唐浩峰，曹明讓，劉維進(jìn)，聶常瑞

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024)

0 前言

電火花加工技術(shù)是利用脈沖放電時(shí)的電腐蝕對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行加工，使零件達(dá)到預(yù)定要求的加工方法［1］，廣泛應(yīng)用于模具、刀具、微細(xì)加工等領(lǐng)域。電火花小孔加工是電火花加工的應(yīng)運(yùn)技術(shù)之一，它可以在各種導(dǎo)電材料上加工各種小孔。電火花小孔加工中加工速度、電極損耗、小孔質(zhì)量是衡量加工工藝的重要指標(biāo)，影響加工速度的因素可分為電參數(shù) (脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流等)和非電參數(shù) (排屑條件、電極材料和極性、工件材料等)，通過(guò)不同添加劑改變工作液電導(dǎo)率，提高放電間隙，優(yōu)化排屑條件勢(shì)必會(huì)對(duì)電火花小孔加工速度產(chǎn)生影響。

在自來(lái)水工作液中分別添加PAA(聚丙烯酸)和PAAS(聚丙烯酸鈉)及NaCl(氯化鈉)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了工作液電導(dǎo)率與加工速度的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)電導(dǎo)率的提高可使加工速度提高，超過(guò)一定范圍會(huì)使加工不穩(wěn)定、工作液消電離受阻，甚至出現(xiàn)“二次放電”，使加工速度降低，最后得到電火花小孔加工中工作液最佳電導(dǎo)率范圍，此結(jié)論對(duì)電火花小孔加工工作液的配置有一定參考意義。

1 電導(dǎo)率對(duì)加工速度影響的理論分析

電火花小孔加工過(guò)程可以分成:電離準(zhǔn)備、放電熱蝕和消離拋出3個(gè)階段。在電離準(zhǔn)備階段，又可分為建立電場(chǎng)、極化搭橋和電子發(fā)射。在加工時(shí)兩極間會(huì)迅速建立一個(gè)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)F與電壓U和極間距離S一定關(guān)系:

當(dāng)F足夠大時(shí)，極間絕緣的工作液分子會(huì)被極化，在極間形成一個(gè)低阻通道。隨著場(chǎng)強(qiáng)F的不斷增大，會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)致電子發(fā)射，從陰極激發(fā)出的電子在電場(chǎng)作用下高速撞擊極間工作液中的中性分子或原子，使其電離。如果在工作液中加入添加劑，使得原有自來(lái)工作液含有更多金屬離子，在電場(chǎng)作用下這些離子會(huì)集中到場(chǎng)強(qiáng)F最大的區(qū)域，在極間形成一個(gè)導(dǎo)電微粒通道，使發(fā)生場(chǎng)致電子發(fā)射所需場(chǎng)能減小。由式 (1)可知，電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率提高后，加工時(shí)所需場(chǎng)強(qiáng)F減小，電壓U減小，極間距離S會(huì)增大。單個(gè)脈沖能量Wo與放電電壓U、電流I和脈沖寬度ti成函數(shù)關(guān)系:

式中:i為間隙瞬間電流，u為間隙瞬間電壓。

電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率提高后，u會(huì)減小，由式 (2)可知，在給定間隙電流i不變時(shí)，間隙中單個(gè)脈沖放電能量Wo會(huì)減小。但由于電火花小孔加工中，影響單個(gè)脈沖蝕除量q的因素很多，除Wo外還與有效脈沖利用率φ、放電頻率f、加工時(shí)間t和與工作液等相關(guān)工藝參數(shù)Ka有關(guān):

由式 (3)可知，雖然單個(gè)脈沖能量Wo會(huì)由于工作液電導(dǎo)率的提高而減小，但在一定值，工作液等相關(guān)工藝參數(shù)Ka的改變會(huì)補(bǔ)償損失，使單個(gè)脈沖蝕除量q增加。在電火花小孔加工時(shí)，極間距離S的適當(dāng)增加，會(huì)使電腐產(chǎn)物不易孔內(nèi)的沉聚，加工碎屑容易排出，不易發(fā)生“二次放電”，加工更加穩(wěn)定，加工速度提升，但加工間隙太大會(huì)導(dǎo)致放電空載概率增大，使加工速度大大降低。因此極間距離S在一定值時(shí)，會(huì)使得加工速度提高，對(duì)應(yīng)最佳的工作液電導(dǎo)率值。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實(shí)驗(yàn)

PAAS(Sodium Polyacrylate)和PAA(Polyacrylic Acid)是聚羧酸類阻垢水分散劑，PAAS學(xué)名為聚丙烯酸鈉，PAA學(xué)名為聚丙烯酸，二者結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1。PAAS和PAA具有除具有相同分散性外，PAAS可電離出鈉離子提高工作液電導(dǎo)率，因此選用這兩種添加劑做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，二者參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 PAAS和PAA結(jié)構(gòu)式

表1 PAAS和PAA參數(shù)

實(shí)驗(yàn)在D703F電火花小孔機(jī)床上進(jìn)行，工具電極為負(fù)極φ2 mm的黃銅管狀電極;被加工工件接正極，使用8 mm厚的不銹鋼板;工作液壓力p為2.0 MPa，工具電極轉(zhuǎn)速n1為120 r/min，加工電流脈沖寬度ti為35μs，電流強(qiáng)度為9 A;工作液電導(dǎo)率使用HM電導(dǎo)率儀測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室溫度為23℃，基本誤差為±1%。工作液濃度為添加劑與自來(lái)水的體積比η(‰);小孔深度h(mm)與加工擊穿時(shí)間t(min)的比值為小孔加工的加工速度va(mm/min)。以不同工作液進(jìn)行電火花小孔加工實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，電導(dǎo)率隨濃度變化關(guān)系如圖2所示，加工速度隨濃度的變化如圖3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)一所得數(shù)據(jù)

圖2 電導(dǎo)率隨濃度變化

圖3 加工速度隨濃度變化

由圖2、3可見(jiàn)，PAAS和PAA工作液電導(dǎo)率隨濃度增加而變大，但PAA工作液沒(méi)有游離的鈉離子，故電導(dǎo)率隨濃度變化比較小。(1)在工作液濃度在0～4‰范圍內(nèi)時(shí)，PAAS工作液加工速度曲線斜率大于PAA工作液加工速度曲線斜率，這是因?yàn)榍罢唠妼?dǎo)率變化幅較大，電導(dǎo)率的增加使放電間隙變大，有利排屑，促使加工速度提高;(2)當(dāng)工作液濃度為4‰時(shí)，PAAS和PAA工作液電導(dǎo)率分別達(dá)到1 770 μs/cm和900μs/cm，2種工作液加個(gè)速度均達(dá)到最大值，PAAS工作液最大加工速度為1.93 mm/min大于PAA工作液的最大加工速度1.8 mm/min，與自來(lái)水工作液相比提高了32.2%，已知二者分散性能相同，可見(jiàn)電導(dǎo)率的區(qū)別使二者最大加工速度不同;(3)隨后工作液濃度和電導(dǎo)率繼續(xù)升高，加工速度反而下降，這是因?yàn)榉稚┐笥谝欢舛群?，?huì)引起碎屑顆粒團(tuán)聚，分散劑的分散性減弱，排屑環(huán)境變差，加工的不穩(wěn)定性增加，使得電火花小孔加工的加工速度降低，但此時(shí)電導(dǎo)率的增大導(dǎo)致了使用PAAS工作液加工出現(xiàn)“二次放電”，有效放電脈沖率減小，加工速度大幅下降，因此出現(xiàn)PAAS工作液的加工速度下降幅度大于PAA工作液的加工速度下降幅度的現(xiàn)象。

2.2 NaCl工作液的電火花小孔加工實(shí)驗(yàn)

所用實(shí)驗(yàn)條件與PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實(shí)驗(yàn)相同，稱量設(shè)備為FA2004A電子天平，工作液為同質(zhì)量濃度的NaCl水溶液，質(zhì)量濃度為NaCl質(zhì)量與自來(lái)水體積的比值，單位為g/L。由表2可見(jiàn)，PAAS工作液電導(dǎo)率在1770時(shí)，電火花小孔加工速度達(dá)到最大，因此配制NaCl工作液時(shí)，需電導(dǎo)率儀和電子天平同時(shí)使用，使工作液電導(dǎo)率接近不同濃度的PAAS工作液。用不同濃度NaCl工作液進(jìn)行電火花小孔加工實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如表3所示，加工速度隨電導(dǎo)率的變化如圖4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)二所得數(shù)據(jù)

圖4 加工速度隨電導(dǎo)率的變化

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，排除PAAS工作液對(duì)加工碎屑分散性的作用，使用NaCl水溶液作為工作液僅提高工作液電導(dǎo)率，加工速度比原有自來(lái)水工作液加工速度有所提高，變化曲線為駝峰曲線，且最大加工速度所對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率與實(shí)驗(yàn)一相同。(1)當(dāng)NaCl水溶液工作液濃度小于1.29 g/L，即工作液電導(dǎo)率小于1 780 μs/cm，電火花小孔加工速度隨工作液電導(dǎo)率增大而增加，這是因?yàn)殡妼?dǎo)率的增大使加工間隙變大，小孔加工時(shí)有利排屑，加工穩(wěn)定較好，使加工速度提高;(2)在工作液濃度為1.29 g/L時(shí)，加工速度達(dá)到最大值，此時(shí)工作液電導(dǎo)率為1 780μs/cm;(3)工作液濃度和電導(dǎo)率繼續(xù)增大，電火花小孔加工速度急劇下降，甚至低于自來(lái)水工作液的加工速度，這是由于工作液電導(dǎo)率超過(guò)臨界值，放電間隙太大，產(chǎn)生“二次放電”現(xiàn)象，放電空載概率增大，有效脈沖率降低，使加工速度大大下降。

3 結(jié)論

(1)電火花小孔加工中，使用一定濃度的PAAS和PAA工作液，會(huì)使加工速度提高。PAAS工作液濃度為4‰時(shí)，加工速度達(dá)到最大，比原有自來(lái)水工作液提高了32.2%。(2)一定濃度的PAAS和PAA工

作液分散性相同，但電導(dǎo)率不同，故在電火花小孔加工中加工速度不同，前者加工性能優(yōu)于后者。 (3)NaCl工作液也使電火花小孔加工速度提高，最佳濃度時(shí)的電導(dǎo)率與PAAS最佳濃度電導(dǎo)率相同。(4)電火花小孔加工中存在工作液的最佳電導(dǎo)率值為(1 770±1%)μs/cm，此結(jié)論對(duì)D703F電火花小孔機(jī)床工作液的配置有一定參考意義。

［1］魏佳.淺析電火花展成加工技術(shù)相關(guān)問(wèn)題［J］.裝備制造，2009，12(1):110-114.

［2］趙萬(wàn)生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［3］曹國(guó)鳳.特種加工手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］YE S L，SU J，JIA Z X，et al.Study on the Mechanism of High Speed Small Hole Drilling by EDM ［J］.Materials Science Forum，2004，471/472:302-306.

［5］祁魯梁，李永存，張莉.水處理藥劑及材料使用手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)石油出版社，2006.

［6］曹明讓，楊勝?gòu)?qiáng).分散劑在電火花小孔加工中的作用機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21(9):1022-1024.

［7］MASUZAWA T，KUO C L，F(xiàn)UJINO M.A Combined Electrical Machining Process for Micro Nozzle Fabrication［J］.Annals of the CIRP，1994，43(1):20-25.

［8］孟慶國(guó)，孟慶鑫，趙萬(wàn)生.添加劑對(duì)混粉電火花加工的影響［J］.電加工與模具，2002(5):19-21.

［9］郭諄欽，王承文.電火花加工中速度的影響因素［J］.機(jī)床與液壓，2012(8):191-194.