超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工SiCp/Al 試驗(yàn)研究

李鎧月，張?jiān)迄i，楊光美，閆 妍

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安 710072）

SiCp/Al 復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高硬度和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于SiCp/Al 復(fù)合材料中的增強(qiáng)相SiC 顆粒硬度非常高，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法加工該材料的工件時(shí)，刀具磨損劇烈，加工成本高。如采用單一特種加工方法加工該材料的工件，也存在加工難度大、加工表面質(zhì)量差等缺點(diǎn)。加工技術(shù)的不成熟已經(jīng)限制了SiCp/Al 復(fù)合材料的應(yīng)用，因此，探索新的高質(zhì)量、高效率的加工方法很有必要。

針對SiCp/Al 復(fù)合材料的難加工性，本文提出一種超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工的方法。該方法以放電加工去除金屬基體材料為主，在電極頭端部鑲嵌金剛石磨條，給工具電極施加超聲振動(dòng)并輔以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以機(jī)械磨削作用去除SiC 增強(qiáng)相顆粒為輔。超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工實(shí)質(zhì)上是在放電加工的基礎(chǔ)上，在工具電極上疊加一個(gè)超聲振動(dòng)，以改善放電加工條件。同時(shí)，在電極磨條的機(jī)械磨削作用下，能起到強(qiáng)制去除硬質(zhì)顆粒的作用，并可改善加工表面粗糙度。因此可認(rèn)為：超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工是在超聲振動(dòng)的輔助作用下，主要由電火花加工與磨削加工組合而成的復(fù)合加工方法。

為了評判超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工方法的可行性，同時(shí)進(jìn)行了SiCp/Al 復(fù)合材料電火花加工試驗(yàn)。利用掃描電鏡分析了兩種加工方法加工SiCp/Al 復(fù)合材料的表面形貌和重熔層的差異，利用X 射線衍射法分析了兩種加工方法加工的SiCp/Al復(fù)合材料的表面成分。對比結(jié)果表明：采用超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工方法的加工穩(wěn)定性更好，SiCp/Al 復(fù)合材料的加工表面質(zhì)量更優(yōu)。本文的研究為SiCp/Al 復(fù)合材料工件的加工提供了一種可行的技術(shù)方法。

1 試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)裝置是在EDM JMDY-50II 精密電火花加工機(jī)床上組合了超聲振動(dòng)裝置而構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖

試驗(yàn)中，用螺釘將金剛石磨條固定在工具電極上，為使電極頭在超聲振動(dòng)時(shí)不碰到工件，且放電加工能順利進(jìn)行，需根據(jù)放電間隙調(diào)整緊固螺釘，以控制磨條伸出電極端面的高度。工具電極示意圖見圖2。

超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工試驗(yàn)所用工作液為煤油，工具電極為專用電極，工件材料為SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的SiCp/Al 復(fù)合材料。加工方式選擇負(fù)極性加工，超聲振動(dòng)頻率為20 kHz，振幅為0.05 mm，放電脈沖間隙t0=50 μs。

圖2 超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工工具電極示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 超聲振動(dòng)對加工穩(wěn)定性的作用

電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料工件時(shí)，由于SiC含量較大，剛開始加工時(shí)放電過程連續(xù)，加工一段時(shí)間后，電火花加工變成了斷續(xù)加工，不穩(wěn)定的斷續(xù)電火花加工一段時(shí)間后，放電過程又變?yōu)檫B續(xù)電火花加工，200 μs 脈寬下出現(xiàn)了短暫的拉弧現(xiàn)象。而超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工SiCp/Al 復(fù)合材料工件時(shí)，即使在長脈寬條件下，也沒有出現(xiàn)拉弧放電現(xiàn)象，整個(gè)過程始終有穩(wěn)定的火花放電，加工過程連續(xù)，加工穩(wěn)定性提高。

分析認(rèn)為，在超聲振動(dòng)的影響下，工作液會(huì)做紊流流動(dòng)，采用ANSYS 分析超聲振動(dòng)對工作液流場的影響，工具電極以最大速度向上和向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的流場分布情況見圖3。

圖3 工具超聲振動(dòng)對工作液流場的影響

分析結(jié)果表明，工具運(yùn)動(dòng)速度向上時(shí)，工作液填充到工具與工件之間的區(qū)域，靠近工件壁面上端的位置出現(xiàn)流場速度最大值37.6 m/s；工具運(yùn)動(dòng)速度向下時(shí)，工作液被擠壓出去，靠近工件端面外側(cè)的位置出現(xiàn)流場速度最大值56.7 m/s。超聲振動(dòng)擠壓工作液的作用大于吸收工作液的作用，兩極間的放電蝕除產(chǎn)物易排出，起到了強(qiáng)迫沖油的作用，有利于提高加工過程的穩(wěn)定性。

2.2 加工參數(shù)對加工速度的影響

圖4 是加工參數(shù)對加工速度的影響曲線。加工速度是指單位時(shí)間內(nèi)去除的工件材料的體積或重量，試驗(yàn)中采用質(zhì)量去除率。通過測量加工前后工件質(zhì)量的變化及加工時(shí)間，從而獲取加工速度。

圖4 加工參數(shù)對加工速度的影響

由圖4 可知，同等脈寬條件下，峰值電流越大，加工速度越高；峰值電流一定時(shí)，脈沖寬度越大，加工速度也越高。超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工速度雖小于同等電參數(shù)條件下的電火花加工，但可通過增大電流強(qiáng)度獲得較高的加工速度。

分析超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工速度低的原因，一方面是由于超聲振動(dòng)對放電間隙和放電時(shí)間的影響，實(shí)際放電作用的時(shí)間小于同等條件下電火花加工的放電作用時(shí)間，使加工速度降低，超聲振動(dòng)對放電間隙及放電時(shí)間的影響見圖5；另一方面，超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工所用電極加入了不導(dǎo)電的金剛石磨條，使能夠進(jìn)行放電加工的有效面積減小，因此放電作用削弱，加工速度降低。

2.3 加工參數(shù)對加工表面粗糙度的影響

圖6 是加工參數(shù)對加工表面粗糙度的影響。很顯然，由于機(jī)械磨削及超聲輔助作用的影響，與電火花加工方法相比，超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工可獲得更好的SiCp/Al 復(fù)合材料加工表面粗糙度，且該特性能在較寬的峰值電流強(qiáng)度范圍內(nèi)得以保持。

2.4 超聲磨削復(fù)合作用對加工表面形貌的影響

圖5 超聲振動(dòng)對放電間隙及放電時(shí)間的影響示意圖

圖6 加工參數(shù)對加工表面粗糙度的影響

在脈沖寬度為400 μs、脈沖間隔為50 μs、峰值電流為36 A 條件下，采用超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工和電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料工件。圖7 是兩種加工方法獲得的工件掃描電鏡的表面形貌?？煽闯?，超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工表面的電蝕凹坑明顯減少，其原因是在超聲振動(dòng)磨削作用下，放電加工產(chǎn)生的電蝕凹痕凸邊被機(jī)械磨削去除，加工表面不平凸起減少，放電加工產(chǎn)生的無方向性小坑在機(jī)械磨削的作用下基本被磨平。

圖7 SiCp/Al 復(fù)合材料試件的表面形貌

2.5 超聲磨削復(fù)合作用對重熔層的影響

在脈沖寬度為400 μs、脈沖間隔為50 μs、峰值電流為36 A 的條件下，采用超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工和電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料工件。通過掃描電鏡反映出的加工斷面組織結(jié)構(gòu)見圖8?？煽闯觯m然兩種加工方法加工的工件表面都出現(xiàn)了重熔層，但超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工表面的SiC 顆粒比材料內(nèi)部的SiC 顆粒細(xì)碎，機(jī)械磨削在破碎SiC 顆粒方面起了作用（圖8a）。而電火花加工表面裸露的SiC 顆粒上粘接了Al 金屬，對重熔層的產(chǎn)生起到了促進(jìn)作用（圖8b）。

圖8 SiCp/Al 復(fù)合材料試件的加工斷面組織

2.6 試件表面成分分析

在脈沖寬度為400 μs、脈沖間隔為50 μs、峰值電流為36 A 的條件下，采用超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工和電火花加工出的SiCp/Al 復(fù)合材料工件表面能譜圖見圖9?？煽闯?，放電過程的高溫條件促進(jìn)了Al 金屬基體與工作液中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，工件表面生成了具有很高耐磨性的Al2O3，增加了工件表面的耐磨性。從圖9b 還可發(fā)現(xiàn)，電火花加工表面的C 成分比超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工更多，其原因與電火花加工時(shí)產(chǎn)生的拉弧燒傷有關(guān)，從而導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生了C 黑膜。

圖9 SiCp/Al 復(fù)合材料工件表面能譜圖

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究，探索了脈沖寬度和峰值電流對SiCp/Al 復(fù)合材料工件加工速度和表面粗糙度的影響，同時(shí)對比了電火花加工與超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工在相同試驗(yàn)參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果的差異。加工試驗(yàn)研究表明，與電火花加工相比，超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工的穩(wěn)定性更好，加工工件的表面質(zhì)量更高，掃描電鏡和能譜分析的結(jié)果也支持了超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工的優(yōu)越性。

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