李　其，蔣　毅，趙萬生，石子燦，平雪良

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

基于潤濕供液的電化學(xué)放電線切割實(shí)驗(yàn)研究

李其1，2，蔣毅1，2，趙萬生2，石子燦1，平雪良1

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

針對非導(dǎo)電硬脆材料的微細(xì)線切割加工，設(shè)計(jì)并搭建了基于潤濕供液的電化學(xué)放電線切割裝置，實(shí)現(xiàn)了對石英材料的有效切割，確定了實(shí)現(xiàn)電化學(xué)放電線切割加工的臨界電壓。通過提取加工過程中能反映極間狀態(tài)的電流信號作為控制加工的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對石英材料的可控加工，實(shí)驗(yàn)表明加工速率及槽寬隨著電壓的增加而增大。通過對工件步進(jìn)進(jìn)給和勻速進(jìn)給兩種加工方式的比較表明，利用電流信號作為進(jìn)給控制依據(jù)進(jìn)行步進(jìn)進(jìn)給能更好地保證加工的連續(xù)性。

電化學(xué)放電線切割；微細(xì)加工；電流信號；非導(dǎo)電硬脆材料

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，非導(dǎo)電硬脆材料（如石英、陶瓷、微晶玻璃等）因其高性能在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］，而傳統(tǒng)的機(jī)械加工較難對其進(jìn)行微細(xì)加工。電化學(xué)放電加工（ECDM，也稱為電解電火花加工）作為一種針對非導(dǎo)電材料加工的新型電加工技術(shù)，具有柔性好、成本低等特點(diǎn)，近年來在微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在微細(xì)鉆孔、微細(xì)銑削等方面［2-3］。目前普遍認(rèn)可的ECDM材料去除方式是火花熱蝕除和化學(xué)腐蝕的共同作用。

電化學(xué)放電線切割技術(shù)是從ECDM衍生出來的一種加工方法，其材料去除原理與ECDM基本相同，兩者關(guān)系類似于電火花成形加工和電火花線切割加工之間的關(guān)系。在加工過程控制方面，工具電極與工件的間隙控制是保證加工效率的關(guān)鍵因素。研究認(rèn)為在電化學(xué)放電過程中，電流信號是較易獲得的加工參數(shù)之一，包含了氣膜形成、火花活動(dòng)等信息［4］。最新的實(shí)驗(yàn)研究表明，通過液滴供液的方式對石英材料進(jìn)行切割，以350 μm/min勻速進(jìn)給可得到較好的加工效果［5］。但目前未見關(guān)于電化學(xué)放電線切割加工控制信號方面的研究文獻(xiàn)。

本文通過基于潤濕供液的電化學(xué)放電線切割加工裝置，對加工過程中的電流特征信號進(jìn)行了提取，并以此作為控制進(jìn)給的依據(jù)，對石英材料的加工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1　加工原理與實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是電化學(xué)放電線切割加工的基本原理圖。電極絲和輔助電極分別連接電源的陰極和陽極，同時(shí)浸沒于電解液中。在電極間加載一定電壓時(shí)，電極絲表面由于電化學(xué)作用產(chǎn)生氫氣氣泡，當(dāng)電壓值高于一定值時(shí)，氣泡在浸沒于電解液的電極絲表面融合形成致密的氣膜，形成極間高阻態(tài)，并在氣膜內(nèi)產(chǎn)生放電。放電產(chǎn)生的熱量作用于工件表面，同時(shí)若采用NaOH溶液等電解液，會(huì)在工件表面發(fā)生化學(xué)腐蝕，兩者共同實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)放電線切割的材料去除。

圖1　電化學(xué)放電線切割加工原理

由上可知，加載電壓后，浸入電解液的電極絲區(qū)域都將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)或放電反應(yīng)，因此加工過程中的電流信號也包含了整個(gè)放電區(qū)域的氣膜生成及火花放電信息?，F(xiàn)有研究采用的實(shí)驗(yàn)裝置大部分都存在電極絲放電長度大于工件寬度的問題，導(dǎo)致其獲取的電流信號并不能有效地反映加工實(shí)際狀態(tài)，難以作為加工過程的監(jiān)控信號。針對該情況，搭建了基于潤濕供液的電化學(xué)放電線切割裝置（圖2），電極絲與液面及工件的位置關(guān)系如局部放大圖所示。加工開始前，先將工件降至液面高度并保證與電解液接觸后，再回退至初始位置，此時(shí)由于潤濕作用，工件與液面間會(huì)形成穩(wěn)定的液體層（或稱潤濕層），電化學(xué)反應(yīng)及放電會(huì)在該區(qū)域進(jìn)行。

如圖3所示，液面與電極絲的相對位置h存在一個(gè)合理范圍。當(dāng)h過小時(shí)，浸入電解液的電極絲長度大于工件寬度，無法達(dá)到最高的能量利用率，同時(shí)易在工件側(cè)面形成過度加工（圖3b）；當(dāng)h過大時(shí)，在加工初始階段無法形成穩(wěn)定的潤濕層，加工將難以繼續(xù)（圖3c）。因此，應(yīng)如圖3a所示確定h的最優(yōu)值。h值的設(shè)定與電解液有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)采用的電解液為30%wt的NaOH溶液，在該條件下測量h值一般為2 mm。

圖2　電化學(xué)放電線切割裝置示意圖

圖3　液面與電極絲的相對位置關(guān)系

如圖2所示，走絲運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)阻尼器可控制電極絲的張力，盡量減小走絲過程中的電極絲抖動(dòng)，以確保加工精度。步進(jìn)電機(jī)及阻尼器在潤濕層形成后再通電工作，電源采用可調(diào)穩(wěn)壓直流電源，電流信號的采集借助于電流取樣電路及USB3000數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)驗(yàn)采用的電極絲為直徑180 μm的鉬絲，輔助電極為6 mm×15 mm×60 mm的石墨塊，工件為底面積100 mm×1 mm的透明石英玻璃，其余加工參數(shù)見表1。

表1　電化學(xué)放電線切割加工參數(shù)

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在對石英玻璃片進(jìn)行電化學(xué)放電線切割時(shí)，不同加工階段電極絲的放電環(huán)境有著明顯的差異，主要分為初始階段的淺槽加工和逐漸形成的深槽加工2個(gè)階段。

如圖4a所示，在淺槽加工階段，氣泡在富集過程中會(huì)向電極絲徑向及軸向兩側(cè)逃逸，氣膜形成后產(chǎn)生火花放電，對工件下表面進(jìn)行材料去除，由于電極絲底部緊貼工件，材料去除首先在電極絲兩側(cè)開始產(chǎn)生（圖5b），在槽口低端形成倒V形坡口。當(dāng)電極絲距離工件端面大于250 μm左右時(shí)，形成了深槽環(huán)境（圖4b），氣泡逃逸方向只剩電極絲下方及電極絲軸向兩側(cè)，氣泡更易富集并融合形成氣膜，且由于毛細(xì)現(xiàn)象，槽中的電解液有向上移動(dòng)的趨勢，能減小槽中氣膜的厚度，同時(shí)也能形成自動(dòng)供液，但深槽中電解液供應(yīng)情況仍明顯弱于淺槽。以下針對2個(gè)階段分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖4　淺槽環(huán)境和深槽環(huán)境電極絲的極間狀態(tài)

2.1淺槽加工電壓電流特性

在保證電極絲水平的前提下，將石英工件緊貼電極絲上表面，分別向極間加載數(shù)值為36、38、40、42、44 V的單脈沖電壓，脈沖持續(xù)時(shí)間均為2 s。圖5a是在不同電壓下檢測到的加工過程中的電流信號，圖5b是對應(yīng)電壓加工所得的工件端面圖片?？梢姡?dāng)電壓低于40 V時(shí)，加工痕跡不明顯，此時(shí)電流信號中主要以由電化學(xué)作用產(chǎn)生的大電流脈沖為主，氣膜仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，只有少許火花放電。電化學(xué)作用使氣膜區(qū)域溫度升高，材料去除主要由化學(xué)腐蝕實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓為40 V時(shí)，氣膜進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，電流信號的波動(dòng)顯著減小，并能明顯觀察到放電電流脈沖，伴隨明顯的火花放電，火花放電產(chǎn)生的高溫對工件產(chǎn)生熱蝕除，同時(shí)也極大地促進(jìn)了化學(xué)腐蝕作用，所以相同時(shí)間內(nèi)的材料去除效果相對于低電壓也更明顯，因此，將40 V作為電化學(xué)放電線切割加工的臨界電壓。當(dāng)電壓高于40 V時(shí)，放電愈加劇烈，在相同時(shí)間內(nèi)，電流信號中的電火花放電電流脈沖數(shù)量也隨著電壓的升高而增加，從圖5b可見其材料去除率也相應(yīng)增加。

2.2深槽加工電流信號

隨著加工深度的增加，電極絲表面氣膜內(nèi)的放電狀態(tài)及相應(yīng)的電流信號出現(xiàn)了明顯變化。由于無法獲得工件材料去除率的具體數(shù)值，采用工件勻速進(jìn)給的方式很難獲得一個(gè)合適的速度值，且由于工件連續(xù)運(yùn)動(dòng)極易導(dǎo)致氣膜的擾動(dòng)，使放電不穩(wěn)定，加工規(guī)律難以探索。因此，實(shí)驗(yàn)中通過單步進(jìn)給的方式對工件進(jìn)行加工。

圖5　不同電壓加工所得的電流信號及加工痕跡

如圖6所示，加載電壓為40 V，在單步進(jìn)給過程中，電極絲與槽底的相對位置存在3種不同情況，其電流信號特征也各不相同。圖6a是材料去除完成狀態(tài)，槽底材料被去除后，電極絲與槽底距離增加，氣體能從上側(cè)空隙逃出，使穩(wěn)定氣膜消失，電極絲下方的電解液上升，此時(shí)電極絲一直處于“氣體逃逸-電解液接觸電極絲-電化學(xué)作用生成氣體-隔絕狀態(tài)-氣體逃逸”的循環(huán)狀態(tài)，相應(yīng)的電流信號出現(xiàn)了電化學(xué)電流脈沖的周期循環(huán)現(xiàn)象，該過程的平均電流在0.10～0.15 A之間，同時(shí)工件并未得到實(shí)質(zhì)性加工。

圖6b是工件加工狀態(tài)，該狀態(tài)下工件進(jìn)給，但并未接觸電極絲。由于電極絲與槽底距離較小，氣膜形成條件已具備，于是，在這個(gè)階段出現(xiàn)2個(gè)過程：氣膜重生成及放電加工過程。氣膜重生成過程的平均電流在0.25～0.36 A之間，當(dāng)氣膜重建完成后進(jìn)行放電加工，對槽底材料進(jìn)行蝕除，電流信號中可觀察到明顯的火花放電電流脈沖。材料的蝕除使電極絲與槽底的間距增大，進(jìn)而使電流信號恢復(fù)為圖6a所示的狀態(tài)，此時(shí)可進(jìn)行下一步進(jìn)給。

圖6c是當(dāng)電極絲進(jìn)給距離過長，電極絲緊貼槽底的狀態(tài)。從電流信號中可看出，此時(shí)進(jìn)行的是劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，觀察不到明顯的放電電流脈沖，該狀態(tài)下的平均電流在0.45～0.85 A之間，故稱該狀態(tài)為非正常加工狀態(tài)。此時(shí)，材料去除過程主要為化學(xué)腐蝕，加工效率極低。

圖6　3種不同的電流信號與極間狀態(tài)關(guān)系

綜上所述，在實(shí)際加工過程中，可將圖6a所示的電流信號作為工件進(jìn)給的依據(jù)，將圖6c所示的狀態(tài)作為工件回退的依據(jù)。

2.3石英材料加工實(shí)驗(yàn)

將單步進(jìn)給距離設(shè)置為10 μm、回退距離設(shè)置為5 μm，分別在極間加載40、41、42、43 V電壓，對厚度為1 mm的石英玻璃進(jìn)行加工。采用如下控制策略：在淺槽加工階段，工件采用20 μm/s的速度勻速進(jìn)給，當(dāng)進(jìn)入深槽環(huán)境后（進(jìn)給深度約200 μm），通過觀測進(jìn)給依據(jù)進(jìn)行單步進(jìn)給，等待下次信號出現(xiàn)后再進(jìn)行進(jìn)給，若出現(xiàn)回退信號則回退工件。

圖7是在相同加工時(shí)間下加載不同電壓所得的工件照片，加工時(shí)間均為4 min。圖8是在相同時(shí)間（4 min）內(nèi)、不同電壓所對應(yīng)的工件加工深度及槽寬關(guān)系圖。由圖8可看出，隨著電壓的升高，相同加工時(shí)間內(nèi)的加工深度明顯增大。這是因?yàn)榧庸顟B(tài)下的氣膜重建過程隨著電壓升高而減短，使進(jìn)給信號出現(xiàn)的時(shí)間間隔縮短，進(jìn)而使加工速率增加。如圖7所示，由于電壓升高使火花放電更劇烈，工件槽寬增加，同時(shí)使工件底部的坡口及槽口兩側(cè)的坡口更明顯。當(dāng)電壓為42 V時(shí)，槽口兩側(cè)出現(xiàn)了由于放電過度加工導(dǎo)致的凹坑。因此，隨著電壓的升高，工件表面質(zhì)量下降。

圖7　加工工件

圖8　不同電壓與加工深度及槽寬的關(guān)系

針對勻速進(jìn)給和步進(jìn)進(jìn)給進(jìn)行加工效率的比較。當(dāng)采用480 μm/min的速度勻速進(jìn)給時(shí)，加工的工件槽口見圖9a。在加工進(jìn)行到6 min左右時(shí)，因?yàn)楣ぜ簭濍姌O絲導(dǎo)致加工中止，由于火花放電的隨機(jī)性，加工過程中每次進(jìn)給信號出現(xiàn)的時(shí)間間隔不同，采用勻速進(jìn)給方式除了對穩(wěn)定氣膜的形成有一定阻礙之外，也會(huì)使非正常加工狀態(tài)出現(xiàn)的頻次增加，較難保證連續(xù)加工。同時(shí)，采用勻速進(jìn)給方式所得的槽口表面質(zhì)量較差。當(dāng)采用步進(jìn)進(jìn)給加工策略時(shí)，加工的工件槽口見圖9b，加載電壓為40 V，加工時(shí)間為8 min，加工深度為3810 μm，平均速度為476 μm/min。

圖9　勻速進(jìn)給與單步進(jìn)給加工結(jié)果比較

3　結(jié)論

通過基于潤濕供液的電化學(xué)放電線切割裝置對石英材料進(jìn)行了有效切割，確定了能實(shí)現(xiàn)有效加工的臨界電壓。針對深槽加工的實(shí)驗(yàn)分析，提取出能有效反映極間狀態(tài)的電流信號，并以此作為加工控制依據(jù)采用步進(jìn)進(jìn)給的方式，對石英玻璃實(shí)現(xiàn)了高效可控加工。此外，還探究了電壓與加工速率及槽寬的關(guān)系。通過對工件步進(jìn)進(jìn)給和勻速進(jìn)給的2種加工方式的比較，得出利用電流信號對進(jìn)給進(jìn)行控制能更好地保證加工連續(xù)性的結(jié)論。

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Experimental Study on Wire Electrochemical Discharge Machining with Wetting Fluid Supply

Li Qi1，2，Jiang Yi1，2，Zhao Wansheng2，Shi Zican1，Ping Xueliang1
（1.Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

A wire electrochemical discharge machining setup with wetting fluid supply for the micro wire cutting of non-conductive brittle materials was designed and built，and has achieved effective cutting of quartz material.While revealed the critical voltage，beyond what the wire electrochemical discharge machining will occur.By extracting the current signals of the process which reflect the status between the electrodes as the control basis，achieved the controllable machining of quartz material，and the experiments show that the processing speed and width increased with voltage. The comparison experiments of stepping feed machining and uniform speed feed machining results show that stepping feed machining rely on current signal has a better ensure on the machining continuity.

wire electrochemical discharge machining；micro manufacturing；current signal；nonconductive brittle materials

TG662

A

1009－279X（2016）03－0016-04

2016-01-11

機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（MSV-2013-10）

李其，男，1992年生，碩士研究生。