往复走丝电火花线切割加工放电通道等离子体的观测研究

李子伦，褚皓宇，张瑞雪，高 强，沈 斌，奚学程，赵万生

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240；2.平湖市领智高端制造技术研究院，浙江嘉兴314206 ）

电火花线切割加工是重要的非传统材料去除加工方法，是电火花加工工艺的一种独特应用[1]。电火花线切割加工过程中无机械切削力存在，同时可实现很小的加工工件拐角半径，非常适合精密加工，在模具制造、航空航天零部件和汽车零部件等行业[2-3]中发挥着关键作用。

通常，电火花线切割加工分为单向走丝线切割加工和往复走丝线切割加工两种。单向走丝线切割加工的电极丝移动速度通常为0.01～0.25 m/s，而往复走丝线切割加工的通常为8～10 m/s[4]。相对而言，往复走丝线切割加工的电极丝移动速度快、排屑能力更强，因而可加工大厚度和大锥度工件。然而目前有关往复走丝线切割加工的材料去除物理过程研究尚不深入，人们对其微观过程仍缺乏直观地了解和深入认知。由于往复走丝线切割的放电间隙狭小、放电脉冲持续时间极短，并且脉冲放电是在电极丝高速移动的情况下完成，人们难以通过常规手段观察其直接材料去除过程。然而，对往复走丝线切割物理过程的清晰认知，是优化工艺流程、提升控制性能的基础，对理解放电通道等离子体加工本质以及提升其加工性能有重要意义。

随着高速摄像机的应用，拍摄帧频不断提高，学者们对电火花加工放电过程有了更多认识。针对电火花成形加工中放电通道等离子体的发展过程，Kojima 等[5]和Natsu 等[6-7]使用高速摄像机对放电通道等离子体的扩张规律进行了研究，认为放电通道在空气介质被击穿后的2 μs 内完成扩张，之后一直保持不变。岳晓明和杨晓冬等[8]使用高速摄像技术发现等离子体对熔池施加了运动压力和运动剪切力，进而对熔融材料的去除和蚀坑形貌产生影响，并观测了不同介质中单脉冲放电电弧放电通道等离子体直径及其运动行为[9]，发现电弧放电通道等离子体迅速完成扩张，并在做周期性徙动。除了电火花成形加工外，很多学者专门针对电火花线切割加工及其放电通道等离子体移动情况下的物理现象进行了研究。Kunieda 等[10]对相对高速移动电极之间的材料去除过程进行了观测研究，结果表明等离子弧柱在阳极表面发生了明显的滑移。何赐文等[11]设计了专用的往复走丝线切割加工极间观测夹具，通过高速摄像技术观察了切缝中电介质和放电产物的动态分布及其从切缝排出的过程，探索了电介质影响线切割加工稳定性和加工效率的机理。

目前针对往复走丝线切割加工过程中放电通道等离子体的观测与研究尚不深入。而上述观测研究成果对本文进行的脉冲放电过程物理现象观测具有重要的参考价值，可对其做法加以利用，借鉴到本文实验中。

1 实验装置与条件

往复走丝线切割加工过程复杂，其显著特点是电极丝与工件之间的移动速度相对较大。因此，本实验主要是在电极相对工件高速移动的情况下，考察放电通道等离子体形态及其发展的过程。放电通道等离子体及电蚀产物在放电脉冲持续期间会产生宽频的弧光，其波段范围为380～780 nm[12]。本文以较高帧率的拍摄速度拍摄了脉冲放电过程中放电通道等离子体以及电蚀产物产生的弧光，进而获得放电通道等离子体发展以及电蚀产物运动的动态图像。

放电通道等离子体对材料蚀除微观过程的观测存在以下几个难点：①放电过程极其短暂，通常在1～100 μs 之间完成，需极高的观测帧率；②放电间隙狭小且被电极丝遮挡；③迸射出来的高温加工屑和电介质会对昂贵的仪器造成损害；④电极长度远大于放电通道等离子体的直径，并且每次放电位置随机，造成放电通道无法准确落在高速摄像机视窗内且难以精准对焦。

考虑到上述因素，本文结合前人研究经验设计了相应的实验装置，对放电通道等离子体高速滑移时的放电过程进行观测和研究。首先，采用图1 所示观测方法，使电极丝中心与工件边缘对齐，进而使放电间隙暴露在视野内。此方法未使用玻璃片模拟间隙侧壁，导致连续放电时电极丝前、后两侧的受力不均。在单脉冲放电或脉间较大的情况下，基本可忽略受力不均的因素，此时能更直观地观测到电蚀产物的运动以及放电通道等离子体的弧光。

图1 观测位姿示意图

为尽量使单脉冲放电发生在观测视野内，并减少放电位置的随机变化，同时保证脉冲放电过程中的等离子体能充分移动，本文选择厚度为1 mm 的工件，使电极丝保持水平方向不运动，并调节工作台位置来设定初始放电间隙。工作台的进给分辨率为1 μm，使用专用控制器平台调节至合适的放电间隙后进行单脉冲放电。电极和工件分别接脉冲电源的负极和正极，进行少量冲液，以模拟极间状态。

实验选用PhantomV2012 型高速摄像机，这是一台可感知可见光和部分红外波段的黑白高速摄像机；在摄像机镜头前加入石英玻璃片，防止迸射的加工屑和电介质对摄像机镜头产生伤害。

实验在某公司生产的往复走丝电火花线切割机床上进行；使用苏州迈科全机电有限公司开发的嵌入式RT-WEDM 智能控制系统进行运动控制；采用南京理工大学开发的节能型脉冲电源提供放电能量，该电源可选择单脉冲或连续脉冲放电模式；使用Cr12 冷作模具钢作为工件材料，电极丝为直径0.18 mm 的钼丝。观测装置示意图见图2。

图2 观测实验装置示意图

为保证观测对常规加工参数具有指导意义，同时尽可能多地获取观测信息，本实验选择适当脉宽的参数进行观测，经综合考虑设置脉宽为40 μs、峰值电流为25 A、电极丝移动速度为10 m/s。高速摄像机参数见表1。

表1 放电通道等离子体观测实验高速摄像机参数

2 放电通道等离子体发展过程观测

放电通道等离子体的发生在时间和空间上具有一定随机性。本文通过观察大量单脉冲放电通道等离子体的发展过程，对其中具有代表性的现象进行了分析。为了更加直观地表明各时刻放电通道等离子体的发展情况，以5 μs 为一个周期对观测到的系列图像进行分析。

2.1 电极丝向下运动时极间现象观测与分析

图3 直观地显示了在电极与工件有较大相对移动速度时的放电通道等离子体发展过程。为更加清晰地观察放电通道等离子体发展过程和电蚀产物的抛出情况，后处理时在每帧照片上标记了工件边缘的位置，以此作为参考位置。

在t=0 μs 时，电介质被击穿，放电通道等离子体形成。图3a 是放电脉冲开始时刻的放电通道等离子体形态，此时电极丝向下运动；照片左侧为电极丝及放电间隙，右侧为工件基体，在击穿时刻放电通道等离子体直径较小，弧光也较微弱。

图3 电极丝向下运动时放电通道等离子体发展与电蚀产物抛出过程

在t=5、10、15、20 μs 时，放电通道等离子体的直径相较于与初始时刻明显增大，同时伴随电极丝与工件的相对移动，放电通道等离子体也在工件表面不断滑移，滑移方向与电极丝移动方向相同。此外，伴随电极丝的高速移动，放电通道等离子体被明显拉长，其直径发展到一定程度后变化较小。

在t=25、30、35 μs 时，放电通道等离子体直径发展到一定程度之后便保持不变。此阶段放电通道等离子体继续随着电极丝的移动而滑移。

在t=40 μs 时，高亮区域的形貌是放电通道等离子体的最终形态。放电通道等离子体相对于初始位置发生了较大范围的滑移，在其初始位置已看不到弧光，此时被等离子体扫掠过的区域逐渐降温。通过比例尺可见，放电通道等离子体的滑移长度约400 μm，而蚀坑尺寸大约为100～500 μm，与电极丝在放电持续时间内的滑移距离相当。

2.2 电极丝向上运动时极间现象观测与分析

在往复走丝电火花线切割加工中，电极丝做往复运动。电极向下运动时，其运动方向与重力方向一致，而向上运动时，其运动方向与重力方向相反。

为研究电极丝运动方向和重力作用对放电通道等离子体发展的影响，本文还观测了电极丝向上运动时的放电通道等离子体的发展情况，观测结果见图4。可见，随着电极丝向上移动，放电通道等离子体改为向上发展，放电通道等离子体发展方向与电极丝运动方向相同。该观测结果表明，在电极丝与工件具有相对运动时，放电通道等离子体发展方向受重力影响较小，主要受电极丝运动方向影响。

图4 电极丝向上运动时放电通道等离子体发展过程

3 电蚀产物运动观测与分析

3.1 电蚀产物抛出规律

图3 中偏离放电通道等离子体中心区域的亮点为发光的熔融金属材料形成的加工屑被抛出熔池，而拍摄出的大片较为模糊的雾状区域为放电通道等离子体中迸发出的金属蒸气[13]。

由图3 可知，在t=10、15、20、25、30、35 μs 的阶段，即脉冲放电持续期间，有大量的金属蒸气和少量的加工屑被抛出熔池。而在t=40、45、50、55 μs 的阶段，即脉冲结束前后的短时间内，有大量金属蒸气与加工屑喷爆而出。随着时间的推移，加工屑数量以及加工屑光强逐渐减弱。该现象说明：在脉冲持续时间内，虽然工件材料受到热物理场的影响发生相变，但是熔融材料的抛出动力较小；在脉冲结束阶段，熔池受到流体动力以及热爆炸力影响，大量熔融材料被抛出。

3.2 放电通道等离子体与电蚀产物运动规律

金属蒸气与电蚀产物的抛出方向也具有一定的规律关系。以图3 所示t=30 μs 时刻的观测结果为例进行说明，其运动规律见图5。

图5 放电通道等离子体与电蚀产物运动规律

由图5 可见，放电通道等离子体与金属蒸气、熔融材料发出的弧光整体呈扩散喇叭形，并且靠近电极丝端等离子体通道直径较小，而靠近工件端的等离子体通道直径较大。此外，由图5 可知，金属蒸气与电蚀产物的抛出方向主要沿着电极丝指向工件的方向，即电子运动的方向。放电过程中，材料蚀除主要体现在电子对工件的蚀除作用，以此可解释上述现象。

放电通道等离子体中电子质量远小于正离子质量，短时间内的电子运动速度要远高于正离子运动速度，因此脉冲放电过程中材料蚀除主要为电子对工件的蚀除。而电子因为电场的畸变和电子碰撞导致电子群逐渐发散，形成的放电通道等离子体在电极丝一端通道直径较小，而在末端即工件端放电通道直径较大，因此形成的放电通道等离子体呈扩散喇叭形。随着电极丝的移动，放电通道等离子体作用区域不断发生变化，而放电通道等离子体整体形貌并未发生较大改变。

在材料去除过程中，电子高速撞向工件。微观上看，工件蚀除部分的受力方向为电子高速运动的方向，因此可观测到电蚀产物的抛出方向主要为电极丝指向工件的方向，并且随着电子的碰撞和扩散进一步形成了扩散喇叭形的电蚀产物喷射形状。而电蚀产物向电极丝一侧的抛出量较少，由此可认为电极丝蚀除量较小。前述现象也为往复走丝电火花线切割加工的“低丝损”性能提供了直观证据支持。

此外，本文还分别观测了开路与短路情况下的极间现象，发现整个脉冲持续过程中无明显弧光出现，这表明在两种极端状态下并无放电通道等离子体和高温熔融金属的形成。

4 结论

本文利用高速摄像技术对往复走丝电火花线切割加工单脉冲放电过程中的放电通道等离子体发展过程和电蚀产物抛出过程进行观测研究，得出以下结论：

（1）在电极丝与工件存在较大相对移动速度的情况下，放电通道等离子体会在工件表面持续滑移。受放电通道等离子体的滑移作用影响，放电通道等离子体被拉长且整体呈扩散喇叭形。放电通道等离子体的直径发展到一定程度后，其变化较小，随着等离子体的滑移，起始位置的光强逐渐减弱。

（2）脉冲放电持续期间有大量金属蒸气和少量熔融金属从熔池中被抛出，而在脉冲放电结束前后的短时间内，有大量电蚀产物从熔池中喷爆而出。随着时间的推移，喷爆而出的电蚀产物逐渐减少、弧光逐渐减弱。

（3）放电过程中金属蒸气、熔融金属形成的加工屑等电蚀产物的抛出方向主要为电子运动的方向。放电通道等离子体与喷射出的电蚀产物呈扩散喇叭形，电子对材料的蚀除作用可解释该现象。