SiCp/Al二維超聲復(fù)合電解/放電加工的表面生成機(jī)理及試驗(yàn)研究

李 晶 陳灣灣 朱永偉

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

0 引言

金屬基復(fù)合陶瓷材料因其突出的優(yōu)點(diǎn)如硬度高、質(zhì)量輕、耐磨等，在航空零部件材料制備領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)往往無法高效、高質(zhì)加工，而特種加工技術(shù)是其未來的主要加工方向。旋轉(zhuǎn)超聲加工在硬脆難加工材料上表現(xiàn)顯著，其加工表面以類似于“微磨削”，生成較高質(zhì)量的工件表面［1-2］。電解加工在導(dǎo)電金屬的曲面、微小孔等加工領(lǐng)域上表現(xiàn)優(yōu)異［3-4］，而放電加工則在非導(dǎo)電材料加工上應(yīng)用較廣［5-7］。

面對復(fù)合材料的高質(zhì)量要求，需要充分利用各種加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、改進(jìn)工藝方式［8］。例如高速的超聲波振動(dòng)切削加工（HUVC）［9］，超聲復(fù)合磨削加工（UAG）［10］、超聲振動(dòng)鉆削加工（UVD）［11］等在加工難加工材料時(shí)都獲得較高的表面質(zhì)量。超聲振動(dòng)的方向影響著表面生成機(jī)理及形貌變化規(guī)律［12］。WANG［13］等人分析了切向超聲波振動(dòng)輔助研磨（TUAG）的表面形貌生成機(jī)理，磨粒對加工表面反復(fù)碾壓，加工表面更平整。GAO［14］在二維超聲振幅輔助研磨（UVAG）中通過多角度二維表面表征試驗(yàn)分析了軸向超聲的“加寬效應(yīng)”，有利于降低甚至消除相鄰溝槽的凸起高度。同時(shí)，LIU［15］發(fā)現(xiàn)了軸向振動(dòng)的溝槽加寬、切向超聲振動(dòng)的碾壓，二維超聲振動(dòng)比一維振動(dòng)更具有優(yōu)勢。電火花熔蝕、電化學(xué)腐蝕、機(jī)械磨削加工的共同作用下，表面粗糙度（Ra）比單一工藝降低一個(gè)數(shù)量級(jí)［16］。超聲促進(jìn)電解液充滿加工間隙、沖刷加工表面，排出產(chǎn)物和氣泡，提高電解加工精度和穩(wěn)定性［17］，提高放電頻率和次數(shù)，但較高電壓時(shí)對已生成表面進(jìn)行二次電解/放電加工，降低了表面精度。

二維超聲復(fù)合電解/放電加工技術(shù)發(fā)揮了碾壓、加寬和電解/放電整平作用優(yōu)勢，有必要對其表面生成機(jī)理進(jìn)行深入研究。本文從單磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡出發(fā)，研究二維超聲振動(dòng)輔助磨削加工和電解/放電加工對表面生成機(jī)理的影響，通過研磨面積比對加工表面溝槽的往復(fù)碾壓加寬效應(yīng)，電解/放電對溝壑的整平效應(yīng)來分析復(fù)合材料表面形貌和表面粗糙度的變化規(guī)律。

1 表面生成機(jī)理分析

二維超聲復(fù)合電解/放電加工（2UECM/EDM）是二維超聲振動(dòng)輔助磨削（2UM）、電解/放電加工（ECM/EDM）的有效復(fù)合，加工示意圖見圖1。工具旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿軸向超聲振動(dòng)，并以一定速度沿X向進(jìn)給，而工件沿工具進(jìn)給切向超聲振動(dòng)。鍍覆金剛石的導(dǎo)電工具連接到電源的負(fù)極，而工件連接到電源的正極，極間充滿低導(dǎo)電率的鈍性電解液。工具上單磨粒和工件的運(yùn)動(dòng)方程SP（t）、SW（t）可表示為：

圖1 加工示意圖Fig.1 Machining diagram

式中，n為刀具轉(zhuǎn)速；AZ和AX分別為工具軸向（Z向）和工件切向（X向）振幅；fZ和fX分別為工具和工件的振動(dòng)頻率；vw為工具進(jìn)給速度。

加工原理如圖2所示。極間通電時(shí)，工件金屬基因電解溶解而去除，加工過程產(chǎn)生的氣體聚集在工具表面，部分顆粒裸露出工件表面；當(dāng)氣膜形成且工件振動(dòng)改變極間電場強(qiáng)度至足夠擊穿氣膜時(shí)，極間發(fā)生放電熔蝕材料［18］；當(dāng)工件振動(dòng)位移使工具與工件接觸時(shí)，復(fù)合材料宏觀上更傾向于被磨粒塑性剪切去除。盡管二維振動(dòng)效應(yīng)增加了放電概率和頻率，但與電解和磨削相比較仍可忽略不計(jì)。即復(fù)合材料中的金屬基材料去除形式主要為電解溶解和塑性剪切，陶瓷基多為塑性剪切。復(fù)合材料特殊的材料去除形式，導(dǎo)致其獨(dú)特的表面生成機(jī)理。

圖2 加工原理Fig.2 Machining principles

1.1 單顆粒磨削表面的生成

磨削加工后的三維表面形貌是工具磨粒的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓的“復(fù)映”。沿進(jìn)給方向上磨粒刮磨的殘留高度在加工表面上形成與磨粒間距有關(guān)的凸起和凹槽。而二維超聲輔助磨削加工生成的表面是在普通磨削（GM）加工的基礎(chǔ)上，復(fù)合單顆粒二維超聲運(yùn)動(dòng)軌跡擬合的三維形貌［19］，其溝槽模型如圖3所示。單顆粒隨工件振動(dòng)而周期性地接觸-遠(yuǎn)離工件表面，即切向碾壓、研磨工件表面。而工具Z向振動(dòng)加寬了凹槽寬度。

圖3 磨粒側(cè)面磨削溝槽模型Fig.3 Groove model of abrasive side grinding

假設(shè)磨粒大小一致且分布均勻，每個(gè)單磨粒去除材料的形式和運(yùn)動(dòng)軌跡相同。在單位旋轉(zhuǎn)進(jìn)給周期內(nèi)，軸向和切向超聲作用下，單磨粒實(shí)際研磨投影長度Ls，投影寬度Lp，分別為：

式中，Lsg為工具旋轉(zhuǎn)一周的進(jìn)給距離，Lsg=vw/n；Lpg為溝槽平均間距，Lpg=cLpa，Lpa為單磨粒平均間距，c為與加工深度ae有關(guān)的修正系數(shù)。單磨粒作用面積Su是在GM磨削覆蓋面積Sg的基礎(chǔ)上增加了X和Z向超聲振幅的重疊面積，影響最終表面的生成。往復(fù)研磨區(qū)的面積比δs可表示為：

將2AX/Lsg稱為切向長度覆蓋比δX，將2AZ/Lpg稱為軸向長度覆蓋比δY，則：

當(dāng)δX=δY=0 時(shí)，δs=1，為普通磨削加工。當(dāng)δX＞0，δY＞0 時(shí)，δs＞1，意味著單磨粒對普通磨削加工區(qū)域至少完成一次碾壓覆蓋。一定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)給速度越小，Lsg值越小，則有效時(shí)間內(nèi)振動(dòng)次數(shù)越多，可認(rèn)為磨粒在X向和Z向刮磨域內(nèi)溝槽磨削和放電熔融復(fù)合材料后產(chǎn)生的凸起、電解溶解后的難溶物和裸露的增強(qiáng)顆粒均有效去除；兩向振幅的增加導(dǎo)致δs值增大，提高研磨投影面積，越可獲得更好表面質(zhì)量。

1.2 電解/放電表面形貌的生成

復(fù)合材料2UECM/EDM 加工表面的生成，則因金屬基和增強(qiáng)基材料的性能不同而不同。如圖4所示。二維超聲輔助磨削后的工件表面，因金屬基被電解溶解，實(shí)際隆起高度有所減少。增強(qiáng)顆粒因周圍材料被溶解而暴露或被完全釋放出工件表面而脫落，表面留下孔洞。

圖4 二維超聲電解/放電加工表面創(chuàng)成機(jī)理Fig.4 2UECM/EDM surface generation mechanism

忽略電解液參數(shù)的影響，則凹坑底部的電解加工深度he可表示為：

式中，C=DηωκUR，UR為電解液的歐姆電壓降；D為脈沖電源占空比；κ為電解液電導(dǎo)率；ω為體積電化學(xué)當(dāng)量；η電流效率；ke為考慮放電加工的系數(shù)。G（0G0≥a）為凹坑最低處初始間隙，tc為有效加工時(shí)間。復(fù)合材料中金屬基溝槽隆起部分的電解深度h′e為：

式中，Gus=G0-Rus。Rus為單磨粒磨削后溝槽凸起高度。則實(shí)際隆起部分的高度可表示為：

將式（7）和式（8）帶入式（9）可知，h′e＞he，則Rts＜Rus，Rts隨著電壓、加工間隙的增加而減小。

三維表面粗糙度可定義為，在長為ls和lp的表面上，做一中面lc使得三維形貌分為上下體積相等的兩部分，如圖4 所示。定義凹坑表面形貌高度為H（xe，yk）≤Rts，則二維超聲電解/放電加工的二維表面粗糙度模型可表示為m×n個(gè)采樣點(diǎn)的算術(shù)平均高度值，即：

從式（10）可知，磨粒高頻研磨工件表面時(shí)，增加單磨粒投影面積、隆起金屬基部分的電解深度，有利于減小殘余高度，從而降低表面粗糙度值。當(dāng)工具和工件參數(shù)一定時(shí)，面積比和電壓是實(shí)際磨粒作用路徑、材料去除機(jī)理以及最終的表面形貌的生成的主要影響參數(shù)。

2 試驗(yàn)

二維超聲復(fù)合電解/放電加工裝置如圖5 所示，包括三軸加工機(jī)床、超聲加工系統(tǒng)、電解/放電系統(tǒng)組成。通過X向超聲發(fā)生裝置將振動(dòng)傳遞至工件，在BT30刀柄上增加Z向超聲振動(dòng)裝置。工具通過導(dǎo)電滑環(huán)接入電源負(fù)極，工件接入電源正極，并浸沒在低電壓、低電流密度的電解液中組成電解/放電系統(tǒng)［17］。試驗(yàn)中使用的鎢鋼工具直徑為6 mm，且表面鍍覆金剛石磨粒，粒徑為150 μm。

圖5 試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental setup

工件材料為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（40SiCp/Al），其主要材料性能如表1所示。

表1 40SiCp/Al的材料性能Tab.1 Material properties of 40 SiCp/Al

電解液采用1wt%硝酸鈉水溶液。工件樣品的初始尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，加工前對50 mm×5 mm 的加工面進(jìn)行了研磨處理，并清理干凈。設(shè)計(jì)了普通磨削加工（GM）、磨削復(fù)合電解/放電加工（GECM/EDM）、二維超聲輔助磨削加工（2UM）和二維超聲復(fù)合電解/放電加工（2UECM/EDM）4 種工藝的對比試驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)給速度設(shè)置為10 mm/min，加工深度為0.01 mm，其他參數(shù)見表2。根據(jù)對比試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了不同單周旋轉(zhuǎn)進(jìn)給距離、電壓和振幅下的加工試驗(yàn)，如表3 所示。面積比計(jì)算值如表4 所示。使用表面輪廓儀（Counter GTX）進(jìn)行Ra測量、LSM 700激光顯微鏡進(jìn)行3D 表現(xiàn)形貌圖像制作、掃描電子顯微鏡（SEM）表征加工后的微觀表面。

表2 對比試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Parameter design for comparison experiments

表3 2UECM/EDM 參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.3 2UECM/EDM parameter design

表4 2UECM/EDM 的面積比值Tab.4 Area ratio of 2UECM/EDM

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 表面粗糙度

不同工藝技術(shù)的三維形貌對比見圖6。GM 加工的凹槽底部可見明顯的增強(qiáng)顆粒，在磨粒進(jìn)給路徑的兩側(cè)產(chǎn)生堆積，溝槽隆起部分高度和寬度都較為明顯。GECM/EDM 加工的凹槽底部可見較多顆粒，坑底部比GM 更為粗糙，凹槽邊緣同樣出現(xiàn)較多尖角狀，這是電解/放電作用留下的增強(qiáng)顆粒和難溶物。由于Z向超聲作用下，單磨粒與工件表面間斷性撞擊導(dǎo)致凹槽寬度增加，而X向超聲振動(dòng)左右下對金屬基材料進(jìn)行擠壓、對增強(qiáng)顆粒進(jìn)行拖曳碾壓，導(dǎo)致凹槽邊緣光滑和均勻、底部平坦，與GM 工藝相比，2UM 對材料的表面質(zhì)量有所改善。在2UECM/EDM中，電加工對表面凸起電解溶解、放電熔蝕，表面凸起高度降低。

圖6 不同工藝三維表面形貌Fig.6 3D surface morphology of different technologies

表面形貌參數(shù)對比如圖7 所示，2UECM/EDM 的Rts值約為11.3 μm，比GM、GECM/EDM 和2UM 分別減少了4.9，3.2 和1.6 μm。這表明二維超聲的研磨覆蓋和電解作用對Rts的降低均有效。GM 時(shí)的Lp約為67.3 μm，而在二維超聲和電壓作用下，2UECM/EDM 的Lp達(dá)到75.5 μm，其投影寬度大于無軸向振動(dòng)時(shí)的普通磨削，這意味著軸向振動(dòng)可增加磨粒磨削后的溝槽寬度，有利于溝槽底部的平整和邊緣的光滑。2UECM/EDM 的Ra僅為3.2 μm，比GM、GECM/EDM 和2UM 分別減小45.6%、24.0% 和9.2%。這意味著，增加振動(dòng)和電壓，利用軸向超聲的擴(kuò)寬作用、切向超聲的碾壓作用以及電解/放電的整平作用，直接影響Ra，有利于改善復(fù)合材料的表面質(zhì)量。

圖7 不同工藝表面形貌參數(shù)Fig.7 Surface morphology parameters of different technologies

圖8顯示了在不同參數(shù)下Ra的變化規(guī)律。Ra隨著Lsg的增加而增加，這是由于進(jìn)給速度的增加，有效時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)減少，研磨面積比降低。在4 V 電壓時(shí)的Ra取得最小值，較高電壓增加了電解溶解金屬基的深度，裸露的增強(qiáng)顆粒增加了表面不平整度，而較低的電壓無法有效減小隆起和溝槽的高度差，影響了表面質(zhì)量。圖8（c）中Ra隨著振幅的增加而減小，這意味著較大振幅時(shí)，增強(qiáng)基顆粒拖曳位移、碾壓面積比、凹槽寬度同比增大，加工表面得到改善。

圖8 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of process parameters on surface roughness

圖9 中面積比δs與表面粗糙度值Ra具有較大相關(guān)性，這與式（10）分析結(jié)果一致。二維超聲振動(dòng)對在面積比為1.8時(shí)表面粗糙度值出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，這與進(jìn)給速度有關(guān)。在4 和6 V 電壓下面積比為3.2時(shí)Ra比1.8 時(shí)分別降低了約16.7%和13.8%；當(dāng)相鄰磨粒面積比δs小于1.8 時(shí)，進(jìn)給速度較快，電解/放電加工時(shí)間較少，不同電壓下Ra并沒有顯著降低，對表面質(zhì)量的改進(jìn)作用較小。這意味著較大進(jìn)給速度下，小于5 μm 的振幅并不能顯著發(fā)揮超聲的輔助作用；而較小進(jìn)給速度時(shí)，選擇較小電壓和振幅仍能保證表面質(zhì)量。因此，不同電壓下的優(yōu)選區(qū)域內(nèi)的面積比可作為復(fù)合材料二維超聲電解/放電高效、高質(zhì)加工的工藝選擇。

圖9 不同電壓下Ra與δs的關(guān)系曲線Fig.9 Curve of Ra and δs at different voltages

3.2 表面形貌

不同電壓時(shí)復(fù)合材料加工表面SEM 圖如圖10所示。復(fù)合材料加工表面上較光滑的為金屬基材料，6 V電壓比4 V時(shí)的凸起高度小，意味著電加工的整平作用更明顯，但由于增強(qiáng)顆粒的非導(dǎo)電性，表面顆?？梢姅?shù)量多于4 V。盡管二維超聲對顆粒進(jìn)行碾壓，減少了凸起，較高電壓時(shí)電解/放電加工效應(yīng)顯著，電解/放電降低凸起高度的同時(shí)，電解二次加工增加了顆粒脫落后的孔洞數(shù)量和殘余顆粒的裸露深度，從而增加了粗糙度值。而從圖11可以看出，不同面積比時(shí)工具對加工表面的研磨效果。δs為1.89時(shí)，進(jìn)給速度較快，電解/放電加工時(shí)間增加，表面裸露的增強(qiáng)顆粒較多，與圖10（b）比較可知，二維超聲作用對表面改善作用并不明顯。δs為3.2 時(shí)，單磨粒研磨投影面積大于δs=1.89 和2.3 時(shí)，凸起高度與圖11（b）相比明顯降低，凹坑底部碾壓、抹平，孔洞減少，生成表面較為平整，提高了表面質(zhì)量。

圖10 不同電壓SEMFig.10 SEM pictures at different voltages

圖11 不同面積比SEMFig.11 SEM images with different area ratios

從上述結(jié)果可見，二維超聲振動(dòng)和電壓對表面形貌影響較大，在較大δs和適當(dāng)?shù)腢時(shí)取得較小表面粗糙度，而較大的電壓造成增強(qiáng)顆粒的裸露或脫落，表面留下較多孔洞，不利于質(zhì)量的提高。因此，較小進(jìn)給時(shí)可配置較小振幅，而較大進(jìn)給速度時(shí)應(yīng)增加振幅，降低電壓以減少電解對增強(qiáng)顆粒的孔洞效應(yīng)。

4 結(jié)論

通過研究二維超聲振動(dòng)復(fù)合電解/放電加工表面生成機(jī)理，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

（1）二維超聲振動(dòng)復(fù)合電解/放電加工表面是二維超聲輔助磨削加工和電解/放電加工共同作用下形成的。二維超聲振動(dòng)對表面溝槽和隆起的往復(fù)研磨、抹平，溝槽寬度增加、邊緣均勻。電解/放電加工整平磨削后的表面形貌，減小隆起高度差，降低表面粗糙度。

（2）隨著面積比的增大，加工表面得到改善。進(jìn)給速度較小時(shí)，δs的增加顯著降低表面不平度；進(jìn)給速度較大時(shí)，二維超聲研磨效果并不明顯。δs為1.8附近時(shí)Ra出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折區(qū)域，在4 和6 V 電壓下，面積比為3.2 時(shí)的Ra比1.8 時(shí)分別降低了約16.7%和13.8%；

（3）電壓的增加和進(jìn)給速度的降低使得電解/放電加工時(shí)間增加，電解孔洞和裸露的增強(qiáng)顆粒數(shù)量更多、分布更廣，Ra并沒有顯著降低，優(yōu)選區(qū)域內(nèi)的面積比可作為復(fù)合材料二維超聲電解/放電高效、高質(zhì)加工的工藝選擇參考。