高體分SiCp/Al超聲振動磨削放電復(fù)合加工試驗研究

孟 濤，陳 陽，張云鵬，王豆豆

（1.海軍裝備部，陜西西安；2.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司，陜西西安710021；3.西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安710072）

隨著航空航天、電子、交通等行業(yè)零構(gòu)件產(chǎn)品向輕量化、高性能方向發(fā)展[1-3]，高體分SiCp/Al復(fù)合材料（SiC體積分數(shù)達50%以上）因其低密度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性能好、耐磨等卓越性能而得到廣泛應(yīng)用，但該類復(fù)合材料的加工問題也限制其應(yīng)用。目前各國學(xué)者對其加工問題展開了系統(tǒng)研究。Dabade等[4]將激光輔助車削與傳統(tǒng)車削加工SiCp/Al材料進行比較，發(fā)現(xiàn)立方氮化硼或硬質(zhì)合金刀具結(jié)合激光束對工件表面進行加工，改善了材料的可加工性。Kadivar等[5]研究了超聲振動對SiCp/Al材料鉆屑形成的影響，結(jié)果表明超聲振動可使鉆屑長度減小、鉆削力降低、表面質(zhì)量提高。Rao等[6]的研究表明，SiCp/Al復(fù)合材料的電火花加工受到增強相SiC顆粒的屏蔽，出現(xiàn)加工效率下降及表面質(zhì)量降低等問題。周力[7]建立了超聲振動磨削SiCp/Al復(fù)合材料側(cè)磨磨削力和端磨磨削力的預(yù)測模型，以綜合反映SiCp/Al復(fù)合材料已加工表面形貌特點的特征參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，采用非支配排序遺傳算法獲得了SiCp/Al復(fù)合加工技術(shù)的優(yōu)化工藝參數(shù)。董志剛等[8]對比了超聲輔助磨削與常規(guī)磨削的材料去除機制與表面完整性，發(fā)現(xiàn)SiCp/Al磨削過程中材料的去除以SiC顆粒斷裂為主，而超聲輔助磨削加工具有相似的表面完整性。

上述研究基本針對較低體積分數(shù)的SiCp/Al材料，對高體分SiCp/Al材料的加工研究較少。超聲振動磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al相較于機械切削加工和常規(guī)電火花加工具有加工表面質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)點。而在超聲振動磨削放電復(fù)合加工過程中，許多工藝參數(shù)如加工電流、加工脈寬、彈簧預(yù)緊力都會影響工件的表面質(zhì)量和加工效率。本文以SiC體積分數(shù)為52%的SiCp/Al復(fù)合材料為研究對象，通過設(shè)計五因素四水平正交試驗方案，研究了加工電流、加工脈寬、彈簧預(yù)緊力和脈沖占比四個加工參數(shù)對復(fù)合加工表面質(zhì)量和加工效率的影響規(guī)律，即在不同的工藝條件下進行加工實驗，以此確定超聲振動磨削放電復(fù)合加工的最優(yōu)工藝參數(shù)，為提高加工效率、降低加工成本和擴展該復(fù)合材料的應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗

1.1 超聲振動磨削放電復(fù)合加工原理

超聲振動磨削放電復(fù)合加工原理是利用電火花能量去除易堵塞砂輪的鋁基體，利用磨削去除電火花無法加工的SiC增強相，同時輔助以超聲振動的作用實現(xiàn)連續(xù)加工（圖1）。

圖1 超聲振動磨削放電加工原理

1.2 試驗設(shè)備

本文在DM7150精密電火花加工機床上加載采用CS-1型超聲波發(fā)生器的超聲振動裝置和新型嵌入組合式電極[9]裝置進行試驗。改裝后的機床實物見圖2。試驗采用M300C表面粗糙度儀測量表面粗糙度，還采用FA2104A型電子分析天秤進行加工前、后的重量測量。工件材料為SiC質(zhì)量分數(shù)為52%的SiCp/Al復(fù)合材料（圖3）。工具電極為針對超聲振動磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料專門設(shè)計的新型嵌入組合式工具電極，其結(jié)構(gòu)爆炸圖見圖4。工作液為煤油，采用負極性加工。超聲振動頻率固定為20 kHz。

圖2 超聲振動磨削放電加工機床

圖3 52%的SiCp/Al復(fù)合材料的SEM圖

圖4 新型嵌入組合式電極[9]結(jié)構(gòu)爆炸圖

1.3 試驗方法

本研究主要考察煤油工作環(huán)境中52%的SiCp/Al復(fù)合材料超聲振動磨削放電復(fù)合加工性能的影響因素。試驗指標(biāo)為復(fù)合加工后測得的工件表面粗糙度Ra和加工速度，表面粗糙度值越小、加工速度越快，則表示加工性能越好?；谇捌趯嶒炇业脑囼灲?jīng)驗和相關(guān)文獻資料，本研究選取的試驗因素為彈簧預(yù)緊力、電流、加工脈寬和脈沖占比等四個影響因素，每個因素各有四個水平，以此設(shè)計正交試驗。由于四因素四水平正交表不存在，研究時增加了一空白因素X以構(gòu)成五因素四水平正交試驗，即L16（45）。試驗參數(shù)見表1。

表1 L16（45）正交試驗因素水平表

試驗結(jié)束后，對試樣進行表面粗糙度和質(zhì)量測量，采用質(zhì)量去除率（mg/min），即式（1）計算獲取加工速度：

式中：v表示復(fù)合加工速度，mg/min；Δm為加工前后工件質(zhì)量變化，mg；t為加工時間，min。

2 正交試驗結(jié)果及分析

2.1 正交試驗結(jié)果的極差分析

正交試驗結(jié)果見表2。采用極差分析方法可將因素水平的變化所引起的試驗結(jié)果間的差異反映出來，差異的大小反映了因素變化時的指標(biāo)變化幅度。極差越大，說明該因素的影響越顯著。按照極差分析法，對超聲振動磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料的加工速度和表面粗糙度的數(shù)據(jù)進行了極差分析，結(jié)果見表3。其中，K1、K2、K3和K4為各因素/因子對應(yīng)相應(yīng)水平表面粗糙度和加工速度之和，R是{1/4K1、1/4K2、1/4K3、1/4K4}中的極差。由極差分析可知超聲振動磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料時各因素對表面粗糙度的影響順序為電流＞加工脈寬＞彈簧預(yù)緊力＞脈沖占比，且獲得最小表面粗糙度值的最優(yōu)組合是A1B1C1D2/D4，即彈簧預(yù)緊力15 N、電流25 A、加工脈寬550μs和脈沖占比0.5/0.7。各因素對加工速度的影響順序為電流＞彈簧預(yù)緊力＞加工脈寬＞脈沖占比，且獲得最大加工速度的最優(yōu)組合是A3B4C2D2，即彈簧預(yù)緊力30 N、電流40 A、加工脈寬650μs和脈沖占比0.5。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

2.2 正交試驗結(jié)果的方差分析

極差分析方法的優(yōu)點是方法簡單、直觀且計算量較少，但由于極差分析不能估計試驗過程中及試驗結(jié)果測定中必然存在的誤差大小，不能真正區(qū)分某因素的各水平所對應(yīng)的試驗結(jié)果的差異究竟是由水平的改變所引起的還是由試驗誤差引起的。而方差分析通過分析不同來源的變異對總變異的貢獻大小，從而確定可控因素對研究結(jié)果影響力的大小，可以更準(zhǔn)確地分析在各種因素作用下哪種因素對試驗指標(biāo)的影響較大。表4和表5分別為復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料時表面粗糙度和加工速度的方差分析。

表3 試驗結(jié)果極差分析

表4 表面粗糙度方差分析

表5 加工速度方差分析

通過方差分析可知，加工電流對表面粗糙度的影響最大，其次是加工脈寬和彈簧預(yù)緊力，而脈沖占比影響最?。粚τ诩庸に俣榷?，電流的影響最大，其次是彈簧預(yù)緊力和加工脈寬，而脈沖占比影響最小，這與極差分析的結(jié)果一致。這主要是因為，復(fù)合加工在超聲振動的輔助作用下首先通過電火花放電蝕除Al基體，其次磨削去除SiC硬質(zhì)相，從而實現(xiàn)高體分SiCp/Al復(fù)合材料的連續(xù)加工。其中電火花單脈沖過程中的材料蝕除量可表示為：

式中：k為與電極材料、脈沖參數(shù)、加工極性和排屑條件有關(guān)的系數(shù)，mm3/J；W為單脈沖放電所釋放的能量，取決于極間電壓u（t）、放電電流i（t）和脈沖放電時間ton。

從式（2）可看出，蝕除量和脈沖能量W近似成正比關(guān)系，因此加工電流越大，脈沖能量就越大，從而蝕除量越大、加工速度越大、表面質(zhì)量越差。彈簧預(yù)緊力的增大使工具電極中金剛石磨條的磨削力變大，從而減小了電火花加工過程中的極間間隙。在一定范圍內(nèi)，彈簧預(yù)緊力越大，導(dǎo)致極間間隙越小、磨削力越大、加工速度越快、表面質(zhì)量越好。在放電周期一定的情況下，加工脈寬和效率成正比，即加工脈寬越大、脈沖能量越大；而放電蝕除的凹坑越大、越深，則加工速度越大、表面質(zhì)量越差，但過大的加工脈寬致使蝕除產(chǎn)物不能及時排出，短路頻率增加，消電離現(xiàn)象恢復(fù)不及時，加工速度下降。

3 復(fù)合加工放電波形分析

為進一步探究該復(fù)合加工的機理，本研究對復(fù)合加工放電波形進行了分析。電火花的粗規(guī)準(zhǔn)加工脈寬為50～500μs，中規(guī)準(zhǔn)加工脈寬為10～100μs，精規(guī)準(zhǔn)加工脈寬為2～6μs，輔助以20 kHz的超聲振動（對應(yīng)的周期為0.5μs）作用后，如圖5所示，電火花的一個加工脈寬細化成多個微小的加工脈寬。在傳統(tǒng)電火花加工過程中，只有極間間隙h滿足hmin＜h＜hmax時才能正常放電。而在復(fù)合加工過程中，即使在超聲振動的作用下，極間間隙h大于最大放電間隙hmax也依然可保持正常的放電狀態(tài)，當(dāng)極間間隙h小于最小放電間隙hmin發(fā)生短路放電時，超聲振動也會迅速拉大極間距離，從而保持正常的放電狀態(tài)。

由于以較高的超聲振動頻率（fz=20 kHz）進行輔助后，一個脈沖寬度內(nèi)電極與材料之間會出現(xiàn)多次間隙變化，產(chǎn)生多種放電類型，即空載、間隙放電、短路放電及其之間的組合放電。這使電蝕產(chǎn)物在電極之間的分布更加均勻，有利于分散放電點，減少了放電集中的現(xiàn)象；同時，超聲作用帶動工具電極在工作液中高頻振動，產(chǎn)生的空化、泵吸和渦流作用，能改善放電蝕除顆粒的排出，促進放電的消電離過程，有助于減少或避免電弧放電現(xiàn)象。試驗過程中沒有明顯的火花和飛濺，對采集到的放電波形進行分析和統(tǒng)計，得到組合放電的次數(shù)多于空載和短路放電之和，這說明超聲振動磨削放電復(fù)合加工的主要放電類型為組合放電。

圖5 復(fù)合加工電信號波形圖

4 結(jié)論

（1）超聲振動磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al正交試驗結(jié)果的極差分析結(jié)果表明，影響表面粗糙度的因素顯著性為：電流＞加工脈寬＞彈簧預(yù)緊力＞脈沖占比，則最優(yōu)參數(shù)如下：電流25 A、加工脈寬550μs、彈簧預(yù)緊力15 N、脈沖占比為0.5或0.7；影響加工速度的因素顯著性為：電流＞彈簧預(yù)緊力＞加工脈寬＞脈沖占比，則最優(yōu)參數(shù)如下：電流40 A、彈簧預(yù)緊力30 N、加工脈寬650μs、脈沖占比0.5。

（2）復(fù)合加工放電波形分析結(jié)果表明，加工過程中主要的放電類型為短路放電和間隙放電組合而成的放電類型，超聲振動作用有利于減少放電集中現(xiàn)象，促進消電離過程。

（3）采用超聲振動磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al時，應(yīng)綜合考慮加工電流、加工脈寬、彈簧預(yù)緊力和脈沖占比對加工性能的影響，根據(jù)表面粗糙度和加工效率的要求選擇各參數(shù)。