多孔質(zhì)電極電火花加工方法及實(shí)驗(yàn)

孔令蕾，蔣 毅，趙萬生，平雪良

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

多孔質(zhì)電極電火花加工方法及實(shí)驗(yàn)

孔令蕾1，蔣 毅1，趙萬生2，平雪良1

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

為克服傳統(tǒng)電火花加工的復(fù)雜形狀電極制備周期長、大面積復(fù)雜型腔加工效率低的弊端，提出了一種用于粗加工的多孔質(zhì)電極電火花加工新方法。采用紫銅顆粒高溫?zé)Y(jié)的方式實(shí)現(xiàn)多孔質(zhì)電極的快速制備，利用多孔質(zhì)電極中的孔隙實(shí)現(xiàn)內(nèi)沖液，以達(dá)到電火花粗加工過程中快速去除材料的目的。并可采用電極端部、側(cè)部沖液相結(jié)合的方式，提高復(fù)雜型腔電火花加工的效率。通過對多孔質(zhì)電極燒結(jié)制備的實(shí)驗(yàn)研究，初步確定了多孔質(zhì)電極的燒結(jié)工藝參數(shù)。通過加工實(shí)驗(yàn)證明了多孔質(zhì)電極電火花加工的可行性。

電火花加工；多孔質(zhì)電極；金屬顆粒燒結(jié)；內(nèi)沖液

傳統(tǒng)電火花加工存在著復(fù)雜形狀電極的制備成本高、周期長以及加工效率相對偏低等問題。在電極制備方面，一般通過機(jī)械加工的方式去除材料，以獲取目標(biāo)型面；而在加工某些具有復(fù)雜型面的電極時，往往會遇到加工困難的問題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大面積電火花加工采用的復(fù)雜形狀電極的制造周期與成本約占模具或制品的一半左右；在加工效率方面，傳統(tǒng)電火花加工與近年來興起的高速切削相比沒有優(yōu)勢。

為了降低復(fù)雜形狀成形電極的制備成本，各國學(xué)者提出了一系列利用點(diǎn)、面或體單元材料進(jìn)行電極快速構(gòu)建的新方法。粉末冶金電極制備方法是一種典型的利用點(diǎn)單元材料構(gòu)建成形電極的方法，但用該方法制備出的電極通常為實(shí)體電極，電極損耗較大[2]。采用快速成形技術(shù)，通過增加電極材料逐層構(gòu)建，也可制備出成形電極，但該方法較復(fù)雜，制備的電極精度較低、損耗較大，電極的電火花加工性能差，難以實(shí)現(xiàn)大電流、高去除率的加工[3]；且快速成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備價格及其運(yùn)行成本過高。分割電極法是一種利用體單元材料構(gòu)建成形電極的方法，雖然每個子電極的加工時間及成本顯著低

于復(fù)雜成形電極，但對電極幾何結(jié)構(gòu)特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)電極的分割額外增加了時間成本[4]。趙萬生等提出的集束電極法也可看成是一種利用體單元材料構(gòu)建成形電極的方法[5]，具有操作簡單、成本低的特點(diǎn)；但由于該方法通過直管狀電極構(gòu)建曲面，故一般只能加工開放的型腔結(jié)構(gòu)，對相對閉塞的型腔進(jìn)行加工時，會產(chǎn)生干涉問題。

為了提高電火花加工效率，近年來，研究人員對影響電火花加工性能的工具電極、電介質(zhì)等電火花加工要素進(jìn)行了大量的探索和改進(jìn)，涌現(xiàn)出了一系列新的工藝方法。如：國枝正典等提出了氣中（干式）電火花加工方法，具有效率高、工具接近零損耗的特點(diǎn)[6-7]；然而，為了有效排出蝕除產(chǎn)物，氣中加工所采用的管狀工具電極的壁厚不能太大，這限制了電極的尺寸，使氣中加工方法只適合于較小型腔的分層銑削。集束電極電火花加工方法不僅可用于快速制備電極，還可利用管狀集束電極實(shí)現(xiàn)多孔內(nèi)沖液加工，從而能采用大流量沖液、大電流放電的加工策略，用更大的峰值電流進(jìn)行加工，以獲得更高的材料去除率[5]；但由于該方法采用了直管狀電極，故其沖液方向是一維的，無法實(shí)現(xiàn)三維全向的多孔內(nèi)沖液加工，且其粗加工余量相對較大，需大幅提高精加工的用時。

盡管如此，電火花加工在難加工材料和復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)零件的加工中仍有明顯的優(yōu)勢。究其原因：一是由于電火花加工具有非接觸加工、可加工所有金屬材料、加工能力與材料的硬度和強(qiáng)度無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，使電火花加工對被加工材料的適應(yīng)性較好；二是由于某些相對閉塞的復(fù)雜半開放型腔結(jié)構(gòu)（如葉片彎扭程度較大的帶冠整體葉盤的流道內(nèi)部），刀具活動空間狹小，難以避免走刀過程中的干涉問題，使電火花加工成為此類零件加工的較好選擇。因此，電火花加工技術(shù)的發(fā)展需尋求一種既能實(shí)現(xiàn)電極的快速制備，又能提高電火花加工效率，特別是進(jìn)一步提高難加工材料和復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)零件的加工效率的新技術(shù)，以充分發(fā)揮電火花加工的長處，抑制其短處。本文正是出于這一“揚(yáng)長避短”的目的，提出了多孔質(zhì)電極電火花加工方法。

1 多孔質(zhì)電極電火花加工方法

多孔質(zhì)電極電火花加工方法的核心在于其工具電極是一種密布著孔隙的多孔材料。在該多孔材料的內(nèi)部，通孔所占的比例應(yīng)遠(yuǎn)高于閉孔和盲孔，從而使加工液能在通孔形成的流道中順暢流動。當(dāng)進(jìn)行電火花加工時，通過在電極一端通入一定流量的加工液，可使沖液施加于加工區(qū)域的各個部位，從而以一種類似于集束電極多孔內(nèi)沖液的方式進(jìn)行加工，以提高電火花加工的效率。

多孔質(zhì)電極電火花加工方法的特征可歸納為：

（1）高溫?zé)Y(jié)制備多孔質(zhì)電極。采用直徑較大的金屬顆粒，依靠高溫?zé)Y(jié)的方式，快速制備出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的電極。通過對燒結(jié)過程的控制，使金屬顆粒在緊密粘連的同時，保有較高比例的通孔，以形成多孔結(jié)構(gòu)。與粉末冶金技術(shù)制備的實(shí)體電極相比，多孔質(zhì)電極可采用內(nèi)沖液方式進(jìn)行放電加工，因此可利用沖液改善加工穩(wěn)定性的優(yōu)勢，從而提高加工效率。

（2）內(nèi)沖液加工方式。利用電極多孔結(jié)構(gòu)形成的流道，采用內(nèi)沖液方式進(jìn)行粗加工。依靠多孔內(nèi)沖液強(qiáng)制排出蝕除產(chǎn)物，有利于提高加工的穩(wěn)定性，從而能采用大峰值電流進(jìn)行加工，提高加工效率。與單孔內(nèi)沖液相比，采用多孔內(nèi)沖液多孔質(zhì)電極電火花加工時，極間工作液流速顯著增大，能獲得更有效的排屑能力，蝕除產(chǎn)物顆粒在極間的分布更均勻，從而增大工件材料的去除率。

（3）側(cè)部沖液增效。利用多孔質(zhì)電極的沖液出口密布于整個電極表面的優(yōu)勢，將內(nèi)沖液變成三維全向的多孔內(nèi)沖液，從而在需要依靠電極側(cè)部進(jìn)行放電的復(fù)雜型腔的加工場合，使沖液直接作用于放電區(qū)域，改善加工的穩(wěn)定性，提高加工效率。該特征能解決集束電極只能實(shí)現(xiàn)一維方向沖液的問題。

2 多孔質(zhì)電極的制備

多孔質(zhì)電極是多孔金屬材料中的一類。多孔金屬由金屬骨架與孔隙組成，具有金屬材料的可焊性等基本金屬屬性。與致密金屬材料相比，多孔金屬的顯著特征是其內(nèi)部具有大量的孔隙，這使得多孔質(zhì)電極具有比重小、比表面大、能量吸收性好、導(dǎo)熱率低（閉孔體）、換熱散熱能力高（通孔體）、耐熱耐火、抗熱震、能再生、加工性好等諸多優(yōu)異特性[8-9]。

多孔質(zhì)電極制備材料的選取直接關(guān)系到放電加工的效果和沖液效果，決定了放電速度、加工精度及表面粗糙度等加工性能。燒結(jié)多孔質(zhì)電極的金屬顆?？蛇x用球形、樹枝形、圓柱形或不規(guī)則形狀的金屬顆粒。當(dāng)采用球形顆粒時，獲得的多孔燒結(jié)體具有流體阻力小、結(jié)構(gòu)均勻、再生性良好的特點(diǎn)。由于銅金屬比石墨更易進(jìn)行燒結(jié)制備，且紫銅材料本身也是一種通用的電火花工具電極材料，故選用直徑3 mm的非規(guī)則球形紫銅顆粒作為燒結(jié)多孔質(zhì)電極的原材料。燒結(jié)過程中，非規(guī)則球形顆粒比理想球形顆粒更具有接觸形式多樣化的特點(diǎn)，可形成點(diǎn)與點(diǎn)、線與面、面與面等接觸熔合方式，有利于顆

粒之間的相互結(jié)合，從而提高粘結(jié)力度。

為保證燒結(jié)出一定形狀的電極，必須采用成形燒結(jié)模具。為保證銅顆粒在燒結(jié)過程中不被氧化，燒結(jié)過程中必須施加還原性保護(hù)氣體，或模具本身具有密封性能。耐高溫不銹鋼雖有較好的熱穩(wěn)定性，但其熱傳導(dǎo)性較差，且隨溫度變化會有很大的熱變形，因此不利于電極成形；氧化鋁陶瓷具有較好的熱傳導(dǎo)性和耐熱性，熱變形也較小，但因其硬脆、易碎，且加工成本較高，也不適于作為模具材料使用。本文選用石墨作為模具材料，制備了帶有模具蓋的燒結(jié)用模具。將銅顆粒裝入石墨模具后振實(shí)，通過模具蓋上的螺紋和石棉密封圈進(jìn)行密封，可將銅顆粒壓緊，并將其密封在模具中進(jìn)行燒結(jié)，從而在實(shí)現(xiàn)成形高溫?zé)Y(jié)的同時，避免了銅顆粒的氧化。依靠燒結(jié)過程中金屬顆粒間的相互黏結(jié)，形成孔隙度較大的多孔性燒結(jié)體，即多孔質(zhì)電極體。

孔隙率是多孔體中所有孔隙的體積與多孔體總體積的比值。多孔質(zhì)電極電火花加工中，工作液流道是由多孔質(zhì)電極體中的孔隙組成的，故孔隙率的大小對多孔質(zhì)電極沖液性能的影響極為關(guān)鍵，沖液在多孔質(zhì)電極上的分布及流量的大小也會進(jìn)一步影響電火花加工的性能?？紫堵实拇笮∈艿姐~顆粒堆積形式和填充方式的影響，其值在一定范圍內(nèi)是可控的。為得到適合放電加工要求的多孔質(zhì)電極，需對孔隙率及其影響因素做進(jìn)一步分析。

均一尺寸的粉末顆粒堆積后，其孔隙率與顆粒尺寸大小無關(guān)，但與顆粒的堆積方式有關(guān)。球顆粒堆積越松散，其孔隙率越大；反之，球顆粒堆積越緊密，則孔隙率越小。正方體體心排列下的孔隙率的大小可依據(jù)圖1所示的金屬球形顆粒堆積模型進(jìn)行計(jì)算。圖1a是正方體體心排列下的球體顆粒堆積體；若將球形實(shí)體視為虛空，而將球體之間的孔隙用實(shí)體表示，則孔隙的立體模型呈復(fù)雜幾何體（圖1b）。

圖1 銅顆粒正方體體心排列模型

通過計(jì)算易得出正方體體心排列下的金屬球形顆粒堆積模型的孔隙率最小極限為25.9%。但在實(shí)際情況下，銅顆粒的堆積無法達(dá)到極為致密的程度，很難形成理想的正方體體心排列。因此，均一尺寸的粉末顆粒堆積后的孔隙率通常要大于25.9%。而粒度不一的粉末顆粒在均勻堆積后，其孔隙率可小于25.9%，原因在于大顆粒間的孔隙將會被小顆粒填充。由此可知，孔隙尺寸與粉末顆粒尺寸及粒度分布關(guān)系密切，顆粒尺寸小、粒度分布不均勻，孔隙尺寸也會較小[10]。因此，通過對不同粒度大小的顆粒進(jìn)行配比和對松裝顆粒進(jìn)行不同程度的振實(shí)并施以壓緊力，可在一定程度上控制多孔質(zhì)電極孔隙度的大小，制備出不同孔隙率的電極，用于多孔質(zhì)電極加工實(shí)驗(yàn)。

燒結(jié)溫度曲線如圖2所示。燒結(jié)過程為：將銅顆粒裝入石墨模具后，連同密封的石墨模具一起放在燒結(jié)電阻爐中加熱6 h，將爐內(nèi)溫度從室溫提升至1020℃，經(jīng)2 h保溫，而后隨爐冷卻至≤700℃后取出，在室內(nèi)空氣中自然冷卻至室溫后，將成形燒結(jié)體從石墨模具中取出。由于爐內(nèi)熱電偶測得的溫度是爐內(nèi)溫度和室溫的溫差，通過放置測溫環(huán)，可測得模具內(nèi)的實(shí)際溫度為1062℃。

圖2 燒結(jié)溫度曲線

制備得到的燒結(jié)體見圖3。燒結(jié)體為高59 mm、上下段直徑分別為62、50 mm的T形圓柱。之所以采用T形電極，是因?yàn)槠漕^部可方便地被固定在多孔質(zhì)電極夾具上，且不影響其沖液。圖3a是采用銅顆粒燒結(jié)而成的電極，可實(shí)現(xiàn)三維全向的多孔內(nèi)沖液；圖3b是外表面覆裹一層厚度為0.03 mm的銅箔后燒結(jié)而成的電極，覆蓋一層銅箔可解決加工初期工作液在電極側(cè)部泄漏的問題，即只有當(dāng)電極的某一部位參與加工并開始放電后，在銅箔被損耗后，該部位才能開始沖液。

圖3 直徑3 mm的非規(guī)則球形燒結(jié)體

為了避免多孔質(zhì)電極上的銅顆粒在加工過程中脫落，引起拉弧、短路等現(xiàn)象，進(jìn)而損壞加工工件或使電極報(bào)廢，必須保證銅顆粒之間的粘結(jié)力足夠大。為此，在制備多孔質(zhì)電極前，還需對成形模具中的金屬顆粒作冷壓處理，進(jìn)一步提高其壓緊力。

3 多孔質(zhì)電極電火花加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置采用SC110型電火花加工機(jī)床；工件材料為45鋼；工具電極分別使用實(shí)體電極和圖3b所示覆裹銅箔的多孔質(zhì)電極；加工液為煤油；電極夾具見圖4。加工深度為5 mm，抬刀高度為2 mm，其他加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

圖4 夾具示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的放電加工條件下，實(shí)體電極的材料去除率為0.978 g/min，多孔質(zhì)電極的材料去除率為0.99 g/min。在一定量的內(nèi)孔沖液條件下，使用多孔質(zhì)電極的材料去除率略高于實(shí)體電極，但未能體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅初步證明了多孔質(zhì)電極電火花加工方法的可行性。由于加工深度較小，實(shí)體電極在抬刀作用下實(shí)際仍能保持較好的工作液流動環(huán)境；所設(shè)定的電參數(shù)也是機(jī)床在給定電極投影面積下的缺省參數(shù)，尚未用更大的電流和更大的脈寬進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)。因此，采用內(nèi)沖液方式的多孔質(zhì)電極電火花加工的優(yōu)勢尚無法充分體現(xiàn)。此外，由于覆裹的銅箔厚度僅為0.03 mm，當(dāng)進(jìn)行沖液時，銅箔邊緣在流體的作用下向外翻起，且有振動，對放電過程產(chǎn)生了極為不利的影響。

下一步的研究工作還須在目前的基礎(chǔ)上，采用具有足夠剛度、更厚的銅箔進(jìn)行覆裹，并采用更大的電流和脈寬進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探尋多孔質(zhì)電極電火花加工方法在更深、排屑條件更不利的型腔中的加工性能。

4 結(jié)語

本文驗(yàn)證了多孔質(zhì)電極電火花加工方法的可行性。金屬顆粒在燒結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)了緊密粘連而不是松散堆積，粘連后的金屬顆粒之間保有較大孔隙，形成沖液流道，而未因過分粘連變成實(shí)體電極，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀多孔質(zhì)電極的快速制備。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多孔質(zhì)電極電火花加工在材料去除率方面有微弱優(yōu)勢，但需通過更全面的實(shí)驗(yàn)對其加工性能作進(jìn)一步研究。

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The Method and Experiment of EDM with Porous Electrode

Kong Linglei1，Jiang Yi1，Zhao Wansheng2，Ping Xueliang1
（1.Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

To address the long preparation period of complexity electrode and the low efficiency of large and complicated cavity machining in traditional EDM，a new method by using porous electrode in EDM roughing machining is proposed.A high temperature sintering of copper particles way to achieve rapid preparation of porous electrode is utilized，to provide pores of porous electrode for inner flushing to improve the material removal ratio during EDM roughing machining.By means of applying flushing on both tip and side part of the electrode，the efficiency of complex cavity EDM process is improved. Through the fabrication of porous electrodes sintering，the sintering process parameters of porous electrode is identified.Feasibility of EDM with a porous electrode is proved by a series of processing experiment results.

EDM；porous electrode；metal particles sintering；inner flushing

TG661

A

1009－279X（2014）03－0022-04

2013-12-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205169）第一作者簡介：孔令蕾，男，1987年生，碩士研究生。