電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料成形孔工藝研究

王熙杰

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006）

1 前言

SiCp/Al 復(fù)合材料是一種以鋁合金為基體，以陶瓷顆粒SiC 為增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料。其在密度、比強(qiáng)度、比剛度、粘合性、研磨性以及熱性能等方面具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，被廣泛的用于航空航天、汽車工業(yè)以及電子工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，SiCp/Al 復(fù)合材料為了滿足不同場(chǎng)合的需求，不可避免地需要加工材料達(dá)到所需要的形狀、尺寸，但由于SiCp/Al 復(fù)合材料富含有彌散分布的高硬度SiC 陶瓷顆粒增強(qiáng)體，在采用傳統(tǒng)的車削、銑削、鉆孔機(jī)等加工工藝時(shí)，易造成較快的刀具磨損和較低的成形精度。因此，傳統(tǒng)加工方法不適合SiCp/Al 復(fù)合材料的高效、高精度加工。電火花加工是一種依靠火花放電進(jìn)行材料蝕除的非接觸式加工方法，加工過(guò)程中沒(méi)有宏觀切削力，材料的硬度和強(qiáng)度對(duì)材料的去除率沒(méi)有影響，因此電火花加工 方法可用于SiCp/Al 復(fù)合材料高效高精度加工。

本文針對(duì)航空工業(yè)領(lǐng)域中太陽(yáng)電池翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)SiCp/A1特型螺母安裝孔的加工開(kāi)展研究工作，目的是在工具電極附加超聲振動(dòng)的電火花加工試驗(yàn)平臺(tái)上探索對(duì)目標(biāo)尺寸為16×14×4mm 方形安裝孔加工工藝規(guī)律。通過(guò)探索峰值電流、基準(zhǔn)電壓、脈間和脈寬對(duì)工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的影響規(guī)律，為產(chǎn)品加工提供技術(shù)支撐。

2 工藝試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)在電火花成形機(jī)床SF201 上進(jìn)行，機(jī)床Z 軸垂直分辨率為1μm，并將自主研發(fā)的超聲振動(dòng)主軸裝夾在機(jī)床主軸上來(lái)帶動(dòng)工具電極振動(dòng)，超聲振動(dòng)主軸的諧振頻率為28.3KHz，振幅為3μm。

2.2 試驗(yàn)條件

在電火花加工中，峰值電流、基準(zhǔn)電壓、脈間和脈寬對(duì)加工指標(biāo)有著重要的影響，因此本文在SiCp/Al 復(fù)合材料成形孔加工中通過(guò)單因素試驗(yàn)，研究上述工藝參數(shù)變化對(duì)工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的影響規(guī)律并對(duì)其規(guī)律成因進(jìn)行分析。單因素試驗(yàn)的因素水平取值如表1 所示，試驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)為峰值電流37A，基準(zhǔn)電壓70V，脈間75μs，脈寬100us。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組試驗(yàn)需要重復(fù)三遍。

表1 單因素試驗(yàn)的因素水平表

2.3 工藝指標(biāo)

工藝指標(biāo)有工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率。其中，材料去除率定義為工件材料的蝕除體積與加工時(shí)間之比；電極相對(duì)損耗率為電極損耗體積與工件去除體積之比；工件及工具材料體積為各自質(zhì)量與密度之比。用電子天平AUW120D（精度為0.01mg）稱量工具電極和工件試驗(yàn)前后的質(zhì)量，加工時(shí)間由機(jī)床自動(dòng)記錄。寬度過(guò)切量為工件槽的長(zhǎng)和寬平均尺寸減去工具電極長(zhǎng)和寬的平均尺寸，加工前電極和加工后工件槽的長(zhǎng)和寬尺寸分別由千分尺（精度為0.01mm）測(cè)得。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 峰值電流對(duì)電火花加工指標(biāo)的影響

控制機(jī)床其它工藝參數(shù)不變，通過(guò)改變峰值電流的大小，分別研究峰值電流的變化對(duì)工件的材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的影響規(guī)律[3]。峰值電流與工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的關(guān)系曲線（如圖1所示），隨著峰值電流的增大，材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

圖1 峰值電流對(duì)加工指標(biāo)的影響規(guī)律

隨著峰值電流和單次脈沖放電能量的增大，工件表面在單位時(shí)間內(nèi)獲得的能量也增大，同時(shí)工件表面放電凹坑也會(huì)越大或越深，導(dǎo)致工件的材料去除率和表面粗糙度增大。

3.2 基準(zhǔn)電壓對(duì)電火花加工指標(biāo)的影響

基準(zhǔn)電壓是指加工過(guò)程中兩極間隙在單位時(shí)間內(nèi)短路和脈間對(duì)應(yīng)的零電壓、火花維持電壓、多個(gè)開(kāi)路電壓的加權(quán)平均值。基準(zhǔn)電壓是用來(lái)控制伺服系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)兩極間距的伺服參數(shù)?；鶞?zhǔn)電壓越大，則說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)兩極間開(kāi)路次數(shù)越多，兩極間放電間隙就越大?？刂茩C(jī)床其它工藝參數(shù)不變，改變基準(zhǔn)電壓的大小，分別研究基準(zhǔn)電壓的變化對(duì)工件的材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的影響規(guī)律。圖2 是基準(zhǔn)電壓與工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的關(guān)系曲線，隨著基準(zhǔn)電壓的增大工件材料去除率、表面粗糙度和寬度過(guò)切量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，電極相對(duì)損耗率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

圖2 基準(zhǔn)電壓對(duì)加工指標(biāo)的影響規(guī)律

隨著基準(zhǔn)電壓和兩極間隙的增大，加工中出現(xiàn)開(kāi)路的次數(shù)就會(huì)增多，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)有效脈沖放電次數(shù)減少，材料去除率下降。同時(shí)，兩極間的間隙增大也有利于電蝕產(chǎn)物的排出，減少短路拉弧等非正常放電加工，使工件表面加工質(zhì)量變好，粗糙度值隨之減小。

根據(jù)上述分析可知，隨著基準(zhǔn)電壓的增大，排屑條件越來(lái)越好，因蝕除物在放電間隙堆積造成的二次放電現(xiàn)象減少，使得工件的寬度過(guò)切量減小。隨著基準(zhǔn)電壓的增大，兩極放電間隙增大，火花放電時(shí)放電通道中的帶電粒子有更長(zhǎng)的距離獲得更大的速度，使得帶電粒子動(dòng)能增加，由于正離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，正離子增加的動(dòng)能遠(yuǎn)大于電子增加的動(dòng)能。因此隨著基準(zhǔn)電壓的增大，正離子對(duì)電極損耗的增加量大于電子對(duì)工件蝕除的增加量，使得電極相對(duì)損耗率增大。

基準(zhǔn)電壓在超過(guò)70V 后，隨著基準(zhǔn)電壓的增大材料去除率下降速度依然很快，而表面粗糙度卻變化不大；基準(zhǔn)電壓在60V 之下時(shí)，表面粗糙度相對(duì)較大，但基準(zhǔn)電壓的增大對(duì)材料去除率的變化影響并不大。可見(jiàn)，基準(zhǔn)電壓在60-70V 之間時(shí)加工效果相對(duì)較好。

3.3 脈間對(duì)電火花加工指標(biāo)的影響

在電火花加工中，由于脈間會(huì)影響到極間介質(zhì)消電離效果，因此控制機(jī)床其它工藝參數(shù)不變，只改變脈間的大小，分別研究脈間對(duì)工件的材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的影響規(guī)律[4]。圖3 是脈間與工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的關(guān)系曲線，隨著脈間的增大材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

圖3 脈間對(duì)加工指標(biāo)的影響規(guī)律

隨著脈間的增大，單位時(shí)間內(nèi)脈沖放電次數(shù)減少，導(dǎo)致材料去除率減小。隨著脈間的增大，消電離越來(lái)越充分，蝕除的鋁基體材料和SiC 顆粒也有更充足的時(shí)間排出加工間隙，使得短路、拉弧以及二次放電等非正常加工現(xiàn)象減少，加工越來(lái)越穩(wěn)定，工件表面質(zhì)量變好，導(dǎo)致工件表面粗糙度和寬度過(guò)切量隨之減小。當(dāng)脈間持續(xù)增大到75μs 后，消電離和極間蝕除物排出已經(jīng)相對(duì)充分，使得脈間的再次增大對(duì)表面粗糙度和寬度過(guò)切量的變化影響較小，而材料去除率卻持續(xù)下降。

3.4 脈寬對(duì)電火花加工指標(biāo)的影響

在控制機(jī)床其它工藝參數(shù)不變，只改變脈寬的大小的前提下，分別研究脈寬對(duì)工件的材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的影響規(guī)律[5]。圖4 是脈寬與工件材料去除率、表面粗糙度、寬度過(guò)切量和電極相對(duì)損耗率的關(guān)系曲線，隨著脈寬的增大材料去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)、表面粗糙度和寬度過(guò)切量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)、電極相對(duì)損耗率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖4 脈寬對(duì)加工指標(biāo)的影響規(guī)律

當(dāng)脈寬在較小的范圍內(nèi)時(shí)，隨著脈寬的增大，脈沖放電時(shí)間延長(zhǎng)，工件表面可以獲得更多熱量，蝕除的金屬材料增加，材料去除率也隨之增加；但隨著脈寬的持續(xù)增大，在長(zhǎng)時(shí)間脈沖放電所產(chǎn)生的熱量下，低熔點(diǎn)的鋁基體材料會(huì)大量熔化，許多SiC 顆粒從基體中脫落出來(lái)，造成大量的蝕除物堵在放電間隙使得放電狀態(tài)變差，從而頻繁地發(fā)生非正常放電現(xiàn)象導(dǎo)致材料去除率減小。因此，隨著脈寬的增大，工件材料去除率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

隨著脈寬的增大單脈沖放電能量隨之增大，單次放電蝕除量增大，導(dǎo)致放電凹坑大或深，表面粗糙度隨之增大。脈寬在300μs 時(shí)，材料去除率達(dá)到最大，相對(duì)電極損耗達(dá)到最小。

4 超聲振動(dòng)輔助電火花加工的應(yīng)用

采用超聲輔助電火花加工工藝，參考優(yōu)化后的電火花加工工藝參數(shù)對(duì)太陽(yáng)電池翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)SiCp/Al 特型螺母減重型孔進(jìn)行加工，單件產(chǎn)品加工周期約為4.02 小時(shí)，其加工效率約為16.4mm/min，加工后利用共聚焦顯微鏡測(cè)量表面粗糙度優(yōu)于Ra1.6、約為Ra0.8，重熔層及熱影響區(qū)域厚度僅為3μm，此外對(duì)加工前后的電極進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示單個(gè)型腔加工后電極損耗僅為8.34%。

5 結(jié)論

本文通過(guò)在工具電極附加超聲振動(dòng)的電火花加工試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)SiCp/AI 復(fù)合材料成形孔的工藝試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論:

1.隨著峰值電流增大，基準(zhǔn)電壓和脈間減小時(shí)，工件材料去除率、表面粗糙度和寬度過(guò)切量增大；隨著脈寬的增大材料去除率先增大后減小，表面粗糙度和寬度過(guò)切量逐漸增大；電極相對(duì)損耗率隨著峰值電流和基準(zhǔn)電壓的增大逐漸增大，隨著脈寬的增大其先減小后增大。

2.峰值電流在18.4-50A，基準(zhǔn)電壓在60-70V，脈間在75μs 附近，脈寬在300μs 附近時(shí)，對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料加工的綜合效果較好。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)SiCp/Al 特型螺母安裝孔（目標(biāo)尺寸為16×14×4mm）的高精度加工提供了基礎(chǔ)。