在 摩擦学的发展 1687 - 5923 1687 - 5915 印度发布公司 895918 10.1155 / 2012/895918 895918 研究文章 研究了旋转刀具和磁场在电火花加工中的刀具磨损和超切现象 Teimouri 雷扎 Baseri 哈米德 金 大爷 机械工程系 巴比诺·纳秋兰科技大学 精工47148 - 71167 伊朗 nit.ac.ir 2012 22. 03. 2012 2012 05. 12. 2011 15. 01. 2012 2012 Reza Teimouri和Hamid Baseri版权所有。 这是在Creative Commons归因许可下分发的开放式访问文章，其允许在任何介质中不受限制地使用，分发和再现，只要正确引用了原始工作。

在具有旋转外部磁场和旋转电极的电气放电加工过程中研究了工具磨损和工件过度。实验已经分为三个主要制度，即低能源制度，中间能源制度和高能量制度。研究了工艺参数的影响，对电极磨损率和过度进行了研究。结果表明，在加工间隙周围施加磁场会增加电极磨损率和过度。此外，该工具的旋转对内切形具有负面影响。

 1.介绍

诸如工具钢，陶瓷，金属基质复合材料和Inconel等材料广泛用于模具成型，航空航天，手术和汽车行业。由于高耐磨性和耐腐蚀性，硬度和韧性特性，通过使用传统加工加工这些材料。电气放电加工（EDM）是一种非传统方法，最常用于加工难以机械材料。

在电火花加工过程中，如何从加工间隙中清除加工碎片是一个重要的问题。间隙空间中碎片的堆积会引起短路、开路和电弧等非活性脉冲。这些类型的放电不会从工件上移除任何材料，也不会损坏被加工样品的表面完整性。针对这些原因，研究人员对电火花加工中提高冲洗性能的方法进行了研究。方法如旋转工具电极电火花加工[ 1- 6.]超声波振动辅助EDM [ 7.- 10.，电极的振动和旋转的压实[ 5.那 11.研制了冲洗剂，消除了间隙内的腐蚀颗粒，提高了加工性能。

少数研究已经研究了旋转工具对EDM中加工特性的影响。Soni和Chakraverti [ 1分析了旋转电极工具对钛合金电火花加工的影响。他们发现，工具的旋转运动增加了MRR和电极磨损率(EWR)在所有水平的电流和脉冲时间。Mohan等人[ 2那 3.]对Al-SiC复合材料进行实验研究。他们表明旋转电极改善了MRR并降低了表面粗糙度。kuppan等人。[ 4.研究了在Inconel 718上的各种转速的效果。结果表明，转速的增加是低放电能量的有效因素。Ghoreishi和Atkinson [ 5.研究了在三个加工脉冲能量水平下电极的振动和旋转对加工特性的影响。Saha和Choudhury [ 6.]将电极旋转在干燥EDM上。

在非传统制造过程中，磁场被广泛应用。磁性磨料抛光(MAF)和磁性磨料流抛光(MAFF)是在金属、陶瓷和复合材料上制造镜面的有效方法[ 12.- 15.]。近年来，研究人员将磁场应用于电解精加工[ 16.]。他们发现，使用磁场将离子迁移路径从线性转换为瓦上运动。Brujin等人。[ 17.[磁场在间隙清洁中的影响，表明磁场可以改善间隙清洁过程。

虽然有一些研究将磁场与制造过程联系起来，但只有少数工作研究了磁力对电火花加工性能的影响。林和李[ 18.]使用EDM过程中的磁场，并报道磁力将碎屑远离加工间隙，并提高该操作的特性，尤其是高放电能量。Chattopadhyay等。[ 19.]在电火花加工过程中使用了多级强度的磁场和不同速度的旋转工具电极，并指出了它们对MRR和EWR的影响。虽然外界磁场对电火花加工性能影响的研究较少，但在已发表的文献中并没有对过切现象进行准确的研究。另外，在已有的研究中，对电火花加工过程外磁场的建立也没有对加工间隙进行精确的研究。

在该研究中，研究了旋转外部磁场与各种强度以及各种刀具转速的影响是在EDM性能上进行的。与其他工作的这项工作的主要区别在于围绕加工间隙施加旋转磁场，其中它有助于电离和形成等离子体通道。此外，该过程的调查输出参数是EWR和过度（OC）。

 2.实验 2.1。实验装置

为了找到外部磁场和电极旋转对加工性能的影响，在具有ISO脉冲发生器的德黑兰EKRAM 304H / 60A模具下沉电气放电机上进行了39个实验测试的数量。对于旋转工具辅助测试，具有安装在机器上的带式滑轮机构的电动机，以在工具主轴中产生旋转运动。和刀具转速已由LS600逆变器控制。实验设置在图处示出 1（a）和 1（b）。

实验设置:(a)德黑兰Ekram机床上的安装设置;(b)刀具与磁极容器的旋转机构;(c)磁极容器原理图及工件过程中的磁场线。

而且，为了在工具 - 工件系统周围建立外部磁场，其中两个磁极具有各种强度（0.38和1.2特斯拉）的圆柱体的内表面上，具有中心通孔。数字 1（c）描绘磁容器装置的示意图和工具和工具架的安装。这里，磁极通过电极旋转围绕工件旋转。而且，已经在该图中证明了磁力线。

机器控制单元由一个电流表和一个电压表通过火花间隙串联和并联，分别测量平均电流和平均电压。同时，为了监测和控制过程的稳定性，机器配置了两个电弧和短路LED，并报告间隙状态。

 2.2。实验材料

工件材料为在模具工业中广泛应用的SPK冷加工钢。将试件切成直径为14mm，高度为30mm的圆柱体，用砂轮面磨。工件的化学成分列于表中 1。工具电极材料为铜，纯度为99.9%，直径为10mm，高度为70mm。表格 2报告了铜工具的基本物理性能。

SPK材料的化学成分(X210Cr12)。

元素 C SI. m P. S. CR. 莫 你 CO.
Wt % 2.1 0.39 0.25 0.01 0.03 11.20. 0.04 0.15 < 0.005

铜电极的主要性能。

属性 描述
比重(g / cm3.） 8.94
熔化范围（°C） 1065 - 1083
导热系数(W /可) 388.
比热（J / kg k） 385.
热膨胀系数(1/℃) 16.7×10-6
电阻率(Ω厘米) 1.7×10-6
2.3。实验的程序

在本工作中，实验过程分为两个阶段。在第一阶段，研究了在电极静止、加工区不受磁场影响的情况下，三种工艺参数对电火花加工性能的影响。三种制度是:(a)低能源制度、(b)中能源制度和(c)高能制度。这些制度的变数为平均电流( 一世 AV. ），脉冲按时（ T. 上 )，及脉搏关闭时间( T. 从 ）如表所示 3.。为了改善各能级能量的实验条件，必须使占空因数相等。因此，在所有的实验中，由于脉冲随时间的变化，必须改变脉冲的关断时间以保证占空比的稳定。

每个能源制度的EDM设置。

制度 变量
一世 AV. （一种） T. 上 （ μS） T. 从 （ μS）
低能量 2.5. 50 25.
中间能量 9. 100. 75
高能量 21. 200 150

在第二阶段，研究了在无外加磁场、低强度外加磁场(0.38特斯拉)和高强度外加磁场(1.2特斯拉)三种状态下电极转速和放电方式对加工性能的影响。在这里，电极的转速分别为0、200、500、800和1000 RPM，并对三种状态进行了实验。

为了评价EWR，使用了WTB RADWAG，一种分辨率为1 mg的电子天平。分别在加工前和加工后对每个刀具试样进行称重，确定EWR如下: EWR. = 工具 质量 损失 加工 时间 （ 毫克 / 闵 ⁡ ） 那 其中，所有实验的加工时间均为45分钟。

由于一些仪器的限制，超切不能在所有的加工深度进行研究。从而得到了超切值 OC. = R. 2 - R. 1 （ 微米 ） 那 哪里 R. 1 在加工之前的工具半径（5 mm）和 R. 2 为加工后孔的边缘半径。所有实验的放电机参数描述列于表中 4.。为了减少实验误差，已经测试了三种样本的每种条件。

说明电火花机的参数。

参数 值
没有负载电压（V） 80
工具极性 阳性(+)
类型的发电机 ISO脉冲
类型的冲洗 正常淹没
介电 煤油
加工时间(分钟) 45
3。结果与讨论 3.1。放电能量对电火花加工性能的影响分析

如章节所述 2.3.实验分两个阶段进行。在第一阶段，研究了在无外加磁场的固定电极下，放电能量对EWR和OC的影响，如图所示 2。

放电能量对（A）EWR和（B）OC的影响。

 3.1.1。放电能量对EWR的影响

在放电通道中，在加工间隙上传递的放电能量在电极、工件和介质流体之间进行分配。从图中可以看出 2（a），即通过增加放电能量，熔化和蒸发材料的量增加并导致EWR增加。但是，通过在高能量方案中观察EWR，找到负值。这是因为热解碳，其沉积从高能状态的介电流体。当该过程处于高能状态时，这种能量影响介电介质并沉积。热解碳是通过沉积煤油电介质获得的主要成分之一。电极表面上的热解碳沉积物，它用作保护层。而且，它保护电极表面抵抗高放电能量的熔化并蒸发，因此减少了EWR。

数字 3.显示在电极表面上占据的热解碳的量。可以看出，最多的碳是高能量的制度，在较低能量中可以忽略不计。

电极表面处于(a)低能状态，(b)中能状态，(c)高能状态，由于热解碳的沉积，刀具重量增加。

 3.1.2。放电能量对OC的影响

根据图 2（b）通过提高放电能量，由于对加工区的热能转移的高值，过截面将增加。这种现象导致从工件表面熔化和蒸发更多材料。因此，相对于低于1，在高能量方案中，放电火山口的直径和深度增加，并且在高能量方案中发生更多的过度。

在下一节中，我们将分析在加工区域无磁场、低强度磁场(0.38特斯拉)和高强度磁场(1.2特斯拉)情况下，电极转速和放电方式对加工性能的影响。

 3.2。分析了转速和磁场对EWR的影响 3.2.1之上。工具电极转速对EWR的影响

根据EWR结果如图所示 4.通过增加，电极EWR的旋转速度在每个放电能量下增加。它可以解释如下;通过增加工具旋转速度，随后离心力增加，因此可以抛出来自电极表面的热解碳颗粒，EWR增加。另一方面，增加加工间隙中的悬浮碎屑导致介电流体更好地沉积并减少EWR [ 18.]。因此，每一次减小加工间隙中碎片量的操作都可能导致EWR的增加。因此，当由于冲洗效果更好而提高转速时，加工间隙中的碎片量减少，从而导致EWR增加。

EWR与电极的旋转速度在不同磁场中，用于（a）低能量，（b）中间能量和（c）高能量。

低能量环境下EWR随刀具转速和磁场强度的变化

中等能量状态下EWR随刀具转速和磁场强度的变化

高能量环境下EWR随刀具转速和磁场强度的变化

 3.2.2。磁场对EWR的影响

数字 4.结果表明，在加工区加入外加磁场，加工区的EWR比不加外加磁场时提高。磁场可以有效地排除加工间隙中的碎片，提高加工的稳定性，从而减少非活性脉冲。此外，磁场有助于电离和减少点火延迟时间。考虑到上述原因，更好的能量传递导致更多的EWR。

此外，使用磁场减少了加工间隙中的碎片量，并导致热解碳的量减少，这导致更高的EWR。此外，图 4.表明，磁场具有低或高强度的同时，EWR结果之间没有差异。

虽然在EDM工艺中形成的热解碳具有厚度，但是与通过工艺参数诱导的过度量相比，该厚度的量非常低，并且可以忽略不计。换句话说，由于其可忽略的值，热解碳膜的厚度不会影响过度。

 3.3。OC的转速和磁场效应分析 3.3.1。工具电极转速对OC的影响

根据图 5.，可以推断，随着转速的增加，超切越增加。这是由于离心力随着转速的增加而增加，从而可以从加工间隙中去除更多的碎片。这样除去的碎片就会被放置在电极侧壁与工件之间，并在电极侧壁与工件之间产生火花。这一现象导致超切增加。

OC与电极的旋转速度在不同磁场中，用于（a）低能量，（b）中间能量和（c）高能量。

低能量方案中OC与刀具转速和磁场强度的变化

中能状态下OC随刀具转速和磁场强度的变化

在高能条件下，刀具转速和磁场强度随温度的变化

 3.3.2。磁场对OC的影响

数字 5.表明，通过建立磁场，过切会增加。这是由于在施加磁场的情况下，加工间隙的冲洗效果更好，从而增加了主动脉冲的数量。主动脉冲导致工件上去除更多的材料，增加了弹坑的尺寸，增加了超尺寸。同时，磁力作用在加工碎片上，使其远离加工间隙。当零件从加工间隙排出时，它们被放置在工具电极和工件的侧壁之间，导致它们之间产生放电，从而导致OC增加。数字 6.显示高OC和低OC的碎片运动的路径。

（a）静止工具的碎片运动和OC值的路径，（b）旋转工具和磁场。

导致增加过度的另一个原因将描述如下：如我们所知道的，等离子体通道由电子和正电离子组成。在工具之间的EDM过程中也存在和电场。当围绕磁场垂直施加磁场时，它可以影响由于洛伦兹力（由于磁场的关联而产生的力）的带电离子。因此磁场可以改变离子路径迁移并导致离子之间的更多事故（图 7.)。因此，它增加了等离子通道的温度并导致其膨胀。高强度的磁场可能导致离子路径迁移的更多变化和等离子体通道的更大扩展。众所周知，在电火花加工中，导致等离子通道扩大的各种因素都会导致OC的升高。有关改变粒子在离子路径迁移的方程式在附录中。

间隙空间（a）中的离子路径运动，没有外部磁场，（b），施加外部磁场。

 4.结论

本文研究了不同强度的旋转电极和旋转磁场对电功率和温度的影响。本研究的主要结论可以总结如下。

随着放电能量的增加，电极磨损率增加，但在高能状态下，通过沉积介质流体得到的热解碳作为保护层，降低了EWR。

增加电极的转速和磁场的转速增加了电极磨损，因为从加工间隙中除去碎片，限制了热解碳的形成。

当过程从低能量调节移动到高能1时，由于增加了放电火山口的尺寸，过剖视图（侧间隙）增加。

提高电极转速，建立磁场，将加工间隙中的杂物排除在工件和工具电极的侧壁之间，增加过切削量。

磁场在电场周围产生洛伦兹力，从而改变离子路径迁移，而洛伦兹力增加了铅的过切。

附录

带电粒子在磁场驱动下的运动路径由下式表示: F = 问： （ E. + V. × B. ） 那 D. V. D. T. = 问： 毫克yD.F4.y2B.a （ E. + V. × B. ） 那 哪里 毫克yD.F4.y2B.a (g)和 问： (C)分别为离子的质量和电荷。 E. (Vm-1)为电场强度， B. (T)为磁通量密度 V. (女士-1）是离子速度。如图所示 1（c）垂直于电场的磁场由于洛伦兹力的作用，使离子运动路径变为摆线曲线。从( A.3）离子的运动方程如下。假设 X - y 协调 V. X = V. B. L. 罪 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） + V. X （ 0. ） 因为 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） 那 V. y = V. B. L. （ 1 - 因为 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） ） + V. X （ 0. ） 罪 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） + V. y （ 0. ） 那 哪里 V. X 和 V. y 离子的速度是多少 X 和 y 的方向。 V. X （ 0. ） 和 V. y （ 0. ） 代表离子的初始速度 X 和 y 的方向。同时, V. 是间隙电压和 L. 为间隙距离，单位为(mm)。

最后，离子的路径方程是 X = 毫克yD.F4.y2B.a V. 问： B. 2 L. （ 1 - 因为 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） ） + 毫克yD.F4.y2B.a 问： B. V. X （ 0. ） 罪 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） + X 0. 那 y = - 毫克yD.F4.y2B.a V. 问： B. 2 L. 罪 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） + 毫克yD.F4.y2B.a 问： B. V. X （ 0. ） （ 1 - 因为 ⁡ ⁡ （ 问： B. 毫克yD.F4.y2B.a T. ） ） + （ V. B. L. + V. y （ 0. ） ） T. + y 0. 那 哪里 X 和 y 是离子和离子的痕迹 X 0. 那 y 0. 代表离子在电气放电状态下的初始位置。

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