電參數(shù)對短電弧銑削加工性能影響的研究*

何巍楊，周建平，許 燕，孫延龍

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 引言

短電弧銑削加工是一種利用電能和熱能加工的特種電加工方法，在加工過程中工具電極和工件電極并非直接接觸而是在一定的距離內(nèi)通過產(chǎn)生受激發(fā)短電弧放電群組來熔化并蝕除工件材料的一種電加工方法[1-2]。由于不受工件材料特性的限制，所以對高強(qiáng)度、高硬度、高脆性、高韌性等難加工性材料的加工具有很大的優(yōu)勢[3]。

隨著科技的日益發(fā)展，各種加工方法的進(jìn)步和新型材料的應(yīng)用，當(dāng)今制造業(yè)對短電弧銑削加工也提出了越來越高的要求[4-5]。為了進(jìn)一步探索短電弧銑削加工機(jī)理以及電參數(shù)對加工性能影響的規(guī)律，劉宏勝[6]等，在不同的電源放電參數(shù)下進(jìn)行短電弧切削實驗，初步得出在不同加工電源參數(shù)下所獲得的工件表面質(zhì)量規(guī)律。李雪芝[7]等采用改進(jìn)的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對短電弧銑削加工后的工件表面質(zhì)量進(jìn)行了初步預(yù)測。但目前在不同電參數(shù)加工條件下，針對短電弧銑削加工的性能研究較少，進(jìn)行相關(guān)的實驗研究顯得十分必要。

因此，為了研究電參數(shù)對加工性能的影響，本文以GH4169鎳基高溫合金為研究對象，選取脈沖電壓、脈沖頻率及占空比為自變量因素，分別研究它們對加工性能的影響規(guī)律，為短電弧銑削后期加工機(jī)理的分析、表面質(zhì)量預(yù)測結(jié)果的驗證以及電參數(shù)優(yōu)化提供相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[8]。

1 實驗條件及方案設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備與條件

本次實驗所使用的短電弧數(shù)控銑削機(jī)床為新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院自行開發(fā)設(shè)計，該機(jī)床可以實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工，如圖1所示。

圖1 短電弧銑削加工機(jī)床

加工時，將一定比例帶壓力的水、氣混合物作為工作介質(zhì)。為了獲取較高的加工效率以及較低的工具電極損耗，本次實驗采用工作介質(zhì)內(nèi)沖的方式。以空心圓柱狀高純石墨作為工具電極材料，GH4169鎳基高溫合金作為工件材料。加工過程中可以利用水壓表和調(diào)壓閥對水、氣壓力大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，并進(jìn)行實時監(jiān)測。機(jī)床電源使用新疆大學(xué)自主研制的CHANT數(shù)字調(diào)頻脈沖電源。

1.2 實驗方案設(shè)計

本文將對各個電參數(shù)進(jìn)行單因素試驗，這樣可以更直觀的了解各電參數(shù)對加工性能的影響規(guī)律。通過對在加工中放電參數(shù)的研究和分析，掌握其影響加工性能的規(guī)律，在后期為改變放電參數(shù)而改善工件表面加工質(zhì)量等加工性能而奠定基礎(chǔ)。短電弧銑削加工中，通常通過考察加工效率的高低、電極損耗率的大小和表面質(zhì)量的好壞來評價加工效果。本文所述的短電弧銑削加工屬于粗加工范疇，追求的是高效、低損耗，因此本文將選用加工效率和電極損耗率作為加工效果的評價指標(biāo)[9]。一般情況下采用體積加工速度ρ來表征電火花加工的效率，其計算公式如下：

ρ=(φ+2Δ)×H×v

(1)

式中，φ為工具電極的外徑(mm)；Δ為放電間隙(mm)；H表示銑削深度(mm)；v表示工具電極沿銑削方向的進(jìn)給速度(mm/min)。

另一方面，短電弧銑削加工的機(jī)理決定了加工過程中必然會存在電極損耗，這會直接影響到加工的精度[10]。因此，降低電極損耗也是該領(lǐng)域研究的重點。電極損耗通常采用電極體積相對損耗率來表示，其計算公式如下：

θ=vE/vw×100%

(2)

vE=(l1-l2)×S

(3)

vw=(φ+2Δ)×H×L

(4)

故

(5)

上述公式中，vE為工具電極損耗體積(mm3)；vw為工件材料蝕除體積(mm3)；l1表示加工前工具電極長度(mm)；l2表示加工后工具電極長度(mm)；S為工具電極橫截面積(mm2)；φ為管電極的外徑(mm)；Δ為放電間隙(mm)；H表示銑削深度(mm)；L表示銑削長度(mm)。

2 實驗結(jié)果與分析

此次實驗包括3組單因素實驗，分別研究了短電弧銑削加工過程中，脈沖電壓、脈沖頻率、占空比3個電參數(shù)對加工效率、工件表面粗糙度和相對電極損耗的影響規(guī)律。實驗中，工具電極材料均采用高純石墨電極，工件材料為GH4169鎳基高溫合金，加工極性為正極性加工(工件為陽極，工具電極為陰極)，如圖2所示。

圖2 短電弧銑削加工

相關(guān)實驗參數(shù)見表1。

表1 單因素實驗研究加工電參數(shù)及其水平

2.1 電參數(shù)對加工效率的影響

脈沖電壓、脈沖頻率及占空比分別對短電弧銑削加工的加工效率影響關(guān)系曲線如圖3所示。

(a)脈沖電壓對加工效率的影響

(b) 脈沖頻率對加工效率的影響

(c)占空比對加工效率的影響

圖3a為脈沖電壓對加工效率的影響。脈沖電壓的主要作用是擊穿放電介質(zhì)，形成放電通道，増大短電弧放電頻率。同時較高脈沖電壓也能増大放電間隙，有利于蝕除產(chǎn)物的排出，并且減少短路次數(shù)，改善放電環(huán)境。通過實驗及影響曲線可知，當(dāng)脈沖頻率、占空比一定時，加工效率隨著脈沖電壓的增大而呈增大趨勢。當(dāng)脈沖電壓超過 15 V 后，短電弧銑削加工的加工效率有明顯的提升。

圖3b是脈沖頻率對加工效率的影響。當(dāng)脈沖電壓、占空比一定時，隨著脈沖頻率的增加，單位時間內(nèi)電弧有效放電次數(shù)增加，但是放電能量沒變，因此整個加工過程中，狀態(tài)比較穩(wěn)定，加工效率變化不大。

圖3c為占空比對加工效率的影響。 占空比表示每個脈沖下的有效加工能量大小，占空比越大，有效加工能量就越大，放電時被熔融的工件材料相應(yīng)增加，加工效率也隨之增大。實測加工數(shù)據(jù)曲線也形象的說明了這一點，即當(dāng)脈沖頻率、脈沖電壓一定時，加工效率隨占空比的增大而增大且幅度比較大。

綜上所述：在相同條件下，占空比對加工效率的影響最大，脈沖電壓對加工效率影響次之，脈沖頻率對加工效率影響最小。

2.2 電參數(shù)對工件表面粗糙度的影響

采用U= 25 V，K= 500 Hz，D= 15% 的電參數(shù)進(jìn)行短電弧銑削加工后，工件表面形貌如圖4a所示,采用SUPRATM55VP掃描電鏡拍攝其表面形貌如圖4b所示。

(a)工件 (b)掃描電鏡圖

從圖4可以看出，加工表面質(zhì)量并不是很理想，為使短電弧銑削加工后工件表面質(zhì)量有所提高，需要對影響表面質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)實際加工。本文主要從電參數(shù)著手，進(jìn)行單因素實驗，并對其實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對在不同電參數(shù)下的加工試件采用TR210型手持式表面粗糙度測量儀進(jìn)行表面粗糙度測量，結(jié)果如圖5所示。

(a)脈沖電壓對粗糙度的影響

(b)脈沖頻率對粗糙度的影響

(c)占空比對粗糙度的影響

圖5a和圖5b為脈沖電壓、脈沖頻率分別對工件表面粗糙度的影響曲線。在占空比一定時，改變加工條件中的脈沖電壓值或者脈沖頻率的大小，對電弧放電能量的影響很小，因此在試件表面上凝固的熔融工件材料體積相差不大，使得加工所得工件表面粗糙度基本一致。實驗數(shù)據(jù)曲線也反映出：在相同加工條件下，隨著脈沖電壓、脈沖頻率的升高，粗糙度值只在小范圍內(nèi)波動，整體變化梯度不大。這就表明在不同脈沖電壓、脈沖頻率下可以得到較為一致的試件表面粗糙度。

圖5c為占空比對工件表面粗糙度的影響曲線。隨著占空比的增大，加工能量隨之增大，熔融的工件材料增加，導(dǎo)致放電形成的凹坑深度與直徑變得大而深，致使凝固在工件表面的熔滴體積變大。從而使表面粗糙度增加。從圖中實驗數(shù)據(jù)曲線也可以看出，試件的表面粗糙度隨著占空比的增大而增大，且整體粗糙度值要比在脈沖電壓、脈沖頻率影響作用下的粗糙度值還要大，這也證明了占空比在加工時對加工工件表面粗糙度的影響最大。

由圖5整體可以得出：在相同加工工藝參數(shù)下，占空比對工件的表面粗糙度影響最大，脈沖電壓、脈沖頻率相比之下對工件表面粗糙度影響較小。

2.3 電參數(shù)對相對電極損耗的影響

在短電弧銑削加工工藝參數(shù)不變的條件下，通過改變加工電參數(shù)，我們可以清晰的得出電參數(shù)對工具電極損耗的影響規(guī)律，影響曲線如圖6所示。

由圖6可知，脈沖電壓、脈沖頻率以及占空比對電極損耗的影響規(guī)律也各不相同。脈沖電壓主要影響的是加工間隙的擊穿概率，對電極損耗方面的影響不大, 圖6a充分體現(xiàn)出這一特性。圖6b和圖6c則顯示出，隨著脈沖頻率和占空比的增大，電極損耗的變化梯度呈現(xiàn)出不斷變化的趨勢，這是因為一方面石墨電極在高能量放電參數(shù)下加工時，從工件上剝離的一部分材料會游離到電極表面形成一層保護(hù)膜，從而降低相對電極的損耗，另一方面隨著脈沖頻率和占空比的增大，在加工時容易產(chǎn)生扛刀現(xiàn)象，這就致使石墨電極在與工件觸碰時容易產(chǎn)生損耗。綜上所述，加工時為降低電極損耗，可以適當(dāng)提高脈沖電壓，降低脈沖頻率及占空比。

(a)脈沖電壓對電極損耗的影響

(b)脈沖頻率對電極損耗的影響

(c)占空比對電極損耗的影響

3 結(jié)論

本文通過3組單因素實驗，主要研究了短電弧銑削加工中不同電參數(shù)對短電弧銑削鎳基高溫合金GH4169 的加工效率、工件表面粗糙度、電極損耗的影響規(guī)律。結(jié)論如下:

(1)通過電參數(shù)對加工效率的實驗數(shù)據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)，短電弧銑削加工的加工效率隨脈沖電壓和占空比的增大而增大，且占空比的影響作用比脈沖電壓的作用效果更加明顯；脈沖頻率則對加工效率的影響作用較小。

(2)短電弧銑削加工時，在同等條件下，適當(dāng)降低占空比的值可以獲得較好的工件表面粗糙度。脈沖電壓及脈沖頻率的變化則對工件表面粗糙度值影響很小。

(3)實驗表明，電極的相對損耗與脈沖電壓的變化息息相關(guān)，為了減少相對電極損耗，可以適當(dāng)提高放電電壓。

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