的磁感應強度理論估算矢量表達式為[7]：式中：R為點P到磁體端面中心的距離；M為磁化強度。

若空間P點在圓柱永磁體的磁力軸線上，則z= R，式（3）可簡化為：

對式（2）取模：

將式（4）代入式（1），得：

假設電蝕微粒為均勻微小球體，則鐵磁微粒在極間所受到磁場賦予的脫離加工區(qū)域的加速度為：

式中：ρ為微粒密度；r為電蝕微粒半徑。

由以上分析可知，外加磁場對火花放電產(chǎn)生的鐵磁性微粒具有吸引作用。在極間相同的放電條件下，外加磁場對鐵磁微粒的作用與磁感應強度B、微粒距永磁體的距離R關(guān)系密切，可通過改變這兩個參數(shù)來改變外加磁場對加工過程的影響。

2 外加磁場電火花加工實驗

圖1是外加磁場作用下電火花加工鐵磁材料的實驗裝置圖。實驗采用自行搭建的電火花加工設備對20鋼進行小孔加工，加工極性為正極性。分別選用直徑2 mm的黃銅和不銹鋼（弱磁性）材料電極作為工具電極，并在工具電極上端套以N35釹鐵硼圓形打孔磁鐵，在保證永磁體與加工區(qū)域距離25 mm的前提下，改變所套磁鐵的數(shù)量，從而改變外加磁場的磁感應強度。

圖1 外加磁場電火花復合加工實驗裝置圖

實驗加工參數(shù)見表1。在以黃銅為工具電極的加工實驗中，設定加工深度為3 mm，并記錄加工時間；在以不銹鋼為工具電極的加工實驗中，由于加工速度較慢，設定加工時間為15 min，測量加工后的盲孔深度。量取加工前后工具電極的長度，計算工具電極的損耗程度。

表1 電火花加工實驗參數(shù)

3 實驗結(jié)果分析

以黃銅、不銹鋼工具電極加工20鋼的電火花加工實驗結(jié)果見圖2和圖3。通過對比實驗研究了外加磁場對加工速度和電極損耗的影響規(guī)律，并對其影響機理進行了分析。

3.1 外加磁場對加工速度的影響

從圖2、圖3可看出，隨著外加磁場的從無到有、再到磁場強度的逐漸增強，黃銅電極加工相同厚度鋼板的加工時間呈逐漸減少的趨勢，而不銹鋼電極在相同加工時間下，加工工件的深度呈逐漸增大的趨勢。這說明外加磁場對電火花加工鐵磁性材料的加工速度具有積極的影響，且外加磁場復合電

火花加工與普通電火花加工相比，在加工速度方面具有明顯的改善。而隨著外加磁場強度的增強，加工速度也逐漸增大，這主要是由于外加磁場的磁力作用對火花放電電蝕產(chǎn)物進行引導和收集，改善了放電區(qū)域極間介質(zhì)的介電特性，提高了放電效率。

圖2 黃銅電極外加磁場電火花加工實驗結(jié)果

圖3 不銹鋼電極外加磁場電火花加工實驗結(jié)果

對于鐵磁材料的電火花加工來說，其電蝕產(chǎn)物是分散在加工區(qū)域周圍的鐵磁微粒。隨著加工的進行，微粒濃度逐漸增大（在無沖液的加工條件下，濃度增大得更顯著），引起極間電場的畸變，使極間介質(zhì)更易擊穿，而放電后的介電性能不能完全恢復，導致過度放電，降低了電火花加工的蝕除效率（圖4a）。微粒濃度進一步增大時，電蝕微粒在加工間隙內(nèi)聚集、結(jié)鏈，易發(fā)生短路，從而造成加工的不穩(wěn)定，嚴重時甚至無法實現(xiàn)加工。增加外加磁場后，電蝕產(chǎn)物中的鐵磁微粒在磁場的作用下磁化，并被磁力吸引，逐漸遠離加工區(qū)域，從而改善了極間放電環(huán)境，提高了加工效率（圖4b）。

圖4 電火花加工電蝕產(chǎn)物分布示意圖

從圖2和圖3中還可看出，隨著外加磁場強度的增強，小孔加工的速度得到提高；但磁場強度繼續(xù)增強后，對加工速度的影響程度逐漸減小。這是由于當外加磁場增強時，磁場對鐵磁微粒的吸引作用增強，微粒排出加工區(qū)域的速度也相應增加，極間電蝕產(chǎn)物的濃度得到有效控制，介質(zhì)的放電環(huán)境進一步改善。而當外加磁場增強到某一特定值后，外加磁場對電火花加工速度的改善作用已趨于穩(wěn)定。由于火花放電中電蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生速度是一定的，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是磁力作用對電蝕產(chǎn)物的排出速度達到或超過了電蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生速度，以致加工區(qū)域電蝕產(chǎn)物的濃度接近動態(tài)平衡。此時，外加磁場對加工速度的改善作用發(fā)揮到了極致，即使再增加磁場強度也無助于加工速度的提高。

3.2 外加磁場對電極損耗的影響

從圖2、圖3中的電極損耗曲線可看出，隨著外加磁場的從無到有、再到磁場強度的逐漸增強，黃銅電極加工相同厚度鋼板的電極損耗呈減小趨勢，而不銹鋼電極以相同時間加工鋼板的電極損耗減小得更明顯。由此可看出，電火花加工鐵磁材料時，外加磁場對減少加工中的工具電極損耗具有明顯的作用。這種現(xiàn)象可能是與外加磁場對鐵磁性電蝕產(chǎn)物的作用有關(guān)。一方面，加工中產(chǎn)生的鐵磁性電蝕產(chǎn)物被外加磁場磁化而向著永磁體運動，運動過程中，一小部分磁化微粒因磁力作用而附著在工具電極表面，這些附著在工具電極表面的磁化微粒可作為工具電極的一部分參與放電加工，減小了工具電極材料自身的損耗（圖4b）；另一方面，由于外加磁場對電蝕產(chǎn)物的引導和收集作用，使極間介質(zhì)的放電環(huán)境得到改善，避免了由于頻繁過度放電造成的放電區(qū)域局部溫升，從而降低了電極損耗。

分析可知，在以黃銅電極加工鋼板的實驗中，外加磁場（1個永磁體）復合電火花加工比無外加磁

場的普通電火花加工的電極損耗減少了11.1%，4個永磁體的外加磁場復合電火花加工比普通電火花加工的電極損耗減少了14.8%。而在以不銹鋼電極加工鋼板的實驗中，外加磁場（1個永磁體）復合電火花加工比普通電火花加工的電極損耗減少了22.0%，4個永磁體的外加磁場復合電火花加工比普通電火花加工的電極損耗減少了35.2%。由此可見，在相同加工條件下，外加磁場對不銹鋼材料電極損耗的改善程度要明顯優(yōu)于黃銅材料電極。這一點可通過式（5）加以解釋：對于具有弱磁性的不銹鋼電極來說，其磁導率μiFe遠高于無磁性的黃銅電極磁導率μiCu，則永磁體通過不銹鋼電極傳遞的對鐵磁性電蝕產(chǎn)物的磁力FFe將遠高于通過黃銅電極傳遞的磁力FCu。因此，在相同的外加磁場作用下，不銹鋼電極損耗的改善程度要優(yōu)于黃銅電極。

3.3 外加磁場位置對加工的影響

為了對比外加磁場的位置對電火花鐵磁材料加工過程的影響，進行了以下對比實驗。以不銹鋼做電極加工鋼板，兩次實驗的永磁體放置位置為：① 放置于工具電極正上方 （與前期實驗相同）；②將永磁體吸附在工件上，并與加工區(qū)域保證相同的軸向距離。記錄加工時間和電極損耗，兩次實驗結(jié)果見圖5。

圖5 磁場位置對比實驗結(jié)果

通過實驗可看出,無論永磁體是放置在工具電極上，還是吸附在工件上，外加永磁體后的電火花加工速度和電極損耗均比無外加磁場的普通電火花加工有所改善，且兩種情況對加工速度和電極損耗的改善程度較接近。外加磁場可消除懸浮在極間的鐵磁微粒，凈化極間介質(zhì)；而永磁體吸附在工件上時，由于工件（強磁性）的導磁性比工具電極（弱磁性）強，對鐵磁微粒的吸引能力也增強，且工件的作用面積比工具電極大很多，這也增強了磁場對鐵磁微粒的吸力。所以永磁體吸附在鐵磁性工件上，可有效控制極間電蝕產(chǎn)物的濃度，提高加工速度，并相應降低電極損耗。在電極損耗方面，盡管永磁體吸附在工件上時會有部分電蝕微粒受磁力吸引而吸附在工件加工區(qū)域表面，增加了需去除的材料總量，但由于工件的強磁性使其吸收鐵磁微粒的能力大大增強，極間放電環(huán)境的有效改善，能大幅降低加工過程中的電極損耗，因此，電極損耗總體上是明顯降低的。

對于在外加磁場作用下以強磁性工具加工強磁性工件的情況，盡管能有效吸收兩極放電產(chǎn)生的電蝕微粒，但工具和工件在磁場作用下的吸引力對伺服進給機構(gòu)要求較高，易造成放電過程的不穩(wěn)定，并不能帶來積極影響，因此不建議采用。

4 結(jié)論

本文研究了外加磁場對鐵磁性材料電火花小孔加工的影響，理論分析了外加磁場對加工電蝕產(chǎn)物排出的影響規(guī)律，實驗研究了不同電極材質(zhì)條件下外加磁場對加工速度、電極損耗的影響，所得結(jié)論如下：

（1）采用外加磁場電火花復合加工鐵磁材料工件，在加工速度和電極損耗方面比普通電火花加工都有明顯的改善。

（2）隨著磁場強度的增強，電火花加工速度和電極損耗將得到進一步的改善，但改善程度將會趨于極限位置；此后即使磁場強度再增強，加工速度和電極損耗也無明顯變化。

（3）外加磁場對鐵磁性材料電火花加工產(chǎn)生影響的主要原因是對電蝕產(chǎn)物的收集與控制。通過宏觀條件的改變實現(xiàn)對微觀環(huán)境的干預與操縱，將為電火花加工技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。

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Influence of the Additional Magnetic Field on Small-hole EDM of Ferromagnetic Material

Liu Yu1，Yan Changgang1，Zhang Shengfang1，Guan Tianmin1，Zhao Fuling2
（1.Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China；2.Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Aiming at the problems of debris exclusion difficulty,low machining efficiency and serious electrode wear in EDM，the effects of additional magnetic field on small-hole machining of ferromagnetic material were studied in this paper.The influence law that magnetic force of additional magnetic field affects the ferromagnetic debris in machining region was analyzed，and in the conditions of different electrode material，the influences of additional magnetic field on machining speed and electrode wear were studied by an experiment.The result shows that using the compound machining method of magnetic field and EDM to fabricate small holes in the ferromagnetic material workpiece，it has significantly improved in the aspects of machining speed and electrode wear comparing to the conventional EDM.

EDM；additional magnetic field；machining speed；electrode wear

TG661

A

1009－279X（2014）01－0013-04

2013-08-11

教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20122124120001）

劉宇，男，1982年生，講師。