黃欽明，鄒治湘，劉金皓，梁智杰，賴經(jīng)云，勾俊峰，劉江文

（廣東工業(yè)大學(xué)省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

0 引言

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）是以鋁合金為基體，以碳化硅顆粒作為增強(qiáng)相的一種工程材料。該類材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨性、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率及良好的抗腐蝕等優(yōu)良的物理化學(xué)性能，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子和精密光學(xué)儀器等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。同時(shí)SiCp/Al又是一種典型的難加工材料，因?yàn)榇嬖诟哂捕取⒏邚?qiáng)度的碳化硅顆粒，因此使用銑削和車削等傳統(tǒng)的加工方法加工該類材料時(shí)，不可避免地存在嚴(yán)重的刀具磨損的問題，進(jìn)而增加成本[4]。研究表明，電火花加工、電化學(xué)加工和激光加工等非傳統(tǒng)加工工藝是加工SiCp/Al的有效方法。其中，電火花加工由于可以加工出高精度的三維形狀，目前是加工該類材料的首選方法[5-8]，其中孔加工是電火花在該類材料加工中的主要應(yīng)用方式。然而電火花加工該類過程中的電極損耗問題還有待解決。

例如，張宏等[9]分析了開路電壓、電容、電極材料與加工速度和電極損耗之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)采用合適的高開路電壓和電容進(jìn)行加工可以獲得較高的加工速度并且有能效地減小電極的損耗。電火花加工中電極損耗不可避免，而電極損耗尤其影響盲孔加工的精度。因此，為解決電火花加工中的電極損耗問題，Jeong 等[10]提出了一種柱形刀具電火花加工的幾何仿真模型來預(yù)測(cè)刀具和鉆孔的幾何形狀，并將該模型用于盲孔加工過程中刀具磨損的離線補(bǔ)償。其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在13%以內(nèi)。Aligiri 等[11]提出了一種基于理論電熱模型、放電脈沖數(shù)和脈沖識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)時(shí)材料去除量估計(jì)器,通過對(duì)加工過程中的材料去除量進(jìn)行估算，計(jì)算補(bǔ)償長(zhǎng)度并沿刀具路徑反復(fù)調(diào)整，直到達(dá)到目標(biāo)材料去除量。

一般的補(bǔ)償方法利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)或者離線進(jìn)行補(bǔ)償。在加工參數(shù)不同的情況下，這種依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)償方法對(duì)電火花加工精度的提高有較大的限制。為了在不同加工條件下都能保持較高的加工精度，本文提出一種通過電回路實(shí)時(shí)檢測(cè)電極的軸向損耗，并在線對(duì)電極損耗進(jìn)行軸向補(bǔ)償?shù)姆椒?。以解決微細(xì)電火花加工中電極損耗難以估算的問題，最終實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al材料高精度盲孔的加工。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置為精密微電火花加工機(jī)床SARIX-200 hpm，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為500 r/min，運(yùn)動(dòng)精度為1 μm。機(jī)床的主要零部件如圖1 所示。完成一次加工后，通過機(jī)床所配置的線電極放電磨削模塊（WEDG）在線地對(duì)前一次加工后的電極進(jìn)行削斷并使用小能量的電參數(shù)對(duì)電極的底面進(jìn)行平整修正，從而保證每組實(shí)驗(yàn)的有效性。盲孔的形貌、實(shí)際深度和上下孔徑采用奧林巴斯OLS4000 型激光共聚焦顯微鏡來測(cè)量。使用線切割放電加工機(jī)床（三菱電機(jī)，MV1200R）對(duì)SiCp/Al工件進(jìn)行放電切割制樣，便于觀察盲孔的截面形貌。

圖1 電火花加工機(jī)床

圖2 補(bǔ)償法工作流程圖

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

為研究電極損耗無補(bǔ)償法和軸向電極損耗補(bǔ)償法對(duì)微盲孔加工精度的影響，本文使用直徑為400 μm 的黃銅和紫銅電極分別應(yīng)用兩種方法在SiCp/Al 上進(jìn)行預(yù)設(shè)深度為0.5 mm、1 mm、1.5 mm 和2 mm 的微盲孔實(shí)驗(yàn)研究。其中，SiCp/Al 的基體合金為ZAL101A，SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為70%，顆粒大小為100 μm 和30 μm 混合，平均粒徑60 μm。加工參數(shù)如表1所示。軸向電極損耗補(bǔ)償法的基本工作流程如圖2所示，當(dāng)機(jī)床完成一次放電加工后，電極抬到一定的安全高度并回到設(shè)定的控制點(diǎn)（零點(diǎn)）進(jìn)行電極損耗的在線測(cè)量，根據(jù)所測(cè)量得到的具體損耗數(shù)值，精確地增加電極軸向進(jìn)給量來對(duì)損耗進(jìn)行補(bǔ)償，然后進(jìn)行下一次放電加工，如此往復(fù)從而達(dá)到提高盲孔加工精度的目的。

表1 SiCp/Al加工參數(shù)

本文采用深度偏差、擴(kuò)孔率和錐度3 個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)盲孔的加工精度。深度偏差Herror是預(yù)設(shè)和實(shí)際的深度差值與預(yù)設(shè)深度的比值，通過下式計(jì)算：

式中：Hexpect為預(yù)設(shè)的盲孔深度；Hactual為實(shí)際的盲孔深度。

擴(kuò)孔率Derror是預(yù)設(shè)直徑和實(shí)際直徑的差值與預(yù)設(shè)直徑的比值，用于評(píng)價(jià)盲孔的孔徑精度，通過下式計(jì)算：

式中：Dtop為實(shí)際的上孔直徑；Dexpect為預(yù)設(shè)的上孔直徑。

錐度T是上下孔徑之間的差值與實(shí)際深度的比值，用于評(píng)價(jià)盲孔整體形狀的精度，采用下式計(jì)算：

式中：Dbottom為盲孔底部的圓孔孔徑。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 補(bǔ)償方式對(duì)深度偏差的影響

深度偏差是電火花盲孔加工精度的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。因?yàn)樵陔娀鸹庸さ牟牧先コ^程，電極的損耗主要表現(xiàn)為電極端面損耗，其次是電極壁面損耗。一般可以通過大量的實(shí)驗(yàn)來建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)而預(yù)估電極的損耗，達(dá)到制備出深度偏差較小的盲孔的目的。然而，電火花加工的機(jī)理比較復(fù)雜，電極損耗會(huì)受到如電極材料、工件材料和機(jī)床加工條件的差異等多方面因素影響而有所變化，難以用一個(gè)統(tǒng)一且固定的模型對(duì)電極損耗進(jìn)行預(yù)估。

因此，本文提出了電回路在線檢測(cè)電極損耗并進(jìn)行軸向補(bǔ)償?shù)姆椒?，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)盲孔深度偏差的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～4 所示。利用黃銅電極和紫銅電極在無補(bǔ)償?shù)那闆r下進(jìn)行加工時(shí)，存在約為0.25 的較大深度偏差。使用補(bǔ)償方法后，使用兩種不同電極的深度偏差均降到0.02 左右，深度精度相較無補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ玫搅溯^大的提高，并且穩(wěn)定性較好。并且隨著深度的增加，軸向補(bǔ)償法的優(yōu)勢(shì)逐漸增加。

圖3 黃銅電極加工實(shí)際深度與深度偏差

圖4 紫銅電極加工實(shí)際深度與深度偏差

3.2 補(bǔ)償方式對(duì)擴(kuò)孔率和錐度的影響

為進(jìn)一步對(duì)盲孔的加工精度的評(píng)價(jià)，引入了擴(kuò)孔率和錐度兩個(gè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖5所示，使用黃銅電極和補(bǔ)償法加工的盲孔的擴(kuò)孔率明顯會(huì)比無補(bǔ)償?shù)暮?。使用紫銅電極進(jìn)行加工時(shí)，兩種方法的擴(kuò)孔率在預(yù)設(shè)深度為0.5 mm的時(shí)候有補(bǔ)償會(huì)比無補(bǔ)償?shù)男?，如圖6所示。但隨著深度的增加，兩者的擴(kuò)孔率在數(shù)值上相差不大，兩者差值約為0.01。錐度方面，兩種不同電極材料使用補(bǔ)償法加工的盲孔錐度在不同深度下均小于無補(bǔ)償法加工出來的盲孔錐度。

圖5 黃銅電極加工擴(kuò)孔率和錐度

圖6 紫銅電極加工擴(kuò)孔率和錐度

3.3 補(bǔ)償方式對(duì)加工時(shí)間和電極損耗的影響

在電火花盲孔的加工過程中，隨著加工深度的增加，時(shí)間和電極損耗會(huì)對(duì)盲孔精度產(chǎn)生一定的影響。因?yàn)殡S著時(shí)間和電極損耗的增加，碎屑在深盲孔中的堆積也會(huì)增加，導(dǎo)致二次放電和短路等不正常的現(xiàn)象急劇增加，從而影響盲孔的加工精度。

對(duì)加工時(shí)間和電極損耗的影響如圖7～8 所示。在無補(bǔ)償?shù)募庸ぶ悬S銅和紫銅電極的加工時(shí)間和電極損耗都比較小，而紫銅電極都優(yōu)于黃銅電極。在進(jìn)行補(bǔ)償加工后，由于需要在線不斷地檢測(cè)電極的損耗情況并進(jìn)行損耗的補(bǔ)償，加工時(shí)間和電極損耗在數(shù)值上都會(huì)比無補(bǔ)償?shù)募庸し椒ù蟆?/p>

圖7 黃銅電極加工時(shí)間與電極損耗

圖8 紫銅電極加工時(shí)間與電極損耗

3.4 盲孔截面形貌分析

使用黃銅電極進(jìn)行加工的盲孔截面如圖9 所示，從左到右盲孔預(yù)設(shè)深度依次為2 mm、1.5 mm、1 mm、0.5 mm。使用軸向補(bǔ)償法加工的盲孔錐度要比使用無補(bǔ)償法時(shí)減小了約13%。在較深的盲孔加工中，由于碎屑難以排出加工間隙以及工作液更新困難，導(dǎo)致二次放電以及短路等不正常的放電。因此，如圖10 所示，從左到右盲孔預(yù)設(shè)深度依次別0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm。使用紫銅電極加工2 mm深的盲孔時(shí)，使用補(bǔ)償法進(jìn)行加工的極間狀態(tài)得到改善，不正常的放電先現(xiàn)象減少，其盲孔內(nèi)的“凸臺(tái)”會(huì)比無補(bǔ)償法加工的盲孔小。

圖9 黃銅電極加工的盲孔剖面

圖10 紫銅電極加工的盲孔剖面

4 結(jié)束語

為提高電火花加工盲孔的精度，準(zhǔn)確地補(bǔ)償電極損耗，本文利用電回路實(shí)時(shí)檢測(cè)電極損耗進(jìn)行軸向補(bǔ)償。并分析了軸向補(bǔ)償法與無補(bǔ)償法對(duì)加工精度的影響，主要結(jié)論如下。

（1）兩種不同電極使用補(bǔ)償法加工盲孔的深度偏差和錐度都小于無補(bǔ)償法的深度偏差和錐度。而在擴(kuò)孔率上，使用補(bǔ)償法的擴(kuò)孔率降低幅度較小，相較無補(bǔ)償法的擴(kuò)孔率下降約2%。

（2）兩種電極使用補(bǔ)償法的加工時(shí)間和電極損耗較無補(bǔ)償法都偏大。

（3）使用補(bǔ)償法進(jìn)行加工有助于工作液的更新和碎屑的排出，同時(shí)也有助于減小盲孔底部的“凸臺(tái)”。