大气压氮气冷等离子体射流对微细电火花加工击穿距离的影响

【作者】 邹日貌； 张从阳； AZIZ Asad； 余祖元； 孙冰；

【机构】 大连理工大学机械工程学院教育部精密与特种加工重点实验室； 大连海事大学环境科学与工程学院；

【摘要】 微细电火花加工技术利用火花放电产生的高温对工件材料进行熔化、汽化,从而形成材料去除,无需依赖于机械接触的作用力进行材料去除,通过控制放电能量的大小,可以分别实现高效去除与精密加工,因此在微小结构与特征的加工中,具有非常广泛的应用。工具电极损耗会对微细电火花加工的精度造成严重的影响。为此,必须采取措施减小工具电极的损耗。国内外许多学者发现,气体介质具有工具电极损耗率低的特性,可以有效减少因工具电极损耗而带来的加工误差。然而,在气体介质中加工时却存在因为放电间隙过小导致电蚀产物粘附严重、短路率高、加工效率低下等问题,限制了其在微细电火花加工中的广泛应用。为了利用气体介质中工具电极损耗率低的特性,可以通过增大放电间隙的方法,来减少电蚀产物粘附,降低短路率,从而提高加工效率。微细电火花加工中放电间隙的大小与击穿距离的大小息息相关,击穿距离的增加有利于放电间隙的增加,从而提高加工过程中的稳定性。在前期研究中发现,当以大气压氮气冷等离子体射流(APPJ)作为微细电火花加工介质时,获得了比相同条件下气体介质中更大的击穿距离,并推测其原因是APPJ中的带电粒子数密度高于气体射流中,导致了比气体介质更大的电导率,从而获得了更大的击穿距离。然而,却没有相应的实验数据对上述推测进行支撑。单探针法是一种简单、方便、廉价的等离子体诊断方法,如果将接地的单探针插入APPJ中,并在回路中串联微安表,便可以看成是一种简单的处于特殊状态下的单探针诊断系统。此时,探针会收集APPJ中的带电粒子形成电流,通过探针采集到的电流大小可以判断出APPJ中带电粒子数密度的相对高低。利用该方法采集了APPJ、氮气射流、空气射流以及氧气射流中的电流,发现:(1)氮气射流、空气射流和氧气射流中的采集电流全部恒定为0,而APPJ中的采集电流却远大于上述三种气体射流中,证明了前期研究中的推测;(2)APPJ中的采集电流随着距离APPJ喷嘴出口的轴向距离的增加而降低,但是当该轴向距离处于5～10 mm之间时,APPJ中的带电粒子数密度依然远高于氮气射流、空气射流和氧气射流中,并且,在此范围内,工具电极和APPJ发生装置内的针电极之间不会发生击穿放电,也可以防止加工过程中APPJ喷嘴与微细电火花加工机床之间发生干涉。更多还原