電參數(shù)對SiCp/A l復(fù)合材料電火花深小孔加工的影響

蘭起洪，王玉魁，王振龍，劉洪政

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

電參數(shù)對SiCp/A l復(fù)合材料電火花深小孔加工的影響

蘭起洪，王玉魁，王振龍，劉洪政

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

采用電火花內(nèi)沖液加工方式，分別研究了開路電壓、伺服參考電壓、電容及電流等電參數(shù)對45%SiCp/Al與Al2024合金深小孔加工效率、電極損耗及加工孔徑的影響。結(jié)果表明：當(dāng)電源放電能量越大、放電頻率越高時(shí)，加工效率越高，且電極損耗越大；而在相同加工條件下，SiCp/Al的加工效率和電極損耗都明顯高于Al2024合金，且開路電壓和電容對SiCp/Al孔徑的影響較大。

電火花加工；電參數(shù)；SiCp/Al；深小孔

金屬基復(fù)合材料作為一種新型材料，結(jié)合了金屬和增強(qiáng)體的特性，極大地改善了單一金屬材料強(qiáng)度、韌性、耐磨損性、熱膨脹性、電性能、磁性能等諸多性能，自20世紀(jì)60年代以來，已發(fā)展成為復(fù)合材料的一個重要分支［1］。其中，SiCp/Al復(fù)合材料以其低廉的合成成本和高效的制備技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于國防、電子、航天航空、機(jī)械制造、地面交通等領(lǐng)域，并發(fā)揮著越來越不可替代的作用。而為實(shí)現(xiàn)減重、散熱、通氣等功能，有相當(dāng)數(shù)量的零部件需進(jìn)行微細(xì)孔和深小孔的加工。

由于SiCp/Al復(fù)合材料中陶瓷相SiC顆粒的高硬度和高耐磨性，使用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式會導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，需定期換刀和維護(hù)，工作量大。而電火花加工是以高溫融化的方式去除工件，對工件硬度要求不高，可處理材料范圍廣，通過控制電源放電能量、放電頻率及加工條件，便可實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料產(chǎn)品的微細(xì)化和復(fù)雜化加工。為了探究SiCp/Al復(fù)合材料電火花加工的工藝特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多相關(guān)的研究。為研究不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al對加工速度和電極損耗的影響，Seo等［2］對由體積分?jǐn)?shù)為15%、25%和35%的SiCp/Al組成的梯度材料進(jìn)行了相關(guān)的電火花工藝實(shí)驗(yàn)。Iosub［3］和Mohan［4］等研究了工具電極直徑、脈寬、電流、轉(zhuǎn)速及沖液對加工SiCp/Al的加工速度、電極損耗和表面質(zhì)量的影響。胡富強(qiáng)等［5］通過對比實(shí)驗(yàn)證明了使用混粉能有效提高電火花加工SiCp/Al復(fù)合材料的表面質(zhì)量。祁立軍［6］針對5%和10%的SiCp/Al進(jìn)行了電火花線切割加工工藝研究，分析了各電參數(shù)和SiC顆粒對SiCp/Al加工效率及表面粗糙度的影響。但目前針對SiCp/Al深小孔加工的研究較少，進(jìn)行相關(guān)的工藝試驗(yàn)研究顯得十分必要。

本文基于實(shí)驗(yàn)室高速主軸電火花內(nèi)沖液加工機(jī)床，采用內(nèi)沖液的方式，對45%SiCp/Al和Al2024合金進(jìn)行了一系列深徑比為11的深小孔加工實(shí)驗(yàn)，分別研究了開路電壓、伺服參考電壓、電容及電流對SiCp/Al電火花深小孔加工效率、電極損耗及加工孔徑的影響，為高效高質(zhì)量加工SiCp/Al材料提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床見圖1，主要包括機(jī)床本體、XYZ光柵軸、旋轉(zhuǎn)主軸、導(dǎo)向器、調(diào)速器、沖液系統(tǒng)及電控柜等。其中，System-3R系列高速主軸可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，可調(diào)范圍為0～2000 r/min，能實(shí)現(xiàn)均勻的間隙放電，且最大可承受7MPa（70 bar）的沖液。相比于以往的浸液加工，內(nèi)沖液加工能有效地改善加工間隙環(huán)境，提高放電頻率。機(jī)床還使用專用夾具，可夾持直徑0.09～3mm的中空或?qū)嵭墓ぞ唠姌O。此外，由于使用的工具電極從工件表面到夾持部分距離較遠(yuǎn)，需配備導(dǎo)向裝置，防止工具電極在加工時(shí)出現(xiàn)擺動而影響加工孔的質(zhì)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)用機(jī)床及其部件

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將厚5.5mm的工件裝夾在機(jī)床工作臺上，進(jìn)行深徑比為11的微細(xì)深小孔加工。先通過單因素實(shí)驗(yàn)法研究開路電壓、伺服參考電壓、電容及電流對SiCp/Al和Al2024合金的加工效率及電極損耗的影響；再通過正交試驗(yàn)探究上述參數(shù)組合對SiCp/Al加工孔徑的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)主要研究開路電壓、伺服參考電壓、電容及電流對SiCp/Al復(fù)合材料和Al2024合金的深小孔加工特性的影響。表1所示的基本參數(shù)在整個加工過程中均保持不變。單因素實(shí)驗(yàn)的因素水平取值見表2，其中，伺服電壓比為伺服參考電壓與開路電壓的比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為3次實(shí)驗(yàn)后取平均值所得。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)因素水平表

2.1 電參數(shù)對加工效率的影響

由圖2可知，SiCp/Al與Al2024合金的加工速度會隨著開路電壓的增加及伺服參考電壓的降低而提高。根據(jù)RC脈沖電源能量公式：

式中：W為電源放電能量；C為放電電容；U為開路電壓?？芍?，當(dāng)開路電壓越大，RC脈沖電源所釋放的能量越大，單位脈沖所能蝕除的材料就越多，加工速度越快。對伺服參考電壓而言，主要影響加工間隙的大小，當(dāng)伺服參考電壓越小時(shí)，加工間隙越小，而小的加工間隙可有效提高電火花的擊穿概率，提高加工速度。

圖3反映了電容對加工速度的影響規(guī)律。可看出，SiCp/Al和Al2024合金的加工速度都隨著電容的增加呈先增加、后降低的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)電容值越大時(shí)，脈沖電源所釋放的能量越大，但同時(shí)也延長了電容充放電的時(shí)間；當(dāng)電容值較小時(shí)，影響加工速度的主要因素是脈沖能量，此時(shí)，脈沖能量對加工速度的影響遠(yuǎn)大于充放電延時(shí)所帶來的影響，加工速度會隨著電容的增加而提高；而一旦電容超過臨界值后，脈沖能量對加工速度的影響將逐漸小于充放電延時(shí)所帶來的影響，此時(shí)，加工速度會隨著電容的增加逐漸降低。

圖2 伺服電壓比對SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工速度的影響規(guī)律

圖3 電容對SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工速度的影響規(guī)律

電流對加工速度的影響規(guī)律見圖4。可看出，SiCp/Al及Al2024合金的加工速度都隨著電流的增加而提高。根據(jù)公式：

式中：Q為電容充電電荷?？芍?dāng)電壓和電容一定時(shí)，電流的大小主要影響了電容的充放電時(shí)間。當(dāng)電流越大時(shí)，充電時(shí)間越短，電源放電頻率越快，在相同時(shí)間內(nèi)所能蝕除的材料越多，加工效率越高。

圖5是在電流為0.12、0.62 A時(shí)加工SiCp/Al的波形圖?？煽闯觯鼈儗?7 kpF電容充電的時(shí)間分別約為250μs和150μs。且從圖4可看出，電流為0.62 A時(shí)的加工速度與電流為0.12 A時(shí)的加工速度的比值近似5∶3。

但在同等加工條件下，SiCp/Al復(fù)合材料的加工速度明顯高于Al2024合金的加工速度，主要有以下兩點(diǎn)原因：首先，從圖6所示的放電波形可看出，加工SiCp/Al時(shí)電源放電充分，而加工Al2024合金時(shí)則出現(xiàn)了十分嚴(yán)重的短路和放電不充分的現(xiàn)象；其次，在去除方式上，Al2024合金主要以高溫熔化及電火花爆炸的形式去除，在其表面會產(chǎn)生大量的裂紋，而SiCp/Al中因含有SiC顆粒，除了基體以熔化及爆炸的形式去除外，還帶有SiC顆粒的整體性脫落，形成較大的凹坑，大大提高了加工速度。

圖4 電流對SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工速度的影響規(guī)律

圖5 不同電流時(shí)的電源放電波形

圖6 SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工放電波形及內(nèi)壁形貌

2.2 電參數(shù)對電極損耗的影響

如圖7所示，加工SiCp/Al與Al2024合金的電極損耗都隨著開路電壓的增加而增大。這是因?yàn)楫?dāng)開路電壓越大時(shí)，單個電源脈沖釋放的能量越大，而電火花加工是一個正負(fù)極相互作用的過程，在加快蝕除工件的同時(shí)也加快了電極的自身損耗；且能量越大，加工間隙所集聚的熱量也越大，當(dāng)熱量無法及時(shí)擴(kuò)散時(shí)，也會加劇工具電極的自身損耗。而伺服參考電壓主要影響的是加工間隙的擊穿概率，對電極損耗方面的影響不大。

圖7 伺服電壓比對SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工電極損耗的影響規(guī)律

電容對電極損耗的影響見圖8。可看出，加工SiCp/Al與Al2024合金的電極損耗都隨著電容的增加而增大。這與電壓對電極損耗造成的影響是相似的。當(dāng)電容越大時(shí)，電源產(chǎn)生的能量越高，電極損耗越多。

圖8 電容對SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工電極損耗的影響規(guī)律

圖9是電流對電極損耗的影響規(guī)律?？煽闯?，隨著電流的增加，加工SiCp/Al和Al2024合金的電極損耗總體呈上升趨勢，但最后會趨于平緩。這是因?yàn)殡娏髦饕绊懙氖请娫吹某浞烹婎l率，電流越大，電源充放電時(shí)間越短，反之亦然。當(dāng)電流較小時(shí)，加工間隙有足夠的時(shí)間進(jìn)行消電離，拉弧不易發(fā)生；但隨著電流的持續(xù)增大，充放電時(shí)間越來越少，引起拉弧的幾率變大，加工環(huán)境變差，電極損耗增加，加工過程變得極不穩(wěn)定；若繼續(xù)增大電流，對工件加工表面會造成嚴(yán)重的燒蝕，應(yīng)盡量避免。

圖9 電流對SiCp/Al和Al2024合金深小孔加工電極損耗的影響規(guī)律

但在相同的加工條件下，SiCp/Al深小孔加工的電極損耗約為Al2024合金深小孔加工電極損耗的3～4倍，且電極損耗隨參數(shù)變化得更劇烈。這主要是因?yàn)樵赟iCp/Al中含有大量的SiC顆粒，一旦脫落進(jìn)入加工間隙，將使加工環(huán)境變差，尤其是在深小孔加工中，加工屑更難排出，易引起拉弧或集中放電現(xiàn)象，大大增加了電極損耗。

2.3 電參數(shù)對孔徑大小的影響

為探究各參數(shù)組合對SiCp/Al深小孔加工孔徑大小的影響，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。將開路電壓、伺服電壓比、電容和電流劃分為3個水平，具體取值情況及結(jié)果分析見表3～表5。

表3 正交試驗(yàn)各電參數(shù)變量水平取值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：開路電壓與電容對加工孔徑的影響較大，而電流和伺服參考電壓對孔徑的影響要小得多；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還得出開路電壓80 V、伺服參考比70%、電容10 kpF、電流0.62 A為SiCp/Al深小孔加工的最優(yōu)參數(shù)組合。圖10是在上述最優(yōu)參數(shù)組合條件下加工得到的深小孔電鏡圖?？煽闯?，孔的一致性很好。

3 結(jié)論

本文基于高速主軸電火花內(nèi)沖液深小孔加工機(jī)床，分別研究了開路電壓、伺服參考電壓、電容及電流對45%SiCp/Al和Al2024合金電火花深小孔加工的影響。由于SiCp/Al中存在SiC顆粒，導(dǎo)致其加工速度和電極損耗都比Al2024合金大，但它們隨著電參數(shù)的改變而變化的趨勢基本一致，即當(dāng)電源放電能量越大、放電頻率越高時(shí)，加工效率越高且電極損耗越大；其中，開路電壓和電容對SiCp/Al加工孔徑的影響大，而伺服參考電壓和電流對加工孔徑的影響不顯著。最后，由正交試驗(yàn)得到開路電壓80 V、伺服電壓比70%、電容10 kpF及電流0.62 A為SiCp/Al深小孔加工的最優(yōu)參數(shù)組合。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

表5 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10 加工SiCp/Al深小孔電鏡圖

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The Effect of Electrical Parameters on Processing Deep M icro-hole of the SiCp/A l

Lan Qihong，Wang Yukui，Wang Zhenlong，Liu Hongzheng
（School ofMechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

By the way of inner jetted electro-discharge machining，the effect of the electrical parameters（open-circuit voltage，servo reference voltage，capacitance and current）on material removal rate，tool wear rate and diameter of machining processing deep micro-holes of 45%SiCp/Al and Al2024 alloy were investigated.It turns out that when the power produces larger discharge energy and higher discharge frequency，the material removal rate and tool wear rate is more.But under the same machining conditions，the material removal rate and tool wear rate ofmachining SiCp/Al ismore than machining Al2024 alloy，in which the open-circuit voltage and capacitance impact the diameter of machining holes greatly.

EDM；electrical parameters；SiCp/Al；deep micro-hole

TG661

A

1009－279X（2015）03－0026-05

2015-03-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275112）

蘭起洪，男，1989年生，碩士研究生。