多孔質(zhì)電極電火花加工工藝＊

蔣 毅 孔令蕾 平雪良 李 其

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122)

電火花加工被廣泛應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防、模具制造等領(lǐng)域，用以實(shí)現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜形狀零件和有特殊要求的零件制造。但在制備復(fù)雜形狀、大面積的電火花加工工具成型電極時(shí)，常規(guī)機(jī)械加工方式存在制備周期長(zhǎng)、復(fù)雜型面加工困難、制作成本高、材料利用率低等問題［1-2］。為此，各國(guó)研究人員開始探索各種采用點(diǎn)、面或體等幾何單元材料快速構(gòu)建復(fù)雜形狀電極的新方法［3-4］。

利用點(diǎn)單元材料或面單元材料，采用粉末冶金、快速成型(RP)等技術(shù)可快速構(gòu)建出精度很高的成型電極［5-6］，并顯著縮短成型電極特別是大面積復(fù)雜電極的制備周期，但其電火花加工性能差，電極的損耗率較高，所制備出的通常為實(shí)體電極，較難采用沖液方式進(jìn)行加工。

上海交通大學(xué)趙萬生等［7］提出的集束電極法將大量管狀或棒狀單元電極捆綁，可快速制備出具有復(fù)雜端面的集束電極，用于電火花成型粗加工。該方法具有操作簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，并可利用管狀電極形成的流道在加工過程中施加分布式的內(nèi)沖液，大幅提高加工效率［8-9］。但由于該方法通過直管狀電極構(gòu)建曲面，因此一般只能加工開放的型腔結(jié)構(gòu)，對(duì)相對(duì)閉塞的型腔進(jìn)行加工時(shí)，容易產(chǎn)生干涉問題。

多孔質(zhì)電極是一種由粒徑較大的紫銅顆粒高溫?zé)Y(jié)而成的多孔材料電極［10］，也可看成是一種利用點(diǎn)單元材料制備而成的工具電極。通過該制備方法能夠降低復(fù)雜型面電極的制作成本，并可通過孔隙形成的流道在放電加工過程中實(shí)現(xiàn)分布式、三維全向的內(nèi)沖液，有利于發(fā)揮與集束電極相似的優(yōu)勢(shì)，獲得較高的加工效率。

本文對(duì)不同加工參數(shù)下多孔質(zhì)電極電火花加工的性能進(jìn)行了研究，并對(duì)多孔質(zhì)電極和傳統(tǒng)實(shí)體電極在不同加工環(huán)境下的加工性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 工具電極制備

紫銅顆粒不會(huì)發(fā)生脫落;其次，顆粒之間應(yīng)能夠形成通暢的流道，滿足分布式?jīng)_液要求。這兩個(gè)特征的獲得與燒結(jié)工藝密切相關(guān)。

多孔質(zhì)電極是由毫米級(jí)粒徑的紫銅顆粒燒結(jié)而成的。首先將粒徑分別為φ2 mm 和φ3 mm 的球形紫銅顆粒裝入石墨模具中，振實(shí)并壓緊后置于真空爐內(nèi)，在-0.1 MPa 的真空壓力下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。利用高溫下顆粒之間形成的燒結(jié)頸可使顆粒間緊密連結(jié)，按照模具內(nèi)腔形狀燒結(jié)成成型電極體。通過改變模具內(nèi)腔形狀，可燒結(jié)獲得具有復(fù)雜曲面形狀的多孔質(zhì)電極。為了對(duì)多孔質(zhì)電極電火花加工的基本性能進(jìn)行研究，這里采用圓柱形模具內(nèi)腔，制成圓柱形多孔質(zhì)成型電極，如圖1 所示。

燒結(jié)得到的多孔質(zhì)電極應(yīng)具備兩個(gè)特征。首先，顆粒之間的結(jié)合應(yīng)足夠緊密，使得電火花加工過程中

在一定的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下，燒結(jié)頸將在紫銅顆粒間產(chǎn)生并逐漸長(zhǎng)大，顆粒間由分子間力轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)的晶體結(jié)合鍵力，顆粒之間的結(jié)合力得以提高。盡管電火花加工屬于非接觸式加工，加工過程中無宏觀切削力，但仍會(huì)受到?jīng)_液壓力、電弧拉力、放電爆炸力的綜合影響，較小的結(jié)合力還不足以保證紫銅顆粒在加工過程中不發(fā)生脫落。因此要增加結(jié)合力，就應(yīng)使燒結(jié)頸更為粗壯，意味著需要提高燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間。另一方面，燒結(jié)頸的增大將使得顆粒間孔隙變小，對(duì)沖液產(chǎn)生不利影響，如一味增大燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，會(huì)發(fā)生“過燒結(jié)”，甚至紫銅顆粒完全熔融，孔隙率和通孔率大幅下降，無法滿足沖液要求。

為此，采用合適的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì)制備符合電火花加工要求的多孔質(zhì)電極至關(guān)重要。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，按照如圖2 所示的燒結(jié)溫度曲線，在燒結(jié)溫度1 078 ℃，保溫2 h 下制備得到的多孔質(zhì)電極局部SEM照片如圖3 所示，可見顆粒間形成了粗壯的燒結(jié)頸，并保持了較大的孔隙。采用這一電極可在滿足沖液、大能量加工要求的同時(shí)，保證銅顆粒不脫落。即使在多孔質(zhì)電極經(jīng)過加工已經(jīng)發(fā)生極大程度的損耗，在長(zhǎng)度方向上已損耗近5 層銅顆粒的情況下，仍然沒有發(fā)生脫落現(xiàn)象，如圖4 所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

電火花加工實(shí)驗(yàn)在Agie-Charmille SC110 數(shù)控電火花成型機(jī)上進(jìn)行。多孔質(zhì)電極通過專用夾具安裝于主軸上，加工過程中可施加內(nèi)沖液，夾持裝置和多孔質(zhì)電極沖液情況如圖5 所示。

分別采用了實(shí)體電極和多孔質(zhì)電極進(jìn)行加工，電極外徑為φ30 mm，組成多孔質(zhì)電極的顆粒包括φ2 mm和φ3 mm 兩種，工件材料為45#鋼。加工深度為6 mm，采用負(fù)極性加工(工件接負(fù))。實(shí)驗(yàn)過程中采用的其他加工參數(shù)如表1 所示。

表1 電火花加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

多孔質(zhì)電極由毫米級(jí)粒徑的紫銅顆粒燒結(jié)而成，電極的表面平整度較低。因此在加工初期，電極端部的可放電投影面積非常小，只包括了數(shù)十個(gè)底層球形顆粒與工件上表面間的極小的接觸區(qū)域。隨著加工的進(jìn)行，參與加工的面積逐漸增大，并逐步達(dá)至電極投影面積。為了避免較大的電極表面粗糙度對(duì)加工性能的影響，選用了較大的加工深度(6 mm)，以保證電極底部的所有區(qū)域均能參與放電。

也正因?yàn)槎嗫踪|(zhì)電極表面不平整，與集束電極電火花加工類似，只適合于對(duì)加工材料的粗加工，在加工過程中利用分布式的內(nèi)沖液達(dá)到快速去除材料的目的。一般來講，加工電流越大，材料去除率越高，因此采用了如表1 所示的較大的電極投影面積和沖液流量，并將加工電流固定于機(jī)床所能提供的最大電流64 A，而首先對(duì)多孔質(zhì)電極在不同脈寬和脈間下的材料去除率MRR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。脈寬和脈間對(duì)材料去除率MRR的影響分別如圖6 和圖7 所示。

如圖6 所示，在不同的脈沖間隙下，隨著脈沖寬度的增加，工件材料去除率總體呈先上升后下降的趨勢(shì)。這與普通實(shí)體電極電火花加工的趨勢(shì)是相似的。從圖6 中可以注意到，隨著脈間的增加，獲得該脈間下最高材料去除率的脈寬總體呈增大趨勢(shì)。例如，當(dāng)脈間為32 μs 時(shí)，脈寬320 μs 下即達(dá)到材料去除率峰值;而當(dāng)脈間增至320 μs 時(shí)，達(dá)到材料去除率峰值的脈寬為1 000 μs。這表明脈間越大，其可承受的脈寬越大，越能利用較大的脈寬獲得高的材料去除率。

如圖7 所示，當(dāng)脈沖寬度較小時(shí)(分別為56 μs、320 μs、750 μs)，隨著脈沖間隙的增加，工件材料去除率總體呈下降趨勢(shì)，并且均在脈沖間隙最小32 μs 時(shí)達(dá)到最大值;當(dāng)脈沖寬度繼續(xù)增大(分別為1 000 μs、1 300 μs)，達(dá)到最大材料去除率時(shí)的脈間將相應(yīng)增加。這是由于增大脈間會(huì)使得脈沖占空比下降，影響加工效率;但脈間又有保持極間狀態(tài)、維護(hù)放電穩(wěn)定的作用，因此當(dāng)脈寬較大時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增大脈間。

從圖6 和圖7 可以注意到，盡管平均來看，對(duì)著脈沖寬度和脈沖間隙的改變，材料去除率呈現(xiàn)上升或下降的趨勢(shì)，但當(dāng)脈沖寬度在320 μs ～1 000 μs 的區(qū)間范圍內(nèi)，以及脈沖間隙在32 μs ～100 μs 的區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，材料去除率的變化是不明顯的，或者說變化的趨勢(shì)是平緩的。為了進(jìn)一步研究多孔質(zhì)電極電火花加工的性能，將多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極進(jìn)行了對(duì)比。在同樣的脈間100 μs、峰值電流64 A、不抬刀加工的條件下，隨著脈寬變化，兩者的電極相對(duì)損耗率TWR如圖8 所示。

如圖8 所示，隨著脈沖寬度的增大，多孔質(zhì)電極和實(shí)體電極的電極相對(duì)損耗率均呈下降趨勢(shì)，顯示炭黑對(duì)工具電極的保護(hù)作用得到增強(qiáng)。而多孔質(zhì)電極由于采用沖液方式加工，對(duì)保護(hù)膜的形成有干擾作用，與不沖液的實(shí)體電極相比，電極相對(duì)損耗率較高，這與采用集束電極加工的結(jié)論一致［9］。

隨著脈寬的變化，兩者的材料去除率MRR如圖9所示。相對(duì)于多孔質(zhì)電極材料去除率的平緩變化，實(shí)體電極的變化更為劇烈，顯示脈沖寬度對(duì)其影響更顯著。盡管在其他脈沖寬度下，多孔質(zhì)電極的材料去除率均略高于實(shí)體電極，但當(dāng)脈沖寬度為560 μs 時(shí)，實(shí)體電極所能達(dá)到的最大材料去除率為257 mm-3/min，超過多孔質(zhì)電極的206 mm-3/min。而遍歷圖7 中所有的脈寬/脈間組合，多孔質(zhì)電極的最高材料去除率也只達(dá)到了214 mm-3/min，意味著在電流64 A 的情況下，多孔質(zhì)電極無法獲得比實(shí)體電極更高的加工速度。

為此，又采用不同的峰值電流，對(duì)實(shí)體電極和多孔質(zhì)電極的材料去除率進(jìn)行了對(duì)比，在脈沖寬度560 μs，脈沖間隙100 μs 時(shí)，兩者的材料去除率如圖10 所示。

從圖10 中可以看出，改變電流對(duì)材料去除率的影響是非常顯著的，但在這一脈寬/脈間參數(shù)組合下，實(shí)體電極的材料去除率均高于多孔質(zhì)電極，顯示出多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極相比，在提高材料去除率方面沒有優(yōu)勢(shì)。一般而言，沖液應(yīng)起到改善極間狀態(tài)、維護(hù)放電穩(wěn)定、提高材料去除率的作用，但上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻不支持這一結(jié)論。

但是，雖然上述實(shí)驗(yàn)中采用的加工參數(shù)相同，多孔質(zhì)電極和實(shí)體電極電火花加工之間仍存在一定的差異，這一差異應(yīng)是導(dǎo)致兩者材料去除率不同的原因。差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先是多孔質(zhì)電極表面形貌凹凸不平，而實(shí)體電極端部是一個(gè)平面;其次是多孔質(zhì)電極采用了沖液方式加工，而實(shí)體電極沒有沖液。

為了探尋到底是何種差異導(dǎo)致了多孔質(zhì)電極的材料去除率低于實(shí)體電極，分別采用了φ2 mm 和φ3 mm顆粒直徑燒結(jié)得到的多孔質(zhì)電極和實(shí)體電極進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，以便對(duì)不同表面平整度電極的加工性能進(jìn)行對(duì)比。為了排除沖液的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中關(guān)閉了沖液，多孔質(zhì)電極和實(shí)體電極均以不沖液方式加工。電流為64 A，脈寬為560 μs，脈間為100 μs，分別采用不抬刀不平動(dòng)、只抬刀和只平動(dòng)3 種方式加工。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

由圖11 可知，無論在何種加工方式下，電極表面平整度最低的采用φ3 mm 顆粒燒結(jié)得到的多孔質(zhì)電極，其材料去除率是最低的，而表面最為平整的實(shí)體電極材料去除率最高。這一結(jié)果暗示了電極表面平整度對(duì)材料去除率具有較顯著的影響，電極表面凹凸會(huì)導(dǎo)致更多的側(cè)向放電，有可能是導(dǎo)致材料去除率降低的原因。當(dāng)采用不抬刀不平動(dòng)方式加工時(shí)，φ3 mm 顆粒多孔質(zhì)電極的材料去除率為192 mm-3/min，比圖10中所示的206 mm-3/min 降低了約7%，顯示此時(shí)沖液對(duì)提高加工效率具有一定作用，但作用并不大。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)在工件上表面上加工較淺的型腔(6 mm)時(shí)，極間狀態(tài)并不能惡化到顯著影響放電穩(wěn)定性的程度，是否施加沖液影響不大，而電極表面平整度卻是影響材料去除率的顯著因素。

這一結(jié)論也可由是否采用抬刀方式加工加以印證。當(dāng)采用抬刀加工時(shí)，實(shí)體電極材料去除率大幅下降，顯示雖然抬刀一般有改善極間狀態(tài)的作用，但由于極間狀態(tài)惡化程度較小，改善作用不明顯，反而由于抬刀時(shí)間的損失，降低了材料去除率。

上述實(shí)驗(yàn)都是在工件上表面加工較淺的型腔，但在深孔中加工時(shí)，由于加工蝕除產(chǎn)物無法順暢地排出加工區(qū)域，極間狀態(tài)一般將發(fā)生惡化，導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，加工效率降低。為此，進(jìn)行了在深孔中加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。所采用的工件深孔初始深度為25 mm，內(nèi)徑為30.8 mm，比電極外徑大0.8 mm，加工深度6 mm。選用的電流64 A，脈寬為560 μs，脈間為100 μs，分別采用不抬刀和抬刀方式加工，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示。

實(shí)體電極在深孔中采用不抬刀方式加工時(shí)，由于排屑不暢，材料去除率大為降低至43 mm-3/min，僅為在工件上表面加工時(shí)的1/5。采用抬刀方式加工后，由于抬刀對(duì)極間狀態(tài)的改善作用，加工效率有了提高。而多孔質(zhì)電極采用抬刀方式加工時(shí)，其材料去除率比實(shí)體電極提高了50%以上，且由于沖液能夠極大改善極間狀態(tài)，因此可采用不抬刀方式加工。采用不抬刀加工時(shí)，由于節(jié)省了抬刀時(shí)間，其加工效率又有較大提高。在同樣無抬刀的情況下，多孔質(zhì)電極的加工效率是實(shí)體電極的4 倍。

此外，當(dāng)在深孔中采用實(shí)體電極加工時(shí)，由于排屑不暢，容易在工件表面生成碳柱，并破壞工具電極，如圖13 所示。而采用多孔質(zhì)電極加工時(shí)，未出現(xiàn)過生成碳柱的情況。以上研究表明，在深孔中加工時(shí)，由于施加了分布式的內(nèi)沖液，多孔質(zhì)電極可顯示出比實(shí)體電極更為優(yōu)異的加工特性，其在深孔中的加工能力較強(qiáng)。因此，多孔質(zhì)電極在深孔加工中的性能及其機(jī)理將是下一步研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過制備符合電火花加工要求的多孔質(zhì)材料電極并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)多孔質(zhì)電極的電火花加工性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論:

(1)在工件上表面加工較淺的型腔時(shí)，多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極在材料去除率方面相比沒有優(yōu)勢(shì);

(2)導(dǎo)致多孔質(zhì)電極材料去除率低的原因是其電極表面不平整，易發(fā)生大量側(cè)向放電，并由于型腔較淺，極間狀態(tài)較好，沖液對(duì)極間狀態(tài)的改善作用不能得到充分發(fā)揮;

(3)在深孔中加工時(shí)，由于排屑條件惡化，采用多孔質(zhì)電極后可利用分布式的內(nèi)沖液極大改善極間狀態(tài)，并可采用不抬刀方式加工，相同條件下材料去除率可達(dá)實(shí)體電極的4 倍。

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