电火花加工
电火花放电微细电极振动的测量与研究渊上海交通大学机械与动力工程学院袁上海200240冤
摘要院利用电火花铣削进行大深度尧大体积的三维型腔加工袁需预留足够的电极长度以对损耗的电极进行补偿遥在电极直径较小的情况下袁较大长度的电极会使电极刚度降低袁放电产生的作用力等因素的影响将无法忽略袁直接导致电极末端位置误差增大袁影响加工精度遥围绕电极放电力对微细电极振动的影响袁进行了测量及研究遥采用显微镜和高速相机的组合观测微细空心电极在单脉冲放电作用下的振动情况袁以获得其振幅大小曰在实验基础上分析峰值电流和脉宽参数组合的变化对电极振幅的影响遥
关键词院电火花加工曰放电作用力曰电极振幅中图分类号院TG661
文献标志码院A
文章编号院1009原279X渊2020冤01原0012-05
赵之谦袁朱烨添袁李淋袁吴江袁裴景玉
MeasurementandResearchonVibrationofMicroElectrodeinMicroEDM
渊ShanghaiJiaoTongUniversity袁Shanghai200240袁China冤ZHAOZhiqian袁ZHUYetian袁LILin袁WUJiang袁PEIJingyu
largerlengthleadstoadecreaseinelectrodestiffness袁especiallyinthecaseofelectrodeswithsmalldirectlyleadstotheincreaseofelectrodeendpositionerrorandaffectstheprocessingaccuracy.Therefore袁theinfluenceofdischargeforceonthevibrationofmicro-electrodesismeasuredandstudieddiameterandrotation.Theinfluenceofdischargeforceandotherfactorscannotbeneglected袁which
EDMmillingrequiresasufficientelectrodelengthtocompensateforthewearofelectrode.However袁
Abstract院Toachievethree-dimensionalcavityprocessingwithlarge-depthandlarge-volumeby
inthispaper.Thevibrationofmicrohollowelectrodesundersinglepulsedischargewasobservedbyaexperiments袁theinfluenceofthecombinationofpeakcurrentandpulsewidthparametersontheamplitudeoftheelectrodeisanalyzed.
Keywords院EDM曰dischargeforce曰electrodevibration
combinationofamicroscopeandahigh-speedcameratoobtaintheiramplitude.Onthebasisof
随着工业的发展袁当前社会对微细化尧精密化零件的需求也越来越大
[1-2]2025冶[3]的号召袁要实现制造业创新发展和产业升级的目标袁高精度尧极微细制造技术至关重要遥精密机械中的很多关键微细零部件都离不开微细制造遥而微细电火花加工技术是微细制造中的一种重要加工方法遥
电火花脉冲放电产生的冲击作用力是客观存在的遥已有研究表明袁电火花加工过程中尽管没有宏观的机械作用力袁但在工件和电极之间存在因放电产生的冲击力[4]遥在普通电火花成形加工工艺中袁
遥响应国家野中国制造
电极尺寸较大且具有稳定的形状袁故一般可忽略放电脉冲引起的冲击力的影响遥而在电火花线切割加工工艺中袁可将所用的电极丝视为极大长径比的电极袁其刚度低袁易受加工过程中放电力的影响袁从而火花线切割中的加工作用力袁认为在加工过程中袁电极和工件之间主要存在两种作用力院脉冲作用力和静电力遥褚旭阳等[7]认为袁电极丝这种柔性体在加工过程中易受力的干扰而改变其形状和位置袁影响加工精度遥
对于更具一般性的电火花加工放电脉冲力研究袁国内外也已积累了相当一部分成果遥Kunieda[8]总结分析了在较大参数的电火花加工过程中袁放电能影响工件的加工效果[5]遥Kunieda等[6]研究了干式电
收稿日期院2019-10-25
第一作者简介院赵之谦袁男袁1995年生袁硕士研究生遥
要12要
电火花加工
量较大袁认为静电力明显小于放电力袁可忽略不计袁故电火花加工中的主要作用力是脉冲放电力遥张勤河等[9]提出了测量脉冲放电产生微细作用力的两种方法袁即直接测量法和霍普金森杆法袁前者测量方便但不够精确袁后者较前者精确但其测量系统的搭建及计算过程复杂度高遥李剑忠等[10]通过微细电极加工孔实验袁得出电极越长尧加工孔径越大的结论遥
在微细电火花加工微小尺寸零件时袁不可忽视电极与工件之间的放电作用力袁必须考虑该作用力对加工零件的影响遥为了探究放电脉冲力在极间的作用机理袁本文在微细尺度下袁将电极和工件的尺寸控制在1mm以下袁利用显微镜和高速相机对放电过程及放电前后电极的振动状态进行直接观测袁并利用Matlab软件将拍摄到的电极振动图片进行一列图像二值化尧边缘检测尧振幅计算等处理袁从而得到单次脉冲下的电火花放电作用力对电极振动的影响结果曰同时袁通过改变电流尧脉宽等电参数袁对不同电参数下的振幅做数据和误差分析遥
1
1.1
单脉冲放电作用下的电极振动实验
实验目的及方案
为了直接观察电极在放电瞬间前后的振动变
化情况及为后续估算作用力准备数据袁本文进行了单脉冲放电作用下的电极振动实验袁研究了峰值电流尧脉宽及放电能量对振动的影响遥实验装置见图1和图2遥采用Roboform35型机床袁主要观测设备是显Z450微镜和高速相机组成的图像采集系统袁包括VH-V1210高测Application袁图型倍像高率则速变焦距镜头渊放大倍数450~3000冤尧呈通数字现过配套摄像在计算软机机上件袁Phantom可实现微米级尺度的观袁并用平Camera行光源Control
WL40作为背光源遥
MT-机床夹头
显微镜工件
高速相机计算机
平行光
平行光源
Z电极
Y
O
X
+-
图1实验装置示意图
实验时袁空心黄铜电极由弹簧夹头夹持固定在机床底座上袁工件被安装在机床夹头上曰工件做成尖状置于电极侧面袁其尖端指向电极末端侧面袁确保放电过程中只发生一次放电曰工件尖端按5滋m的步进距离沿Y轴负方向靠近电极袁直至放电遥
叶电加工与模具曳2020年第1期显微镜
工件平行光源
电极微调平台高速相机
图2实验装置实物图
实验参数见表1遥工件的原始厚度为0.1mm袁为保证其尖锐程度袁实验前用砂纸对其进行打磨袁实3100尧际12尖为划尧尧20024部尧厚分实尧48度400A约验序滋袁号s脉为袁宽20的将的滋依峰取m遥峰值电流的取值为1.5尧据值值遥
电为流与3.2脉尧6.4宽的尧12.8乘积尧25能尧级50作尧表1加工参数
项目数值或条件
项目数值或条件电极材料黄铜工件材料304不锈钢
电极内径/滋m210加工电压/V200电极外径/滋m482加工极性电极接负极
电极长度/mm80工件厚度/滋m20电极内尧外径/滋m
105尧474脉间/滋s0.8电介质
空气
放电间隙/滋m
10
1.2实验数据采集方法
Application采集实画面尺寸为进验1200行数拍据时伊800摄袁袁Pixel设用置Phantom遥录屏开始帧实率Camera验前为1000Control
袁调整FPS显微尧镜尧高速相机尧工件及电极袁使电极与工件尖端进入视野袁并使两者初始间距约30滋m曰实验开始后袁设定程序使机床夹头带着工件尖端按5滋m的步距步进靠近电极袁直至放电曰保留放电前后各2s时间的视频袁共保留4s袁即拍摄4000张照片袁完成一次拍摄遥将这4000张照片导入Matlab软件进行二值化尧腐蚀膨胀尧边缘提取等处理后袁得到电极边缘的像素位置曰分析比较4000张照片中每一张电极边缘的像素位置袁再标定像素和实际位移的尺寸袁从而生成电极的振动位移图遥为尽可能保证实验数据的可靠性袁针对同一组参数重复三次实验袁并取三次实验的平均值作为所测的振幅峰值遥
本实验将高倍率变焦距镜头的放大倍数设定为1500倍袁在图像处理前对拍摄图像进行尺寸标
要13要
叶电加工与模具曳2020年第1期
定袁得到像素和实际距离之间的转换比例关系渊比例尺为0.257滋m/Pixel冤遥图3是图像处理过程中某次实验图像放入Matlab软件经二值化处理尧腐蚀膨胀和边缘提取后得到的放电瞬间前后的两帧图片遥如图3a所示袁左侧尖端物体为削尖的不锈钢工件袁右侧圆柱物体为黄铜电极曰如图3b所示袁由于火花在放电后将工件蚀除掉了袁故看不到左侧的工件袁仅留有电极遥
渊a冤放电瞬间前图一帧
3图像处理示渊b冤例
放电瞬间后一帧
实验提取图3所示电极的左侧边缘像素点袁将其作为实验对象袁分析每一帧照片的像素偏移量遥图4是对4000张照片进行分析后得到的电极边缘振动图片像素位置-时间曲线遥可看出袁放电对电极稳定性有明显干扰遥
10501000950900850800750700650600
00.511.5时2间/s
2.533.544.5
图4电极边缘振动图片像素-时间曲线
为了方便从图上获得振动幅值信息袁将像素点转换为位移距离袁从而使得放电后电极边缘的位移振动情况更直观尧清晰袁如图5所示遥由此完成了图像处理和数据采集过程遥
604020-200
-40-60
00.511.5时2间2.5/s
33.544.5
图5电极边缘振动位移-时间曲线
要14要
电火花加工
1.3
实验数据规划
峰值电流和脉宽这两个单因素与放电能量呈正相关关系遥随着峰值电流的提高或脉宽的增加袁电路输出总能量等比增加遥因此袁本文通过设定峰值电流和脉宽以及峰值电流和脉宽的乘积能级开展实验遥实验参数设定见表2遥其中袁序号栏有两个数字袁第一个数字代表能级代号袁第二个数字代表峰值电流代号遥峰值电流通过与不同脉宽组合得到相近的能量袁从而将其划分为同一能级遥本实验共划分了三个能量级别遥可见袁本实验共有18组参数袁每组参数重复3次袁共有54组数据遥实验结果取其平均值遥
表2实验参数规划表
序号峰值电流/A
脉宽/滋s电量/渊伊10-61-11.5150C冤能量等级L1-21-331001-46
5025
1501501-51212.81541
1-6241542-1486.41542-21.52003.23002-333002-4610012503002
2-52425
3002-63074-11.54812.830734006.44-26004-36004-41262001006004
4-5504-6244812.8256006006141.4实验数据结果展示
本文将峰值电流和脉宽作为控制变量进行实
验袁结果见表3遥每组参数取振幅最大值作为该参数下的电极振幅值袁实验还选取能级等级分别为L=1尧L=2尧L=4的情况袁进行同一能量等级尧不同参数组合及不同能级之间的对比研究遥
根据能级划分袁之后得到的同一能级下振幅随电流增大的变化趋势见图6遥当峰值电流一定时袁比较振幅随脉宽增大的变化趋势见图7遥当脉宽一定时袁比较振幅随峰值电流增大的变化趋势见图8遥
电火花加工
表3振动实验结果
序号能量等级L峰值电流/A
脉宽/滋s电极振幅/滋m
1-11-21.51-3310054.981-41
126
5025
19.8621.231-52412.819.241-635.042-11.5486.42003.225.292-2349.512-3610031.762-4
2125030.392-52425
28.082-639.914-136.084-21.54812.86.4340045.814-333.744-44
12620010035.224-5245038.394-64812.82559.2042.01从渊1上冤从述图结果中得到以下规律院
的一致性袁会随着6来峰看值袁不电同能流的级相对曲线增的大和变化脉宽有的一相定
对减小袁出现振幅先减小尧后增大尧再减小的情况遥故可认为袁在小电流尧大脉宽阶段袁峰值电流对电极的作用力占主导因素曰在大电流尧小脉宽阶段袁小脉宽对作用渊2冤从力图产生6来明看显袁制在约所遥
的小电流尧大脉宽的振幅要大有能于级实中验袁序实号验为序6号的大为1
1电和流序尧小号脉6宽的的振振幅幅之袁间且随着的差值能越级小的遥
增大袁实验序号
脉宽渊阶3冤段从袁图振幅6来的大看袁小在顺实序验是序L号1>为L2>1的L3小曰在电其流他尧大
阶段袁实验结果与之相反袁振幅大小顺序是L3>L2>L1遥
增大渊曰4但冤从在图小电7来流尧看大袁脉电宽极的振情况幅随着下袁脉振宽幅的随着增大脉而
宽的增大的增渊大5而冤而从减增图小遥
大8曰来在看大袁脉电宽极的振情况幅基下本袁随着振幅峰随着电值电流
流增大而渊6先冤电减极小的后增振幅大与遥
峰值电流和脉宽的综合作用
叶电加工与模具曳2020年第1期6055L50L145L24
403530252015
1.51A32峰A值63电A流124代A号
245A486A
图6能级一定条件下振幅随着峰值电流变化的曲线
6055504540351.5303256A12A20
24A0100
48AAA
脉200宽/滋s
300400
图7峰值电流一定条件下振幅随着脉宽变化的曲线
6012.8502550100滋滋滋mm滋m40
m
30
20
010
峰20值电流30/A
4050
图8脉宽一定条件下振幅随着峰值电流变化的曲线
因素有关遥总的来说袁振幅与能级大小呈现正比关系袁即能级越大袁振幅越大遥
2实验结果与原理分析
上述变化规律表明袁电极受到作用力导致振动
的程度是峰值电流和脉宽综合作用下的结果袁为此建立了如图9所示的气中放电作用力示意图袁并主要从粒子作用和能量分配两个角度进行原理分析遥
冲击波
抛蚀产物附着
渊接工件正极冤v-v+
放电扩张
通道渊接电负极
极冤气态电介质
图9气中放电作用力原理示意图
要15要
叶电加工与模具曳2020年第1期
根据电火花加工极性效应袁基于本文在空气中进行单脉冲放电尧电极接负极的条件[11]推理院电极作为阴极袁其材料被蚀除的袁主可作要原出如因下是受到放电通道中阳离子的轰击袁这也是其所受放电作用力的主要来源曰相应地袁工件被蚀除主要是由于放电过程中电子的轰击遥此外袁电极还受工件抛蚀产物的附着冲击和放电通道扩展尧通过空气介质传递的冲击作用袁但上述作用力相对较小遥2.1从粒子作用角度分析
与电子轰击阳极相比袁阳离子的质量更大尧加速度更小袁电子在短时间内就能充分加速并轰击阳极袁而阳离子则需更多时间遥因此袁只有当脉宽足够大时袁阳离子才能被充分加速袁其轰击带给电极的作用力才更大袁放电能量也才能较充分地转化为电极的机械能遥
在大电流尧小脉宽的情况下袁脉宽过小会在一定程度上限制放电通道中阳离子的加速时间袁使其轰击电极时尚未完成充分加速袁能限制放电能量向电极振动机械能转化时的比例遥另外袁除了放电通道中的阳离子袁熔融态的工件金属材料袁其整体带正电荷袁在电场作用下也会向电极轰击袁并最终粘附在电极上遥该作用与阳离子类似袁因其质量更大尧加速度更小袁能量传递能力更易受时间因素的影响遥因此袁在大电流尧小脉宽的情况下袁脉宽的微小增加对电极的振动有明显的促进作用袁小脉宽对电极振动的制约作用非常显著渊图7冤曰而在小脉宽的情况渊下袁峰值电流的继续增大对电极振动影响较小2.2图8冤遥
从能量角度分析
根据文献[11]袁在电火花加工过程中袁电路产生的总能量被分配成三个部分袁即院传递给阳极的能量尧传递给阴极的能量及用于等离子通道生成尧维持和扩张的能量遥
在小电流尧大脉宽的情况下袁能量在时间轴上相对分散袁同时放电通道有较充足的时间向外扩张袁持续散失能量袁带来的效应是放电能量大部分用于放电通道的形成及维持袁通过电子轰击工件传递的能量及阳离子轰击传递给电极的能量相对较小曰当电流增大时袁放电通道的形成及维持需要更多的能量袁同时其散失能量也更多袁因此带给电极尧工件的能量增加程度是有限的遥因此出现了图6所示的小电流尧大脉宽情况下袁高能级振幅小于低能级振幅的现象遥
综上所述袁可认为将放电参数的组合分为两个阶段袁即小电流尧大脉宽阶段和大电流尧小脉宽阶段遥对于前者袁峰值电流是主要影响因素袁较小的峰要16要
电火花加工
值电流会制约放电产生的作用力曰对于后者袁脉宽是主要影响因素袁较小的脉宽会明显限制作用力遥
3结论
下电极渊1振冤本幅文的建立实验了方一种法袁并测提量出了侧向基单脉冲放于Matlab电的情况
图像识别和数据处理方案袁探究了峰值电流尧脉宽及两者乘工时渊袁2积确实冤本对文电存在发极电现振极在动振微细的影响动袁尺且不可度袁进下行进了数据分析遥
忽行视微细遥通电过火前花述加
模型对多组电参数下的电极振动进行了测量并分析数据的下袁渊放3规律冤电实通验性道在结遥
果其显形示成院后在无小法电维持流尧大大脉脉宽宽的下情况
的能量袁且能级越大尧散失的能量也越大袁这会导致低能级的电极振幅大于高能级的电极振幅的情况曰在其他情况下袁能级是峰值电流和脉宽乘积的主要影响因素袁电极振幅随着能级的增大而增大遥参考文献院
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forceinsinglepulsed渊下转第30页冤
叶电加工与模具曳2020年第1期
着占空比增大而降低遥这是由于电解加工时脉冲占空比过大袁单个脉冲能量过大袁电解液产物来不及排除袁起不到间歇排屑的效果袁导致槽深变小遥由此可见袁占空比60%为最佳值袁此时电流利用率最高遥
0.340.300.260.220.18
40
45
50
占空比55
/%
60
65
70
图14占空比与槽深的关系
4.2.4
图加工15是时加工间与时槽间深与的关螺旋槽槽系
深的关系袁可看
出袁在所选加工时间内袁槽深随时间延长而增大袁符合公式m=浊kIt袁即当电流效率尧电化学当量和电流强度一定时袁去除量跟加工时间成正比遥当然袁槽深增加并不会无限发展下去袁当加工间隙增加到某一值时袁此时的综合加工条件会限定电化学加工的继续袁如加工间隙增大时电场强度降低袁电解液的电阻率增大袁阳极压降降低袁当压降小于金属的电极电位时袁则电化学反应不再继续曰此外袁加工时间过长会引起附加反应增多袁能耗增大遥
0.340.320.280.30
0.260.240.200.22
4
5
加工6
时7
间/min8
9
10
图15加工时间与槽深的关系
4.3工具阴极优化后的加工试验
14根据正交试验优化结果袁选择加工参5minV尧袁占优化空比后60%的加工结尧初始果见加工图间隙16遥0.4经mm测尧数量加工为电袁螺时压
旋槽
间的槽深在0.655~0.672mm袁深度误差为0.017mm袁试验过程稳定尧重复率高袁符合设计要求遥
5结束语
采用表面强化结构-螺旋肋化通道是提高冷却
孔冷却效果的有效方法之一袁本文采用螺旋形阴极电解加工小孔径内壁螺旋槽结构遥首先改装了数控要30要
电化学加工
图16优化后试验结果
电解加工机床袁研制具有通水尧导电功能的特制刀柄曰然后通过电场和流场分析指导阴极设计袁解决了螺旋槽电解加工过程中存在涡流导致加工速度低尧表面质量差的问题曰最后通过正交试验研究了各加工参数对加工所得槽深的影响规律袁从而得出优化的螺旋孔电解加工工艺参数袁成功加工出效果理想的小孔内壁螺旋槽遥参考文献院
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