晏成洋，鄒日貌，余祖元，李劍中

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

冷等離子體射流中微細(xì)電火花加工特性研究

晏成洋，鄒日貌，余祖元，李劍中

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

采用晶體管脈沖電源，在氧氣輔助氮?dú)獾入x子體射流、氮氧混合等離子體射流及外部壓縮空氣輔助氮?dú)獾入x子體射流等不同冷等離子體介質(zhì)中進(jìn)行了微細(xì)電火花加工特性的實(shí)驗(yàn)研究，以期確定加工過程穩(wěn)定的工藝條件，達(dá)到提高加工效率和加工質(zhì)量的目的。在氧氣輔助氮?dú)獾入x子體射流實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣流量的增加，材料去除速度和表面粗糙度值均有增大趨勢；采用壓縮空氣輔助氮?dú)獾入x子體射流的電火花加工在表面質(zhì)量、邊緣質(zhì)量方面均優(yōu)于氧氣輔助氮?dú)獾入x子體射流加工。

微細(xì)電火花加工；氮?dú)獾入x子體射流；加工特性

隨著材料和能源的不斷消耗，為了在有限空間內(nèi)增加產(chǎn)品的功能并降低能源的使用，追求產(chǎn)品微型化已成為當(dāng)前制造業(yè)的發(fā)展趨勢之一，而能實(shí)現(xiàn)微米級別的微細(xì)電火花加工技術(shù)也成為國內(nèi)外科研人員的研究方向之一[1-2]。隨著電火花加工技術(shù)的發(fā)展，為了適應(yīng)不同的加工需求，加工所用的介質(zhì)也在不斷更新。目前，電火花加工介質(zhì)主要有：油類、去離子水、氣體和液體霧化介質(zhì)等種類。國內(nèi)外學(xué)者針對不同的加工介質(zhì)對電火花加工特性進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，不同加工介質(zhì)下的電火花加工性能有所不同，且呈現(xiàn)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。Kruth等發(fā)現(xiàn)采用煤油介質(zhì)進(jìn)行電火花加工后的模具鋼表面白層碳含量增加了四倍，而采用去離子水加工時，碳含量降低了50%[3]。Kunieda等開創(chuàng)性地在薄壁管狀電極中通入空氣、氧氣作為電火花加工介質(zhì)，尤其是在氧氣中獲得了比煤油介質(zhì)更高的材料去除速度，且發(fā)現(xiàn)在氣體介質(zhì)中具有電極損耗低、甚至不損耗的特點(diǎn)[4]。Yu Zhanbo等在氣體介質(zhì)中進(jìn)行了3D輪廓的電火花加工可行性研究，探索了切削深度、氣體壓力、脈寬、脈間、電極轉(zhuǎn)速等對加工特性的影響，并對切削深度和氣體壓力進(jìn)行優(yōu)化以獲得較高的加工速度和較低的電極損耗，最終得到氣體中的電極相對損耗比油中小1/3以上的結(jié)論[5]。顧琳等對霧中電火花銑削加工進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)霧中放電凹坑大而淺[6]；而油中的工件加工表面存在較多裂紋[7]。這是由于霧介質(zhì)的粘度較低，使放電通道擴(kuò)展較快，單位面積的放電能量減少而造成的。

雖然油基、水基工作液在電火花加工過程中較常見，且其加工特性的研究也已相當(dāng)成熟，但由于加工時析出的有害物質(zhì)易被操作人員吸入而危害健康，而加工后的廢液處理，尤其是油類也需特別注意，處理不當(dāng)易對環(huán)境造成污染[8]。同時，氣體介質(zhì)的電火花加工質(zhì)量、加工過程穩(wěn)定性和不同材料的適用性，仍需進(jìn)一步研究。

等離子體（物質(zhì)的第四態(tài)）具有較高的電導(dǎo)率，鄒日貌等已對其作為電火花加工介質(zhì)進(jìn)行了可行性研究，發(fā)現(xiàn)氮?dú)獾入x子體的擊穿距離比氮?dú)馍淞骱涂諝舛即?，并成功地利用氮?dú)獾入x子體介質(zhì)分別在厚50 μm的304不銹鋼片和厚100、200 μm的H62黃銅片上加工出了微孔[9]。本文旨在晶體管脈沖電源的基礎(chǔ)上，在純氮?dú)獾入x子體射流（nitrogen plasma jet，NPJ）、氮?dú)馍淞鳎╪itrogen jet，NJ）、氧氣輔助氮?dú)獾入x子體射流 （nitrogen plasma jet aided by oxygen，NPJ+O2）、氮氧混合等離子體射流（nitrogen and oxygen mixed plasma jet，NOPJ）、壓縮空氣輔助氮?dú)馍淞?（Nitrogen Jet Aided by Compressed Air，NJ+CA）、壓縮空氣輔助氮?dú)獾入x子體射流（Nitrogen Plasma Jet Aided by Compressed Air，NPJ+CA）、去離子水及煤油等多種介質(zhì)中進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，并對其加工特性進(jìn)行分析比較，尋求加工過程穩(wěn)定的條件，提高加工效率和質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，主要包括機(jī)床主體部分、晶體管脈沖電源、放電檢測回路及等離子體噴射裝置等。機(jī)床主體部分采用臥式布局以利于加工屑的排出，X、Y、Z三軸均采用高精度運(yùn)動平臺。放電檢測回路采用平均電壓檢測法來監(jiān)測電極與工件之間的放電狀態(tài)。為避免晶體管脈沖電源輸出級的損壞，在電源回路中接入R1、R2限流電阻，R2同時又作為采樣電阻。等離子體發(fā)生器帶有內(nèi)、外組合噴頭，內(nèi)部噴頭噴射出氮?dú)獾入x子體射流，外部噴頭根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可通入氧氣、壓縮空氣等加工介質(zhì)。加工裝置實(shí)物見圖2。

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

基于晶體管脈沖電源的等離子體電火花加工實(shí)驗(yàn)均在事先銑平的H62黃銅片上進(jìn)行豎槽加工，豎槽示意圖見圖3。其中，上、下圓孔是為了便于排屑而準(zhǔn)備的。

實(shí)驗(yàn)共分三個階段，電極轉(zhuǎn)速均為600 r/min，型號為CTP-2000K的等離子體發(fā)生器的電壓和電流設(shè)置在2.8 kV和0.82 A左右（不包括NOPJ加工時），脈沖電源參數(shù)設(shè)置為90 V、40 kHz、450 ns，其他參數(shù)設(shè)置見表1。

圖1 加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 加工裝置實(shí)物圖

圖3 加工豎槽示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 NPJ下的電火花加工

為了探索在純氮?dú)獾入x子體射流（NPJ）中進(jìn)行微細(xì)電火花加工的可行性，首先進(jìn)行了第一階段實(shí)驗(yàn)?？梢姡?dāng)介質(zhì)流量為15 L/min時，無論在NPJ還是NJ中，加工過程均因不斷出現(xiàn)短路信號而無法正常進(jìn)行。分析原因可能為：①氣體流量較小使加工屑難以順利排出，從而使加工過程不斷出現(xiàn)短路現(xiàn)象；②加工能量不足使工件材料無法及時去除，從而導(dǎo)致加工失敗。針對第一個原因，通過流量控制器將氮?dú)饬髁空{(diào)到清洗檔 （流量約96.6 L/min），從而增大氣體流量，但實(shí)驗(yàn)仍無法正常進(jìn)行，加工結(jié)果見圖4。

表1 加工參數(shù)設(shè)置

圖4 在不同流量的NPJ、NJ介質(zhì)中的加工結(jié)果

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，增大氣體流量后依然無法進(jìn)行正常的加工，因此考慮增大加工能量以實(shí)現(xiàn)正常加工。由于當(dāng)前的晶體管脈沖電源輸出回路至少串入50 Ω電阻，導(dǎo)致放電電流較小，故考慮用其他方法來提高加工能量。同時，對流量15 L/min的空氣進(jìn)行試加工，發(fā)現(xiàn)可正常進(jìn)行，加工結(jié)果見圖5。

圖5 在流量15 L/min的空氣介質(zhì)中的加工結(jié)果

3.2 氧氣輔助NPJ的電火花加工

相關(guān)研究表明，在氣中進(jìn)行電火花加工時，當(dāng)有氧氣參與時，加工過程會發(fā)生氧化反應(yīng)，從而提高加工能量，對提高材料去除速度有利[4]；同時考慮到空氣中的主要?dú)怏wN2與O2的體積分?jǐn)?shù)分別為78%和21%，故可得出前文所述的試加工過程中，介質(zhì)流量為15 L/min的空氣中O2流量約3 L/min。

基于上述分析，通過在外部噴頭中通入O2，從而將其引入NPJ電火花加工來提高加工能量，由此進(jìn)行了第二階段實(shí)驗(yàn)。分別將O2流量設(shè)置為1、2、3、5 L/min進(jìn)行NPJ+O2的電火花加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)O2流量為1 L/min時，加工過程中不斷出現(xiàn)短路回退現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行，而在其他較高的O2流量下，實(shí)驗(yàn)均可正常進(jìn)行（圖6）。由此可確定，O2流量的大小對實(shí)現(xiàn)NPJ+O2的電火花加工十分重要；當(dāng)O2流量過低時，氧化反應(yīng)提供的能量不足以將工件材料去除，從而導(dǎo)致加工無法進(jìn)行。

圖6 O2流量不同時的電火花加工結(jié)果

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可得到材料去除速度（MRR）、電極相對損耗（TWR）及表面粗糙度Ra值隨O2流量變化的趨勢。從圖7a可看出，MRR值隨著O2流量的增加有變大的趨勢，但在O2流量為3 L/min時出現(xiàn)拐點(diǎn)，即當(dāng)氧氣流量從3 L/min增加至5 L/min時，MRR值反而減小。從圖7b所示的TWR變化趨勢可看出，之所以出現(xiàn)上述MRR值產(chǎn)生拐點(diǎn)的現(xiàn)象，原因可能是：當(dāng)O2流量為3 L/min時，TWR值較低，而增加O2流量會使加工產(chǎn)生的熱量增多，但爆炸力不夠，所以材料雖然熔化，卻并未完全從放電區(qū)域排出，而是粘附在了工具電極端面，使加工出的槽整體深度變大，最終反映在了MRR上。從圖7c可看出，隨著O2流量從2 L/min增加到3 L/min時，表面粗糙度Ra值有增大的趨勢，但當(dāng)O2流量為5 slm時卻獲得了較好的加工表面質(zhì)量。分析認(rèn)為，當(dāng)O2流量為5 L/min時，氧化反應(yīng)提供的能量較大，有利于材料去除，降低短路頻率，且較劇烈的氧化反應(yīng)可增大火花放電的爆炸力，減少加工屑的附著，因此能獲得較好的表面質(zhì)量。

圖7 不同O2流量下的材料去除速度、電極相對損耗及表面粗糙度的對比

3.3 NOPJ及壓縮空氣輔助NPJ的電火花加工

在前文所述實(shí)驗(yàn)中，雖然已通過從外部噴頭通入氧氣并成功地利用NPJ+O2在黃銅上加工出了直槽，但由圖6可看出，槽的加工邊緣附著大量的加工屑；此外，使用氧氣也增加了實(shí)驗(yàn)的成本。因此，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下，又進(jìn)行了第三階段實(shí)驗(yàn)，即加工介質(zhì)為NOPJ及NPJ+CA。需要說明的是，NOPJ是從內(nèi)部噴頭同時通入N2和O2，并通過調(diào)節(jié)等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，此時的發(fā)生器電壓及電流（2.5 kV、0.75 A）不可過大，否則將導(dǎo)致產(chǎn)生的等離子體射流不穩(wěn)定。

采用NOPJ進(jìn)行加工的主要目的是用較低的氧氣流量嘗試進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步降低表面粗糙度值。從圖8所示的直槽加工結(jié)果可看出，采用壓縮空氣輔助NPJ的電火花加工，槽邊緣的殘屑較少（圖8b），主要是因?yàn)閱挝粫r間通過加工區(qū)域的氣體介質(zhì)流量增大，有利于吹走加工屑。

圖8 不同介質(zhì)中的直槽加工結(jié)果

雖然采用NOPJ加工的槽邊緣質(zhì)量與第二階段實(shí)驗(yàn)中NPJ+O2的加工質(zhì)量相差不大，均附著較多的加工屑；但在NOPJ中，當(dāng)O2流量為0.8 L/min時卻能進(jìn)行加工，這就說明經(jīng)過等離子體發(fā)生器的氧原子也發(fā)生了離子化，對材料去除有利。

圖9是不同加工介質(zhì)下的材料去除速度與表面粗糙度的對比圖。在NPJ+O2及NOPJ介質(zhì)中，均為在可加工的基礎(chǔ)上選取較好的加工質(zhì)量用來與NPJ+CA進(jìn)行對比，從而引出采用NPJ+CA進(jìn)行加工的優(yōu)勢。通過材料去除速度的對比可看出，采用NPJ+CA加工的MRR值雖然比用煤油、去離子水加工更低，但與采用NPJ+O2加工相差不大，且比用NJ+CA加工高；此外，采用NPJ+CA加工的直槽表面質(zhì)量最好。

圖9 不同加工介質(zhì)中的材料去除速度和表面粗糙度的對比

4 結(jié)論

（1）由于受到實(shí)驗(yàn)所用的晶體管脈沖電源輸出的限制，雖然沒能在NPJ中成功地進(jìn)行加工，但通過采用NPJ+O2、NOPJ及NPJ+CA等多種加工介質(zhì)的方式成功地進(jìn)行了電火花加工實(shí)驗(yàn)。

（2）在NPJ+O2介質(zhì)中進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著O2流量的增加，材料去除速度和表面粗糙度值均有增大的趨勢，而當(dāng)O2流量增加至5 L/min時卻得到了較好的表面加工質(zhì)量。這是因?yàn)镺2含量增大，加工產(chǎn)生的熱量增多，故材料去除速度提高；同時，氧化反應(yīng)的放電爆炸力也增大，使排屑作用增強(qiáng)，因此表面質(zhì)量提高。

（3）考慮到實(shí)驗(yàn)成本并進(jìn)一步提高加工質(zhì)量，嘗試在外部通入壓縮空氣來代替純氧進(jìn)行了NPJ+ CA的電火花加工實(shí)驗(yàn)，并在相同的電參數(shù)下獲得了最好的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra值為407 nm，以及比在NPJ+O2介質(zhì)中更好的邊緣質(zhì)量。

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Study on Characteristics of Micro EDM in Cold Plasma Jet

YAN Chengyang，ZOU Rimao，YU Zuyuan，LI Jianzhong
（Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

This paper investigated the characteristics of micro EDM in cold plasma jet using a set of transistor electrical pulse generator.In order to stabilize machining process and improve the machining efficiency and quality，oxygen-assisted nitrogen plasma jet (NPJ)，nitrogen-oxygen mixed plasma jet and compressed air assisted NPJ were proposed as dielectric media in micro EDM.It was found that the material removal rate and surface roughness increased with the increase of oxygen flow rate in oxygen-assisted NPJ experiment.In addition，it was found that the surface quality and edge quality of micro EDM with compressed air-assisted plasma jet have been improved significantly compared to that with oxygen-assisted NPJ.

micro EDM；NPJ；machining characteristics

TG661

A

1009－279X（2017）02－0001-05

2017-01-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475075）

晏成洋，男，1987年生，碩士研究生。