鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工研究

胡志敏

（東莞市技師學(xué)院，廣東 東莞 523470）

1 電弧銑削加工以提高材料去除率

1.1 電弧銑削系統(tǒng)

電弧銑削系統(tǒng)能夠提供的大功率電源峰值電流可達(dá)到500A，脈沖寬度與脈沖能夠在0.1ms～10ms之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)部均勻分布12處直徑為2mm的通孔，電極外徑為20mm，組成電弧銑削系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一高壓沖液系統(tǒng)的入口壓強(qiáng)最高可達(dá)2MPa，超高的壓強(qiáng)可讓工作液自行從電極端面沖出，從而形成作為斷弧使用的高壓流體。電弧銑削系統(tǒng)在對鋁基碳化硅復(fù)合材料進(jìn)行粗加工的過程中，電弧等離子體可以快速的蝕除鋁基碳化硅復(fù)合材料，材料的去除率最高可以達(dá)到6300mm3/min,再鑄層厚度可以控制在100μm以內(nèi)，加工的效果極好。在這個(gè)過程中，電弧等離子體會帶來超高的溫度，在進(jìn)行高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料加工的時(shí)候，電弧銑削系統(tǒng)選用石墨作為電極材料能夠取得更好的效果。

1.2 放電參數(shù)的優(yōu)化

（1）極性的選擇。電弧銑削加工工作需要使用電力，它的加工性能受到放電參數(shù)：電極極性、脈沖寬度、峰值電流等的影響，放電參數(shù)中的電極極性是其它參數(shù)的先決條件，這顯得極為的重要。通過進(jìn)行實(shí)際的電弧銑削加工工作，得到在不同電極極性的加工性能。通常，在控制其它因素不變，改變電極的正、負(fù)極性，正極一端的材料去除率相較于負(fù)極一端略低，正極一端的損耗率比負(fù)極一端略高，可知在對材料加工過程中，材料去除率與損耗率要得到最好的效果，需要選擇的電極極性是負(fù)極。同時(shí)，選擇的電極極性為正極之時(shí)得到的加工材料的表面質(zhì)量相對較好，可知在對材料加工過程中想要得到較好的表面質(zhì)量需要選擇正極。電弧銑削加工工作屬于材料的粗加工階段，材料加工除了需要考慮材料去除率與損耗率之外，還需要考慮表面質(zhì)量因素，相對較好的表面質(zhì)量能為后續(xù)的精加工工作提供便利。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，與電極負(fù)極性相比，雖然電極正極性下的材料去除率相對較低、損耗率相對較高，但是總體的差距不是很大，然而電極正極性下的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于電極負(fù)極性，通過經(jīng)過多方面的考慮，鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工選擇使用電極正極性。

（2）材料去除率與電極相對損耗率。鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工通常使用占空比的這一名詞來作為衡量脈沖寬度與脈沖周期比值的指標(biāo)，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)論證[1]，可知材料去除率、電極相對損耗率與占空比之間的關(guān)系，在峰值電流同等的條件下，隨著占空比這一比值的升高，材料去除率也逐漸呈現(xiàn)上升的趨勢，而電極相對損耗率卻呈現(xiàn)下降的趨勢，而在相同的占空比的條件下，脈沖寬度值越高，材料去除率也就越高，而且峰值電流上升材料去除率也會隨著上升，由此可知，脈沖寬度與峰值電流能夠影響鋁基碳化硅復(fù)合材料的材料去除率，而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)得知，電弧銑削加工與傳統(tǒng)的加工方法相比，性能上有著巨大的優(yōu)勢。

2 數(shù)控銑磨加工避免表面缺陷

2.1 銑磨工具設(shè)計(jì)

鋁基碳化硅復(fù)合材料的顆粒硬度非常高，一般硬度的磨料不能勝任加工工作，考慮這一因素，加工過程中需要選用金剛石作為銑磨工具的磨料，這可以讓鋁基碳化硅復(fù)合材料的表面質(zhì)量得到保證。根據(jù)一般對鋁基碳化硅復(fù)合材料產(chǎn)品需求，選用的金剛石磨料的顆粒度范圍在80～240目之間；如果在銑磨過程中，鋁基碳化硅復(fù)合材料的粉末狀磨屑將銑磨工具表面堵塞住，這會導(dǎo)致銑磨工具遭到損壞，長時(shí)間如此，銑磨工具就需要更換，使用壽命不夠長久，嚴(yán)重造成資源的浪費(fèi)，針對這樣的情況，在設(shè)計(jì)銑磨工具之時(shí)，采用避免磨屑堵塞的方案，設(shè)計(jì)出使用壽命悠久的銑磨工具。以某設(shè)計(jì)為例，經(jīng)過多次的進(jìn)行試驗(yàn)，考慮加工的成本以及加工質(zhì)量，最終采用以電鍍結(jié)合80目金剛石磨料作為半精加工銑磨工具，并在其中設(shè)置3條均布的螺旋狀排屑槽，螺旋排屑槽可以更好的輔助排屑，而且還能冷卻液的冷卻。

因?yàn)樘沾山Y(jié)合劑的生產(chǎn)成本較高，所以不能在整個(gè)步驟中使用，它與240目金剛石磨料相結(jié)合，作為精加工銑磨工具。

2.2 銑磨參數(shù)優(yōu)化

數(shù)控銑磨加工能夠精細(xì)的控制加工參數(shù)，銑磨加工工具的銑磨寬度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的能夠得到穩(wěn)定的控制，但是加工參數(shù)需要控制在什么程度，這需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而得出最優(yōu)的數(shù)控銑磨加工方案。鋁基碳化硅復(fù)合材料的表面缺陷通產(chǎn)是因?yàn)榍邢髁^大，切削力不能夠精細(xì)的保持不變，但是數(shù)控銑磨加工能夠完美解決這些問題。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立銑磨參數(shù)與銑磨力的關(guān)系的曲線圖，找到它們之間的關(guān)系，優(yōu)化鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工。通常，法向銑磨力與徑向銑磨力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升均呈現(xiàn)下降趨勢，但是在主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的速度之后，從曲線又發(fā)現(xiàn)銑磨力又卻開始出現(xiàn)上升的趨勢，通過多次對數(shù)據(jù)的分析和對實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，造成這樣的現(xiàn)象是因?yàn)檫^高的主軸轉(zhuǎn)速將導(dǎo)致顫振加劇，造成銑磨力上升。而法向銑磨力與徑向銑磨力隨著進(jìn)給速度的增加而增加，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)參與切削的有效磨粒數(shù)上升，導(dǎo)致了銑磨力的提升；而法向銑磨力與徑向銑磨力會隨著銑磨寬度增加而上升，而且上升程度十分的明顯，可知銑磨寬度對于銑磨力的影響十分巨大，在傳統(tǒng)的加工方法也呈現(xiàn)這樣的狀況。通過對鋁基碳化硅復(fù)合材料加工的實(shí)際研究可知，銑磨力控制在10N以下，能夠保證鋁基碳化硅復(fù)合材料表面的質(zhì)量，所以我們可以通過曲線圖中銑磨力與銑磨寬度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的關(guān)系，從而得到相應(yīng)的加工參數(shù)，通過數(shù)控銑磨加工能夠精密控制加工參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，得到質(zhì)量優(yōu)良的鋁基碳化硅復(fù)合材料。

3 產(chǎn)品加工實(shí)驗(yàn)

為了對鋁基碳化硅復(fù)合材料加工使用鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工方式進(jìn)行研究，是通過進(jìn)行實(shí)際加工試驗(yàn)的方式進(jìn)行的。使用的加工材料為50%的高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料、80目金剛石磨料、240目金剛石磨料、石墨電極2件、粗加工耗時(shí)4h、半精加工耗時(shí)3.5h、精加工耗時(shí)1h，最終得到材料去除率超過80%、尺寸精度與表面質(zhì)量符合要求、無崩邊缺陷的產(chǎn)品。通過試驗(yàn)證明，新型的加工方法比傳統(tǒng)的方法更加精密高效，完美解決傳統(tǒng)加工存在的問題缺陷，提高了高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工效率與加工效益。這次試驗(yàn)為數(shù)鋁基碳化硅的加工提供可靠實(shí)用的參考數(shù)據(jù)，為數(shù)鋁基碳化硅的加工發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

通過鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工方法，實(shí)現(xiàn)了對鋁基碳化硅的高效精密加工，提高了材料去除率，避免了表面缺陷問題，這種組合加工的方式比傳統(tǒng)的電火花加工更加的優(yōu)秀，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工方法的可行性。