劉 宇，王文建，張文超，馬付建，閻長罡，張生芳

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028）

電火花電解復(fù)合加工工作液濃度對電極損耗的影響研究

劉 宇，王文建，張文超，馬付建，閻長罡，張生芳

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028）

針對電火花電解復(fù)合加工的電極損耗問題，以模具鋼為加工對象開展了電火花電解復(fù)合加工實驗。分析了在不同極性和電極材料條件下，工作液濃度對電極相對損耗、電極形狀變化規(guī)律及加工精度的影響。結(jié)果表明：合理控制工作液濃度能降低電極相對損耗及減小電極形狀變化。

電火花電解復(fù)合加工；電極損耗；形狀變化；工作液濃度

電火花電解復(fù)合加工是由電火花加工和電解加工共同作用的特種加工方法[1]，其兼具二者優(yōu)點，加工精度高、工件表面質(zhì)量好、生產(chǎn)率高，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸及模具制造等領(lǐng)域?qū)﹄y加工材料進(jìn)行高效精密加工，但加工過程中的工具電極損耗嚴(yán)重直接影響了零件的加工精度。因此，探究電火花電解復(fù)合加工時不同工況下的電極損耗和加工質(zhì)量的影響因素，已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點之一。

Shanmukhi等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)徑向函數(shù)建立電火花電解復(fù)合加工模型，通過改變電壓、電解質(zhì)濃度和極間間隙等參數(shù)，得到復(fù)合加工的材料去除率[2]。Fascio等利用滲流理論和估計火花特性的方法研究了影響復(fù)合加工的關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)臨界電壓大小主要受電解液濃度影響，且熱效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)共同作用能獲得較好的表面質(zhì)量[3]。Bhattacharyya等研究了不同參數(shù)下電火花電解復(fù)合加工絕緣陶瓷的材料去除和表面質(zhì)量，認(rèn)為NaNO3溶液作為電解液時，加工過程中產(chǎn)生的污物會影響加工順利進(jìn)行，而采用NaCl溶液時，可降低材料去除率[4]。邢俊等分析了電火花電解復(fù)合加工過程中不同工作液濃度情況下的工具電極損耗情況，得出當(dāng)NaNO3溶液中的電導(dǎo)率為4 mS/cm時，電極損耗減少65.4%[5]。諸躍進(jìn)等從工藝效果影響入手，尋求電火花電解復(fù)合加工工作液的配比系數(shù)，得到合理的工作液組分、濃度參數(shù)再配合電參數(shù)，可實現(xiàn)高效低損耗的小孔加工[6]。

本文針對電火花電解復(fù)合加工中的工具電極損耗和電極形狀變化問題，以模具鋼為加工對象，在不同濃度的電解質(zhì)溶液中進(jìn)行了電火花電解復(fù)合加工實驗，研究不同極性和電極材料條件下，工作液濃度對電極相對損耗、電極形狀變化規(guī)律及加工精度的影響，研究結(jié)果對于電火花電解復(fù)合加工的實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 電火花電解復(fù)合加工原理

電火花電解復(fù)合加工具有復(fù)雜性、隨機(jī)性，其加工機(jī)理仍不十分清楚。目前普遍接受的加工原理為：加工過程中當(dāng)放電脈沖到來時，首先在電解作用下發(fā)生陽極溶解，形成陽極材料的少量蝕除，并在陰極析出氫氣；產(chǎn)生的氫氣在極間累積，搭橋形成氣泡層；當(dāng)電場強(qiáng)度超過放電臨界值時，陰極發(fā)射電子，擊穿極間絕緣介質(zhì)，形成等離子放電通道；在放電通道高溫高壓的作用下，電極表面材料熔化、氣化，形成高壓氣泡；當(dāng)放電脈沖結(jié)束時，高壓氣泡破裂產(chǎn)生動力，促使電解液帶走大部分金屬離子，放電通道消逝，熔融液態(tài)金屬以固態(tài)顆粒的形式拋出，形成電極表面材料的去除。加工原理示意見圖1。隨著脈沖的不斷累積，形成一定的材料去除率，生成的電蝕產(chǎn)物在工作介質(zhì)沖液流動的作用下被帶出加工區(qū)域。

圖1 電火花電解復(fù)合加工原理示意圖

電火花電解復(fù)合加工與傳統(tǒng)電火花加工相比，引入的電解作用可促進(jìn)陽極材料溶解、增大放電間隙及去除材料重鑄層，且能有效降低電極損耗，改善加工質(zhì)量。

2 實驗方案設(shè)計

為了分析工作液濃度對電極相對損耗及電極形狀變化的影響，設(shè)計了電火花電解復(fù)合加工實驗。由于采用浸液式加工方法，很重要的一點是選用合適的電火花電解復(fù)合加工工作液。本實驗采用Na3PO4電解質(zhì)的去離子水溶液作為工作液，可有效避免像采用NaNO3、NaCl溶液時一樣產(chǎn)生有害氣體。同時，通過實驗研究確定合理的工作液濃度范圍，并在復(fù)合加工實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著工作液濃度變化，電火花和電解加工的比例也會發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)工作液濃度增加時，電解加工比例增大、電火花加工比例降低；當(dāng)工作液濃度達(dá)到臨界值以上時，將只進(jìn)行電解加工；當(dāng)工作液濃度大于0.4%時，放電加工現(xiàn)象明顯消失。因此，確定實驗中的磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.4%，再進(jìn)行電火花電解復(fù)合加工的全因素實驗。

本實驗以電火花電解復(fù)合加工小孔為例，實驗條件見表1。每組實驗均將加工時間設(shè)為定值，量取加工前、后的電極長度及小孔深度，計算電極相對損耗。用電子顯微鏡觀察電極端面形狀，分析電極隨工作液濃度變化時的長度損耗和形狀變化規(guī)律，同時測量加工后的電極直徑和小孔直徑，分析工作液濃度對加工精度的影響。

表1 復(fù)合加工全因素實驗條件

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 工作液濃度對電極相對損耗的影響

如圖2所示，正極性加工時，隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，不同材料的電極相對損耗相應(yīng)降低。當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增大到0.2%時，電極相對損耗變化非常明顯；從0.2%增大到0.4%時，電極相對損耗的變化有所放緩。因此，Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.4%范圍內(nèi)增加對加工具有積極影響。

圖2 正極性加工時的電極相對損耗變化趨勢

由圖2可看出，當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0時，火花放電過程伴隨著電解作用。由于是正極性加工，電解作用會額外去除工件上的材料而不損耗工具電極，相比普通電火花加工（即Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時），電極相對損耗會降低。隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電解的額外去除作用增強(qiáng)，電極相對損耗更低。此外，電解作用使極間間隙增大，在一定程度上改善了加工區(qū)域電蝕產(chǎn)物的聚集狀態(tài)，且隨著陰極析氫氣泡破裂，增加了工作液流動，電蝕產(chǎn)物被帶走，從而改善了極間放電環(huán)境，使電極相對損耗有所降低。

由圖2還可看出，銅鎢合金電極受Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，而黃銅電極受Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大。分析原因：在電解加工中，金屬溶解順序為Zn>Cu>W，而黃銅為Cu和Zn的合金，Zn的活動性較強(qiáng)，故受濃度的影響較大；而銅鎢合金電極中含大量的鎢，其化學(xué)性質(zhì)較銅、鋅更穩(wěn)定，故所受影響較小，電極不易損耗?？傮w而言，隨著工作液濃度增大，電極相對損耗逐漸降低，對加工有明顯的改善；但工作液濃度繼續(xù)增大后，對電極相對損耗的影響程度逐漸減小。因此，需嚴(yán)格控制工作液濃度，才能使電火花電解復(fù)合加工的作用發(fā)揮到極致。

如圖3所示，負(fù)極性加工時，隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，電極相對損耗會相應(yīng)增大，說明負(fù)極性加工時工作液濃度的增加對電火花電解復(fù)合加工具有消極影響。分析原因：當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0時，火花放電過程伴隨著電解作用，由于是負(fù)極性加工，電解作用會額外去除工具電極上的材料，部分去除的材料還會因電化學(xué)作用而鍍覆在工件表面，相比普通電火花加工，電極相對損耗增大。

圖3 負(fù)極性加工時的電極相對損耗變化趨勢

由圖3可見，黃銅、紫銅、銅鎢合金三種材料的電極相對損耗均隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢。分析原因：隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電解作用逐漸增強(qiáng)，陽極溶解工具電極，且在陰極小孔處形成鍍層。但黃銅、銅鎢合金電極的損耗增大趨勢緩慢，而紫銅電極損耗迅速，甚至出現(xiàn)了負(fù)損耗。其原因是在電解加工時，金屬在陽極的溶解順序為Zn>Cu>W，在陰極的還原順序為Cu2+>H+>Zn2+。當(dāng)工具電極為黃銅材料時，黃銅中的Zn優(yōu)先溶解變?yōu)閆n2+，隨后Cu溶解變?yōu)镃u2+，并在電解作用下Cu2+于陰極小孔處形成鍍層，從而增加了電極的相對損耗。當(dāng)工具電極為銅鎢合金電極時，銅鎢合金中的Cu變成Cu2+，由于該合金電極中的Cu含量較少，溶液鍍在工件表面的鍍層較薄，故使損耗增加緩慢。當(dāng)工具電極為紫銅時，隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電解作用逐漸增強(qiáng)，使大量的Cu2+鍍覆在工件表面，嚴(yán)重阻礙了加工的進(jìn)行。

圖4是在不同的工作液濃度下，用紫銅電極加工小孔的表面形貌?？梢姡琋a3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時，小孔表面有少量鍍層，這是由電火花加工工具電極融熔爆炸飛濺所致（圖4a）。當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.4%時，電火花加工去除材料的量小于電解作用下的電極鍍覆量，隨著加工進(jìn)行，大量的銅離子鍍覆于工件表面；且隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電解作用增強(qiáng)，鍍層增厚，甚至出現(xiàn)了負(fù)損耗。

圖4 不同工作液濃度下紫銅電極加工小孔的表面形貌

3.2 工作液濃度對電極形狀變化的影響

在不同的工作液濃度下，紫銅、黃銅、銅鎢合金在正極性加工時的電極形狀變化見圖5～圖7。可看出，隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電極的側(cè)面損耗明顯減小，一定程度上改善了小孔加工的形狀精度。分析原因：電解作用隨著工作液濃度的增加而增強(qiáng)，使放電間隙增大，有利于蝕除顆粒的排出，從而減弱了普通電火花加工“二次放電”對電極側(cè)面損耗的影響。因此，合理控制工作液濃度能有效減小電極的側(cè)面損耗，提高小孔形狀精度。

由圖5～圖7還可看出，當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0變化為0.2%時，電極形狀變化較大；由0.2%變化為0.4%時，電極形狀變化較小?？芍娀鸹娊鈴?fù)合加工在保證加工效率的同時，電極的形狀變化趨于穩(wěn)定。相比紫銅和黃銅電極，銅鎢合金電極的耐損耗能力強(qiáng)，其形狀變化受工作液濃度的影響較小。

圖5 正極性加工時紫銅電極的形狀變化

圖6 正極性加工時黃銅電極的形狀變化

圖7 正極性加工時銅鎢合金電極的形狀變化

圖8～圖10分別是在不同的工作液濃度下，紫銅、黃銅、銅鎢合金電極在負(fù)極性加工時的形狀變化?？煽闯?，隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，電極的表面質(zhì)量和形狀變化均受到很大影響。分析原因：當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時，如同普通電火花加工一樣，無電解作用影響電極表面質(zhì)量，但對電極側(cè)面損耗的影響較大。隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電解作用增強(qiáng)，電極表面受到嚴(yán)重腐蝕。同時，電解作用使處于工作液中的電極因陽極溶解而導(dǎo)致直徑減小，也造成了電極形狀的變化。

圖8 負(fù)極性加工時紫銅電極的形狀變化

圖9 負(fù)極性加工時黃銅電極的形狀變化

圖10 負(fù)極性加工時銅鎢合金電極的形狀變化

3.3 工作液濃度對加工精度的影響

在電火花電解復(fù)合加工過程中，工作液濃度的變化還會對加工精度產(chǎn)生影響。設(shè)加工間隙△D=（D2-D1）/2，以此來評估小孔加工精度。 其中，D1為加工后的電極直徑；D2為加工后的小孔直徑。

圖11是不同工作液濃度下，紫銅、黃銅、銅鎢合金在正極性加工條件下的加工間隙變化曲線，圖12是黃銅、銅鎢合金在負(fù)極性加工條件下的加工間隙變化曲線?？煽闯觯瑹o論是正、負(fù)極性加工，隨著Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，加工間隙均逐漸變大。分析原因：當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時，加工過程為單純的電火花加工，加工間隙較??；當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，電火花加工過程中伴隨著電解作用，進(jìn)而使加工間隙增大；當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時，加工間隙的增大量出現(xiàn)放緩趨勢，說明加工間隙并不會無限制增大，其極限值應(yīng)該是電解加工單獨(dú)作用時的加工間隙值。

圖11 正極性加工時加工間隙隨工作液濃度的變化

圖12 負(fù)極性加工時加工間隙隨工作液濃度的變化

綜上所述，雖然引入電解加工可減小正極性加工時的電極相對損耗，改善正極性加工時工具電極的形狀變化，但一定程度上也降低了小孔的加工精度。因此在實際加工過程中，應(yīng)根據(jù)加工需求選取合理的工作液濃度。

4 結(jié)論

本文采用全因素實驗方法研究了在不同的加工極性和電極材料條件下，工作液濃度對電火花電解復(fù)合加工的電極相對損耗、電極形狀變化及加工精度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）電火花電解復(fù)合加工過程中，正極性加工可有效利用電解加工的輔助作用，改善電極相對損耗并提高孔加工的形狀精度，但電解作用的引入影響了小孔加工的尺寸精度。

（2）工作液濃度對電火花電解復(fù)合加工影響較大。正極性加工時，當(dāng)Na3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～0.4%范圍內(nèi)，相比普通電火花加工，電極相對損耗降低，且隨著工作液濃度增加，電極相對損耗逐步降低；同時，隨著工作液濃度增加，電極形狀變化減小，小孔加工的形狀精度有所提高。無論是正極性加工還是負(fù)極性加工，隨著工作液濃度增加，加工間隙均相應(yīng)增大。

[1] ZHANG Yan，XU Zhengyang，ZHU Di，etal.Tube electrode high-speed electrochemical discharge drilling using lowconductivity salt solution[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2015，92：10-18.

[2] SHANMUKHIK，VUNDAVILLIPR，SUREKHA B.Modeling of ECDM micro-drilling process using GA-and PSO-trained radial basis function neural network[J].Soft Computing，2015，19（8）：2193-2202.

[3] FASCIO V，WüTHRICH R，BLEULER H.Spark assisted chemical engraving in the light of electrochemistry[J].Electrochimica Acta，2004，49（22-23）：3997-4003.

[4] BHATTACHARYYA B，DOLOI B N，SORKHEL S K.Experimental investigations into electrochemical discharge machining (ECDM)of non-conductive ceramic materials[J].Journal of Materials Processing Technology，1999，95（1-3）：145-154.

[5] 邢俊，徐正揚(yáng)，張彥，等.微小孔電火花-電解復(fù)合加工中工作液濃度對工具電極損耗的影響[C]//第16屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集（上）.廈門，2015：640-645.

[6] 諸躍進(jìn)，閆偉，張衛(wèi)華，等.工作液對電解電火花復(fù)合加工工藝效果影響的試驗研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報（工程技術(shù)版），2013，26（1）：76-80.

書訊 《特種加工技術(shù)路線圖》

本書面向2030年，系統(tǒng)闡述了我國特種加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、社會需求、應(yīng)用前景、研發(fā)重點、關(guān)鍵技術(shù)及建議的發(fā)展路徑，提出了未來的發(fā)展目標(biāo)和實現(xiàn)措施。

全書共六章，第一章和第二章論述了特種加工技術(shù)的重要性及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了特種加工技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇、發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)；第三章至第五章從產(chǎn)業(yè)需求、典型裝備、關(guān)鍵技術(shù)等方面對放電加工、電化學(xué)加工、激光加工等技術(shù)分別進(jìn)行了論述，提出了不同時間節(jié)點的發(fā)展重點與實現(xiàn)路徑，并預(yù)測了可達(dá)成的目標(biāo)；第六章提出了實施路線圖的關(guān)鍵要素及對國家政策的建議。

本書由中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會編著，中國科學(xué)技術(shù)出版社出版，定價：68元。

歡迎訂閱，聯(lián)系電話：0512-67274541。

Study on the Effect of Working Liquid Concentration on Tool Wear in EDM and ECM Hybrid Machining

LIU Yu，WANG Wenjian，ZHANG Wenchao，MA Fujian，YAN Changgang，ZHANG Shengfang
（School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China）

Aiming at the tool wear of the EDM and ECM hybrid machining，the experimental of EDM and ECM hybrid machining based on mold steel was carried out.The impact of working liquid concentration to the relative tool wear，tool shape change law and machining accuracy under different polarity and electrode materials was analyzed.The result shows that the reasonable control of the working liquid concentration can reduce the relative tool wear and the tool shape change.

EDM and ECM hybrid machining；toolwear；shape change；working liquid concentration

TG661

A

1009－279X（2017）04－0010-05

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金資助項目（51405058）；遼寧省教育廳科研平臺項目（JDL2016006）；大連市人才專項計劃資助項目（2016RQ054）

劉宇，男，1982年生，副教授。