高速電弧放電加工的多孔電極制備

徐 輝，洪 漢，顧 琳，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

高速電弧放電加工的多孔電極制備

徐 輝，洪 漢，顧 琳，趙萬生

（上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

高速電弧放電加工是利用流體動力斷弧機制實現(xiàn)對電弧的有效控制從而去除材料的。流體動力斷弧機制的實現(xiàn)依賴于高速的極間流場動力，該動力需由多孔電極的強制內(nèi)沖液提供。首先闡明了選擇石墨作為多孔電極材料的原因；其次，完成了集成CAD、CAE（主要是CFD）和CAM的多孔電極設(shè)計、仿真及制造的軟件模塊，這些模塊能依據(jù)加工工件的特征快速、高效地完成對應(yīng)多孔電極的制備；最后，為了驗證制備的一系列多孔電極的電弧加工能力，對典型工件包括具有復(fù)雜3D型腔的零件進行了加工實驗。結(jié)果表明：基于多孔電極的高速電弧放電加工能實現(xiàn)很高的材料去除率（MRR＞14 000 mm3/min）和較低的工具損耗率（TWR＜1%），故特別適用于以難切削材料的大余量去除為主的粗加工。

高速電弧放電加工；多孔電極；內(nèi)沖液；電極制備

電火花加工是一種電熱轉(zhuǎn)換的過程，加工中刀具和工件是非接觸式的，這些特性決定其能加工可導(dǎo)電材料而不需考慮材料硬度。因而，傳統(tǒng)電火花加工廣泛應(yīng)用于模具、醫(yī)療器械、汽車部件、航空航天設(shè)備及能源設(shè)備等的制造。然而，隨著技術(shù)的進步，電火花加工效率低、周期長的瓶頸使其面臨新的加工方式（如高速銑削、激光等）的嚴峻挑戰(zhàn)，電火花加工使用領(lǐng)域也不斷萎縮[1-3]。電火花加工效率低的主要原因是其材料去除機制存在問題，即采用更高能量密度時，易產(chǎn)生電弧放電和集中放電而燒壞工件表面[4]。因此，尋求一種新的放電機制是放電加工革新的突破點。

實驗證明，電弧放電比火花放電擁有更高的能量密度。因而，放電加工時如何有效控制電弧，以避免產(chǎn)生放電集中和加工過熱，進而提高加工效率，是提高放電加工效率的關(guān)鍵。近年來，研究人員在利用電弧放電加工方面取得了實質(zhì)性的突破[5-8]。趙

萬生等發(fā)現(xiàn)的“流體動力斷弧”機制及發(fā)明的高速電弧放電加工方法依賴于多孔結(jié)構(gòu)的電極。相比于傳統(tǒng)的電火花加工，沖液在高速電弧放電加工過程中是一種主要的斷弧方式。與電火花加工的實體或單孔電極相比，高速電弧放電加工首創(chuàng)的貫通式多孔結(jié)構(gòu)是該電極的主要特征。高速電弧放電加工具有材料去除率很高、工具損耗率較低的特征，主要適用于去除大量材料的粗加工階段。用于粗加工的多孔電極要求制備過程高效、經(jīng)濟和通用，這樣才能降低高速電弧放電加工的總成本。其制備過程元素主要包括電極材料選擇、電極形狀設(shè)計和制造，其中最主要的是沖液孔的設(shè)計和加工（圖1）。

圖1 多孔電極制備過程元素

1 多孔電極的材料

電極材料對高速電弧放電加工性能的影響巨大，選擇合適的電極材料是多孔電極設(shè)計的首個關(guān)鍵因素。首先，所選材料應(yīng)具備電極的基本性能，如導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、熔點高、抵抗變形能力強。其次，由于高速電弧放電加工主要用于工件的粗加工階段，故多孔電極材料還要滿足價廉、易加工、材料去除率超高、電極損耗較低等要求。

1.1 優(yōu)良的多孔電極材料-石墨

由于高速電弧放電加工電流是主要的“切削刀具”，較高的導(dǎo)電率（或較低的電阻率）能促進有效的加工。理論上，任何導(dǎo)電材料都可作為多孔電極的材料；但由于電弧加工是一種電熱過程，可推定，高熔點的電極材料損耗率將會更低。此外，高速電弧放電加工是不產(chǎn)生切削力的過程，但從微觀尺度上觀察，每一次電弧放電都會有極強的爆炸過程；同時，電極材料端面尤其是沖液出口會被施加相當大的沖液作用力。因此，選擇材料時需考慮其力學(xué)性能，包括抗拉強度、橫向斷裂強度、晶粒尺寸和硬度等。

常用成形電極材料有紫銅、石墨、黃銅、石墨滲銅等幾種，其物理性能見表1。

表1 電極材料的物理性能[9]

電弧放電加工瞬時產(chǎn)生極高的熱量，中心溫度可達10 000 K以上，這就要求電極材料具有極高的熔點及比熱容，保證加工時電極有很好的抵抗熱腐蝕的能力。對比可知，石墨和鎢電極更符合上述要求；但由于鎢的價格比石墨貴且難加工，所以石墨最適合作為多孔電極的材料。

1.2 多孔電極的電極損耗形式

多孔電極的損耗根據(jù)發(fā)生的位置[10]主要可歸為體積損耗、邊緣損耗、底面損耗、側(cè)面損耗四類。實驗觀察證明，高速流場使最大流速發(fā)生在多孔電極底面的邊緣，導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生更劇烈的電弧放電，所以多孔電極的損耗主要是邊緣損耗。因此，多孔電極的底面邊緣采用倒角或圓弧過渡的設(shè)計，能更好地避免產(chǎn)生更大的電極邊緣磨損。初期實驗也證明，多孔電極的形狀也會影響電極的磨損，因為不同的電極形狀會產(chǎn)生差異非常大的間隙流場分布。通過對比，根據(jù)磨損程度從低到高，電極形狀依次為：圓形、正方形、長方形和三角形。

2 多孔電極的制備過程

多孔電極的制備是一個復(fù)雜的過程，需考慮多方面的因素。通過構(gòu)建集成CAD、CAE（CFD）和CAM的模塊系統(tǒng)，把各個要素有機地結(jié)合起來，從而提高電極制備的效率。各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流程見圖2。

圖2 集成CAD、CAE（CFD）和CAM的多孔電極制備流程

2.1 多孔電極的CAD設(shè)計

多孔電極制備的另一個重要過程是多孔電極的CAD設(shè)計。首先，設(shè)計的電極要確保有效的極間沖液；其次，根據(jù)加工零件的特征，盡可能地簡化和優(yōu)化電極形狀，以減少電極的制備時間和成本；最后，采用電極反拷貝加工工件時，要為下一步的半精和精加工留下合適的加工余量。CAD設(shè)計的多孔電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，電極系統(tǒng)由夾具、電極和電極沖液孔三部分構(gòu)成。時，根據(jù)多個孔的排列形式和加工時的電極運動軌跡，把多孔電極分為采用“沉入式”加工的成形電極和采用“銑削”加工的集束電極。圖4是各電極的形狀和主要加工進給方式。

圖3 高速電弧放電加工多孔電極設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖4 多孔電極的形式

2.1.1 多孔電極3D輪廓的CAD設(shè)計

為了擴大高速電弧放電加工的應(yīng)用范圍，需根據(jù)不同加工零件的形狀設(shè)計多種多孔電極。設(shè)計

2.1.2 多孔電極沖液孔的CAD設(shè)計

多孔結(jié)構(gòu)是高速電弧放電加工電極的主要特征，是電極制備階段的主要設(shè)計內(nèi)容。多孔電極沖液孔的設(shè)計直接關(guān)系到?jīng)_液流量的大小和均勻度，進而影響高速電弧放電加工的速度、電極損耗和表面質(zhì)量。多孔電極的沖液方式為強化的內(nèi)沖液，因而電極沖液孔應(yīng)設(shè)置為從沖液腔直通入放電間隙。初期的實驗證明，沖液孔的位置和大小是影響加工性能最明顯的因素。

圖5是電極加工面的2種不同的布孔方案。方案a的孔在電極端面是以相同直徑（2 mm）均勻布置 （圖1a）；方案b的孔在電極端面是以不同直徑

（3、3、2、1 mm）依次遞減。所設(shè)計的不同沖液孔的電極可通過仿真進行方案優(yōu)選。

圖5 不同的電極孔布置方案

2.2 多孔電極流場的CAE沖液仿真

多孔電極的CAE設(shè)計主要是CFD仿真，通過CFD進一步驗證所設(shè)計的極間間隙的高速流場，進而初步預(yù)測加工結(jié)果。將圖5所示的2種方案在CFD軟件Fluent 6.3環(huán)境里進行仿真對比。該仿真模擬了沖液從夾具兩端的沖液入口經(jīng)沖液腔、沖液孔流入放電間隙的過程，沖液入口流速為0.5 m/s，流動模型為湍流，其仿真結(jié)果見圖6。

圖6 沖液流速仿真結(jié)果對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，方案b從中心到邊緣的沖液孔流速變化比方案a更均勻，放電間隙的流場也更均衡，因而在間隙底面中心位置，方案b的電弧放電加工受到更強的流場作用，從而避免了電弧的集中和過度放電所導(dǎo)致的中心位置的表面燒傷，加工出的工件表面質(zhì)量更好。

2.3 多孔電極的CAM制造

傳統(tǒng)的成形工具電極制備方法包括模壓、鑄造、擠壓/拉拔、電火花線切割和磨削，最常用的是車削和銑削。隨著電火花加工技術(shù)的發(fā)展，其他快速電極制備方法（如粉末冶金、電鑄和快速成形等）也不斷出現(xiàn)[11]。多孔電極CAD設(shè)計和CAE（CFD）優(yōu)化后，其模型可在UG的CAM環(huán)境中生成電極制備的NC代碼。CAM能分別生成沖液孔鉆削和電極輪廓銑削的NC代碼，且不需手工干預(yù)，這樣就提高了電極制備的效率和精度。

首先，在CAM環(huán)境中，沖液孔的加工位置可由UG直接生成。因此，設(shè)計電極時，沖液孔的布置可根據(jù)實際需要任意布置，不需考慮每個加工孔的定位，大大節(jié)省了人工成本。其次，生成電極3D輪廓高速銑削所需的NC代碼，其過程和機械加工的高速銑削類似。所有生成的代碼都需經(jīng)過后置處理，并輸入數(shù)據(jù)庫進行保存，以適應(yīng)于不同的加工機床。最后，經(jīng)實驗摸索，在加工中心上對電極孔和3D輪廓進行加工時，直徑2 mm、長50 mm沖液孔的加工時間不到3 min，而復(fù)雜的3D電極輪廓銑削更是少于10 min，極大縮短了多孔電極的加工時間。

3 多孔電極的高速電弧放電加工性能

3.1 多孔電極的高速電弧放電加工過程

圖7是多孔電極的高速電弧放電加工過程參數(shù)，與電火花加工相比有著很大的不同。其加工過程表明，不僅電源參數(shù)影響加工性能，沖液孔設(shè)計也起到?jīng)Q定性作用。選用合適的電源參數(shù)、沖液參數(shù)和優(yōu)化的多孔電極，加工難切削材料時，能獲得超高的材料去除率和超低的工具損耗率，并保證一定的工件表面質(zhì)量。整個多孔電極的設(shè)計和加工快速、穩(wěn)定，實現(xiàn)了多孔電極的高速電弧放電加工用于粗加工時的經(jīng)濟性。

圖7 多孔電極的高速電弧放電加工過程參數(shù)

3.2 多孔電極高速電弧放電加工的典型工件

多孔電極分為簡單形狀電極和復(fù)雜3D形狀電極，對應(yīng)的工件加工方式也分為簡單電極的銑削加工和復(fù)雜電極的“沉入式”加工。圖8是簡單形狀的多孔電極電弧放電銑削加工出的工件，簡單電極銑削加工類似于機械銑削加工，但不產(chǎn)生切削應(yīng)力。圖9是復(fù)雜形狀的多孔電極所采用的 “沉入式”加工，圖9a是多孔實體電極，圖9b是采用該電極加

工出的流道。該加工方式類似于電火花加工，但加工效率更快，加工長40 mm、深30 mm的流道所需時間在10 min以內(nèi)。因此，根據(jù)加工零件的形狀，分別采用不同的多孔電極和不同的加工方式，可高速高效地加工出零件的輪廓，這是高速電弧放電加工應(yīng)用于難加工材料粗加工階段的主要技術(shù)優(yōu)勢。

圖8 多孔電極銑削加工的型腔

圖9 多孔電極“沉入式”加工

4 結(jié)論

高速電弧放電加工的流體動力斷弧機制依賴于多孔電極提供的極間強化的高速沖液，因此，快速、高效和經(jīng)濟地制備多孔電極是高速電弧放電加工大范圍應(yīng)用的關(guān)鍵。

（1）石墨是制造多孔電極最合適的材料。

（2）構(gòu)建出的集成CAD、CAE（CFD）和CAM的多孔電極制備系統(tǒng)，能有效地提高電極的制備速度和準確性。

（3）實驗證明依據(jù)加工零件的特征，可制備不同形式的多孔電極，從而實現(xiàn)不同的高速電弧放電加工方式。

（4）多孔電極的制備具有高效性和經(jīng)濟性，因而適用于粗加工階段的高速電弧放電加工。

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Tooling of Multihole Electrode Using by Blasting Erosion Arc Machining

Xu Hui，Hong Han，Gu Lin，Zhao Wansheng
（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Blasting erosion arc machining(BEAM)based on hydrodynamic arc breaking mechanism to control arcing process is proposed to remove bulk material.The mechanism is dependent on the high-speed inner flushing which flows through the multihole electrode and then is enhanced in the gap. In this study，it firstly illuminated the technology advantages of using graphite as the electrode material. Secondly，it completed the software modules with integrated CAD，CAE(mainly using CFD)and CAM to design，simulate and manufacture multihole electrode.The software modules can quickly complete the tooling multihole electrode according to the character of parts.Lastly，it machined typical parts with complex 3D contour in order to certify the machining performance.Experiments show that BEAM with multihole electrode can attain higher material removal rate (MRR＞14 000 mm3/min)and lower relative tool wear ratio (TWR＜1%)，which suggest BEAM is adaptive to remove bulk difficult-to-cut materials at the stage of rough machining.

blasting erosion arc machining；multihole electrode；inner flushing；tooling electrode

TG661

A

1009－279X（2014）03－0008-05

2013-12-30

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（51235007）第一作者簡介：徐輝，男，1982年生，博士研究生。