側銑式高速電弧放電加工工藝研究

洪漢，趙萬生，顧琳

（上海交通大學機械與動力工程學院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240）

側銑式高速電弧放電加工工藝研究

洪漢，趙萬生，顧琳

（上海交通大學機械與動力工程學院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240）

側銑式高速電弧放電加工利用電極側面放電蝕除工件材料，能加工復雜的型腔、溝槽及直紋面等。為了探索這種新型電弧放電加工的工藝特性，探討了峰值電流、脈寬和沖液壓力等條件對工件材料去除率和相對電極損耗率的影響。實驗結果表明：提高沖液壓力和峰值電流均能增大工件材料去除率；相對電極損耗率隨沖液壓力的提高而增大，隨峰值電流的提高而減小。在一定范圍內，工件材料去除率隨脈寬的提高而增大，相對電極損耗率隨脈寬的提高而減小。

側銑式高速電弧放電加工；沖液壓力；峰值電流；脈寬

針對傳統(tǒng)電火花加工效率較低的問題，國內外學者提出利用電弧放電去除材料以獲得較高的加工效率，并取得了實質性突破[1-5]。趙萬生等在集束電極電火花加工實驗中，發(fā)現(xiàn)加工間隙中的沖液流速會影響工件材料去除率和相對電極損耗率[6-7]。在此基礎上提出的高速電弧放電加工技術采用具有多孔結構的工具電極，利用極間沖液來控制電弧放電[8-11]，從而實現(xiàn)了高速沉入式放電加工。早期實驗結果表明，采用500 A加工電流時，集束電極高速電弧放電加工的材料去除率可達14 000 mm3/min。

側銑式高速電弧放電加工是在高速電弧放電加工原理的基礎上，采用側銑電極作為工具電極，使其沿一定軌跡進行掃掠式放電加工。側銑電極為圓筒形，沿軸線開有內腔，且電極的側面設置有與該內腔相通的多個側沖液孔，電極底面也開有沖液孔（圖1）。側銑式高速電弧放電加工主要利用側銑電極的側面來放電蝕除工件材料，因而可實現(xiàn)曲面、直紋面的連續(xù)加工。

圖1 側銑電極示意圖

為了實現(xiàn)穩(wěn)定的側銑式高速電弧放電加工，并進一步了解其加工工藝特性，本文進行了側銑式高速電弧放電加工工藝實驗，探討了峰值電流、脈寬和沖液壓力等對材料去除率（MRR）及相對電極損耗率（TWR）的影響。

1 側銑式高速電弧放電加工實驗

1.1 實驗裝置

實驗在專門設計改造的高速電弧放電加工機床上進行，使用的側銑電極直徑為20 mm，沖液孔直徑為2 mm。為確保電極具有足夠的剛度，其側面布孔圈數(shù)為4圈，每圈上的沖液孔數(shù)為12個（圖1）。圖2是側銑電極夾具，用于裝夾、固定側銑電極，并通過機床主軸帶動電極旋轉，工作液通過沖液管進入夾具內部，實現(xiàn)強化的內沖液。

圖2 側銑式高速電弧放電加工電極夾具

1.2 實驗條件

實驗過程中，電極材料為石墨，工件采用Cr12硬質模具鋼，且與正極連接。為實現(xiàn)高能量的電弧放電，本實驗使用專用的脈沖電源。該脈沖電源可實現(xiàn)單次放電或連續(xù)放電，各項電參數(shù)均可在極大的范圍內進行調整。最大峰值電流為600 A，脈寬可調范圍為0.5～10 ms，脈間可調范圍為0～10 ms。實驗采用的具體參數(shù)見表1。

表1 側銑式高速電弧放電加工實驗條件

為了對比分析實驗結果，側銑式高速電弧放電加工選用加工性能中的材料去除率（MRR）為主要衡量指標，同時結合相對電極損耗率（TWR）進行分析。材料去除率是指每分鐘去除材料的體積；相對電極損耗率是指電極損耗體積和工件材料去除體積的百分比。

2 實驗結果與分析

2.1 脈寬對側銑式高速電弧放電加工的影響

根據(jù)前期實驗研究，選擇峰值電流為400 A，沖液壓力為1.6 MPa，在脈寬分別為3、4、5、6、7 ms時得到的工件材料去除率和相對電極損耗率見圖3。可看出，工件材料去除率先隨著脈寬的增加而增大，在脈寬為5 ms附近達到峰值，再提高脈寬，材料去除率反而降低；而相對電極損耗率隨著脈寬的增加而減小。

圖3 脈寬對MRR、TWR的影響

加工過程中采集到的放電波形見圖4。為有效顯示間隙電壓和放電電流信號，對信號進行了比例變換。圖中第一通道的1 V的測量電壓對應實際電壓為33 V，即實際的開路電壓為100 V；第二通道的200 mV的測量電壓對應實際電流為400 A。由圖4可見，脈寬增大，單個脈沖放電能量會隨之提高，故工件材料去除率上升。但脈寬時間過長，相當于減小脈間長度，減小了有效放電率，反而不利于放電加工，從而導致材料去除率降低。所以，在一定范圍內提高脈寬，可提高工件材料去除率，減小相對電極損耗率。

圖4 不同脈寬下的電壓、電流波形

2.2 峰值電流對側銑式高速電弧放電加工的影響

由于脈寬在5 ms時，可獲得較高的材料去除率，所以選擇脈寬為5 ms，沖液壓力為1.6 MPa，進行不同峰值電流下的加工實驗。選取的峰值電流分別為200、300、400、500、600 A，得到的材料去除率和相對電極損耗率見圖5。

圖5 峰值電流對MRR及TWR的影響

由圖5可知，工件材料去除率隨峰值電流的增加而提高；同時，相對電極損耗率減小。這是因為石墨電極的熔點較高，電極損耗較??；當放電能量增加時，等離子體弧柱的能量及壓力隨之增大，對熔池中液態(tài)金屬的排出效果更顯著，從而單個電弧放電可去除更多體積的工件材料，而相對電極損耗率隨之降低；但提高峰值電流會加大放電時單個電蝕坑的尺寸，從而使加工表面更粗糙。因此，峰值電流不能無限加大。

通過示波器采集的放電波形見圖6。可看出，電流大小對有效放電率影響不大，但會提高放電能量。因此，加大峰值電流可提高工件材料去除率，減小相對電極損耗率。

圖6 不同峰值電流下的放電波形圖

2.3 沖液壓力對側銑式高速電弧放電加工的影響

實驗過程中，沖液壓力大小是通過節(jié)流閥進行調節(jié)的。選取峰值電流為400 A，脈寬為5 ms，按表1設定的5種不同的入口沖液壓力進行側銑式高速電弧放電加工實驗，測得的材料去除率和相對電極損耗率見圖7。

圖7 沖液壓力對MRR、TWR的影響

由圖7可知，當沖液壓力為0.4 MPa時，極間工作液流速緩慢，加工穩(wěn)定性較差，材料去除率僅為1291 mm3/min。將沖液壓力提高至1.6 MPa時，加工較穩(wěn)定，材料去除率提高至4095 mm3/min。通過示波器采集到的放電波形見圖8。

圖8 不同沖液壓力下的放電波形圖

由圖8可知，當沖液壓力增加時，有效放電率進一步提高。分析可知，增加沖液壓力能強化極間沖液的流動性，提高流體對電弧的控制能力；同時，還有利于極間排屑，從而增加了加工穩(wěn)定性，提高了放電率，進而提高了材料去除率。但較高的沖液壓力會提高相對電極損耗率。因此，側銑式高速電弧放電加工時，要獲得較高的材料去除率，同時保持較小的相對電極損耗率，必須控制沖液壓力在合適的水平。

為了進一步驗證上述加工條件在加工直紋面類零件的可行性，本文最后設計了樣件特征加工實驗。加工出的葉片流道見圖9，整個加工過程顯示了側銑式高速電弧放電加工在加工復雜曲面時的柔性及高速高效性。

圖9 側銑式高速電弧放電加工的葉片流道

3 結論

本文研究了側銑式高速電弧放電加工的可行性，采用側銑電極的側面進行電弧放電，以實現(xiàn)對復雜曲面的高效加工。結合實驗可得出以下結論：

（1）當峰值電流為400 A時，側銑式高速電弧放電加工直紋面的材料去除率可達4095 mm3/min，體現(xiàn)了高速、高效去除工件材料的特點。

（2）提高沖液壓力和峰值電流均能使工件材料去除率增大；相對電極損耗率隨著沖液壓力的增加而增大，隨著峰值電流和脈寬的增加而減小。

（3）在一定范圍內提高脈寬，可增大工件材料去除率，減小相對電極損耗率。

（4）側銑式高速電弧放電加工適用于難切削材料的直紋面、連續(xù)曲面等的粗加工階段。

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Study on Machining Characters of Flank Milling Blasting Erosion Arc Machining

Hong Han，Zhao Wansheng，Gu Lin
（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Flank milling blasting erosion arc machining mainly uses the flank of electrode to remove the material.It can be applied in machining of concaves with complex surfaces，and slots as well.Machining experiments were conducted to explore the machining performance of flank milling blasting erosion arc machining under different inlet pressures，peak currents and pulse durations.The experimental results show that higher inlet pressure and peak current could improve the material removal rate correspondingly.Tool wear ratio would be amplified with the increasing of the inlet pressure，and reduced with the increasing of peak current.Increasing the pulse duration can reduce tool wear ratio，but the material removal rate increases within a certain range.

flank milling blasting erosion arc machining；inlet pressure；peak current；pulse duration

TG661

A

1009－279X（2014）04－0004-04

2014-05-30

國家自然科學基金資助項目（51235007）

洪漢，男，1989年生，碩士研究生。