馬衛(wèi)東 岳 鵬

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封475004)

電火花成形加工技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中占據(jù)重要地位，其在難加工材料以及復雜曲面加工領(lǐng)域有著不可替代的作用［1-4］。但相對普通金屬切削加工而言，電火花加工蝕除速度較低、加工時間較長，因此人們一直努力通過改進加工工藝以有效提高其加工效率進而降低生產(chǎn)成本。近年來，國內(nèi)外科研工作者不斷通過改進輔助加工工藝以提高電火花成形加工效率。如:在加工中加入工具電極的高頻振動［5-6］，控制電極做高速抬刀運動［7-8］，在工作液中噴射氣體［9-10］等一系列創(chuàng)新嘗試均在不同程度上提高了電火花成形加工的效率和穩(wěn)定性，并為相關(guān)領(lǐng)域科研工作的開展拓寬了思路。

實踐證明，沖液作用可以顯著降低電火花放電間隙中雜質(zhì)的含量，因此在加工過程中選用合理的沖液方式能夠有效提高電火花放電蝕除效率。然而，目前對通過改進沖液方式以提高電火花成形加工生產(chǎn)效率的研究報道相對較少?，F(xiàn)對傳統(tǒng)方法加以改進，提出一種新的沖液方式——“交互沖液”，并通過實驗證明，該方法可在一定條件下有效提高電火花成形加工的生產(chǎn)效率［11］。

1 “交互式?jīng)_液”工藝技術(shù)機理

沖液工藝原理是將工作液由噴嘴噴出，對放電間隙進行沖刷以迅速消除電蝕產(chǎn)物從而有效提高電火花成形加工效率和加工穩(wěn)定性。實際生產(chǎn)中待加工型腔的深徑(寬)比往往不大，在對此類型腔進行電火花成形加工時習慣上常采用雙向?qū)ΨQ沖液或單向沖液兩種方式，如圖1 所示。然而，實踐發(fā)現(xiàn)，這兩種沖液方式都有一定的弊端。如圖1a 所示的雙向?qū)ΨQ沖液方式，它通常被用于較大表面的電火花成形加工。加工過程中，相向而行的兩股流體在成形表面中部交匯，致使局部流速減緩，降低了排屑效果。這樣，一方面導致了加工效率的降低，另一方面通常使局部積碳不均，進而影響電極與工件均勻蝕除，破壞工件形位精度并造成成形表面質(zhì)量下降。而如圖1b 所示的單向沖液方式，該方法通常用在較小成形表面的加工中。工作液由工件一側(cè)流入從另一側(cè)流出，與雙向沖液方式相比其流速變化較穩(wěn)定。但流入側(cè)工作液較純凈沖刷作用明顯，電極不易形成積碳;而流出側(cè)電蝕產(chǎn)物濃度較高，二次放電現(xiàn)象明顯且電極表面易形成積碳。因此，在流入側(cè)往往電極損耗較快，而流出側(cè)往往工件蝕除較快，最終導致工件成形面傾斜，加工質(zhì)量降低。對于以上弊端，人們往往通過使用多電極或在加工中及時對電極進行清理(或再加工)的方法加以處理。這些方法雖能適當減小加工誤差，但都不同程度地增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率［11］。有鑒于此，設(shè)想若以適當頻率從工件兩側(cè)交替均衡沖液，即在電火花成形加工中使用“交互沖液”方式，或可在增強排屑的同時使工件各部位放電間隙中電蝕產(chǎn)物的長期濃度趨于一致，進而有望提高加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量，最終提高生產(chǎn)效率。

2 “交互式?jīng)_液”裝置的研制和實驗

2.1 “交互沖液”控制裝置的試制

在試驗研究中試制了一套“交互沖液”控制裝置，該裝置可在加工中有效控制交替沖液的頻率。其工作原理如圖2 所示。

電火花交互沖液裝置，包括動力機構(gòu)、變頻裝置和凸輪機構(gòu)以及與凸輪機構(gòu)連接的換向裝置。進油嘴2接電火花成形機進油管，出油嘴6 和7 分別接一組沖液噴嘴，減速電動機1 帶動凸輪9 轉(zhuǎn)動，從而帶動閥芯10往復運動，通過閥芯10 的軸向運動改變進油嘴2 和出油嘴6、7 的通、斷關(guān)系，從而使出油嘴6、7 交替沖液，通過改變調(diào)速器3 的數(shù)值，改變減速電動機1 的轉(zhuǎn)速，從而改變出油嘴6、7 交替沖液的頻率，以適應(yīng)不同工件的加工需求。凸輪9 的曲線由4 段構(gòu)成，該曲線根據(jù)凸輪9 與滾輪8 的位置關(guān)系和運動規(guī)律通過解析法得到，該曲線應(yīng)保證凸輪9 的運動速度和加速度變化均勻，從而使凸輪9 和滾輪8 之間的運動沖擊盡可能小。

2.2 實驗內(nèi)容

試驗在EDM-400 電火花成形機上進行，實驗中先后制備了4 套規(guī)格大小不同的紫銅電極，電火花工作液采用加工企業(yè)中最常用的煤油作為工作介質(zhì)。

實驗時分別將組裝好的電極安裝在電火花成形機的機頭上，校正工具電極，使下表面水平，根據(jù)實驗?zāi)康倪x取合理的電規(guī)準以及電極極性;工件位置設(shè)定后，開油泵進油，根據(jù)型腔的結(jié)構(gòu)特點和加工要求控制沖液壓力為5 kpa 左右，達到適合油位后開始放電加工;分別用不同規(guī)格的電極進行試驗，首先用單向沖液方式，得出常規(guī)加工時間作為對比參量，然后用不同的沖液頻率觀察其對加工效率的具體影響，加工中實時記錄不同電極完成實驗要求的加工任務(wù)時所用時間。

3 研究過程及數(shù)據(jù)分析

表1 加工深度、沖液頻率與蝕除速度

3.1 沖液頻率與加工深度的關(guān)聯(lián)性分析

沖液頻率與加工深度的關(guān)聯(lián)性分析試驗選用了一個橫截面尺寸為10 mm×10 mm 的正方形電極，以相同的電參數(shù)、采用常規(guī)的沖液方式和不同的交互沖液頻率分別進行實驗，并實時記錄加工到不同深度時所需的加工時間，計算出其蝕除速度，從而分析采用不同的沖液頻率對加工效率的具體影響。見表1。根據(jù)表1 的實驗數(shù)據(jù)可以知道，采用交互式?jīng)_液方法可以提高電火花的加工速度，平均提高加工效率22.5%左右。根據(jù)表1 的實驗數(shù)據(jù)，可以分別得出電加工的蝕除速度隨深度變化的規(guī)律曲線，見圖3。

圖3 中6 條曲線分別為普通沖液方式和不同沖液頻率時深度-蝕除速度的曲線。6 條曲線均顯示隨著加工深度的增加，其加工速度則逐漸下降，這一點也是符合電火花加工普遍規(guī)律的。圖3 中的的深度-速度曲線表明，在不同的加工深度時，其加工蝕除速度與沖液頻率并未顯示出明顯的關(guān)聯(lián)性。

3.2 沖液頻率與蝕除速度的關(guān)聯(lián)性分析

實驗表明，采用交互式?jīng)_液方法確實可以提高電火花的加工速度，但不同的沖液頻率與加工深度未顯示明顯的關(guān)聯(lián)性。為深入分析交互式?jīng)_液方式?jīng)_液頻率對蝕除速度的影響，制作橫截面尺寸分別為10 mm ×10 mm、30 mm×30 mm、50 mm×50 mm 和80 mm×80 mm的電極各一個，并命名為1#電極、2#電極、3#電極和4#電極。2#電極、3#電極、4#電極的實驗數(shù)據(jù)分別見表2～4，每個電極分別在一致的電規(guī)準基礎(chǔ)上，采用對比試驗的方法，驗證采用交互式?jīng)_液方法時沖液頻率對蝕除速度的影響。從表2～4 所示結(jié)果可以看出，隨著沖液頻率的提高，加工速度逐漸提高，但達到某個沖液頻率之后，隨著沖液頻率的提高其加工速度不再明顯提高，反而有所下降。

表22#電極不同沖液頻率時的平均蝕除速度

表33#電極不同沖液頻率時的平均蝕除速度

表44#電極不同沖液頻率時的平均蝕除速度

3.3 最佳沖液頻率與電極有效沖液距離的關(guān)聯(lián)性分析

1#～4#電極沖液頻率-速度曲線所顯示的最佳沖液頻率均不一樣，說明對不同的加工電極，其獲得最大加工速度的最佳沖液頻率是不一樣的。

將每個電極的最佳沖液頻率與該電極在沖液方向的距離聯(lián)系起來，可以得到擬合曲線如圖4 所示。其獲得最大蝕除速度的沖液頻率與該電極沿沖液方向的截面長度密切相關(guān)，即該尺寸越大則沖液頻率越低。

3.4 實驗分析

綜合整個實驗研究所述，在電火花成形加工中，采用交互式?jīng)_液的方式，可以在確保加工質(zhì)量的前提下提高排屑能力，從而提高加工效率。

實驗證明在電火花成形加工中，采用交互式?jīng)_液方法并選取合適的沖液頻率可以提高電火花加工速度20%～30%左右，從而起到節(jié)約能耗、降低加工成本的作用。

電極的輪廓尺寸不同，獲得最大蝕除速度的沖液頻率也不同。沖液頻率過大，使得加工間隙的流場不穩(wěn)定，影響放電通道的建立;而如果沖液頻率過小，則失去交替沖液的實質(zhì)意義。一般來講，交互沖液的最佳沖液頻率隨電極在沖液方向流動距離的增大而逐漸降低，即輪廓距離越大，則沖液頻率應(yīng)越小。

4 結(jié)語

我國是世界上最大的電火花機床生產(chǎn)國和使用國，本研究成果解決了電火花成形加工中一個共性的技術(shù)問題，每臺電火花成形機只需加裝一個能實現(xiàn)交互沖液的裝置，即可提高電火花成形加工的效率，且后期使用無需其它額外費用，具有適用性廣、實用性強的特點。目前本研究成果僅面向通用型電火花成形機，而三維電火花銑削機床、電火花復合機床以及混粉工作液是否適用于該工藝方法，還有待進一步驗證。

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