硬質(zhì)合金材料電火花磨削加工裝置研制及試驗研究

劉 宇，辛祥杰，馬付建，楊大鵬，張生芳

（ 大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028 ）

硬質(zhì)合金是一種超硬材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、模具制造等領(lǐng)域[1]，由于其極高的強(qiáng)度和硬度，硬質(zhì)合金屬于難加工材料。 目前對硬質(zhì)合金材料的加工主要有機(jī)械磨削和電火花加工兩種方法，機(jī)械磨削方法在加工過程中會產(chǎn)生大量的熱量導(dǎo)致工件的磨削燒傷及金相組織變化，影響硬質(zhì)合金的使用性能[2]。 而電火花加工方法是靠工具和工件兩極間的脈沖性火花放電去除工件材料的，由于不受材料強(qiáng)度和硬度等限制，電火花加工被認(rèn)為是加工導(dǎo)電超硬材料的主要方法，但存在加工效率低下的缺點，限制了硬質(zhì)合金材料的電火花加工。

眾多學(xué)者將電火花加工和磨削加工兩種加工工藝結(jié)合在一起，探究電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工的工藝規(guī)律。 Satyarthi[3]根據(jù)材料去除率和表面粗糙度對傳統(tǒng)的金剛石磨削、電火花加工和電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工等進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工工藝可提供更好的表面粗糙度和材料去除率。 潘運清[4]通過實驗分析了電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工過程的工藝參數(shù)與加工效果之間的關(guān)系，結(jié)果表明：峰值電流、電壓、脈沖寬度等參數(shù)對復(fù)合加工過程的工藝結(jié)果具有較明顯的影響。 劉仁體[5]提出了電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工方法，對鈦合金TC4 進(jìn)行了電火花加工、燒蝕加工、電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工的對比實驗，研究表明這種復(fù)合加工方法可顯著提高加工效率。 Yadav[6]在電火花加工機(jī)床上，采用平面磨削的方法對復(fù)合砂輪的性能進(jìn)行了測試，分析了脈沖電流、脈沖開啟時間、脈沖關(guān)閉時間、砂輪轉(zhuǎn)速和磨粒數(shù)對材料去除率和表面粗糙度的影響。 饒小雙[7]針對大口徑SiC 反射鏡非球面成形磨削中存在的加工效率低、砂輪磨損等問題，提出了將電火花機(jī)械復(fù)合磨削應(yīng)用于大口徑SiC 反射鏡非球面成形磨削加工的觀點， 以提高其成形加工效率。 針對電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工的研究日漸豐富，但電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工也存在接觸性加工、 砂輪導(dǎo)電性差造成放電不穩(wěn)定等弊端。 電火花磨削加工方法可有效改善上述問題。 耿春明[8]采用塊狀工具電極的切向進(jìn)給方式大幅提高了電火花磨削加工批量加工工件的一致性和生產(chǎn)率。 張桂香[9]研究了電火花磨削加工狀態(tài)識別及檢測方法，研制了間隙電壓采樣電路和專用模數(shù)轉(zhuǎn)換卡及伺服控制系統(tǒng)， 實現(xiàn)了加工過程的智能控制。耿其東[10]在分析電火花磨削加工特點的基礎(chǔ)上提出了大平面復(fù)合加工的原理， 設(shè)計出相應(yīng)的加工裝置，并實驗驗證了加工效果。

本文提出了一種適用于硬質(zhì)合金等難加工材料高效加工的電火花磨削加工裝置，開展了加工試驗研究，探究了電極轉(zhuǎn)速和峰值電流對工件表面粗糙度及材料去除率的影響規(guī)律。

1 電火花磨削加工裝置的提出

電火花磨削加工是在傳統(tǒng)電火花加工的基礎(chǔ)上，引入電極旋轉(zhuǎn)運動，利用旋轉(zhuǎn)的工具電極對工件材料進(jìn)行電蝕加工，工具電極與工件材料不直接接觸，通過電極的高速旋轉(zhuǎn)強(qiáng)化放電間隙工作介質(zhì)的循環(huán)，使極間充分消電離，間隙間很大的壓力變化導(dǎo)致更有效的放電， 提高加工過程的放電穩(wěn)定性。 該運動方式類似于“磨削”，因此被稱為電火花磨削加工。 圖1 是硬質(zhì)合金材料電火花磨削加工裝置方案示意圖。 電火花磨削加工的優(yōu)點在于電極在加工過程中不斷旋轉(zhuǎn)，電極損耗會均勻地分布在電極圓周上，充分延長電極的使用壽命；此外，加工過程中電極的旋轉(zhuǎn)會帶動工作液高速流動，從工件表面蝕除的金屬顆粒會被流動的工作液沖走，改善放電環(huán)境，進(jìn)而提高加工效率和表面質(zhì)量。

圖1 電火花磨削加工示意圖

2 電控系統(tǒng)的研制

本文所述電控系統(tǒng)是實現(xiàn)電火花磨削加工所需電源系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括脈沖電源、主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)和間隙控制系統(tǒng)。 本文采用弛張式脈沖電源進(jìn)行設(shè)計， 用三個中間繼電器分別控制三種RC 充電回路，使其短路電流分別達(dá)到2.8、1.4、0.7 A。由圖2所示弛張式脈沖電源的設(shè)計方案圖可見，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過控制輸入信號的占空比實現(xiàn)對直流電機(jī)的無極調(diào)速。 調(diào)速模塊見圖3。

圖2 弛張式脈沖電源設(shè)計方案

圖3 主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

間隙控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，應(yīng)用間隙平均電壓檢測法間接地對間隙狀態(tài)進(jìn)行檢測。 其方法是采集加工間隙的平均電壓，再根據(jù)在比較器上設(shè)定的兩個閾值電壓加以比較，從而識別電火花加工的狀態(tài)，根據(jù)間隙狀態(tài)的識別結(jié)果，通過單片機(jī)編程給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸送脈沖信號以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的進(jìn)給與回退運動，實現(xiàn)電火花磨削加工的自動化。 圖4 是間隙控制系統(tǒng)原理圖。

圖4 間隙控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)間隙平均電壓檢測的方法，加工間隙的狀態(tài)可分為三種情況（表1）。 當(dāng)采集的間隙平均電壓大于兩閾值電壓UH、UL時， 認(rèn)為加工間隙過大，不足以擊穿工作液介質(zhì)放電，此時伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給；當(dāng)采集的間隙平均電壓處于兩閾值電壓之間時， 認(rèn)為加工間隙處于正常放電狀態(tài)；當(dāng)采集的間隙平均電壓小于兩閾值電壓時，認(rèn)為加工短路，此時伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)回退。

表1 間隙狀態(tài)判斷

3 硬質(zhì)合金材料加工試驗

3.1 試驗裝置及試驗設(shè)計

采用自行搭建的電火花磨削加工裝置進(jìn)行試驗，如圖5 所示，主要由主運動裝置及電源系統(tǒng)組成， 可實現(xiàn)X、Y、Z 軸的移動及帶動電極繞Z 軸高速旋轉(zhuǎn)。 對硬質(zhì)合金材料進(jìn)行加工試驗時，工件尺寸為20 mm×20 mm×4 mm， 工具電極為直徑3 mm的鎢電極，分別進(jìn)行了兩組單因素試驗。 一組單因素試驗設(shè)峰值電流為1.4 A， 電極轉(zhuǎn)速分別為400、600、800 r/min，進(jìn)行電火花磨削加工試驗；另一組單因素試驗，設(shè)電極轉(zhuǎn)速為600 r/min，峰值電流分別為0.7、1.4、2.8 A，進(jìn)行電火花加工和電火花磨削加工的對照試驗。 兩組試驗探究了電極轉(zhuǎn)速和峰值電流對工件表面粗糙度及材料去除率的影響。

圖5 電火花磨削加工裝置

3.2 工件材料去除率的測試

本文采用旋轉(zhuǎn)柱狀電極的側(cè)面對工件表面進(jìn)行磨削加工，由電火花成形加工原理可知，電火花加工后的表面會復(fù)制出工具電極的形狀。 如圖6 所示，電火花磨削加工后工件被蝕除的體積由兩部分組成，一部分是一段平面的體積，另一部分是一段圓弧的體積。 平面的體積可通過游標(biāo)卡尺或三維形貌儀測量獲得，但圓弧的體積不能直接測量，因此，本文將該圓弧擬合成一個圓，將圓的半徑近似為電極的半徑，擬合方法見圖7。

圖6 電火花磨削加工后的形貌圖

圖7 電火花磨削加工蝕除部分?jǐn)M合圖

由于硬質(zhì)合金工件厚度一致，只需計算去除材料的面積。 圖7 中單剖面線代表硬質(zhì)合金基體，雙剖面線區(qū)域為被去除部分的面積。 將加工后的弧線AB 擬合為圓，圓心為O，擬合圓的半徑近似為電極半徑，連接OA 與OB，OB 與硬質(zhì)合金表面相交于點C。 可用三維形貌測量儀直接測量出BC 的高度，再用擬合圓的半徑減去BC 的高度即為OC 的長。

由于OA 和OC 在直角三角形OAC 里，因此可計算其夾角θ 為：

根據(jù)角度θ 可計算出扇形OAB 的面積S 為：

而三角形OAC 的面積S1為：

故可求出被磨削去除部分的面積S2為：

S2與硬質(zhì)合金厚度的乘積即為去除部分圓弧處的體積。 而平面處的體積可通過測量得出的BC高度和磨削長度與硬質(zhì)合金厚度相乘得到。 將去除的平面體積與圓弧體積相加，即為所求的材料去除體積。 因此，電火花磨削加工的材料去除率為：

式中：VV為工件被去除部分的體積，mm3；t 為加工時間，min。

3.3 電極轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度及材料去除率的影響

3.3.1 電極轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響

本文采用輪廓的算術(shù)平均偏差Ra 作為評價表面粗糙度好壞的指標(biāo)， 選取取樣長度為2500 μm，評定程度為5 倍的取樣長度。 表面粗糙度采用光學(xué)三維表面形貌測量儀進(jìn)行測量，檢測時選擇被測表面的三個區(qū)域進(jìn)行測量，然后將三個區(qū)域測量的結(jié)果取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。 圖8 是測量得到的電極轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律。 結(jié)果表明，隨著電極轉(zhuǎn)速的逐漸增大，工件的表面粗糙度值減小。 這是因為電極轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的離心力就越強(qiáng)，對加工區(qū)域流場的擾動越大，會將加工蝕除的金屬顆粒甩出放電間隙，改善放電環(huán)境。 在電極轉(zhuǎn)速較低的情況下，由于電蝕產(chǎn)物來不及排出放電間隙，積累到一定程度后會造成電弧放電或短路異常放電，燒傷工件表面，進(jìn)而影響工件的表面質(zhì)量。 隨著電極轉(zhuǎn)速的提高， 工件的表面粗糙度值有明顯降低，這是因為高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力加速了極間工作液的流動，加快了極間電蝕產(chǎn)物的排出，提高了放電穩(wěn)定性，從而得到更好的加工表面。 因此，電極轉(zhuǎn)速的變化會影響極間電蝕產(chǎn)物的排出，影響放電加工的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響工件的表面粗糙度。

圖8 不同電極轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

3.3.2 電極轉(zhuǎn)速對材料去除率的影響

根據(jù)擬合圓法計算的材料去除率結(jié)果見表2。由計算所得材料去除體積與加工時間的比值得出材料去除率，并得出材料去除率隨著電極轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。 由圖9 可見，隨著電極轉(zhuǎn)速的增大，工件的材料去除率增大。 這是因為電極旋轉(zhuǎn)帶來的離心力會加強(qiáng)了極間工作液的擾動效果，促進(jìn)電蝕產(chǎn)物的排出效率。 隨著轉(zhuǎn)速的增大，旋轉(zhuǎn)電極對極間工作液的擾動效果增強(qiáng)，極間電蝕產(chǎn)物被有效地帶離放電間隙，避免了電蝕產(chǎn)物的累積造成電弧放電或二次放電， 又因為電弧放電對金屬幾乎沒有去除作用，故隨著轉(zhuǎn)速的增大材料，去除率會明顯增大。

表2 不同電極轉(zhuǎn)速下的去除體積

圖9 不同電極轉(zhuǎn)速對材料去除率的影響

3.4 峰值電流對工件表面粗糙度及材料去除率的影響

3.4.1 峰值電流對工件表面粗糙度的影響

圖10 是測量得到的峰值電流對表面粗糙度的影響規(guī)律。 結(jié)果表明，隨著電流的增大，工件的表面粗糙度值也會增大。 這是因為，放電電流的大小會影響去除凹坑的大小， 在其他參數(shù)不變的情況下，電流越大，單次脈沖放電能量越大，蝕除凹坑的體積越大，表面越粗糙。 由圖10 可見，在常規(guī)電火花加工工況下，工件表面均比較粗糙，這是因為常規(guī)電火花加工的極間排屑能力較差，而電蝕產(chǎn)物不斷累積會造成電弧放電或短路異常放電、燒傷工件表面，進(jìn)而影響工件的表面質(zhì)量。 而在電火花磨削加工工況下的表面粗糙度值相較于電火花加工的工況明顯減小，這是因為電極高速旋轉(zhuǎn)對極間工作液的擾動會促進(jìn)電蝕產(chǎn)物的排出， 改善加工環(huán)境，因此對表面粗糙度的改善較明顯。

3.4.2 峰值電流對材料去除率的影響

圖10 不同峰值電流對表面粗糙度的影響

通過擬合圓法測量出兩種加工工況下不同峰值電流的材料去除體積（表3、表4）。 根據(jù)計算出的材料去除體積與加工時間的比值得出材料去除率以及材料去除率隨著電流變化的規(guī)律。 由圖11 可見，在其他參數(shù)不變的情況下，電流的增大會顯著提高工件的材料去除率， 且引入電極旋轉(zhuǎn)運動后，工件的材料去除率會進(jìn)一步提高。 這是因為放電電流的大小會影響去除凹坑的大小，在其他參數(shù)不變的情況下，電流越大，單次脈沖放電能量越大，蝕除凹坑的能力越強(qiáng)，加工效率越高。 對比兩種工況還可看出，電火花磨削加工的材料去除率均比常規(guī)電火花加工的材料去除率高，這是因為磨削運動提供的高轉(zhuǎn)速會在極間產(chǎn)生離心力，加快工作液的流動速度，利于更好的排屑，避免了電蝕產(chǎn)物在極間的累積而造成的電弧放電或二次放電。

表3 電火花加工下的去除體積

表4 電火花磨削加工下的去除體積

圖11 不同峰值電流對材料去除率的影響

4 結(jié)論

（1）針對硬質(zhì)合金材料硬度大、強(qiáng)度高的材料屬性， 本文提出了一種新的電火花磨削加工裝置，利用旋轉(zhuǎn)電極的擾動改善極間加工環(huán)境，可提高加工效率并改善工件的表面質(zhì)量。

（2）隨著電極轉(zhuǎn)速增大，材料去除率增大、表面粗糙度值減??；隨著電流增大，材料去除率和表面粗糙度值均增大。 通過不同加工工況的對比試驗，驗證了電火花磨削加工相較于常規(guī)電火花加工可顯著提高加工效率并改善工件表面質(zhì)量。