碳化硅對高速電弧放電加工SiC／Al的性能影響

陳吉朋，劉 曉，顧 琳

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

碳化硅對高速電弧放電加工SiC／Al的性能影響

陳吉朋1，劉 曉2，顧 琳1

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

為研究SiC顆粒對高速電弧放電加工的影響機(jī)理，基于高速電弧放電加工（BEAM），對體積分?jǐn)?shù)20%，50%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiC／Al）進(jìn)行了加工對比研究?；贛initab軟件設(shè)計(jì)了4因子（體積分?jǐn)?shù)、峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔）2水平（低水平和高水平）的部分析因試驗(yàn)，用高速電弧放電加工專用機(jī)床研究了不同加工條件下SiC／Al的材料去除率、工具損耗率和表面質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同加工參數(shù)下，體積分?jǐn)?shù)20%，50%的SiC／Al表現(xiàn)出差距懸殊的加工特性，20%的SiC／Al加工效率遠(yuǎn)高于50%的SiC／Al，且前者的電極損耗率遠(yuǎn)低于后者，表明SiC體積分?jǐn)?shù)是高速電弧放電加工SiC／Al性能的主導(dǎo)影響因子之一。通過測試及分析，認(rèn)為SiC區(qū)別于基體材料的熱傳導(dǎo)特性是導(dǎo)致不同體積分?jǐn)?shù)下的SiC／Al表現(xiàn)出不同加工特性的主要原因。

高速電弧放電；SiC／Al；體積分?jǐn)?shù)；加工性能；材料去除率；工具損耗率；表面質(zhì)量；熱傳導(dǎo)

0 引言

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiC／Al）比強(qiáng)度高、耐磨性好，抗疲勞能力強(qiáng)，在航空航天、能源、生物醫(yī)療等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景［1］。但作為典型的難加工材料之一，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工也面臨加工效率低、加工成本高等挑戰(zhàn)。材料制備過程中，在基體材料中加入不同比例的碳化硅（SiC）顆粒可形成不同體積分?jǐn)?shù)的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，而不同體積分?jǐn)?shù)的SiC／Al又表現(xiàn)出不同的加工特性：文獻(xiàn)［2］在車削加工體積分?jǐn)?shù)25%的碳化硅鋁基復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)加工效率可達(dá)5 000mm3／min（切削速度50m／min，進(jìn)給速率0.1mm／r，切削深度1mm）；文獻(xiàn)［3］在車削加工體積分?jǐn)?shù)約40%的碳化硅鋁基復(fù)合材料時(shí)，材料去除率僅1 200mm3／min（切削速度40m／min，進(jìn)給速率0.15mm／r，切削深度0.2mm）。

高速電弧放電加工（BEAM）是一種基于流體動(dòng)力斷弧，利用電弧放電實(shí)現(xiàn)金屬材料高效去除的方法［4］。與常規(guī)電火花加工相比，電弧放電的能量密度更高，其電熱轉(zhuǎn)換效率也更高［5］。電弧等離子體具有非常高的溫度，中心溫度可達(dá)10 000K［6］。在電弧放電加工中，如高溫的等離子弧柱持續(xù)駐留工件表面某處，會導(dǎo)致工件表面燒蝕，甚至導(dǎo)致工件報(bào)廢。高速電弧放電加工技術(shù)是引入流體動(dòng)力斷弧機(jī)制，通過高速流場控制電弧并及時(shí)消除穩(wěn)定電弧對工件的損傷，從而實(shí)現(xiàn)高效加工［7］。利用高速電弧放電技術(shù)，已成功實(shí)現(xiàn)了高溫合金、鈦合金等材料及其樣件加工［8－9］。雖然碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中有一定比例的半導(dǎo)體SiC顆粒，高速電弧放電仍可對20%，50%不同體積分?jǐn)?shù)的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)放電加工，但SiC顆粒對高速電弧放電加工的影響尚不清楚［10－12］。為此，本文針對20%，50%兩種不同體積分?jǐn)?shù)的SiC／Al，研究了其在高速電弧放電加工時(shí)的工藝特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文試驗(yàn)裝置為高速電弧放電加工專用機(jī)床，如圖1所示。所用的工具電極為軸向開孔的圓柱形石墨電極，電極直徑20mm，電極裝于可旋轉(zhuǎn)的沖液裝置上，沖液裝置上設(shè)有沖液水管。沖液裝置為加工實(shí)驗(yàn)提供高壓放電介質(zhì)的同時(shí)，可帶動(dòng)工具電極旋轉(zhuǎn)，并能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電。沖液裝置整體連接于機(jī)床的主軸上，可隨機(jī)床的主軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)進(jìn)給。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用工件的材料SiC／Al體積分?jǐn)?shù)為20%，50%，試件為100mm×100mm×30mm的方形工件。加工試驗(yàn)中，電極旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)銑削加工。所用電源開路電壓90V，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000r／min，沖液壓力1MPa。加工試驗(yàn)中，工件連接電源正極（即工件正極性加工）。

本文基于Minitab軟件設(shè)計(jì)了4因子2水平的部分析因試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 析因試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of factorial experiment

實(shí)驗(yàn)考查的加工性能主要為材料去除率（MRR）、相對電極損耗率（TWR）和加工表面質(zhì)量。其中：MRR為單位時(shí)間內(nèi)所蝕除工件材料的體積；TWR為電極損耗體積占工件材料去除體積的百分比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 材料去除率

MRR材料去除率的主要影響因子如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中的電參數(shù)（電流、脈沖寬度和脈沖間隔）對材料去除率均有較大影響，其總體趨勢是隨放電能量的增大而增大。放電能量取決于放電電壓、電流和放電時(shí)間，在高速電弧放電加工中，放電電壓一般穩(wěn)定在約30V，增大電流和脈沖寬度可提高放電能量，但增加脈沖間隔則降低占空比。除放電能量外，SiC的體積分?jǐn)?shù)也是影響材料去除率的主要因子之一，材料去除率隨體積分?jǐn)?shù)增加而降低，此趨勢與傳統(tǒng)切削加工SiC／Al類似，即隨著SiC體積分?jǐn)?shù)增加，切削SiC／Al效率明顯下降。在傳統(tǒng)切削加工中，SiC顆粒的高硬度、高耐磨性是導(dǎo)致加工效率低的主要因素，而高速電弧放電是基于放電產(chǎn)生的高溫、高能等離子去除材料，其加工機(jī)理明顯區(qū)別于傳統(tǒng)切削加工。

兩組典型加工參數(shù)下SiC／Al體積分?jǐn)?shù)20%，50%的MRR如圖3所示。在電流300A，脈沖寬度2ms，脈沖間隔8ms的放電條件下，體積分?jǐn)?shù)20%的加工效率高于50%的效率近1倍；在電流500A，脈沖寬度8ms，脈沖間隔2ms的放電條件下，體積分?jǐn)?shù)20%的加工效率高出50%的近40%。上述兩種不同參數(shù)對應(yīng)不同的放電能量，說明了兩種SiC／Al材料的加工效率受不同強(qiáng)度放電能量影響的程度。

在高速電弧放電加工中，熱傳導(dǎo)作為材料去除的主要過程之一。作為半導(dǎo)體的SiC顆粒的熱傳導(dǎo)特性與基體材料（Al）截然不同，如SiC的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱傳導(dǎo)率隨溫度上升而降低，而其比熱容隨溫度上升而增加［13］。對高體積分?jǐn)?shù)的SiC／Al（如50%），基體材料中含約一半的SiC顆粒，其體積分?jǐn)?shù)較20%的高出2倍以上，在高速電弧放電加工過程中，兩種SiC／Al復(fù)合材料中的SiC顆粒對放電過程產(chǎn)生不同程度的影響。首先，高體積分?jǐn)?shù)的SiC顆粒在加工過程中吸收更多的放電熱量；其次，隨著溫度的升高，高體積分?jǐn)?shù)的材料需吸收更多熱量，故體積分?jǐn)?shù)50%的SiC／Al材料去除率明顯低于20%的。共聚焦顯微鏡測得的兩種材料放電蝕坑（電流100A時(shí)）如圖4所示。從形貌上看，20%的SiC／Al放電形成的蝕坑較50%的光整，且前者的蝕坑體積接近后者的2倍，證明了SiC顆粒在熱傳導(dǎo)過程中影響材料去除率、放電蝕坑表面形貌及體積。

2.2 電極損耗率

TWR電極損耗率的主要影響因子如圖5所示。SiC的體積分?jǐn)?shù)是電極損耗率的主要影響因子，其影響程度大于放電參數(shù)。即對高體積分?jǐn)?shù)（50%）的SiC／Al加工時(shí)，電極損耗率遠(yuǎn)高于對低體積分?jǐn)?shù)（20%）的SiC／Al加工。

兩種體積分?jǐn)?shù)（20%，50%）的SiC／Al在兩組典型加工參數(shù)下的TWR如圖6所示。影響電極損耗率的主要因素有能量分配率及加工效率等。由于體積分?jǐn)?shù)20%，50%的SiC／Al可被視為不同材料，電弧等離子體在陰極和陽極的能量分配系數(shù)可能不同，導(dǎo)致電極損耗率相差較大；另一個(gè)更直觀的影響因素是加工效率，體積分?jǐn)?shù)50%的SiC／Al加工效率低，單位能量材料去除效能變低，間接導(dǎo)致電極損耗率增大。

2.3 表面質(zhì)量

兩種體積分?jǐn)?shù)（20%，50%）的SiC／Al在不同加工參數(shù)下的加工表面如圖7所示。由圖7可知：20%的SiC／Al加工表面明顯有金屬光澤，50%的加工后表面呈黑色。能譜儀（EDS）測試發(fā)現(xiàn)：50%的SiC／Al加工后表面所含主要元素成分為C，Si，O，Al，且Si的比例遠(yuǎn)高于20%的加工后表面，說明50%的SiC／Al加工后的表面含更高成分硅的氧化物和碳化物。

此外，金相觀察發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電流500A時(shí)，體積分?jǐn)?shù)20%的SiC／Al加工后形成的熱影響區(qū)域厚度低于90μm，而50%的熱影響區(qū)域厚度可超過300μm。其原因正如上文分析，即SiC的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱傳導(dǎo)率隨著溫度增加而降低，高體積分?jǐn)?shù)的SiC／Al在高速電弧放電加工時(shí)，由于基體內(nèi)的SiC熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)性能隨著溫度的升高而降低，導(dǎo)致熱量集中，難以及時(shí)散發(fā)出，因而致使其熱影響區(qū)域變厚。

3 結(jié)束語

本文研究了20%，50%兩種不同體積分?jǐn)?shù)的SiC／Al在高速電弧放電加工時(shí)的工藝特性。得出的主要結(jié)論如下：高速電弧放電加工體積分?jǐn)?shù)20%的材料去除率高于加工50%，且前者材料的電極損耗率遠(yuǎn)低于加工后者；SiC體積分?jǐn)?shù)是影響高速電弧放電加工SiC／Al效率的主要影響因子之一；SiC熱傳導(dǎo)特性是導(dǎo)致不同體積分?jǐn)?shù)的SiC／Al表現(xiàn)出不同加工特性的主要原因。本文基于析因?qū)嶒?yàn)，對比了不同體積分?jǐn)?shù)SiC／Al的高速電弧放電加工性能，證明了高速電弧放電加工SiC／Al時(shí)，SiC體積分?jǐn)?shù)對材料的去除率及電極損耗率等存在極大影響。通過放電蝕坑及加工工件表面質(zhì)量的對比和分析，初步探討了高速電弧放電加工SiC／Al的機(jī)理。后續(xù)將收集不同體積分?jǐn)?shù)的蝕除顆粒進(jìn)行分析及論證，并通過熱傳導(dǎo)計(jì)算、能量分配實(shí)驗(yàn)、加工過程中的化學(xué)反應(yīng)分析等，進(jìn)一步闡述SiC對高速電弧放電加工SiC／Al性能影響。

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Influence of SiC on Performance of Blasting Erosion Arc Machining of SiC／Al Composites

CHEN Ji－peng1，LIU Xiao2，GU Lin1
（1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China）

Based on the blasting erosion arc machining（BEAM），behaviors of machining 20%and 50%（vol.）SiC／Al composites by BEAM were studied to investigate the mechanism of SiC’s influence on blasting erosion arc machining.The partial factorial experiment of 4four factors（volume fraction，peak current，pulse width and pulse interval）and two levels（low and high）were designed based on Minitab software.The machining performances of SiC／Al with different volume fraction，which were material removal rate，tool wear ration，surface integrity and heat transfer，were studied through special experimental setup of BEAM.The results indicate that the performances of machining the two materials are quite different even under the same parameters.The MRR（material removal rate）of machining 20%SiC／Al composites is much higher than that of machining 50%SiC／Al composites，and also the TWR（tool wear ration）of machining 20%SiC／Al composites is much lower.It is indicated that the SiC fraction of the SiC／Al composites is one of the main impact factors.By testing and analyzing，it is proposed that the heat transfer characteristics of the SiC particles are the main reasons which make the different fraction SiC／Al composites present different performances when machining with BEAM.

blasting erosion arc machining；SiC／Al；volume fraction；machining performance；material removal rate；tool wear ration；surface integrity；heat transfer

TG661

A

10.19328／j.cnki.1006－1630.2017.01.018

1006－1630（2017）01－0110－06

2016－06－02；

2016－08－17

國家自然科學(xué)基金資助（51235007，51575351）；自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目資助（51421092）；機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)基金資助（MSV201305）；上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃資助（15YF1405300）

陳吉朋（1984—），男，博士生，主要從事電弧放電加工工藝及裝備研究。