基于油包水型工作液的电火花成形加工工艺实验研究

2019-01-17刘永红王晓龙纪文选

电加工与模具 2018年6期

董行，刘永红，王晓龙，纪文选，申泱

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580；2.东营市科学技术局，山东东营 257061；3.首都航天机械有限公司，北京 100076；4.清华大学机械工程系，北京 100084）

电火花成形加工是一种非接触式特种加工技术，在有工作介质存在的情况下，通过电极与工件之间的连续放电达到去除工件材料的目的，不受工件材料的强度和硬度的影响[1]。在制造大型或微型精密复杂零件时，电火花加工技术可作为除传统机械加工外的另一个选择，特别是对于高强、高硬等难加工材料，有时甚至是唯一的选择[2]。电火花成形加工现已广泛应用于机械、航空航天、医疗、电子、仪器仪表、汽车、模具、轻工等行业[3-5]。然而，目前国内外常用的电火花成形加工技术仍存在效率低、能耗大、加工过程中释放有害气体等问题[6]。

现阶段，电火花成形加工普遍采用煤油等油基工作液作为放电介质。煤油具有低粘度、良好的绝缘性能及电离、消电离特性，但煤油易挥发、闪点低、安全性差，且加工时易分解产生有毒有害气体，不仅污染环境，还会危害人体健康。从安全、环保和经济效益的角度考虑，许多研究者采用水作为工作液进行电火花成形加工[7-8]。然而，由于水的粘度较低，使其对放电通道的压缩作用小，导致能量密度较低而引起加工效率不高。只在一些特殊情况，例如采用黄铜电极进行负极性加工或脉冲宽度小于500 μs时，可获得较高的材料去除率，这就进一步限制了水作为电火花成形加工工作液的普适性。

本文提出采用油包水型工作液作为放电介质进行电火花成形加工，由于水的引入，使得油包水型工作液具有良好的安全及环保性能。通过研究峰值电流、脉冲宽度、工件极性等工艺参数对材料去除率、相对电极损耗率和表面粗糙度的影响，以探究其作为电火花成形加工工作液的工艺性能。

1 实验条件

1.1 油包水乳液的配制

油包水乳液主要由基础油、水和表面活性剂组成。基础油选择白矿物油，其密度为830 kg/m3、粘度为3.1 mPa.s，水为去离子水，表面活性剂选择Span80和Tween80两种非离子表面活性剂。将油溶性的Span80和水溶性的Tween80分别溶于白矿物油和水，再将两者混合，并在7000 r/min的机械搅拌下乳化5 min后，可获取到油包水型乳液。

1.2 实验设备及方法

所有实验均在D7140P电火花成形机床上进行，工作介质分别为自制的油包水乳液和采购的航空煤油。工件材料为镍基合金Inconel 718，尺寸为5 mm×50 mm×100 mm。工具电极分别选用直径为20、30、40 mm的紫铜棒。由于油包水乳液的粘度较大，故采用内充液形式进行放电加工，在工具电极中心通有直径7 mm的内孔作为内充液孔。

实验过程中，用BS-224S型精密电子天平分别对加工前、后的工件和工具电极的质量进行称重，并用秒表记录加工时间，分别计算出工件的材料去除率和相对电极损耗率；同时，用TR-300型粗糙度仪测量加工后的工件表面粗糙度，分别在工件表面5个不同方向进行测量，并取5次测量的平均值。

2 实验结果分析与讨论

2.1 峰值电流对工艺特性的影响

在维持电火花成形加工脉冲宽度100 μs、脉冲间隔66.7 μs固定不变的情况下，采用外径30 mm、内径7 mm的紫铜棒，分别以油包水乳液和煤油作为工作液，研究不同的峰值电流对材料去除率、相对电极损耗率和表面粗糙度等工艺性能的影响。

如图1a所示，随着峰值电流的增加，两种工作介质条件下的工件材料去除率总体上均呈增大的趋势。在低能量（峰值电流小于15 A）时，采用油包水型工作液的加工效率小于煤油工作液的加工效率；当峰值电流大于15 A时，采用油包水型工作液的加工效率则高于煤油的。而当峰值电流从55 A增加到60 A时，采用煤油工作液的加工效率甚至降低了，这是由于煤油的粘度低，当电流达到60 A时，加工间隙中的加工碎屑得不到及时排出，导致加工效率无法进一步提高。

图1b是峰值电流对相对电极损耗率的影响。可看出，随着峰值电流的增加，两种工作介质条件下的相对电极损耗率均相应增大。对于油包水型工作液而言，相对电极损耗率增大的斜率随着电流的增加而逐渐降低，当电流超过55 A时，相对电极损耗率甚至下降。而对于煤油工作介质而言，相对电极损耗率增大的斜率与油包水乳液工作介质具有相同的趋势，但当电流超过55 A时，相对电极损耗率陡增。

如图1c所示，“相对比值”是指采用油包水乳液和煤油作为工作介质时，两者对应的材料去除率比值和相对电极损耗率比值。可看出，随着峰值电流的增加，材料去除率比值呈增大趋势，且当电流为60 A时达到最大值，约为1.5。而相对电极损耗率比值随着电流的增加逐渐减小，比值从低电流时的5减小至约0.5。结合图1b和图1c的规律，可推测是油包水乳液与煤油的粘度导致了这样的结果。当电流较小时，放电间隙的能量也较小，放电去除的材料较少，此时采用内充液方式并配合粘度较大的油包水乳液，其排渣的优势无法体现，甚至会影响低能量放电加工的稳定性，从而导致电极损耗率较高、材料去除率较低；当电流较大时，相较于煤油，采用油包水乳液在大能量条件下产生的加工碎屑能得到及时清除，且高的粘度压缩放电通道，可使材料抛出效率提高，这些都导致采用油包水乳液的加工效率高于煤油的。因为相对电极损耗率为电极损耗体积与材料去除体积的比值，由于材料去除率增大，势必会引起相对电极损耗率降低。

图1d是峰值电流对工件表面粗糙度的影响。可看出，两种工作介质下的工件表面粗糙度值均随着峰值电流的增加而增大。分析原因：随着峰值电流的增加，放电能量也相应增大，导致加工工件表面更粗糙。从图1d还可知，采用两种工作介质加工所得的工件表面粗糙度相差不大，说明采用任一种工作介质都不会引起工件表面质量变差。

图1 峰值电流对工艺特性的影响

图2 是在峰值电流为60 A条件下，采用两种工作介质进行电火花放电加工的工件表面形貌。可见，采用油包水型工作液加工的工件表面因“剥落”产生的坑和表面气孔的缺陷均优于煤油工作液的，这也进一步验证了表面粗糙度检测的结果。

图2 不同工作介质加工的工件表面SEM照片

2.2 脉冲宽度对工艺特性的影响

在维持电火花成形加工峰值电流60 A、脉冲间隔200 μs固定不变的情况下，采用外径30 mm、内径7 mm的紫铜棒，分别选取油包水乳液和煤油作为工作液，研究不同的脉冲宽度对材料去除率、相对电极损耗率等工艺性能的影响。

如图3a所示，随着脉冲宽度的增加，两种工作介质条件下的材料去除率变化规律不尽相同，这是由于随着脉冲宽度增加，放电加工持续的时间相应增加，而放电脉冲间隔即脉冲休止时间并未变化，而放电脉宽和脉间的合理配合是放电稳定进行的前提，故在不同的放电介质条件下，其最佳组合点也不同，所以放电脉冲宽度的变化会导致不一样的加工结果。但在不同的脉宽条件下，采用油包水乳液具有更高的加工效率，这主要是由于油包水乳液比煤油具有更高的粘度所致。如图3b所示，随着脉冲宽度的增加，两种工作介质条件下的相对电极损耗率均呈减小趋势。分析原因：当脉冲间隔不变时，脉冲宽度增加有助于在电极表面形成碳膜，有效阻止电极损耗。而采用油包水乳液的相对电极损耗率更小，则是由于油包水乳液相比煤油可获得更高的材料去除率，从而削弱了相对电极损耗率。

图3 脉冲宽度对工艺特性的影响

2.3 工件极性对工艺特性的影响

在维持电火花成形加工峰值电流20 A、脉冲宽度 100 μs、脉冲间隔 66.7 μs固定不变的情况下，采用外径30 mm、内径7 mm的紫铜棒，分别选取油包水乳液和煤油作为工作液，研究工件极性对材料去除率、相对电极损耗率等工艺性能的影响。

如图4所示，无论采用正极性加工还是负极性加工，在油包水乳液工作介质条件下均具有更高的材料去除率。此外，工件接正极与工件接负极相比较，不论采用何种介质，材料去除率均为前者低于后者，而相对电极损耗率则相反。这说明油包水乳液与煤油具有相同的极性效应，且采用油包水乳液可获得更高的材料去除率。结合图1b和图4b可知，与煤油相比，采用油包水乳液进行加工时，在小电流情况下选择正极性加工、在大电流情况下选择负极性加工，均可获得更低的相对电极损耗率。