外加磁场对铁磁材料电火花小孔加工的影响

外加磁场对铁磁材料电火花小孔加工的影响
刘宇;阎长罡;张生芳;关天民;赵福令
【摘要】Aiming at the problems of debris exclusion difficulty, low machining efficiency and serious electrode wear in EDM,the effects of additional magnetic field on small-hole machining of ferromagnetic material were studied in this paper. The influence law that magnetic force
of additional magnetic field affects the ferromagnetic debris in machining region was analyzed,and in the conditions of different electrode material,the influences of additional magnetic field on machining speed and electrode wear were studied by an experiment. The result shows that using the compound machining method of magnetic field and EDM to fabricate small holes in the ferromagnetic material workpiece,it has significantly improved in the aspects of machining speed and electrode wear comparing to the conventional EDM.%针对电火花加工中电蚀产物排出
困难、加工效率低、电极损耗严重等问题，研究了外加磁场对铁磁性材料电火花小孔加工的影响，分析了铁磁性电蚀微粒在加工区域受外加磁场磁力作用的影响规律，实验研究了在不同电极材质条件下，外加磁场对加工速度、电极损耗的影响。

结果表明：采用磁场电火花复合加工方法在铁磁材料工件上加工小孔，其加工速度和电极损耗都比普通电火花加工有明显改善。

【期刊名称】《电加工与模具》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P13-16)
【关键词】电火花加工;外加磁场;加工速度;电极损耗
【作者】刘宇;阎长罡;张生芳;关天民;赵福令
【作者单位】大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028;大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024
【正文语种】中文
【中图分类】TG661
电火花加工是利用正负电极间火花放电的电热效应去除材料的一种特种加工技术。

由于电火花加工过程几乎不存在切削力，且不受材料强度、硬度限制，使其能完成各种难加工材料、复杂表面和某些特殊或极端要求的零部件的加工[1-2]。

但在电火花加工技术的应用中，仍存在着较多问题，如：①电蚀产物排出困难，使加工过程不稳定，加工效率低；②存在电极损耗，使加工精度降低等。

这些问题在电火花小孔加工和电火花微细加工等一些因间隙空间小而使冲液对排屑效果不明显的工况中显得尤为突出[3]。

采用外加磁场对铁磁材料的工件进行电火花复合加工[4]，可通过外加磁场的磁力作用对火花放电的电蚀产物进行引导和收集，以改善因放电区域排屑不畅而造成的加工不稳定现象。

本文在铁磁材料的电火花小孔加工中引入垂直轴向磁场，理论分析并实验研究了外加磁场对电火花加工电蚀产物排出及电极损耗的影响。

电火花加工的放电过程会产生大量的电蚀产物，其中包括从电极对上抛出的电极材料蚀除微粒、小气泡和碳粒（油类工作介质）等，这些电蚀产物常以大小不同的微粒分散在极间工作介质中。

由于这些微粒的介电系数与工作介质的介电系数不
同，电蚀产物在电场中被极化，会使极间电场发生畸变，导致工作介质易击穿[5]。

如果大量的电蚀产物在放电间隙内淤积，甚至集中结链，将使放电点始终集中在某一区域不能转移，从而使该区域温度升高，消电离不充分，导致放电过程不稳定。

当被加工材料为铁磁性物质时，放电抛出的电极蚀除微粒也具备基体材料的铁磁特性，若加工区域存在外加磁场的影响，则电蚀产物在外加磁场的作用下将被磁化而受到磁场力的作用。

对于极间介质中铁磁物质所受磁场力，可由式（1）进行估算[6]：
式中：μi为永磁体周围介质磁导率；μr为磁介质的相对磁导率；B为磁感应强度；S为磁场与磁性材料的作用面积。

对于永磁体形成的磁场，不同空间位置的磁感应强度是不同的。

设永磁体为圆柱形，则空间某点P （x，y，z）的磁感应强度理论估算矢量表达式为[7]：式中：R为点P到磁体端面中心的距离；M为磁化强度。

若空间P点在圆柱永磁体的磁力轴线上，则z= R，式（3）可简化为：
对式（2）取模：
将式（4）代入式（1），得：
假设电蚀微粒为均匀微小球体，则铁磁微粒在极间所受到磁场赋予的脱离加工区域的加速度为：
式中：ρ为微粒密度；r为电蚀微粒半径。

由以上分析可知，外加磁场对火花放电产生的铁磁性微粒具有吸引作用。

在极间相同的放电条件下，外加磁场对铁磁微粒的作用与磁感应强度B、微粒距永磁体的距离R关系密切，可通过改变这两个参数来改变外加磁场对加工过程的影响。

图1是外加磁场作用下电火花加工铁磁材料的实验装置图。

实验采用自行搭建的
电火花加工设备对20钢进行小孔加工，加工极性为正极性。

分别选用直径2 mm 的黄铜和不锈钢（弱磁性）材料电极作为工具电极，并在工具电极上端套以N35
钕铁硼圆形打孔磁铁，在保证永磁体与加工区域距离25 mm的前提下，改变所套磁铁的数量，从而改变外加磁场的磁感应强度。

实验加工参数见表1。

在以黄铜为工具电极的加工实验中，设定加工深度为3 mm，并记录加工时间；在以不锈钢为工具电极的加工实验中，由于加工速度较慢，设定加工时间为15 min，测量加工后的盲孔深度。

量取加工前后工具电极的长度，计
算工具电极的损耗程度。

以黄铜、不锈钢工具电极加工20钢的电火花加工实验结果见图2和图3。

通过对比实验研究了外加磁场对加工速度和电极损耗的影响规律，并对其影响机理进行了分析。

3.1 外加磁场对加工速度的影响
从图2、图3可看出，随着外加磁场的从无到有、再到磁场强度的逐渐增强，黄铜电极加工相同厚度钢板的加工时间呈逐渐减少的趋势，而不锈钢电极在相同加工时间下，加工工件的深度呈逐渐增大的趋势。

这说明外加磁场对电火花加工铁磁性材料的加工速度具有积极的影响，且外加磁场复合电
火花加工与普通电火花加工相比，在加工速度方面具有明显的改善。

而随着外加磁场强度的增强，加工速度也逐渐增大，这主要是由于外加磁场的磁力作用对火花放电电蚀产物进行引导和收集，改善了放电区域极间介质的介电特性，提高了放电效率。

对于铁磁材料的电火花加工来说，其电蚀产物是分散在加工区域周围的铁磁微粒。

随着加工的进行，微粒浓度逐渐增大（在无冲液的加工条件下，浓度增大得更显著），引起极间电场的畸变，使极间介质更易击穿，而放电后的介电性能不能完全恢复，导致过度放电，降低了电火花加工的蚀除效率（图4a）。

微粒浓度进一步
增大时，电蚀微粒在加工间隙内聚集、结链，易发生短路，从而造成加工的不稳定，严重时甚至无法实现加工。

增加外加磁场后，电蚀产物中的铁磁微粒在磁场的作用
下磁化，并被磁力吸引，逐渐远离加工区域，从而改善了极间放电环境，提高了加工效率（图4b）。

从图2和图3中还可看出，随着外加磁场强度的增强，小孔加工的速度得到提高；但磁场强度继续增强后，对加工速度的影响程度逐渐减小。

这是由于当外加磁场增强时，磁场对铁磁微粒的吸引作用增强，微粒排出加工区域的速度也相应增加，极间电蚀产物的浓度得到有效控制，介质的放电环境进一步改善。

而当外加磁场增强到某一特定值后，外加磁场对电火花加工速度的改善作用已趋于稳定。

由于火花放电中电蚀产物的产生速度是一定的，产生该现象的原因可能是磁力作用对电蚀产物的排出速度达到或超过了电蚀产物的产生速度，以致加工区域电蚀产物的浓度接近动态平衡。

此时，外加磁场对加工速度的改善作用发挥到了极致，即使再增加磁场强度也无助于加工速度的提高。

3.2 外加磁场对电极损耗的影响
从图2、图3中的电极损耗曲线可看出，随着外加磁场的从无到有、再到磁场强度的逐渐增强，黄铜电极加工相同厚度钢板的电极损耗呈减小趋势，而不锈钢电极以相同时间加工钢板的电极损耗减小得更明显。

由此可看出，电火花加工铁磁材料时，外加磁场对减少加工中的工具电极损耗具有明显的作用。

这种现象可能是与外加磁场对铁磁性电蚀产物的作用有关。

一方面，加工中产生的铁磁性电蚀产物被外加磁场磁化而向着永磁体运动，运动过程中，一小部分磁化微粒因磁力作用而附着在工具电极表面，这些附着在工具电极表面的磁化微粒可作为工具电极的一部分参与放电加工，减小了工具电极材料自身的损耗（图4b）；另一方面，由于外加磁场对
电蚀产物的引导和收集作用，使极间介质的放电环境得到改善，避免了由于频繁过度放电造成的放电区域局部温升，从而降低了电极损耗。

分析可知，在以黄铜电极加工钢板的实验中，外加磁场（1个永磁体）复合电火花加工比无外加磁
场的普通电火花加工的电极损耗减少了11.1%，4个永磁体的外加磁场复合电火花加工比普通电火花加工的电极损耗减少了14.8%。

而在以不锈钢电极加工钢板的
实验中，外加磁场（1个永磁体）复合电火花加工比普通电火花加工的电极损耗减少了22.0%，4个永磁体的外加磁场复合电火花加工比普通电火花加工的电极损耗减少了35.2%。

由此可见，在相同加工条件下，外加磁场对不锈钢材料电极损耗
的改善程度要明显优于黄铜材料电极。

这一点可通过式（5）加以解释：对于具有弱磁性的不锈钢电极来说，其磁导率μiFe远高于无磁性的黄铜电极磁导率μiCu，则永磁体通过不锈钢电极传递的对铁磁性电蚀产物的磁力FFe将远高于通过黄铜
电极传递的磁力FCu。

因此，在相同的外加磁场作用下，不锈钢电极损耗的改善
程度要优于黄铜电极。

3.3 外加磁场位置对加工的影响
为了对比外加磁场的位置对电火花铁磁材料加工过程的影响，进行了以下对比实验。

以不锈钢做电极加工钢板，两次实验的永磁体放置位置为：① 放置于工具电极正
上方（与前期实验相同）；②将永磁体吸附在工件上，并与加工区域保证相同的
轴向距离。

记录加工时间和电极损耗，两次实验结果见图5。

通过实验可看出,无论永磁体是放置在工具电极上，还是吸附在工件上，外加永磁
体后的电火花加工速度和电极损耗均比无外加磁场的普通电火花加工有所改善，且两种情况对加工速度和电极损耗的改善程度较接近。

外加磁场可消除悬浮在极间的铁磁微粒，净化极间介质；而永磁体吸附在工件上时，由于工件（强磁性）的导磁性比工具电极（弱磁性）强，对铁磁微粒的吸引能力也增强，且工件的作用面积比工具电极大很多，这也增强了磁场对铁磁微粒的吸力。

所以永磁体吸附在铁磁性工件上，可有效控制极间电蚀产物的浓度，提高加工速度，并相应降低电极损耗。

在电极损耗方面，尽管永磁体吸附在工件上时会有部分电蚀微粒受磁力吸引而吸附在工件加工区域表面，增加了需去除的材料总量，但由于工件的强磁性使其吸收铁磁
微粒的能力大大增强，极间放电环境的有效改善，能大幅降低加工过程中的电极损耗，因此，电极损耗总体上是明显降低的。

对于在外加磁场作用下以强磁性工具加工强磁性工件的情况，尽管能有效吸收两极放电产生的电蚀微粒，但工具和工件在磁场作用下的吸引力对伺服进给机构要求较高，易造成放电过程的不稳定，并不能带来积极影响，因此不建议采用。

本文研究了外加磁场对铁磁性材料电火花小孔加工的影响，理论分析了外加磁场对加工电蚀产物排出的影响规律，实验研究了不同电极材质条件下外加磁场对加工速度、电极损耗的影响，所得结论如下：
（1）采用外加磁场电火花复合加工铁磁材料工件，在加工速度和电极损耗方面比普通电火花加工都有明显的改善。

（2）随着磁场强度的增强，电火花加工速度和电极损耗将得到进一步的改善，但改善程度将会趋于极限位置；此后即使磁场强度再增强，加工速度和电极损耗也无明显变化。

（3）外加磁场对铁磁性材料电火花加工产生影响的主要原因是对电蚀产物的收集与控制。

通过宏观条件的改变实现对微观环境的干预与操纵，将为电火花加工技术的发展提供新的思路和方法。

【相关文献】
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[3] 褚旭阳，狄士春，王振龙.微细电火花加工技术在组合加工中的应用[J].电加工与模具，2010（4）：11-15.
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