微細(xì)電極凹底損耗的影響因素分析

王元剛，王 慧，李曉鵬

（大連大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

1 引言

電火花銑削加工相比傳統(tǒng)的電火花加工具有電極制造簡單、更換電極方便、電極損耗易補償?shù)葍?yōu)點。目前一些國外有名的電火花加工設(shè)備生產(chǎn)廠家都在大力研究和開發(fā)電火花銑削加工技術(shù)。國外某公司預(yù)測未來電火花銑削加工將占模具加工的30%，具有巨大的發(fā)展?jié)摿εc不錯的發(fā)展前景。電火花銑削加工作為一種新穎的電火花成型加工技術(shù)，一旦在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，很有可能逐步取代傳統(tǒng)的電火花成型加工。

由于尺度效應(yīng)，微細(xì)電火花銑削中電極損耗對加工精度的影響是不容忽視的［1］。為提高微細(xì)電火花銑削加工精度，一方面，各種電極損耗預(yù)測［2］、電極損耗補償［3-4］、電極在線修整方法［5］不斷涌現(xiàn)。另一方面，針對微細(xì)電極材質(zhì)結(jié)構(gòu)［6］及制造工藝［7］，研究人員也提出了不少改進與創(chuàng)新方法。雖然這些方法可以在一定程度上提高微細(xì)電火花銑削加工精度，但不論是補償控制還是改進電極，都會增加微細(xì)電火花銑削的工藝難度與加工成本。另外，電極形狀損耗所帶來的加工誤差始終難以得到有效解決。因此，為保持微細(xì)電極形狀穩(wěn)定，有必要從研究電極形狀損耗規(guī)律出發(fā)。

目前，對電極形狀損耗的研究較少，且對于圓柱電極的損耗形式分析不夠全面。已有的實驗研究表明，在電火花加工過程中電極會出現(xiàn)凹底損耗現(xiàn)象［8-9］。針對微細(xì)電極凹底損耗的影響因素及影響機理展開深入研究，以期為電火花微細(xì)加工電極形狀控制提供數(shù)據(jù)參考與理論支持，提高電火花銑削加工精度。

2 實驗分析

由于影響凹底損耗的因素復(fù)雜繁多，為進行一定的理論分析必須將影響因素進行提煉。當(dāng)前的實驗數(shù)據(jù)處理方法有很多，考慮實驗量與實驗效果，采用正交實驗與響應(yīng)曲面結(jié)合的方式，則可以很好地達到研究目的。

2.1 實驗準(zhǔn)備

采用沙迪克電火花機床（AD30LS）設(shè)備進行加工，加工示意圖，如圖1所示。實驗采用直徑為1.0 mm的圓柱電極，在SUS420不銹鋼工件上加工孔，工作液為煤油。

圖1 加工示意圖Fig.1 Working Diagram

在現(xiàn)有資料的加工條件下，具體參數(shù)，如表1所示。進行試驗加工出現(xiàn)明顯的凹底損耗現(xiàn)象，如圖2所示。

表1 試驗加工條件Tab.1 The Processing Conditions of Electrode Wear Test

圖2 加工后電極剖面圖Fig.2 Electrode Profile after Machining

2.2 正交實驗

根據(jù)電極材料蝕除過程的影響因素，考慮電流峰值、脈沖寬度、脈沖間隔與抬刀速度4個可能的影響因素，設(shè)計四因素三水平（L9（34））正交實驗，提煉出主要影響因素。實驗設(shè)計與結(jié)果，如表2所示。其余加工條件，如表1所示。由極差分析可知，4個影響因素的影響程度大小排列為：電流峰值＞脈沖寬度＞脈沖間隔＞抬刀速度。電流峰值與脈沖寬度對電極凹底損耗的影響顯著，凹底損耗程度隨4者的變化均為下降趨勢。正交實驗表明，脈沖間隔與抬刀速度不是影響凹底損耗的主要因素。由于兩者影響蝕除產(chǎn)物的拋出，故“凹坑”的形成與切削的排出關(guān)系不大。

表2 正交試驗Tab.2 Orthogonal Experiment

2.3 CCD實驗

中心組合設(shè)計（Central Composite Design）是響應(yīng)曲面中最常用的二階設(shè)計。它可以從少量的實驗中挖掘大量的信息。此外，還可以檢測獨立參數(shù)對響應(yīng)的相互作用效果，能夠較好地闡明獨立工藝參數(shù)二元組合的影響。模型的數(shù)學(xué)表達式如下：

式中：x—響應(yīng)的輸入；y—響應(yīng)的輸出；b—多項式常數(shù)；ψ—誤差常數(shù)。

根據(jù)正交試驗的分析，峰值電流IP與脈沖寬度ON是影響“凹坑”形成的主要因素，以兩者為模型的輸入，“凹坑”深度為模型的輸出建立二階響應(yīng)模型，以進一步探究兩者對“凹坑”形成的影響。

根據(jù)實驗，“凹坑”在表1條件下的存在范圍為峰值電流IP＜21A，脈沖寬度ON＜5μs左右。由于加工條件的限制，脈沖寬度ON只能取整數(shù)，故對于脈沖寬度ON的中心點可選擇3 μs，然而在脈沖寬度為5 μs（1.414點），峰值電流IP＞8A時“凹坑”深度變化不明顯，為了滿足中心設(shè)計要求，對峰值電流取以2為底的對數(shù)，使得log2（IP）滿足中心設(shè)計要求，求解后再進行回代。這樣不僅可使實驗的覆蓋范圍較廣，而且實驗點前密后疏的分布能夠較好地解決“凹坑”消失前變化不明顯導(dǎo)致分辨度不高的問題。由此，將正交實驗得出的主要影響因素作為該設(shè)計的自然變量，完整的設(shè)計和結(jié)果，如表3所示。

表3 CCD實驗設(shè)計Tab.3 Central Composite Design Experiment

用計算機進行計算，在方差顯著水平為5%的條件下，得出的響應(yīng)模型為：

模型的擬合度及各因素的顯著性，如表4所示。

表4 響應(yīng)曲面的方差分析Tab.4 ANOVA for Response Surface Quadratic Model

從表4可以看出模型的F值為153.42，P＜0.0001，說明模型特征顯著，失擬項為0.3208不顯著，說明模型擬合良好。另外，預(yù)測值與實際值對比圖，如圖3所示。觀察可知，預(yù)測值與實際值大致在一條直線上，亦說明預(yù)測值與實際值相差不大，故模型能夠較好地擬合實驗點的數(shù)據(jù)。

圖3 預(yù)測與實際對比圖Fig.3 Forecast vs.Actual Chart

由表4可知，因素A-A、B-B、A2的影響效果非常顯著。上述過程得到了以因素A（log2（IP））與B（ON）為因變量的響應(yīng)曲面表達式，據(jù)其繪制出的響應(yīng)曲面模型圖以及回代后的響應(yīng)曲面模型圖，如圖4所示。圖4清晰地展示了“凹坑”在峰值電流與脈沖寬度影響下的分布情況，即“凹坑”存在于峰值電流與脈沖寬度均較小的情況，且消失邊界大致呈線性。當(dāng)峰值電流IP＞26 A或脈沖寬度ON＞6 μs時電極凹底損耗現(xiàn)象將不復(fù)存在。

圖4 響應(yīng)曲面模型圖Fig.4 Response Surface Model Diagram

3 機理分析

由上述分析可知，電流峰值與脈沖寬度對“凹坑”的形成起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)以峰值電流與脈沖寬度為主，從趨膚效應(yīng)、熱爆炸力、等離子體、流體動力4個角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有理論，對“凹坑”的形成機理進行分析。（1）趨膚效應(yīng)：在趨膚效應(yīng)的影響下，接負(fù)極的工具電極邊緣主要是冷發(fā)射出來的電子，而中部則為接正電的工件電極所發(fā)射出來的離子，能量越高粒子發(fā)射越明顯，工具電極底部中心受工件電極發(fā)射出來的離子轟擊作用產(chǎn)生“凹坑”。而峰值電流與脈沖寬度的增大會使凹底損耗減小的原因則由于尖端放電以及趨膚效應(yīng)使得電極邊角損耗增大，相應(yīng)地微細(xì)電極端面上留給“凹坑”存在的區(qū)域減小。（2）熱爆炸力：放電通道作用在電極表面的電動力，實際上可以分為兩種力，即指向軸線的徑向力和指向電極內(nèi)部的軸向力。而電流較小時徑向壓力作用不顯著，會阻礙金屬的擠出，所以從熔化的電極材料會在電極底部中心處聚集，并且在電場力與重力的作用下附著在工件表面上。另外，當(dāng)脈沖間隔較小時，放電集中發(fā)生于某一部位，也有利于在正極上生成覆蓋層。（3）磁流體動力：放電通道等離子體振蕩頻率與振幅隨電流密度與放電電流增大而增大，相應(yīng)地蝕除率也增加，而凹底損耗的峰值電流較小，磁流體動力作用效果不明顯。（4）流體動力：放電通道周圍的工作液會在高溫?zé)嵩醋饔孟職饣l(fā)生熱分解。在小脈寬下，蝕除產(chǎn)物大都是由氣泡破裂而被拋出的?？梢缘贸?，凹底損耗時電極材料的拋出主要依賴于此。

經(jīng)上述對凹底損耗的形成機理分析，可知在凹底損耗形成過程中，趨膚效應(yīng)使得電極的不同區(qū)域損耗不均，進而出現(xiàn)“凹坑”，而熱爆炸力與流體力又在材料的拋出過程中對“凹坑”的形成起了正向促進作用。電流峰值與脈沖寬度的影響是全方位多角度的，貫穿于“凹坑”形成的整個過程。

4 結(jié)論

通過對凹底損耗的影響因素及形成機理分析與總結(jié)，得出了以下結(jié)論：

（1）影響微細(xì)電極凹底損耗的主要因素為峰值電流、脈沖寬度，而脈沖間隔、抬刀速度對凹底損耗影響較?。?/p>

（2）隨著電流峰值與脈沖寬度的增大，“凹坑”逐漸減小，由響應(yīng)曲面模型得出凹底損耗出現(xiàn)在一個近似線性的范圍內(nèi)；

（3）趨膚效應(yīng)在“凹坑”的形成過程中起著重要作用。在小的峰值電流和脈沖寬度下，電極中部的材料蝕除量大于邊角部位，故而出現(xiàn)“凹坑”；

（4）在小的峰值電流和脈沖寬度下，熱爆炸力與流體動力不足以使融化的電極材料全部拋出，在電極底部中心附近的加工表面聚集，放電增強。