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        電導(dǎo)率對電火花小孔加工速度影響的研究

        2015-11-26 09:28:12唐浩峰曹明讓劉維進聶常瑞
        機床與液壓 2015年19期
        關(guān)鍵詞:極間工作液電火花

        唐浩峰,曹明讓,劉維進,聶常瑞

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

        0 前言

        電火花加工技術(shù)是利用脈沖放電時的電腐蝕對導(dǎo)電材料進行加工,使零件達到預(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)化排屑條件勢必會對電火花小孔加工速度產(chǎn)生影響。

        在自來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)進行實驗,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,超過一定范圍會使加工不穩(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)率對加工速度影響的理論分析

        電火花小孔加工過程可以分成:電離準(zhǔn)備、放電熱蝕和消離拋出3個階段。在電離準(zhǔn)備階段,又可分為建立電場、極化搭橋和電子發(fā)射。在加工時兩極間會迅速建立一個電場,場強F與電壓U和極間距離S一定關(guān)系:

        當(dāng)F足夠大時,極間絕緣的工作液分子會被極化,在極間形成一個低阻通道。隨著場強F的不斷增大,會出現(xiàn)場致電子發(fā)射,從陰極激發(fā)出的電子在電場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,使得原有自來工作液含有更多金屬離子,在電場作用下這些離子會集中到場強F最大的區(qū)域,在極間形成一個導(dǎo)電微粒通道,使發(fā)生場致電子發(fā)射所需場能減小。由式 (1)可知,電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率提高后,加工時所需場強F減小,電壓U減小,極間距離S會增大。單個脈沖能量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會減小,由式 (2)可知,在給定間隙電流i不變時,間隙中單個脈沖放電能量Wo會減小。但由于電火花小孔加工中,影響單個脈沖蝕除量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,雖然單個脈沖能量Wo會由于工作液電導(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的改變會補償損失,使單個脈沖蝕除量q增加。在電火花小孔加工時,極間距離S的適當(dāng)增加,會使電腐產(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,會使得加工速度提高,對應(yīng)最佳的工作液電導(dǎo)率值。

        2 實驗及分析

        2.1 PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實驗

        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比實驗,二者參數(shù)見表1。

        圖1 PAAS和PAA結(jié)構(gòu)式

        表1 PAAS和PAA參數(shù)

        實驗在D703F電火花小孔機床上進行,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,電流強度為9 A;工作液電導(dǎo)率使用HM電導(dǎo)率儀測量,實驗室溫度為23℃,基本誤差為±1%。工作液濃度為添加劑與自來水的體積比η(‰);小孔深度h(mm)與加工擊穿時間t(min)的比值為小孔加工的加工速度va(mm/min)。以不同工作液進行電火花小孔加工實驗,所得數(shù)據(jù)見表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 實驗一所得數(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,PAAS和PAA工作液電導(dǎo)率隨濃度增加而變大,但PAA工作液沒有游離的鈉離子,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,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,這是因為前者電導(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,PAAS和PAA工作液電導(dǎo)率分別達到1 770 μs/cm和900μs/cm,2種工作液加個速度均達到最大值,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,與自來水工作液相比提高了32.2%,已知二者分散性能相同,可見電導(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,這是因為分散劑大于一定濃度后,會引起碎屑顆粒團聚,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驗

        所用實驗條件與PAAS和PAA工作液的電火花小孔加工實驗相同,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)量與自來水體積的比值,單位為g/L。由表2可見,PAAS工作液電導(dǎo)率在1770時,電火花小孔加工速度達到最大,因此配制NaCl工作液時,需電導(dǎo)率儀和電子天平同時使用,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工作液進行電火花小孔加工實驗,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 實驗二所得數(shù)據(jù)

        圖4 加工速度隨電導(dǎo)率的變化

        由實驗數(shù)據(jù)可見,排除PAAS工作液對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應(yīng)電導(dǎo)率與實驗一相同。(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,這是因為電導(dǎo)率的增大使加工間隙變大,小孔加工時有利排屑,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,加工速度達到最大值,此時工作液電導(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,甚至低于自來水工作液的加工速度,這是由于工作液電導(dǎo)率超過臨界值,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,會使加工速度提高。PAAS工作液濃度為4‰時,加工速度達到最大,比原有自來水工作液提高了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D703F電火花小孔機床工作液的配置有一定參考意義。

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