張發(fā)旺，王春亮，顧 琳，趙萬(wàn)生

（上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

高速電弧放電加工放電過(guò)程研究

張發(fā)旺，王春亮，顧 琳，趙萬(wàn)生

（上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

為了促進(jìn)電弧加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，詳細(xì)了解和掌握其加工現(xiàn)象背后的機(jī)理變得十分必要。借助于高速攝像機(jī)和光譜儀，對(duì)高速?zèng)_液條件下的電弧放電過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)算結(jié)果表明：弧柱溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通電火花溫度，是一種更高效的去除材料熱源。高速攝像結(jié)果指出：流體動(dòng)力斷弧機(jī)制可有效地干擾電弧、防止出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電弧放電，促進(jìn)大能量電加工的穩(wěn)定進(jìn)行。此外，還對(duì)電弧放電產(chǎn)生的蝕坑形貌進(jìn)行了研究，結(jié)果解釋了工件正極性加工能得到更大材料去除率、而工件負(fù)極性加工能得到更好表面質(zhì)量的原因。

高速電弧放電加工；流體動(dòng)力斷??；單脈沖放電；弧柱溫度；蝕坑形貌

電火花加工利用電極之間的火花放電產(chǎn)生的瞬間局部高溫實(shí)現(xiàn)材料的去除，幾乎能加工所有的導(dǎo)電材料。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，電火花加工具有擅長(zhǎng)加工難切削材料、特殊及復(fù)雜形狀零件等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于模具、航空制造及精密儀器等工業(yè)領(lǐng)域[1]。然而，相對(duì)較低的加工效率限制了電火花加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

為了滿足日益增長(zhǎng)的高效率加工難切削材料的需求，研究人員在嘗試中發(fā)現(xiàn)，使用具有更高能量密度的電弧取代電火花作為熱源能大幅提高放電加工的材料去除效率，從而產(chǎn)生了一種新的加工方法——高效電弧加工[2-7]。電弧的能量密度遠(yuǎn)高于電火花，在不加干擾的情況下放電會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生穩(wěn)定的電弧而嚴(yán)重灼傷工件及惡化放電狀態(tài)，使加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。因此，利用電弧放電實(shí)現(xiàn)高效去除材料的關(guān)鍵是要對(duì)放電通道進(jìn)行合理干擾，使其產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)電弧。為了有效地干擾放電過(guò)程中出現(xiàn)的穩(wěn)定電弧，趙萬(wàn)生等提出了使用離散化的方法制備集束電極并實(shí)現(xiàn)基于多孔強(qiáng)化內(nèi)沖液的流體動(dòng)力斷弧機(jī)制[8-9]。后續(xù)的加工實(shí)驗(yàn)證實(shí)了流體動(dòng)力斷弧機(jī)制是高速電弧放電加工不可或缺的條件[10-11]。

目前對(duì)于流體動(dòng)力斷弧機(jī)制和高速?zèng)_液下電弧特性的認(rèn)識(shí)都還是基于尾狀放電痕等現(xiàn)象推測(cè)得到的，為了更清晰地認(rèn)識(shí)高速電弧放電加工機(jī)理，本文在專門(mén)設(shè)計(jì)的高速?zèng)_液?jiǎn)蚊}沖電弧放電實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了一系列單次電弧放電實(shí)驗(yàn)，并用光譜儀和高速攝像機(jī)對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行了深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

在高速電弧放電加工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的高速?zèng)_液及猛烈的電弧爆炸，不僅無(wú)法觀察到電弧本身，而且攜帶著灼熱加工碎屑的高速?zèng)_液還會(huì)損壞儀器，所以不能直接在加工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電弧進(jìn)行研究，因此專門(mén)設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_液條件的單脈沖電弧放電實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）。為了保護(hù)測(cè)量?jī)x器且不影響觀測(cè)研究，將實(shí)驗(yàn)裝置中的電極和工件放置在一個(gè)透明的密封沖液通道內(nèi)。該通道通過(guò)管路連接構(gòu)成循環(huán)供液系統(tǒng)，并在接頭內(nèi)用收斂管道將穩(wěn)壓后的高壓工作液轉(zhuǎn)化為高速?zèng)_液，用來(lái)模擬高速電弧放電加工時(shí)工作間隙內(nèi)的沖液狀況。在高速?zèng)_液形成后，用特制的大電流脈沖電源向電極和工件進(jìn)行單脈沖供電，從而在工作間隙內(nèi)產(chǎn)生單次電弧放電。放電過(guò)程中，用Shamrock303i研究級(jí)光譜儀記錄放電產(chǎn)生的電弧光譜分布，以便于后續(xù)的電弧溫度計(jì)算；用Phantom V12高速攝像機(jī)對(duì)高速?zèng)_液下的電弧形態(tài)進(jìn)行觀察和記錄，以探究高速?zèng)_液條件下的流體動(dòng)力斷弧機(jī)制。為了便于安裝和觀察，電極和工件設(shè)計(jì)成針-板形式。

圖1 高速?zèng)_液條件下單脈沖電弧放電實(shí)驗(yàn)裝置

表1是進(jìn)行單次電弧放電的實(shí)驗(yàn)條件。每次實(shí)驗(yàn)后，用顯微鏡觀察不同沖液流速下電極和工件表面產(chǎn)生的蝕坑形貌特征。

2 雙譜線法等離子體測(cè)溫原理

等離子體發(fā)射譜線的強(qiáng)度由發(fā)射源的濃度及等離子體的溫度決定。在放電電流足夠大的條件下，當(dāng)放電電弧充分發(fā)展后，可達(dá)到局部熱平衡狀態(tài)（local thermal equilibrium state，LTE）[12-13]。對(duì)于處于LTE狀態(tài)的等離子體，其溫度可用雙譜線法進(jìn)行測(cè)量[14-15]。根據(jù)雙譜線法原理，當(dāng)?shù)入x子體中同種粒子受激發(fā)射的兩條不同波長(zhǎng)的譜線的發(fā)射強(qiáng)度測(cè)量出來(lái)之后，等離子體的溫度便可計(jì)算得出：

表1 高速?zèng)_液?jiǎn)蚊}沖電弧放電實(shí)驗(yàn)條件

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；λ為發(fā)射譜線的波長(zhǎng)；I為譜線的發(fā)射強(qiáng)度；Aki為從能級(jí)k向能級(jí)i的躍遷幾率；gk為發(fā)射源在能級(jí)k上的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；Ek為在能級(jí)k上的激發(fā)能。計(jì)算中所需的這些參數(shù)數(shù)值都可在文獻(xiàn)[16]中查詢到。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 電弧溫度特性

圖2是在放電電流100 A、放電脈寬10 ms條件下，用光譜儀記錄的一張高速?zèng)_液下的電弧光譜分布圖。依據(jù)檢測(cè)得到的不同的光譜分布圖，選擇472.2、480.1 nm的Fe I譜線并用雙譜線法計(jì)算得到不同放電條件下的電弧弧柱溫度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 典型光譜圖（uo=90 V，i=100 A，ton=10 ms）

從圖3可發(fā)現(xiàn)，弧柱溫度隨著電流或脈寬的增加而升高。這是因?yàn)樵诖箅娏鳌⒋竺}寬時(shí)，等離子體受到更強(qiáng)的電磁箍束作用[17]，從而導(dǎo)致其內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)更劇烈。從圖3可看出，當(dāng)電流達(dá)到200 A、放電脈寬為6 ms時(shí)，弧柱溫度已達(dá)到10 000 K以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電火花等離子體的溫度。因此，高速電弧放電加工采用了毫秒級(jí)的大脈寬和數(shù)百安培的大電流，以產(chǎn)生更高溫度的弧柱來(lái)提高材料去除效率。此外，即使在相同的放電參數(shù)條件下，測(cè)得的電弧溫度波動(dòng)范圍也較大，幅度甚至高達(dá)上千K。這是因?yàn)楦咚贈(zèng)_液破壞了電弧的穩(wěn)定性，導(dǎo)致電弧的溫度產(chǎn)生波動(dòng)，這對(duì)于促進(jìn)大能量電弧加工的穩(wěn)定性具有積極的意義。

3.2 弧柱形態(tài)特征及流體動(dòng)力斷弧

借助于高幀頻的高速攝像機(jī)，可清楚地觀測(cè)到放電過(guò)程中弧柱在高速?zèng)_液作用下發(fā)生的形態(tài)變化及過(guò)程。為了清晰地顯示弧柱的位置變化，后處理時(shí)在照片上描出了電極的輪廓。圖4直觀地顯示出了不同沖液流速下的弧柱形態(tài)。當(dāng)不沖液時(shí)，電弧等離子體內(nèi)的帶電粒子主要在電場(chǎng)力的作用下向兩電極運(yùn)動(dòng)，雖然弧柱發(fā)生一些輕微的晃動(dòng)，但仍被局限在電極和工件正對(duì)的工作間隙之內(nèi)，此時(shí)弧柱集中地?zé)g局部工件和電極材料。當(dāng)施加沖液時(shí)，電弧等離子體內(nèi)的帶電粒子不僅受到指向兩極的電場(chǎng)力，還受到指向沖液方向的流體動(dòng)力。隨著沖液速度增大，流體動(dòng)力也逐漸增大，導(dǎo)致弧柱被偏轉(zhuǎn)的幅度逐漸增大。當(dāng)沖液流速增大到7 m/s時(shí)，弧柱被偏轉(zhuǎn)的幅度甚至已超過(guò)5 mm。

圖3 不同放電條件下的弧柱溫度

圖4 不同沖液流速下的弧柱形態(tài)

在強(qiáng)力的沖液作用下，電弧不僅會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至還會(huì)被沖液拉斷。圖5是高速攝像機(jī)記錄的電弧被高速?zèng)_液拉斷后工作液再次被擊穿的過(guò)程。圖6是放電時(shí)采集到的電壓、電流波形，放電波形圖記錄了斷弧再擊穿過(guò)程中電壓和電流的波動(dòng)。從圖6可發(fā)現(xiàn)，在放電脈沖結(jié)束前出現(xiàn)了斷路波形，即電壓為放電維持電壓，電流迅速減小到0，持續(xù)約2 ms直到放電脈沖結(jié)束，說(shuō)明電弧被沖液第二次拉斷且斷弧之后未能再次擊穿，致使放電提前結(jié)束。

圖5 斷弧再擊穿過(guò)程

圖6 放電波形圖

3.3 蝕坑形貌特征

在流體動(dòng)力斷弧機(jī)制作用下，放電蝕坑的形貌也與傳統(tǒng)電火花放電產(chǎn)生的蝕坑有著顯著的區(qū)別。在流體動(dòng)力作用下，電弧被偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致電弧兩端在電極和工件上游走，產(chǎn)生了尾狀放電痕。由圖7可看出，不沖液時(shí)因?yàn)殡娀](méi)有發(fā)生明顯偏移，放電位置較集中，在工件上形成輪廓較圓、較深的蝕坑，同時(shí)在工具電極上被腐蝕的位置也集中在頂端，電極損耗嚴(yán)重；當(dāng)流速增大后，電弧發(fā)生越來(lái)越明顯的偏移，在工件上產(chǎn)生帶有拖尾的蝕坑，且拖尾的長(zhǎng)度隨著流速的增大而增長(zhǎng)，同時(shí)在工具電極上被腐蝕的位置也由頂端逐漸轉(zhuǎn)移到?jīng)_液下游的電極側(cè)面，降低了電極損耗。

圖7 正極性放電蝕坑形貌

在圖8所示的工件負(fù)極性加工得到的蝕坑顯微照片中也可發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律；此外還可發(fā)現(xiàn)，工件負(fù)極性加工得到的蝕坑比正極性加工得到的蝕坑明顯淺很多，且更亮一些。比較結(jié)果表明工件正極性加工相比于負(fù)極性加工能得到更大的材料去除效率，而后者能得到更好的加工表面質(zhì)量。

圖8 負(fù)極性放電蝕坑形貌

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套高速?zèng)_液條件下的電弧放電過(guò)程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，利用光譜儀測(cè)得的弧柱發(fā)射光譜圖計(jì)算得到高速?zèng)_液下電弧的溫度。結(jié)果表明，電弧相對(duì)于電火花具有更高的溫度，同時(shí)也顯示計(jì)算結(jié)果具有較大的波動(dòng)性，反映出高速?zèng)_液可破壞電弧穩(wěn)定狀態(tài)的事實(shí)。

借助于高速攝像機(jī)記錄的電弧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，在流體動(dòng)力作用下，電弧與工件和工具電極的接觸界面發(fā)生游走，使受熱面不再集中于局部。這會(huì)產(chǎn)生二個(gè)有利結(jié)果：①對(duì)于實(shí)際加工使用的高熔點(diǎn)石墨工具電極而言，由于受熱面的分散，難以產(chǎn)生集中加熱的效果，所以有更少的材料能達(dá)到熔點(diǎn)而去除，降低工具電極損耗率；②對(duì)于熔點(diǎn)較低的工件材料，分散加熱面會(huì)使更少的材料達(dá)到過(guò)熱而以前熱的形式白白地帶走更多的放電能量，提高了能量利用效率，從而提高了材料去除率。

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Study on Discharge Process of Blasting Erosion Arc Machining

Zhang Fawang，Wang Chunliang，Gu Lin，Zhao Wansheng
（State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In order to promote the development of the blasting erosion arc machining(BEAM) technology，an in-depth study of the mechanisms behind the discharge phenomena is essential and necessary.By utilizing the high-speed video camera and spectrograph，the experiment to study the discharge process of BEAM is designed.The measured results show that arc temperature is much higher than spark，which indicates that arc is a more efficient heat source used to remove material.The high-speed camera pictures illustrate that the hydrodynamic arc breaking mechanism is capable of reducing the arc damage by disturbing steady arc discharge.In addition，the analysis of the obtained crater morphology explains the polarity effect existing of BEAM.

BEAM；hydrodynamic arc breaking mechanism；single discharge；arc temperature；crater morphology

TG661

A

1009－279X（2016）06－0025-04

2016-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51235007）

張發(fā)旺，男，1984年生，博士研究生。