黃瑞寧，石林，樓云江

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055）

超聲調(diào)制脈沖放電對(duì)微細(xì)電火花線切割加工效率和質(zhì)量的影響

黃瑞寧，石林，樓云江

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055）

為了提高微細(xì)電火花線切割加工的質(zhì)量和效率，在工件上施加超聲振動(dòng)，用超聲振動(dòng)調(diào)制脈沖放電，分析研究了超聲調(diào)制微細(xì)電火花放電對(duì)加工效率和質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明：超聲振動(dòng)能顯著增強(qiáng)電火花加工的蝕除能力，減少短路，大幅提高加工效率和穩(wěn)定性，改善加工質(zhì)量。

微細(xì)電火花線切割加工；超聲調(diào)制；質(zhì)量；效率

在微細(xì)電火花線切割加工中，電極絲和工件之間的放電間隙很小，極易發(fā)生短路、拉弧等非正常放電，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和效率。在交叉學(xué)科技術(shù)密切融合的今天，超聲技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用為解決上述問(wèn)題提供了新的思路，即利用超聲波的作用來(lái)排出放電間隙中火花放電產(chǎn)生的廢屑和氣泡。因此，超聲振動(dòng)在微細(xì)電加工領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的研究與應(yīng)用［1-2］。最近研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)能有效減少短路和伺服回退，從而提高加工效率［3-4］，其周期性振動(dòng)不僅能對(duì)放電通道的形成和坍塌產(chǎn)生顯著影響，且超聲的空化作用還能促進(jìn)電蝕材質(zhì)的剝離和拋出［5-6］，從而提高加工效率和質(zhì)量。但在傳統(tǒng)的超聲輔助微細(xì)電火花加工中，脈沖電源放電和超聲振動(dòng)之間并沒(méi)有建立聯(lián)系，僅僅依靠超聲振動(dòng)改變極間距離來(lái)提高加工效率，超聲振動(dòng)對(duì)于加工質(zhì)量的影響也不明顯。因此，本文針對(duì)超聲調(diào)制脈沖放電的微細(xì)電火花線切割加工工藝進(jìn)行研究，分析其加工效率和加工質(zhì)量。

1 超聲調(diào)制微細(xì)電火花線切割實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 超聲調(diào)制微細(xì)加工裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。安裝架固定在高精度XY直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上，進(jìn)給精度為1μm。帶有一階變幅桿的換能器通過(guò)機(jī)械零點(diǎn)固定在安裝架上，其產(chǎn)生的振幅為±3μm。微細(xì)電火花線切割在航空煤油中的極間放電間隙略小于10μm，所以超聲換能器的振動(dòng)既能有效改變極間距離，又不會(huì)導(dǎo)致工件撞擊電極絲。待加工工件通過(guò)氧化鋁陶瓷連接到超聲換能器上，氧化鋁陶瓷起絕緣作用，同時(shí)給換能器散熱。電極絲直徑為50μm。航空煤油自上流下，使整個(gè)放電間隙浸在工作液中。

1.2 超聲調(diào)制信號(hào)的獲取

超聲換能器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)工作的，施加在換能器兩端的電壓與壓電陶瓷所產(chǎn)生的振幅成正比。當(dāng)壓電陶瓷兩端的電壓為正弦電壓時(shí)，換能器振幅呈正弦振動(dòng)，其振動(dòng)的振幅、功率與流過(guò)換能器的電流同相位，圖2所示的示波器通道3為激光多普勒測(cè)得的換能器端部的振動(dòng)信號(hào)，通道2為霍爾傳感器測(cè)得的流過(guò)換能器的電流信號(hào)。因此，電流信號(hào)能準(zhǔn)確反映超聲振動(dòng)帶動(dòng)極間距離變化的情況。

圖1 超聲調(diào)制微細(xì)電火花系統(tǒng)示意圖

圖2 超聲換能器的電流和振幅信號(hào)

本文采用ACS712霍爾傳感器獲得流經(jīng)換能器的電流信號(hào)。超聲換能器的諧振頻率為36.23 kHz，帶通濾波器的通帶頻率設(shè)計(jì)為30～45 kHz。正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器產(chǎn)生方波調(diào)制信號(hào)，輸入到DSP中。由于采用了反相比較器，當(dāng)換能器經(jīng)振幅原點(diǎn)向靠近電極絲的方向振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生下降沿，再次經(jīng)過(guò)原點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生上升沿，換能器的振動(dòng)頻率幾乎是固定的。因此，捕獲下降沿并計(jì)時(shí)的方法可準(zhǔn)確跟蹤極間距離變化情況，控制脈沖電源放電。

2 超聲調(diào)制脈沖電源放電實(shí)驗(yàn)

為研究超聲振動(dòng)對(duì)微細(xì)電火花線切割加工的影響，進(jìn)行了無(wú)超聲、超聲輔助及另外2組、4種超聲調(diào)制脈沖電源放電實(shí)驗(yàn)。部分實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的微細(xì)電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行。先采用電火花線切割加工一條長(zhǎng)800μm的直線，脈沖寬度和脈沖間隔均約1μs；加工中未發(fā)生斷絲，加工表面干凈，無(wú)燒灼痕跡，表面質(zhì)量較好，加工效率約為12μm/min。再在相同條件下，對(duì)工件施加超聲振動(dòng)，加工效率約為22μm/min，效率提高約83%，加工截面的SEM照片見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，加工表面呈黑色，有炭黑附著，表面質(zhì)量較差。加工效率提高的主要原因是伺服回退大幅減少（幾乎很少發(fā)生回退），這是由于換能器的振動(dòng)減少了短路的發(fā)生，即使發(fā)生短路時(shí)也能將工件和電極絲強(qiáng)制拉開，而伺服又設(shè)置在偏短路狀態(tài)，因此伺服沒(méi)有發(fā)生回退，加工效率大幅提高。但超聲振動(dòng)也擴(kuò)大了放電間隙，導(dǎo)致加工縫隙的寬度擴(kuò)大，這可能跟換能器的安裝精度有關(guān)，換能器的振動(dòng)與工件的進(jìn)給方向存在偏差。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

圖3 超聲輔助電火花加工工件照片

為研究超聲振動(dòng)拉伸和壓縮放電通道對(duì)微細(xì)電火花加工質(zhì)量和效率的影響，繼續(xù)進(jìn)行以下2組實(shí)驗(yàn)。

（1）超聲調(diào)制大脈寬放電實(shí)驗(yàn)

在超聲振動(dòng)工件靠近電極絲的過(guò)程中開通極間電壓。如圖4所示，通道3為超聲調(diào)制信號(hào)，下降沿表示工件從零點(diǎn)向靠近電極絲的方向振動(dòng)。通道2為脈沖電源MOS管驅(qū)動(dòng)波形，放電脈寬約5μs。其他實(shí)驗(yàn)條件同表1，實(shí)驗(yàn)加工一條長(zhǎng)800μm的直線。通道4為極間電壓，可見(jiàn)極間電壓很低，接近短路，說(shuō)明極間工作在偏短路狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，極間放電劇烈，工作液被噴出?？梢?jiàn)，由于放電脈寬很大，放電通道持續(xù)被壓縮，電場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)增大，放電產(chǎn)生的爆炸力很大，蝕除能力很強(qiáng)，以至于雖然占空比小很多，但加工效率并沒(méi)有大幅下降，放電距離擴(kuò)大，加工產(chǎn)生的縫隙較寬。

將脈沖電源的放電時(shí)間調(diào)整到工件遠(yuǎn)離電極絲方向時(shí)，即超聲振動(dòng)拉伸放電通道（圖5），在相同條件下，加工一條長(zhǎng)800μm的直線。實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生的氣泡明顯增多，大約相當(dāng)于無(wú)超聲時(shí)的一倍，但放電并不是很劇烈，較均勻。這是由于超聲振動(dòng)拉伸放電通道，使放電通道壓力下降，材料熔點(diǎn)降低，更易剝離；當(dāng)壓力降低到一定程度時(shí)，氣泡破裂，材料被拋出加工區(qū)，氣泡體積的減小說(shuō)明單次拋出的材料體積較小，蝕除產(chǎn)生的凹坑較小，同時(shí)由于超聲振動(dòng)使極間壓力降低，工作液流向極間的速度加快，使熔融材料及時(shí)被冷卻、帶走，加速了極間消電離，加工質(zhì)量有所提高；此外，占空比下降，加工效率略微降低。

圖4 超聲調(diào)制大脈寬壓縮放電通道

圖5 超聲調(diào)制大脈寬拉伸放電通道

（2）超聲調(diào)制窄脈寬放電實(shí)驗(yàn)

微細(xì)電火花加工中，單次放電脈沖越大，則蝕除的凹坑越大，且持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的放電而沒(méi)有極間消電離時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量降低。為提高加工表面質(zhì)量，應(yīng)降低脈沖寬度；但占空比太小，加工效率過(guò)低。如果在一次超聲振動(dòng)周期里進(jìn)行多次窄脈寬放電，既能提高加工質(zhì)量，又能兼顧加工效率，實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖6和圖7。實(shí)驗(yàn)中，脈沖寬度和脈沖間隔均約1μs，單個(gè)超聲周期放電4次，各自切割一條800 μm的直線。

圖6 超聲調(diào)制窄脈寬壓縮放電通道

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，極間電壓依然很低，無(wú)論是壓縮放電通道還是拉伸放電通道，其加工效率都比無(wú)超聲時(shí)高出40%以上，但比大脈寬加工時(shí)略低（表2）。這是因?yàn)榭傮w有效脈沖放電時(shí)間減少，單個(gè)脈沖寬度減小，單次放電能力減弱，有更多的消電離時(shí)間，加工效果有所提高；尤其是拉伸放電通道時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，極間壓力減小，有利于放電點(diǎn)能量的均勻分布，加工質(zhì)量更好。

圖7 超聲調(diào)制窄脈寬拉伸放電通道

表2 加工效率對(duì)比

3 結(jié)論

本文研究了超聲調(diào)制脈沖電源放電對(duì)微細(xì)電火花線切割的影響。施加超聲振動(dòng)后，發(fā)生短路的次數(shù)大幅減少，加工穩(wěn)定性明顯提高。不管是大脈寬還是窄脈寬放電，其加工效率都至少高出40%。大脈寬時(shí)放電劇烈，蝕除能力強(qiáng)，放電凹坑較大，但加工質(zhì)量一般；窄脈寬時(shí)放電脈沖較小，放電較均勻，加工表面質(zhì)量更好，有更大的應(yīng)用價(jià)值。

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Effect on Efficiency and Quality of M icro WEDM w ith Ultrasonic M odulation Pulse Discharge

Huang Ruining，Shi Lin，Lou Yunjiang
（Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China）

In order to improve the quality and efficiency ofmicro-WEDM，ultrasonic vibration is applied to the workpiece，which is used to modulate pulse discharging.The effects of ultrasonic modulate pulse discharging for the quality and efficiency ofmicro-WEDM is analyzed.Experimental studies have shown that ultrasonic vibration have significant effect on increasing spark erosion，reducing the short-circuit，increasing processing efficiency and stability and improving quality.

microWEDM；ultrasonicmodulation；quality；efficiency

TG661

A

1009－279X（2015）01－0015-03

2014-10-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105110、51475107）；深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（JCYJ20130329153408574、JCYJ20140417172620449）

黃瑞寧，男，1977年生，副教授。