不同電極材料對電火花成型加工特性的實(shí)驗(yàn)研究

方軍,常星星,于家祥,李紅進(jìn),汪亦凡

（安徽天航機(jī)電有限公司,安徽蕪湖市 241000）

隨著國家實(shí)力的不斷增強(qiáng)，制造業(yè)迅速蓬勃發(fā)展，對于高耐磨、高精度、高硬度，高韌性的產(chǎn)品，如機(jī)閘、蜂窩、整體葉輪等工件的溝槽、成型表面及復(fù)雜曲面的加工、3D打印件后的修復(fù)加工等方面的高效加工技術(shù)，其所涉及的產(chǎn)品大多為難加工的材料，使用普通機(jī)床加工將是巨大的挑戰(zhàn)，為解決這一類產(chǎn)品在傳統(tǒng)機(jī)械加工所面臨的問題，特種加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如超聲波-激光加工、電火花加工［3-5］、電化學(xué)加工、超聲波-電火花加工［6-11］等等，解決了傳統(tǒng)機(jī)械加工的局限性。

本文研究的零部件為航空航天中高精度、高強(qiáng)度的合金，通過電火花成型加工來探究不同電極材料對成型工件的表面質(zhì)量影響與加工時間的關(guān)系，為后續(xù)電火花成型加工的研究提供參考。

1 電極材料的選取

電火花在成型加工過程中，電極材料的選取至關(guān)重要，應(yīng)具有高導(dǎo)電性、高傳熱性等，同時由于在放電過程中溫度較高，通道中心高達(dá)10000℃，因此材料高熔點(diǎn)、高硬度及高強(qiáng)度等物理屬性也將考慮其中。對電極材料進(jìn)行研究對比，其中普遍使用的電極材料有石墨、鎢銅、紫銅等，本文選取石墨、鎢銅、紫銅三個電極直徑為1mm，底端通過車削保證加工時表面光滑如下圖1所示，電極的物理性能如下表1所示。

圖1 電極材料

通過表1電極的物理屬性可知：電火花成型加工的電極材料為導(dǎo)電性能強(qiáng)且熔點(diǎn)高的金屬或非金屬材料。

表1 電極材料的物理屬性

2 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)分別在加工中心、精密測量間、特種加工機(jī)床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用航空航天上的常用零件材料1Cr18Ni9Ti為研究對象，其中所用的儀器主要為：（1）五軸聯(lián)動數(shù)控加工機(jī)床；

（2）Marsurf SD 26表面粗糙度測量儀；

（3）電火花線切割加工機(jī)床；

（4）電火花成型加工機(jī)床；

（5）Axiocam506 color顯微鏡。

取一塊圓柱形不銹鋼進(jìn)行表面打磨處理，用電火花線切割機(jī)床對工件進(jìn)行4部分切割，并選用臺灣CHMER EDM機(jī)床，在加工的過程中冷卻液通過內(nèi)沖與外沖方式對工件進(jìn)行降溫和排除極間的蝕除顆粒，一方面可以減小電極與顆粒碰撞所產(chǎn)生的損耗，另一方面可以減少“二次放電”，增加工件的表面質(zhì)量。

2.1 工藝參數(shù)的選取

針對不同電極材料對加工時間與工件表面質(zhì)量的影響關(guān)系，實(shí)驗(yàn)電極直徑為1mm，成型圓孔直徑為2.5mm，實(shí)驗(yàn)的主要工藝參數(shù)如下表2所示。

表2 工藝參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過上面的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別對每一種電極材料進(jìn)行3次成型小孔加工，并對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行平均化，實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)值如下表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 加工時間的分析

每次實(shí)驗(yàn)的加工時間通過機(jī)床操作顯示屏讀取，當(dāng)加工結(jié)束后對其進(jìn)行統(tǒng)計如下圖2所示。

圖2 機(jī)床操作界面圖

對表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，繪制不同電極材料對加工時間的影響如圖3所示，當(dāng)電極材料為鎢銅時，加工時間最短，一方面金屬鎢非常耐高溫，在電火花成型加工中，火花產(chǎn)生的高溫下鎢銅難以熔化，另一方面銅材料具有良好的導(dǎo)電性能，兩者相結(jié)合便具有耐高溫、易導(dǎo)電、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)加工材料選擇紫銅加工時，明亮的火花中夾著紅褐色光芒，這是紫銅材料中的特有化學(xué)元素燃燒而成，采用石墨電極加工時，發(fā)現(xiàn)石墨電極加工時間將近一小時多，不適用于成型圓孔類零件。

圖3 不同電極材料加工時間

3.2 表面質(zhì)量分析

為進(jìn)一步研究不同電極材料對電火花成型加工工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，首先對加工成型后的工件用航空清潔劑清洗處理，去除油污與表面雜質(zhì)，采用Marsurf SD 26表面粗糙度測量儀如圖4所示進(jìn)行測量，其測量精度可以達(dá)到0.01um，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可行性，對每個工件進(jìn)行10次測量再并求平均值作為最終結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 Marsurf SD 26

通過圖5可知，當(dāng)電極材料為鎢銅時，此時表面粗糙度為0.8411um，相對較好。一方面是由于鎢銅本身物理特性，在高溫條件下可以保持成型形狀，另一方面采用內(nèi)外沖液的方式，使得蝕除的顆粒有效地排除，防止加工過程中出現(xiàn)短路，同時在相同情況下選擇石墨電極加工時，表面粗糙度達(dá)到5.544um，同時加工后的電極損耗較大，成型的小孔呈現(xiàn)圓錐狀。

圖5 不同電極加工工件表面粗糙度

3.3 表面形貌分析

為進(jìn)一步探究工件的表面微觀形貌，對加工后零件進(jìn)行SEM觀測，采用的儀器如圖6所示，采用放大倍數(shù)為100，對加工成型的工件進(jìn)行測量如圖7所示。

圖6 Axiocam 506 color顯微鏡

圖7 不同工件的SEM圖

通過不同零件的SEM圖可以發(fā)現(xiàn)，鎢銅電極加工的零件表面凹坑形貌小而密集，這不僅有效揭示工件表面質(zhì)量好的特點(diǎn)，同時也側(cè)面說明此狀態(tài)下的火花放電特性相對較高，放電通道有利于形成較好的工件表面，而采用石墨電極成型的工件有明顯的凹凸?fàn)?，是由于有一部分熔融的材料未及時的脫離工件母體而再次附在工件表面，在成型過程中電極損耗導(dǎo)致底端放電不均勻形成不規(guī)則的熔體和凹坑。

4 結(jié)語

本文分別采用石墨、紫銅和鎢銅電極進(jìn)行電火花成型加工實(shí)驗(yàn)，以加工時間、工件表面質(zhì)量與工件表面微觀形貌為目標(biāo)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）當(dāng)采用鎢銅作為電極時，加工時間較短，工件表面形貌較好同時通過微觀形貌的觀測發(fā)現(xiàn)其放電特性效果相對較好，更符合航空航天上的高精度零部件的加工要求。

（2）在成型圓形小孔時，石墨電極損耗較大，工件成型形狀無法保證，因此不適合此類零件工藝要求。