扩散管电火花加工电极部分脱落原因分析及改良措施.doc

扩散管电火花加工电极部分脱落原因分析及改良措施

射流泵工作的过程中，扩散管段的光洁度对射流效果作用十份显然，在本次对射流泵扩散管加工中，采纳电火花加工过程中电火花电极端出现部分不均匀脱落。采纳基于Ansys-workbench热耦合分析，对电火花加工中电极损耗进行分析。确定电极损耗原因及其理论损耗程度后，寻找电火花加工中的电极端损耗过多解决办法，并最终将扩散管段加工成型，符合预设流道形状并满足管道粗糙度要求。
射流泵是一种依靠一定压力的工作流体通过喷嘴高速喷出带走被输送流体的泵，其关键工作元件为喷嘴、喉管、扩散管。这几个部件每一个细节的制定都有严格的要求。为了保证射流器具有优良的水力性能，防止出现折冲水流和漏水现象，必须保证喷嘴、喉管、扩散管三者在组装或加工时必须同心，同轴(心)度应达到精度等级的9～10级，或控制在0.05～0.40mm之内，射流器越小，精度要求越高，射流器越大，精度可适当降低，但也必须满足基本的制定准则。关于喷嘴和喉管这两个主要部件，为了减少摩擦阻力损失，提升射流器效率，内壁加工光洁度应达到Ra3.2～1.6以上。其中，扩散管段加工两股流体汇合后整流作用很大。在气体和流体中分别进行过大量实验，其结果均说明当扩散角为4～10时，阻力系数最小，因此扩散管的扩散角在4～10之间比较好。为了进一步减小扩散损失，当面积比m＜4时，可采纳分段扩散的方法，扩散角分别由小到大。本次所需加工的扩散管采纳这种结构，所以因其深长结构和分段结构复杂，且表面粗糙度要求很高，在加工制造上有相当难度，加工扩散管一般采纳定制刀具做深加工。但本次加工的射流泵，属于小批量定制产品，由于专用的定制刀具制定制造费用较高，为节约成本，合计使用电火花加工扩散管段。
电火花是通过自激放电，放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，立即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持短暂的时间后及时熄灭，才可坚持火花放电的"冷极'特性〔即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深〕，使通道能量作用于极小范围。这些通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。这是利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工来达到需要的尺寸。
首次加工扩散管状况
本次加工扩散管所使用电极为黄铜电极，在车床上加工成型，使用电火花放电加工机进行加工，采纳煤油作为加工介质。
为减少加工难度，节约加工时间，再电火花加工之前，使用钻床对扩散管初始棒料进行多层递进钻孔，加工到圆锥形状。再使用电火花机床进行深度加工。射流泵用于流体流动，对流场所过表面有要求较高，为保证表面精度，对扩散管段加工分为以去除多余材料为主的粗加工和以保证表面精度为主的精加工。经过了钻孔过程，在粗加工后，扩散管段加工状况优良，但电极尖端出现大量斑状脱落，如图1所示，脱落状况与常规经验状况完全不同。导致扩散管初始段加工状况与原计划相差甚远，加工已经无法按照原计划进行，因此，对电极尖端脱落状况进行深度调研分析。
电极损耗分析
影响电火花加工中电机损耗的主要因素为：电极对材料、加工过程的各种效应〔如极性效应、吸附效应、电化学效应等〕、脉冲放电波形、电参数、工作介质性质、被加工对象的形状尺寸和供给方式等[1]其中影响较大的是电极材料、极性、电脉冲参数与波形的影响及极间介质及其对供给方式。
依据常识，电极材料被熔化和气化主要合计导热率和熔点，两者直接影响到其熔化气化所需最低能量密度。
电脉冲参数和波形对电极材料的影响主要是电流峰值会蚀除过多正极材料，尤其是初始阶段电流对正极冲击作用较强，为减少电极腐蚀应采用初始阶段控制电流上升速度。
本次加工参数如下：
工作电极：铜电极
工件电极：30CrMo钢
工作液：煤油
初始间隙：5m
电火花加工中电极材料蚀除过程仿真

由于本次分析只针对温度场，不涉及力学性能，30CrMo钢在温度属性上和45钢相似，因此各项系统参数按照45钢设定。

电火花放电加工的过程中由于放电时间短暂，放电点面积小，工作液汲取传导热量等原因，只有放电点四周区域受到热力影响。所以可设置为放电点高温〔约10000℃〕，其他部分设置为加工期间平均温度状态〔20℃〕。
电极前端一直处于高温状态，其他部分温度正常，因此，在长时间加工的过程中，电极前端损耗会很大。由于电极前端本身加工工艺和材料的微小差异等因素，其腐蚀脱落也显得不均匀。

射流泵属于流场要求极高设备，如果电极前端腐蚀状况不能得到有效改善，所加工出扩散管流道也不能满足射流需求。但电极前端加工没有更好的办法来保证腐蚀脱落状况满足要求，因此采纳一个尺寸与原电极尺寸一致的电极进行补偿加工，之前电极脱落过多导致未加工到的残余加工量较小，可通过二次补偿加工实现完成，因为时间短暂，不会形成过多破损。
于是采纳此种方法加工，第二次经过一小时加工时间，加工成型，无需再次精细电火花加工。所加工产品粗糙度达到Ra1.6，能满足射流泵扩散管的需求。
结论与展望
电火花加工中，电极端长期处于高温状态，只要有一点物质不均匀的状况，就容易发生电极腐蚀脱落不均匀，影响加工工件成型。电极材料在使用前，应加大检验力度，杜绝材料元素分布不均及加工不均等状况。〔2〕加工过程可采纳多次加工成型法，使加工工件达到较高表面要求。〔3〕关于如何克服电极在加工中出现缺陷的状况，有待于进一步研究。