干式电火花加工干式和准干式电火花加工分别采用气体和雾作为放电介质,与液中放电加工相比,具有放电能量和加工间隙小、对环境和操作者无污染、无火灾隐患等优点。关键词:电火花加工;气体介质;线切割加工;抛光;超声辅助;雾电火花加工通常以电介质液体作为工作介质,其作用有:①消电离;②使电蚀产物较易从放电间隙中排除;③冷却电极和工件;④压缩放电通道,增加等离子体的爆炸力.电火花成形加工最常用的放电介质为碳氢化合物油类,其电阻率,粘度,密度,表面张力等性能都符合电火花加工的要求.但也存在容易着火;对人体和环境有污染等缺点[ 1 ].水基工作液在电火花线切割加工中应用广泛,在某些成形加工中也有所应用.同油类工作液相比,水基工作液对环境和人体不利影响小,没有火灾危险,但也存在一些问题,如热量损失大,排屑效果不佳,由于急冷易形成白层,容易锈蚀机床[ 2 ].人们也曾尝试过采用气体作为工作介质,但受当时技术条件限制,排屑,短路等问题难以解决.直到20世纪90年代,日本东京农工大学的国枝正典教授率收稿日期: 2007 - 08 - 13第一作者简介:夏永高,男,1982年生,硕士研究生.先成功实现了干式电火花加工,才突破了电火花加工只能在液体介质中进行的认识,开辟了电火花加工的新方式,由此引起了人们的研究兴趣[ 3 ].在干式电火花加工的基础上,上海交通大学和美国密西根大学分别提出了以雾为介质的放电加工.雾作为加工介质加工同样具有对环境和人体不利影响小,没有火灾危险等优点.由于雾的电学和热学性质介于气体和液体之间,故期望其能集二者之优点而避免它们的缺点[ 4 ,5 ].1 干式电火花成形加工干式电火花加工原理如图1所示.使用管状电极,加工时,作为放电介质的高速气体从管电极中喷出,起到了排除电蚀产物,恢复绝缘及冷却电极和工件的作用,电极随主轴旋转.气体在加工前排除水分,减少水分对加工的影响.国枝正典研究室对干式电火花成形加工和干式线切割加工都进行了较为深入的研究.对比实验表―22―《电加工与模具》2007年第6期 设计 研究明气中加工的速度只有油中的1/ 10 ,但单个脉冲蚀除量的差别并不明显.他们认为气中加工速度低的主要原因是短路率过高.短路率实验发现气中加工时短路率有时甚至达到90 %.为了降低短路率,研究人员在Z轴伺服系统中加入压电驱动,此措施使短路率大大减小,加工速度得到较大提高,达到和油中加工相近的水平,压电驱动和电极旋转也为后来大多数研究人员采用.图2,图3分别为国枝正典研究室干式电火花成形加工和干式线切割加工的照片[ 3 ,6 ].图1 干式电火花加工原理图2 干式电火花成形加工图3 干式电火花线切割加工以不同气体作介质的实验表明,氧气中加工可以获得较高的加工速度,原因是工件被强烈氧化.国枝正典等学者认为电火花加工存在准爆炸模式和爆炸模式,而准爆炸模式下干式加工可以获得较高的加工速度.通过实验,发现干式加工主要有以下特点:①电极损耗小,且几乎不随脉冲宽度而变化.②加工过程中,作用力同液中相比小得多.③可以根据不同应用对象选用不同气体.④重铸层薄,因而残余应力小,微裂纹少.⑤与传统加工相比,放电间隙更小.⑥可在真空环境中加工.⑦可以简化加工装置.图4为干式成形加工的样品.图4 干式电火花成形加工样品国内对干式加工进行研究的主要为哈尔滨工业大学[ 7 ].他们的研究认为:电子在气体电离过程中起到了重要作用;工件表面变质层和热影响层较浅;排屑主要是通过电蚀产物蒸发和气流吹离来完成.研究也发现了一些技术难题,比如:①由于电极需中空,使微细电极的尺寸受到限制,实现微细零件的加工有一定难度;②受气源压力及电蚀产物排出的限制,难以实现较大型腔的成形加工;③由于电蚀产物主要靠气流压力排出,会使一些电蚀产物粘结在加工表面,影响表面质量.2 干式电火花线切割加工继干式电火花成形加工研究之后,国枝正典和王彤等开展了干式电火花线切割加工的研究[ 3 ].通常,低速走丝和高速走丝线切割加工分别采用去离子水和专用乳化液作工作介质;液中高速走丝线切割加工由于加工中作用力大可能产生鼓形变形影响直线度.干式电火花线切割加工,由于气体的介电系数,粘度,密度均较小,故放电爆炸力小,振动和作用力小,因此可获得较好的直线度.此外,气中放电能量分散有助于降低表面粗糙度值.由于以一定速度运动着的电极有助于除屑,干式电火花线切割加工可不采用压缩空气,而在大气中完成精加工.高速走丝线切割加工,气中加工的速度比液中加工速度普遍要高.其原因在于,液中加工时,高速运动着的电极丝与工件间存在较大作用力,会激发电极丝产生较强的振动,增加了短路率,而气中加工时,电极与工件间作用力十分小.两种加工方式所形成的表面粗糙度则较为接近[ 6 ,8 ].此外,哈尔滨工业大学还进行了气中低速走丝―32―设计 研究 《电加工与模具》2007年第6期线切割加工超级电容的研究,并取得了较好效果;其原理如图5所示.压缩空气向上,向下或同时向上和向下冲刷,工件用压板压紧[ 9 ].图5 气中低速走丝线切割加工超级电容碳2铝2碳3层结构的超级电容,目前通常采用冲压的方法制造,其加工效率高且成本低.然而,与中间铝层相比,碳层的硬度太小以至于加工过程中常发生飞边,毛刺并由此导致电极搭接,造成电容漏电.电火花线切割加工超级电容时,工件和工具电极不直接接触,机械作用力小.但以液体作为放电介质的传统电火花线切割加工有其不足:作为工件的超级电容与正极相连,铝层可能发生阳极溶解(电解);微小的电蚀产物和离子可能进入碳层的空隙,使超级电容被污染.干式电火花线切割加工过程中的作用力更小,也不会产生电解和污染,因而不存在上述问题.气中加工工件的直线度和表面粗糙度都比液中加工的好.X射线分析还发现,气中加工过程中形成的氧化层有将铝层和碳层绝缘的效果.这就减小了漏电电流,提高了超级电容的使用寿命.不过气中加工也有其局限性,其冷却效果没有液中加工好,因而电流不宜过大,工件不宜过厚,加工速度较慢.3 干式电火花抛光干式电火花抛光是由加拿大拉瓦尔大学A.Curodeau等提出的[ 10 ].电极为热塑性复合材料.抛光过程及原理如图6所示.首先,将铣削后的工件固定在机床上,工件材料为工具钢.然后在工件型腔中注入熔化了的复合导电材料,并在上面加盖压缩.电极柄穿过盖子进入电极内部,电极凝固后与柄连成一体.在抛光过程中,电极的微突峰因为传导较大电流而生热熔化并再次固化(图7).这样,电极被不断损耗并变得光滑,工件表面的突出部分也因放电而被不断蚀除,表面粗糙度值也逐渐降低,从而达到抛光效果.接着用抛光后较光滑的型腔再浇筑另一个电极并进行抛光,如此反复直到表面达到要求.由上述步骤可以看出,干式电火花抛光有易于实现自动化的潜在优势.实验中,经3次抛光后,工件的表面粗糙度值从R a44μm降低至R a36μm.图6 干式电火花抛光过程图7 干式电火花抛光局部示意图电极由纳米级碳粉组成,故在放电间隙形成了由碳粉组成的导电云雾,由于放电分散,能得到极好的表面质量.但过多的粉尘可能导致电弧放电,从而损伤工件表面.所以,应通过适当的冲刷保持―42―《电加工与模具》2007年第6期 设计 研究适量的粉尘颗粒.由于复合材料电极的固体成分少,因而其电阻率较大.第一代复合材料电极的电阻率为0. 18Ω cm而石墨为0. 000 3Ω cm ,电阻率仅为其1/ 600.这样,电极上的电压降将不可忽略(试验中达到2 V).作为前期的探索和对比实验,研究人员还进行了以商用石墨为电极的气中抛光实验.实验中电极损耗较大,但结果也达到了预定的目标[ 11 ].4 超声振动辅助气中放电加工超声振动辅助气中放电加工是由山东大学提出的,也是在干式电火花加工的基础上发展起来的一种技术.它也以高速气体为工作介质,工具电极旋转.其独特之处在于将电极或工件固定在超声振动变幅杆端部,使其产生超声振动[ 12 ,13 ].超声振动可提高伺服进给系统的频率响应,能迅速拉开即将短路的两极,避免短路,因而能明显改善气体介质放电加工的性能.此外,超声振动具有很大的瞬时加速度,能使两极间产生空化作用,将熔融材料抛离工件表面,避免其凝固粘附,因此提高了材料去除率[ 13 ].图8 超声振动辅助气中放电加工超声振动辅助气中放电加工的一个关键是密封,尤其是电极超声旋转振动时.受超声振动的能量限制,超声振动目前只适合加工较小零件.5 准干式及其他干式电火花加工美国密西根大学和上海交通大学均开展了雾中电火花加工的研究[ 4 ,5 ].其原理跟干式加工相似,但用气液混合雾取代高压气体作为放电介质.前者称为近干式加工,后者称为喷雾电火花加工.本文综合为准干式电火花加工.研究表面,近干式加工在精加工阶段比较有优势.在小能量加工时,分散在气体介质中的小液滴起到了混粉的效果,有助于稳定放电.混氮,氦水雾因不含氧份而阻止了电解的发生,故能获得较低表面粗糙度值.混氧雾中加工,由于氧化发热因而材料去除率和表面粗糙度值均较高.在对比实验中,雾中钻孔获得了较好的直线度,边缘轮廓清晰.准干式电火花加工可根据不同的应用对象选用不同液体和气体混合作介质,故有潜在的优势.在空气中进行的电火花表面强化,表面改性和电火花刻字等也属于干式加工范畴.6 结语干式和准干式电火花加工尚有一系列技术难题有待解决,离实用还有一定距离.但干式和准干式电火花加工突破了电火花加工只能在液体介质中进行的认识,拓宽了电加工技术的发展空间,且具有对环境无污染,无火灾隐患,对操作者无不良影响等优点,因而是极具发展前景的绿色加工方法.
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