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        單脈沖放電過(guò)程中熔池及材料蝕除的高速攝像觀測(cè)研究

        2020-03-25 06:37:44楊曉冬
        電加工與模具 2020年1期
        關(guān)鍵詞:極間單脈沖熔池

        楊曉冬,田 靜

        ( 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001 )

        由于電火花加工的放電過(guò)程具有復(fù)雜性和隨機(jī)性,且放電蝕除發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)和極微小空間內(nèi),一直以來(lái)無(wú)論是用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段還是用理論分析和數(shù)值解析方法,對(duì)電火花加工放電過(guò)程進(jìn)行研究都極其困難,電火花加工放電蝕除的極間微觀信息仍很缺乏, 放電蝕除機(jī)理仍未能被明確地解釋,制約其進(jìn)一步發(fā)展。

        近年來(lái),高速攝像技術(shù)的快速發(fā)展為揭示電火花加工的極間微觀現(xiàn)象提供了有效的觀測(cè)手段,研究者針對(duì)等離子體放電通道[1-3]和極間氣泡[4-6]等進(jìn)行了觀測(cè)研究。 但由于等離子體通道發(fā)射出亮度極高的可見(jiàn)光,電極與工件之間的極間現(xiàn)象被等離子通道的亮光遮擋,故很難觀測(cè)到放電點(diǎn)處的極間現(xiàn)象。 本文采用一種新的觀測(cè)方法,將等離子體通道的亮光過(guò)濾,再用不可見(jiàn)激光作為外部光源,并利用高速攝像機(jī)對(duì)單脈沖放電過(guò)程中的熔池及材料蝕除過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)和分析。

        1 實(shí)驗(yàn)裝置和觀測(cè)方法

        由于放電過(guò)程中等離子體放電通道會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)為380~780 nm 的可見(jiàn)光, 本實(shí)驗(yàn)裝置在高速攝像機(jī)鏡頭前安裝了帶寬范圍為(810±10) nm 的帶通濾光鏡。這樣,只有波長(zhǎng)范圍在(810±10) nm 之間的光可通過(guò)該濾光鏡,而等離子體放電通道所發(fā)射的光則被過(guò)濾掉。 拍攝時(shí), 實(shí)驗(yàn)用可發(fā)射波長(zhǎng)為(810±10) nm 的不可見(jiàn)脈沖激光作為外部光源來(lái)照射放電點(diǎn)處。

        單脈沖放電觀測(cè)裝置見(jiàn)圖1, 其中脈沖電源可輸出單脈沖電壓信號(hào),當(dāng)工具電極和工件之間發(fā)生放電時(shí),電流傳感器檢測(cè)到放電電流后將示波器觸發(fā),同時(shí)示波器觸發(fā)高速攝像機(jī),攝像機(jī)拍攝的圖像被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。 實(shí)驗(yàn)條件和觀測(cè)條件分別見(jiàn)表1 和表2。

        表1 單脈沖放電實(shí)驗(yàn)條件

        表2 拍攝條件

        為了能從不同角度觀測(cè)放電過(guò)程中熔池內(nèi)的情況,本文用厚度0.09 mm 的塞尺作為工件,分別在不同位置放電。 圖2a 是在塞尺窄邊上放電,由于塞尺很薄, 當(dāng)熔池較大時(shí)會(huì)貫穿整個(gè)塞尺厚度方向, 故從正面拍攝時(shí)相當(dāng)于觀察熔池的剖切面;圖2b 是將塞尺平放后在其邊緣放電,由于塞尺邊緣有圓弧倒角, 熔池相當(dāng)于形成在一個(gè)近似斜面上,故從正面拍攝時(shí)近似觀察熔池的俯視圖。

        2 單脈沖放電過(guò)程中熔池的觀測(cè)結(jié)果

        2.1 熔池中熔融金屬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

        圖3、圖4 是在脈沖寬度為1 ms、煤油滴在極間放電點(diǎn)處的條件下,分別從不同視角的單脈沖放電過(guò)程中觀測(cè)熔池中熔融金屬的運(yùn)動(dòng)狀況。 由于過(guò)濾了等離子體放電通道的光,故可清晰地觀測(cè)到熔池和放電屑等極間現(xiàn)象。其中,圖3 對(duì)應(yīng)圖2a,該觀測(cè)方向近似于熔池的主視方向,可見(jiàn)熔池內(nèi)的熔融金屬一直在某種壓力作用下處于不斷往復(fù)翻滾的狀態(tài),且熔池內(nèi)的熔融金屬在某種驅(qū)動(dòng)力的作用下從中心被擠向圓周并外翻形成圓周凸起,該外翻的凸起由于熔融金屬的不斷運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)非對(duì)稱和非規(guī)則的狀態(tài)。 圖4 則對(duì)應(yīng)圖2b,該觀測(cè)方向近似于熔池的俯視方向,可見(jiàn)熔池內(nèi)熔融金屬液體形成漩渦且在熔池邊緣形成翻邊,之后漩渦逐漸消失,被擠向圓周的金屬液體向中心回流。 單脈沖放電過(guò)程的完整觀測(cè)結(jié)果顯示,放電過(guò)程中熔池內(nèi)多次形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的漩渦,且在漩渦消失時(shí)熔池內(nèi)的金屬液體處于劇烈翻騰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

        結(jié)合圖3 所示熔池主視方向的觀測(cè)結(jié)果,可知熔池內(nèi)的熔融金屬不是單純地左右晃動(dòng),而是繞某個(gè)中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)本研究另外發(fā)表的有關(guān)等離子體通道運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)結(jié)果[7]可知,極間介質(zhì)擊穿后, 等離子體通道在幾微秒之內(nèi)完成膨脹,之后以接近穩(wěn)定的直徑在極間做類圓周運(yùn)動(dòng),由此可推斷熔池內(nèi)熔融金屬的漩渦是由等離子體通道的類圓周運(yùn)動(dòng)引起的。 此外,隨著放電的進(jìn)行,熔池的直徑不斷變大至某一最大值后保持不變。 圖5 是熔池直徑隨放電時(shí)間的變化趨勢(shì)圖。

        2.2 熔池中熔融金屬的凝固過(guò)程

        如圖6(主視方向)、圖7(俯視方向)所示,放電結(jié)束后熔融金屬開(kāi)始凝固。 主視方向的熔池近似半橢球形,熔池底部外緣首先開(kāi)始凝固,逐漸向上向中心收縮,從開(kāi)始凝固到完全凝固約1200 μs;俯視方向的熔池呈圓形,其邊緣首先開(kāi)始凝固,逐漸向中心收縮,從開(kāi)始凝固到完全凝固約800 μs。 可發(fā)現(xiàn),熔池中的絕大部分熔融金屬?zèng)]有被蝕除,而是形成熔融再凝固層。

        3 單脈沖放電蝕除過(guò)程的觀測(cè)結(jié)果

        本研究分別在煤油和空氣介質(zhì)中進(jìn)行了單脈沖放電觀測(cè),其中煤油是滴在極間放電點(diǎn)處,煤油中的放電間隙為20 μm, 且由于空氣中不易放電,放電間隙小于10 μm。 觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),無(wú)論是在煤油介質(zhì)還是空氣介質(zhì)中,極間介質(zhì)被擊穿后即發(fā)生材料蝕除, 且放電蝕除持續(xù)在整個(gè)放電過(guò)程中,這與仿真結(jié)果一致[8-9];同時(shí)還發(fā)現(xiàn),放電開(kāi)始后的短暫時(shí)間(數(shù)十微秒)之內(nèi),極間出現(xiàn)了類似爆炸的現(xiàn)象,放電點(diǎn)處極間被飛濺的物質(zhì)遮擋,導(dǎo)致圖像模糊,而后飛濺物質(zhì)消散,圖像又恢復(fù)清晰。 在此,將拍攝視野較模糊的階段稱作放電初始階段,拍攝視野清晰的階段稱作放電持續(xù)階段。

        3.1 放電初始階段的蝕除過(guò)程

        圖8 是極間介質(zhì)為煤油、工件為量塊(鋼)、其他條件如表1 所示時(shí)的放電初始階段圖像。 可發(fā)現(xiàn),放電開(kāi)始后,極間煤油向四周飛濺且有大量溶池內(nèi)的金屬熔滴一起飛濺出來(lái)(第3~5 幀圖像),隨后可明顯看到工件上有熔池形成并逐漸擴(kuò)大(第6~8 幀圖像);還可發(fā)現(xiàn),針尖電極的尖端被損耗掉,這說(shuō)明之前飛濺出的金屬熔滴來(lái)自工件和工具電極;之后,飛濺物質(zhì)消散,圖像逐漸變得清晰(第9~11幀圖像)。

        結(jié)合等離子體通道膨脹過(guò)程觀測(cè)結(jié)果可知,極間介質(zhì)擊穿后,等離子體通道在幾微秒之內(nèi)迅速完成膨脹,之后保持穩(wěn)定的直徑不變[7]。 在第1 幀即約7 μs 時(shí),等離子體通道已完成膨脹,其膨脹過(guò)程導(dǎo)致有很高的熱流密度作用在極間和兩極表面,使極間和放電點(diǎn)表面溫度驟增,進(jìn)而導(dǎo)致等離子體放電通道周圍的極間液態(tài)煤油介質(zhì)瞬間氣化,同時(shí)也會(huì)使工件和工具電極放電點(diǎn)表面的金屬驟然氣化,瞬間發(fā)生的熱膨脹導(dǎo)致放電處表面熔融態(tài)金屬被拋出極間。 之后,由于等離子體通道完成膨脹,沒(méi)有再出現(xiàn)初始階段那樣劇烈的蝕除現(xiàn)象。

        為了明確極間介質(zhì)的驟然氣化對(duì)放電蝕除的影響, 本研究還在空氣介質(zhì)情況下進(jìn)行了觀測(cè)研究。 圖9 是極間介質(zhì)為空氣時(shí)放電初始階段的圖像,同樣經(jīng)歷了由模糊到清晰的變化過(guò)程。 可發(fā)現(xiàn),有霧狀熔融小液滴和較大的金屬液滴從極間飛濺而出。 對(duì)比圖8 所示煤油中放電初始階段的蝕除過(guò)程,可發(fā)現(xiàn)在空氣中熔融金屬的飛濺現(xiàn)象不如液中劇烈,說(shuō)明在放電初始階段液態(tài)極間介質(zhì)的驟然氣化膨脹可促進(jìn)放電點(diǎn)的材料蝕除。

        為了明確放電點(diǎn)處電極材料的驟然氣化對(duì)放電蝕除的影響,本研究還在煤油介質(zhì)中以鋅作為工件進(jìn)行了觀測(cè)研究。 圖10 是鋅作為工件時(shí)放電初始階段的圖像。 對(duì)比圖8 可明顯看出工件材料為鋅時(shí),極間飛濺現(xiàn)象非常劇烈,拋入極間的熔融金屬也更多。 這是因?yàn)殇\的沸點(diǎn)約為鋼的三分之一,更易發(fā)生氣化,說(shuō)明在放電初始階段放電點(diǎn)表面的金屬驟然氣化對(duì)放電蝕除具有重要的影響。

        3.2 放電持續(xù)階段的蝕除過(guò)程

        3.2.1 熔融液滴拋出現(xiàn)象

        放電初始階段,在發(fā)生劇烈飛濺蝕除的同時(shí)形成熔池,在之后的放電持續(xù)過(guò)程中,熔池內(nèi)熔融金屬在等離子體通道的作用下不斷地做翻滾運(yùn)動(dòng),該過(guò)程中材料蝕除不如放電初始階段劇烈,僅有小熔滴被拋出到極間。 圖11 是工件材料為鋼時(shí)熔池內(nèi)熔融液滴拋出現(xiàn)象。 連續(xù)觀察第72~80 幀圖像可發(fā)現(xiàn),熔池內(nèi)液態(tài)金屬形成逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的漩渦,同時(shí)有液滴沿著渦旋的方向被拋入極間,說(shuō)明等離子體通道運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的熔池內(nèi)熔融金屬的漩渦運(yùn)動(dòng)是促使熔融金屬蝕除的驅(qū)動(dòng)力之一。

        圖12 是在相同放電條件下,工件材料為鋅時(shí)熔池內(nèi)熔融液滴的拋出現(xiàn)象。 從第45~50 幀圖像可發(fā)現(xiàn),熔池運(yùn)動(dòng)更明顯,導(dǎo)致有較大的液滴從鋅熔池邊緣飛出,這是因?yàn)殇\的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低而導(dǎo)致熔池運(yùn)動(dòng)更加劇烈。

        3.2.2 熔融金屬爆破現(xiàn)象

        連續(xù)觀察圖13 所示的工件材料為鋼時(shí)的第32~34 幀、第49~51 幀圖像可發(fā)現(xiàn),熔池表面出現(xiàn)鼓包,其在短暫時(shí)間內(nèi)爆破并帶動(dòng)熔融物質(zhì)飛出形成放電屑。 可認(rèn)為鼓包是熔池內(nèi)熔融物質(zhì)過(guò)熱產(chǎn)生的內(nèi)部壓力梯度所致,當(dāng)鼓包內(nèi)部壓力超過(guò)外部壓力時(shí)產(chǎn)生爆破形成放電屑,導(dǎo)致熔融金屬被蝕除[10]。進(jìn)一步觀察圖14 所示的工件材料為鋅時(shí)的第74~76幀圖像可見(jiàn),鋅熔池左側(cè)形成較大的鼓包,之后在熔池邊緣爆破 (第91~93 幀圖像), 這是由于鋅的熔、沸點(diǎn)較低,熔池內(nèi)部更大的壓力梯度所致。

        4 結(jié)論

        本文利用一種新的觀測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)單脈沖放電過(guò)程中的熔池及材料蝕除過(guò)程的觀測(cè),得到以下結(jié)論:

        (1)在等離子體通道類圓周運(yùn)動(dòng)的作用下,熔池內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的漩渦,熔池內(nèi)的熔融金屬?gòu)闹行谋粩D向圓周且在熔池邊緣形成圓周翻邊凸起,該外翻的凸起由于熔融金屬的不斷運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)非對(duì)稱和非規(guī)則的狀態(tài)。

        (2)熔池中的絕大部分熔融金屬?zèng)]有被蝕除,而是重新凝固,形成熔融再凝固層。

        (3)在極間介質(zhì)被擊穿之后即發(fā)生材料蝕除,且放電蝕除持續(xù)在整個(gè)放電過(guò)程中。

        (4)在放電初始階段,快速膨脹的等離子體通道導(dǎo)致兩極放電點(diǎn)表面金屬驟然氣化,瞬間發(fā)生的熱膨脹又導(dǎo)致放電點(diǎn)表面熔融態(tài)金屬被拋出極間而 出現(xiàn)劇烈的材料蝕除。 此外,該階段液態(tài)極間介質(zhì)的驟然氣化膨脹可促進(jìn)放電點(diǎn)的材料蝕除。

        (5)放電持續(xù)階段的材料蝕除不如放電初始階段劇烈,并出現(xiàn)熔融液滴拋出現(xiàn)象和熔融金屬爆破現(xiàn)象。 熔融金屬的漩渦運(yùn)動(dòng)和熔池內(nèi)熔融物質(zhì)過(guò)熱產(chǎn)生的內(nèi)部壓力梯度是該階段材料蝕除的兩種驅(qū)動(dòng)力。

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