SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料電加工性能研究*

祁立軍，馬保吉，于靈敏，郭永春

(1.西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心,西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021；3.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院,西安 710021)

鋁基復(fù)合材料是以鋁合金作為金屬基體加入一定的增強(qiáng)相，經(jīng)過一系列處理工藝，鑄造出的復(fù)合材料.鋁基復(fù)合材料的性能取決于基體合金和增強(qiáng)相的特性、含量和分布等，其比強(qiáng)度和比剛度高，高溫性能好，耐疲勞和耐磨，阻尼性能好，熱膨脹系數(shù)低，作為一種新型材料在汽車工業(yè)、航空航天等多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3].采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法加工SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，刀具磨損劇烈，加工成本高[4-5]，研究鋁基復(fù)合材料的電火花加工工藝，探討加工機(jī)理，對于促進(jìn)這種材料的應(yīng)用，具有重要意義.學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究.文獻(xiàn)[6]對體積分?jǐn)?shù)為56%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了電火花加工工藝實(shí)驗(yàn)研究，探索了電流、脈寬和脈間等參數(shù)對電火花加工速度和電極損耗的影響，得出合理的加工參數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電極直徑為?18 mm時(shí)，電流為16 A、脈寬為250～350 μs、脈間為100 μs時(shí)，可進(jìn)行復(fù)合材料的高效加工.文獻(xiàn)[7]研究了電參數(shù)對電火花線切割加工SiCp/LY12復(fù)合材料的切割速度和表面粗糙度的影響;用掃描電鏡分析了復(fù)合材料線切割加工表面的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)形貌，并初步分析了材料去除原理.文獻(xiàn)[8]對體積分?jǐn)?shù)為15%及20%的材料進(jìn)行了電火花線切割研究，實(shí)驗(yàn)證明切割速度和表面粗糙度與電加工參數(shù)及晶須的體積分?jǐn)?shù)和分布狀態(tài)有關(guān)，并對加工表面進(jìn)行了電鏡表征.文獻(xiàn)[9]研究了用渦流技術(shù)及壓鑄技術(shù)制備的鋁基復(fù)合材料的電火花加工工藝，發(fā)現(xiàn)材料去除率及表面粗糙度隨著電流的增加而增加.加工工件表面光潔度隨著SiC含量的增加而提高.文獻(xiàn)[10]用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對混粉電火花加工鋁基復(fù)合材料的加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以降低電極損耗提高表面粗糙度.文獻(xiàn)[11]用正交實(shí)驗(yàn)的方法研究了電火花加工鋁基復(fù)合材料加工參數(shù)對表面粗糙度的影響，結(jié)果表明脈寬和電流對表面粗糙度的影響最大.文獻(xiàn)[12]用鎢銅作為電極，采用田口方法對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行了電火花加工實(shí)驗(yàn)研究，研究了脈寬、脈間和電流對材料去除率、電極損耗率以及表面粗糙度的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)電流、脈寬對材料去除率、電極損耗和表面粗糙度的影響較大，并得出了最優(yōu)加工參數(shù)組合.文獻(xiàn)[13]以石墨為電極，研究了電火花加工參數(shù)對鋁基復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明電流和脈間對材料去除率、電極損耗和表面粗糙度的影響較大，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化.文獻(xiàn)[14]研究了電火花加工鋁基復(fù)合材料中電流、脈寬及增強(qiáng)顆粒的含量對材料去除率和表面粗糙度的影響，并用電鏡觀察了表面形貌.發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨電流、脈寬及顆粒含量的增加而增大.材料去除率隨電流、脈寬增加而增加，隨增強(qiáng)顆粒含量減小而增加.

盡管國內(nèi)外的學(xué)者對鋁基復(fù)合材料的電火花加工做了一些研究，由于鋁基復(fù)合材料的電火花加工表面質(zhì)量、材料去除率和電極損耗率的影響因素很多，與電極材料也有較大關(guān)系，因此有必要對電火花加工參數(shù)對加工表面質(zhì)量影響進(jìn)行探討.文中通過電火花加工實(shí)驗(yàn)，研究了電火花線切割加工電參數(shù)(脈寬、脈間、電壓和電流)對加工SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工效率和表面粗糙度的影響，以期得到電火花線切割電參數(shù)對加工SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的材料為以粒徑為10 μm的SiC顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具體成分見表1.

表1 5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料成分

電火花線切割實(shí)驗(yàn)采用FW2型電火花線切割機(jī)床(AGIE Charmilles公司生產(chǎn)).快走絲一般分成數(shù)控電源柜和主機(jī)兩大部分，電柜主要由管理控制系統(tǒng)、高頻電源和伺服驅(qū)動(dòng)等部分組成；主機(jī)主要由X、Y軸(有的帶U、V軸)、工作臺(tái)、絲筒、立柱(或絲架)和工作液箱等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 電火花線切割機(jī)床示意圖

采用SRT-1(F)型表面粗糙度測試儀進(jìn)行表面粗糙度的測量.此外還用到Fei Quanta 400掃描電鏡，表征被加工表面的形貌.

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)方法.電火花線切割加工的主要電參數(shù)包括：脈寬、脈間、峰值電流和峰值電壓.為了得到各參數(shù)對加工效率及表面粗糙度的影響規(guī)律，對脈寬、脈間、峰值電流和峰值電壓4種放電參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)步驟如下：① 按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加工工藝參數(shù)，開啟機(jī)床，對試樣進(jìn)行電火花線切割加工實(shí)驗(yàn)，記錄其加工參數(shù)、加工時(shí)間和加工速度等，加工實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，清理機(jī)床.② 在超聲波清洗機(jī)中加入去離子水，清洗線切割加工試件，以去除試件表面黏附的冷卻液及電火花生成物等雜質(zhì).③ 用脫脂棉蘸丙酮擦拭試樣，以去除黏附的雜質(zhì)及試件表面油脂.④ 檢測加工試樣表面粗糙度.⑤ 表征加工試樣表面形貌.⑥ 對實(shí)驗(yàn)及檢測結(jié)果進(jìn)行分析.

在對5%SiC增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行電火花線切割單因素實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用直徑為0.2 mm的鉬絲為加工電極，將樣件以懸臂形式進(jìn)行裝夾，用鉬絲找正，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行加工.其加工是以脈寬值取10 μs，其物理意義為脈沖放電時(shí)間為11 μs，脈間值取0 μs，其物理意義為脈沖間歇時(shí)間為5 μs，功率管數(shù)取值為6 管，其物理意義為峰值電流為30 A，間隙電壓取值為3 V，其物理意義為峰值電壓為60 V，來作為電加工參數(shù)基準(zhǔn).在此基礎(chǔ)上，設(shè)置相應(yīng)的電參數(shù)，進(jìn)行電火花線切割加工實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，所列數(shù)值取平均值.加工參數(shù)取值見表2.

表2 單因素實(shí)驗(yàn)電加工參數(shù)取值

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 脈寬對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響

為了研究脈寬對線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工效率和表面粗糙度的影響關(guān)系，按照表2取脈寬值進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.

用單位時(shí)間內(nèi)線切割面積表示線切割加工效率，從表3 可以看出，在對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行脈寬為變量的電火花線切割加工工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)，脈寬由3 μs開始增大時(shí)，其加工效率急劇增加，脈寬增至15 μs時(shí)，其加工效率達(dá)最大值134.64 mm2·min-1.隨著脈寬的增加，其加工效率呈直線線性下降.這是由于SiC顆粒含量為5%，其對于鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性影響不大.隨著脈寬的增大，單脈沖能量增加，其電蝕除量也隨之增加，當(dāng)脈寬大到一定程度，單位脈沖產(chǎn)生的能量很快被傳導(dǎo)至材料本身和切削液中，其有效加工能量并沒有增加，且隨著脈寬的繼續(xù)增加，脈沖放電時(shí)長趨于恒定值，單脈沖有效能量降低，導(dǎo)致加工效率降低.

表3 脈寬對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表面粗糙度值總體上隨著脈寬的增加而增大.當(dāng)脈寬從3 μs增大到7 μs時(shí)，表面粗糙度從3.9 μm下降到3.2 μm，之后，隨著脈寬的增加，表面粗糙度值也增大.這是由于隨著脈寬增大，單位脈沖能量也增大，其放電凹痕也由小變大，致使表面粗糙度值增大.脈寬大于15 μs，表面粗糙度值變化不大.

3.2 脈間對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響

為了研究脈間對線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工效率和表面粗糙度的影響關(guān)系，在其他加工條件及加工參數(shù)不變的情況下，進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表4.

表4 脈間對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4中可以看到，在電火花線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，隨著脈間的增加，加工效率急劇下降后趨于平緩.在脈間為10 ～35 μs區(qū)間，加工效率下降速度快，脈間大于35 μs后，加工效率變化不大.這是由于脈間為脈沖停歇時(shí)間，隨著單脈沖停歇時(shí)間的增長，由于冷卻液及熱傳導(dǎo)等原因，被加工區(qū)域的溫度下降劇烈，當(dāng)脈沖再進(jìn)行放電加工時(shí)，先要對加工區(qū)域重新升溫至可進(jìn)行電蝕除加工的溫度以上，這就造成了加工能量的流失，有效加工能量降低，使得加工效率變低.當(dāng)脈間大到一定程度，大于35 μs后，加工區(qū)域熱量基本全流失，再加工時(shí)，由于需要給加工區(qū)域進(jìn)行預(yù)升溫，能進(jìn)行有效加工的能量趨于穩(wěn)定，加工效率趨于穩(wěn)定.

隨著脈間的增加，表面粗糙度值在3.58 μm至4.69 μm之間變化，且變化幅度不大.這是由于在電火花線切割加工過程中，脈寬一定，其脈沖能量不變，脈寬較小時(shí)，加工效率較高，而脈寬變大后，加工效率變低，其在單位區(qū)域加工時(shí)的電蝕除能量基本相同，加工表面組成基本相同，故表面粗糙度變化不大.由此可見脈間對電火花線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料表面粗糙度影響不大.

3.3 峰值電流對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響

為了研究在電火花線切割加工時(shí)，峰值電流對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)，加工數(shù)據(jù)見表5.

表5 峰值電流對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表5中可以看出在電火花線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，隨著加工電流的增大，其加工效率也隨之增大，但隨著峰值電流的繼續(xù)增加，加工效率趨于平緩.這是因?yàn)樵谄渌庸l件不變的情況下，隨著峰值電流的增加，其單脈沖有效加工能量增加，加工效率也隨之提高.但當(dāng)單脈沖能量達(dá)到一定程度時(shí)，放電間隙增大，切縫增寬，由于冷卻液及熱傳導(dǎo)的作用，使熱量散發(fā)加快，從而導(dǎo)致加工效率增速放緩.

隨著峰值電流的增加，表面粗糙度也隨之增加.這是由于在其他加工條件不變的情況下，峰值電流增加，其單脈沖加工能量也增加，放電蝕除凹槽也隨之增寬增深，隨著加工效率的提高，凹槽間距也變大，這就使得表面粗糙度值增加.

3.4 伺服電壓對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能影響

表6為伺服電壓作為影響因素加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).從表6中，可以看出線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，伺服電壓對加工效率的影響規(guī)律.當(dāng)伺服電壓升高時(shí)，加工效率隨之提高達(dá)到峰值后降低.伺服電壓從20 V升至40 V時(shí)，加工效率從96.64 mm2·min-1升高到132.85 mm2·min-1.這是因?yàn)橄鄬τ?%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料而言，伺服電壓過小，有效加工能量低，放電間隙小，導(dǎo)致切縫小，排屑不暢，加工效率低.隨著伺服電壓的升高，放電間隙加大，切縫增大，排屑暢通，使電火花線切割加工狀態(tài)趨于穩(wěn)定，加工效率提高.加工效率達(dá)到峰值后，伺服電壓繼續(xù)升高，導(dǎo)致空載脈沖增加，有效加工能量下降，加工效率降低.

伺服電壓對表面粗糙度的影響不大，在4.05 ～5.28 μm之間.因?yàn)樗欧妷褐挥绊懛烹婇g隙，伺服電壓越高，放電間隙越大，加工速度越快.伺服電壓對脈沖有效加工能量沒有直接關(guān)系，不影響加工能量，對加工性能影響不大，故表面粗糙度趨于穩(wěn)定.

表6 伺服電壓對5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工性能的影響

4 加工表面形貌表征

圖2為加工表面形貌.在圖2中可以看到,表面構(gòu)成大部分為薄片狀的熔化重鑄層及部分在重鑄層上面的微米級(jí)直徑的球狀熔滴.這是由于加工時(shí)有效加工能量使得被加工材料熔化、汽化，并且伴隨電蝕點(diǎn)的過程發(fā)生局部爆炸，電蝕除下來的大部分材料被排到切削液中，但是還有一部分由于表面張力，呈球狀存在，且黏結(jié)在之前加工的熔化重鑄層上面.圖2(b)的有效加工能量比圖2(a)所示加工能量大，表面粗糙度大.

圖2加工表面形貌

Fig.2 Surface topography of the machined work piece

5 結(jié) 論

電火花線切割加工5%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，脈寬小于15 μs時(shí)，加工效率隨著脈寬的增加而提高，當(dāng)脈寬增加至15 μs時(shí)，其加工效率達(dá)最大值134.64 mm2min-1，脈寬繼續(xù)增加，加工效率下降.表面粗糙度隨著脈寬的增加而增加.隨著脈間的增加，加工效率急劇下降后趨于平緩，脈間增至25 μs后，加工效率繼續(xù)降低但變化不大.表面粗糙度隨脈間增加在3.58 μm至4.69 μm之間無規(guī)律變化；隨著峰值電流增加，加工效率及表面粗糙度呈線性增大；加工效率及表面粗糙度值隨伺服電壓的增加而降低.

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