SiCp/A l高速電弧放電加工研究

陳吉朋，顧琳，徐輝，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

SiCp/A l高速電弧放電加工研究

陳吉朋，顧琳，徐輝，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

研究了高速電弧放電加工鋁基碳化硅增強復(fù)合材料（SiCp/Al）的性能。通過對體積分?jǐn)?shù)為20%的碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料進行加工實驗得出：在峰值電流500 A、脈沖寬度10ms時，材料去除率超過8200mm3/min，電極損耗率約為2%。此外，研究了加工極性對工件表面質(zhì)量的影響，得出電極負(fù)極性、大電流可用于大余量材料去除，電極正極性、小電流可用于小余量表面修整的結(jié)論。最后，采用高速電弧放電加工實現(xiàn)了碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的鉆孔、銑削和切割等加工工藝。

高速電弧放電加工；鋁基碳化硅復(fù)合材料；加工極性

碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）具有高比強度、高比剛度、耐高溫、抗腐蝕及抗疲勞等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1-4］。然而，碳化硅顆粒增強相的高硬度使該材料的切削性能變差，加工時刀具損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致加工費用昂貴，極大地提高了其應(yīng)用成本。若采用電火花放電加工SiCp/Al，存在的主要問題是材料去除率偏低，如電火花加工體積分?jǐn)?shù)為20%的碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料，在峰值電流100 A、脈沖寬度500μs時，最大材料去除率僅為140mm3/min左右［5］。而采用碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料專用切削刀具時的經(jīng)濟材料去除率為2100 mm3/min，最高材料去除率也僅為2800mm3/min［6］。

高速電弧放電加工作為一種綠色、高效的特種加工方法，可有效利用電弧的高能量密度實現(xiàn)金屬材料的高效去除［7］。為提高SiCp/Al加工材料去除率，本文進行了高速電弧放電加工嘗試。

1 實驗裝置及參數(shù)

1.1 實驗裝置

本文所采用的實驗裝置為高速電弧放電加工專用機床。該機床具有龍門式結(jié)構(gòu)，具備X、Y、Z軸直線進給及A、C軸分度旋轉(zhuǎn)的功能，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，可進行輪廓銑削、型腔銑削等。為降低電極復(fù)雜程度，減少電極制備時間，本文所用工具電極為軸向開孔的指電極，其直徑為10 mm，開孔2個，孔徑為2mm，電極安裝于可旋轉(zhuǎn)的沖液機構(gòu)上。實驗裝置見圖1。

圖1 高速電弧放電加工Si Cp/A l的實驗裝置

1.2 實驗參數(shù)

本實驗采用電極旋轉(zhuǎn)銑削的方法加工工件，與電極靜止相比，旋轉(zhuǎn)運動可均化電極損耗并提高沖液效果。實驗加工特征為寬度10 mm、深度3 mm、長度50mm的槽。電極材料為石墨，所加工工件的碳化硅體積分?jǐn)?shù)為20%。實驗參數(shù)見表1。

表1 S i Cp/A l高速電弧放電加工實驗參數(shù)

為對比不同實驗參數(shù)下的加工效率，本文采用的評判指標(biāo)為材料去除率MRR、相對電極損耗率TWR，并考慮正、負(fù)極性對加工表面質(zhì)量的影響。其中，MRR為單位時間內(nèi)去除材料的體積，TWR為電極損耗體積和相應(yīng)的材料去除體積的百分比。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 工件材料去除率

材料去除率與峰值電流、脈沖寬度的關(guān)系見圖2。加工實驗結(jié)果表明，材料去除率隨峰值電流的增加而增大，當(dāng)脈沖寬度為10ms、峰值電流從100 A增加到500 A時，材料去除率從1874.9mm3/min增加到8276.8mm3/min，且材料去除率與峰值電流呈近似線性的關(guān)系（圖2a）?？梢?，即便是SiCp/Al這樣的難加工材料，高速電弧放電加工仍可獲得較高的材料去除率。材料去除率與脈沖寬度也呈近似線性的關(guān)系，且相比于100 A的小峰值電流，300、500 A的大峰值電流，其材料去除率受脈沖寬度的影響更明顯。其可能的原因是，當(dāng)峰值電流較小時，對應(yīng)的電弧能量密度較低，加工更易受材料中的非導(dǎo)電碳化硅顆粒的干擾，即便增大脈沖寬度使加工總能量增加，仍難以大幅提高材料去除率。

圖2 高速電弧放電加工SiCp/Al材料去除率

圖3是峰值電流為500 A和100 A時的放電波形?？梢娫诜逯惦娏鬏^小時，放電狀態(tài)總體上劣于大電流時的狀態(tài)。

圖3 峰值電流為500、100 A時的放電波形（Ton=10ms）

2.2 相對電極損耗率

圖4是在不同的峰值電流和脈沖寬度下的相對電極損耗情況。當(dāng)峰值電流為100 A、脈沖寬度為2 ms時，相對電極損耗率達(dá)到5.68%；而在峰值電流為500 A、脈沖寬度為2 ms時，相對電極損耗率為2.42%（圖4a）。可見，峰值電流大小是影響電極損耗的重要因素之一。從圖4a還可看出，當(dāng)峰值電流從100 A增大到300 A時，電極損耗率呈下降趨勢；而隨著峰值電流從300 A增大到500 A時，電極損耗率呈上升趨勢，但上升較平緩。

圖4 高速電弧放電加工SiCp/Al電極損耗率

當(dāng)峰值電流為100 A時，隨著脈沖寬度的增加，相對電極損耗率下降；而在峰值電流為300 A和500 A時，相對電極損耗率的變化幅度較小，呈穩(wěn)定趨勢。可能的原因是，當(dāng)峰值電流為100 A時，放電過程受碳化硅顆粒影響程度較大，導(dǎo)致放電狀態(tài)不佳，使單位體積的電極蝕除工件的效率變低，從而增加了電極損耗率；而隨著脈寬加大，放電狀態(tài)相對改善，進而降低了電極損耗率。當(dāng)峰值電流為300、500 A時，由于放電過程的能量相對較大，使碳化硅顆粒對放電過程影響較低，同時由于石墨電極熔點高，在一定能量密度范圍內(nèi)及較好的沖液條件下，可保持較好的穩(wěn)定性，從而使電極損耗趨向均勻、一致。

2.3 極性對加工性能的影響

雖然高速電弧放電可有效用于SiCp/Al材料的高效去除，但由于電弧等離子體的總體能量密度較大，其放電加工形成的蝕坑也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電火花放電，因而加工得到的表面質(zhì)量比電火花加工粗糙。為研究電極極性對電弧放電加工SiCp/Al的表面質(zhì)量的影響，本文選取兩組實驗作對比分析。

圖5是峰值電流為500 A和100 A時，電極負(fù)極性加工SiCp/Al材料時的表面效果?？梢?，降低峰值電流可細(xì)化放電蝕坑，提高表面質(zhì)量，但表面粗糙度值仍相對較高，且易伴隨一定程度的燒蝕。

圖5 電極負(fù)極性加工SiCp/Al材料表面

圖6是電極正極性加工SiCp/Al時的表面效果。與圖5相比可見，在電極正極性加工條件下，放電蝕坑變小，加工表面趨向光滑、平整，表面粗糙度值大幅降低。在脈沖寬度為6 ms時，電極正極性、負(fù)極性加工SiCp/Al分別對應(yīng)的材料去除率和相對電極損耗率見圖7。就能量分配而言，電弧等離子通道在正極分配得到的能量理論上高于負(fù)極。在峰值電流為500 A時，利用電極正極性加工SiCp/Al可獲得比電極負(fù)極性加工更高的表面質(zhì)量，但同時犧牲了加工效率，增加了相對電極損耗率。而在峰值電流為100 A時，正、負(fù)極性加工表現(xiàn)出相近的材料去除率和相對電極損耗率。因此，在大能量材料去除時可選擇電極負(fù)極性加工，而在小能量修整時可選擇電極正極性加工。

圖6 電極負(fù)極性加工SiCp/Al材料表面

3 樣件加工

高速電弧放電加工SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的樣件見圖8。在峰值電流為500 A時，高速電弧放電加工直徑12 mm、深度20 mm的通孔，耗時不到20 s（圖8a）。在峰值電流為200 A時，利用電極正極性加工的直槽，兩直槽中間的板筋厚度為3 mm，誤差范圍在0.5 mm以內(nèi)。圖8c和圖8d分別是高速電弧放電加工的型腔及切割的板件。

圖7 高速電弧放電正、負(fù)極性加工SiCp/Al性能比較

圖8 S iCp/Al高速電弧放電樣件加工

4 結(jié)論

（1）高速電弧放電加工可用于碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的高效加工。在峰值電流為500 A、脈沖寬度為10 ms、碳化硅體積分?jǐn)?shù)為20%時，其材料去除率超過8200mm3/min，電極損耗率約2%。

（2）電極極性對碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的加工表面質(zhì)量有較大影響。其中，電極負(fù)極性、大電流可用于大余量材料去除，而電極正極性、小電流可用于小余量表面修整。

（3）高速電弧放電可實現(xiàn)碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料鉆孔、銑削、切割等多種方式的高效加工。

［1］Tang F，Anderson IE，Gnaupel H T，et al.Pure Almatrix composites produced by vacuum hot pressing：Tensile properties and strengthening mechanisms［J］.Materials Science and Engineering：A，2004，383（2）:362-373.

［2］Hong S J，Kim H M，Huh D，et al.Effect of clustering on themechanical properties of SiC particulate-reinforced aluminum alloy 2024 metalmatrix composites［J］.Materials Science and Engineering：A，2003，347（1-2）:198-204.

［3］Clyne TW，Wither P J.An introduction to metal matrix composites［M］.New York：Cambridge University Press，1993.

［4］Song Min.Effects of volume fraction of SiC particles on mechanical properties of SiC/Al composites［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19（6）：1400-1404.

［5］Seo Y W，Kim D，Ramulu M.Electrical discharge machining of functionally graded 15-35 Vol%SiCp/Al composites［J］.Materials and Manufacturing Processes，2006，21（5）：479-487.

［6］呂道駿.鋁基碳化硅復(fù)合材料加工技術(shù)發(fā)展研究［J］.電子機械工程，2011，27（5）：29-32.

［7］趙萬生，顧琳，徐輝，等.基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工［J］.電加工與模具，2012（5）：50-54.

Research on the Machining Performance of SiCp/Al Utilizing the Blasting Erosion Arc Machining Method

Chen Jipeng，Gu Lin，Xu Hui，ZhaoWansheng
（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）

Themachining performance of SiC particle reinforced aluminum composite（SiCp/Al）was investigated by using the blasting erosion arc machining（BEAM）method.A set of experiments were conducted on SiCp/Almaterials with vol.20%SiC to find out thatwhen the peak current is 500 A and the pulse duration is 10ms，thematerial removal rate could be greater than 8200mm3/min with the tool wear rate of about 2%.Besides，the influence of polarity on the machining performance was also studied.It was disclosed that a large peak current with negative electrode is suitable for bulk mass material removal，while a small peak current with positive electrode is suitable for semi-finish machining.Finally，different features weremachined with BEAMmethods such as drilling，milling and cutting which demonstrated the flexibility of BEAMfor themachining of SiCp/Al.

BEAM；SiCp/Al；polarity

TG661

A

1009－279X（2015）02－0017-04

2014-12-11

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（51235007）

陳吉朋，男，1984年生，助理工程師，博士研究生。