阵列电极在电火花成形加工效率提升中的应用

中图分类号：TH161+.1

The application of array electrode in improving machining efficiency of EDM

                                         Wang Xingqiao, Pan Xiaobin, Peng Dongliang

( Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy of engineering physics, Sichuan Mianyang, 621900, China)

Abstract: In order to improve the machining efficiency of small parts, the machining method of using array electrode was studied. It is theoretically analyzed that the array electrode can improve the processing efficiency by reducing the accumulation of  electric discharge by-products. The correctness of theoretical analysis was verified by experiment: compared with single electrode processing, the processing efficiency of the array electrode with 10 stations increased by 3.3 times.

Key words: array electrodes; EDM

引言

电火花加工是利用浸没在工作液中两极间的脉冲放电释放的能量将工件材料蚀除的一种特种加工方法。其优点是可实现精密仿形加工，没有宏观切削力。因此，在生产中，电火花成形加工主要用于硬脆材料的加工、异性腔体的加工以及细深结构加工，是制造工艺系统中切削加工的有效补充。

随着高速铣削技术的发展，高速铣削在淬硬材料、细深结构加工方面的能力给电火花加工带来了挑战，与电火花加工相比，高速铣削存在明显的效率优势。为保持电火花工艺在制造工艺系统中的地位，电火花加工效率亟待提升。近些年，研究者陆续开发了多种高效电火花加工工艺，如上海交通大学赵万生教授团队提出的高速电弧放电加工工艺，获得了镍基高温合金GH4169去除率达14000mm³/min的实验结果^[1]；南京航空航天大学刘志东教授提出的放电诱导可控烧蚀高效加工方法，加工效率可比传统电火花加工提高10倍以上^[2]。除了工艺方法的创新外，研究较多的还是从工艺过程优化的角度提升电火花加工效率，如根据具体加工工况对电源参数进行优化、对抬刀频率进行优化^[3-4] 。然而，对于部分进口的高端机床，处于知识产权的考虑，其工艺参数并不允许用户随意更改。在此前提下，为提升电火花成形加工效率，本文结合小型零件的加工，通过实验研究了阵列电极在电火花成形加工中应用的可行性和加工效果。

1、阵列电极应用的理论基础

面积效应是指电火花加工过程中，加工性能（加工效率、电极损耗等）随着放电面积的变化而发生变化，放电面积过大或者过小都会使加工效率降低、电极损耗增大，放电面积与加工速度的关系曲线如图1所示。

             图 1 放电面积与加工速度的关系

电火花放电采用的是高频脉冲电源，目前的理论认为，在同一时间，只有一个位置发生放电击穿。一个位置发生击穿放电后结束后，放电位置会转移到另一个地方，再次发生放电击穿。工件材料是依靠不断转移的放电点逐渐将材料蚀除。当放电面积太小时，放电点的转移会集中在一个小范围内，放电蚀除的材料形成的电腐蚀屑也会集中在该区域，来不及排走，就会影响放电的稳定性，出现拉弧、短路等异常现象，降低加工效率。当放电面积太大时，电蚀产物沿着放电间隙排出的难度增加，同样会造成电蚀产物在电极间隙中累积，导致异常放电，降低加工效率。

面积效应的本质是电腐蚀产物的累积。当加工面积太小时，电腐蚀产物排出速度没有变慢，但产生速度增加了导致加工效率降低；当面积太大时，电腐蚀产物的产生速度没有变快，但排出速度降低导致加工效率降低。

阵列电极应用的理论基础，则是使电蚀产物的生成和排出速度达到动态平衡，产生的电腐蚀屑可以及时排出，防止电腐蚀屑在电极间隙中积累，确保放电过程稳定，通过提高电脉冲的利用率来提高加工效率。

2、实验设计

以紫铜作为电极材料，以不锈钢作为工件材料。选用相同的电源参数分别进行单电极和10工位阵列电极沉孔加工实验，电源参数图表1所示。

表 1 电源参数

加工过程中，当电蚀产物积累引起异常放电时，机床会通过主轴高速回退的方式将电腐蚀屑带出。主轴回退的策略为自适应回退，即：当控制系统检测到存在异常放电时，主轴高速回退，直到异常放电消除，主轴再进给；当没有检测到异常放电时，主轴一直处于进给状态。10工位阵列电极如图2所示，为10个直径8mm的圆柱组合，而单电极则为一个直径8mm圆柱。

    图 2 10工位阵列电极

3、实验结果分析

如图3所示为单电极加工一个零件和阵列电极加工一个相同的零件所需要的时间。其中，每组试验重复3次，加工时间取3次试验的平均值。阵列电极加工一个零件时间的确认方法是:一次加工10个零件所需要的总时间除以10得到单个零件加工所需的时间。从图3可见，阵列电极加工效率为单电极加工的3.3倍。

    图 3 两种方法加工时间平均值

在电源参数、冲液方式、机床抬刀策略均相同的条件下，阵列电极加工速率提高的根本原因是电源脉冲利用率的提高。采用电火花进行加工，材料的蚀除速率取决于单个脉冲的蚀除体积和单位时间内有效脉冲的数量。由于电源参数相同，单个脉冲蚀除体积是相同的。

两种方式加工中，由于阵列电极单个工位结构与单电极完全一致，电腐蚀产物的排出冲液条件也一致，因此，可以认为电腐蚀产物排出速率也是相同的。对于阵列电极而言，由于放电点在不同工位之间高速转换，对应于一个工位，电腐蚀产物生成的速度会降低。因此，采用阵列电极加工不容易产生电蚀产物累积，放电过程受电腐蚀产物累积影响的可能性小，放电过程能够持续稳定进行。因此加工过程中主轴抬刀频率降低，异常放电的现象减少，单位时间内有效放电脉冲的数量增加，导致材料去除速率提高。

4、结论

 本文从理论上分析了对于小型零件，采用阵列电极可提高电火花加工材料蚀除速率的原因：应用阵列电极可减少每个工位中电腐蚀产物的生成速度，进而可缓解电极间隙电蚀产物的累积，减少异常放电的发生，提高电源的脉冲利用率进入提升加工效率。设计实验验证了采用阵列电极提升加工效率的可行性，获得了加工效率提升3.3倍的实验结果。采用阵列电极提升加工效率的生产方式可推广到小型零件电火花加工中。

参考文献

[1]徐辉，顾琳，赵万生，洪汉，张发旺，陈吉朋. 高速电弧放电加工的工艺特性研究，机械工程学报[J]，2015,51（17）：177-183

[2]刘志东，王继强，王怀志，王祥志，邱明波.  电火花诱导可控烧蚀放电铣削实验研究，南京航空航天大学学报[J]，2014,46（2）：197-202

[3]王津，韩福柱，卢建鸣，赵福令.电极加工时间对电火花加工效率影响规律研究 ，大连理工大学学报 .2012,52（5），652-656

[4]杨建宇. 优化电参数提高注塑模电火花加工效率，林业机械与木工设备，2015,43（3）：36-38