CFRPs電火花加工熱影響區(qū)抑制方法

趙一錦，耿家寶，楊曉冬

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

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRPs)是以碳纖維為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹(shù)脂為基體的新型復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)金屬材料，CFRPs具有比強(qiáng)度高、比模量高、密度小、抗疲勞特性好、抗震性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、高溫性能好、成型性好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、體育器材、房屋建筑、汽車設(shè)備等領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)材料使用，如應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭、精密支撐結(jié)構(gòu)件、空間站大型結(jié)構(gòu)桁架和太陽(yáng)能電池機(jī)架等。

近年來(lái)，隨著CFRPs在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)CFRPs成型件的要求也越來(lái)越高，CFRPs二次加工的需求隨之增大。復(fù)合材料成型后，通常要與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，由于機(jī)械連接具有可拆卸性，并具有良好的抗疲勞性能，所以CFRPs成型件中應(yīng)用最為廣泛的是以螺栓為代表的機(jī)械連接，因此CFRPs二次加工中多為制孔。但是由于CFRPs具有層間剪切強(qiáng)度低、抗剝離性能差等特點(diǎn)，致使CFRPs的孔加工存在很大困難，制孔的報(bào)廢率達(dá)到了60%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空航天飛行器中60%～80%的破壞都發(fā)生在連接部位。這表明對(duì)于CFRPs結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量高效率的制孔加工尤為重要。

目前較多采用的是用傳統(tǒng)鉆削加工方式對(duì)CFRPs進(jìn)行孔加工，但是由于CFRPs材料硬度極高，對(duì)刀具的要求很高，刀具磨損嚴(yán)重。同時(shí)，由于加工過(guò)程中存在切削作用力與切削熱，加工后會(huì)產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂與熱影響區(qū)等問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)切削加工CFRPs材料存在的問(wèn)題，利用非機(jī)械能的特種加工方法也被用于CFRPs加工，如激光加工、水射流加工與電火花加工等。但激光加工通常會(huì)產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。水射流加工由于存在加工作用力，會(huì)產(chǎn)生分層、錐度孔等缺陷，激光加工及水射流加工均存在局限，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

電火花加工(Electrical Discharge Machining,EDM)利用電腐蝕現(xiàn)象對(duì)材料進(jìn)行加工，為非接觸式加工，特別適用于機(jī)械切削加工難以勝任的高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高韌性、高脆性等特殊材料的加工。有關(guān)電火花加工CFRPs的研究得到了眾多研究者的關(guān)注。Lau等研究了電火花加工CFRPs的可行性，得到了銅電極在電極損耗方面優(yōu)于石墨電極的結(jié)論；Park等對(duì)CFRPs與金屬材料的微細(xì)電火花加工特性進(jìn)行了比較，觀察到CFRPs電火花加工時(shí)存在較大的入口損傷；Ito等、Mimma等、何振豐對(duì)CFRPs電火花線切割加工特性進(jìn)行了研究；Akematsu等使用RC脈沖電源對(duì)CFRPs進(jìn)行電火花孔加工，分析了加工參數(shù)對(duì)放電能量的影響；Habib和Okada、Ichii等使用晶體管脈沖電源對(duì)CFRPs進(jìn)行盲孔加工，研究加工參數(shù)對(duì)加工速度、電極損耗與表面質(zhì)量的影響；Ahmad等、Lodhi等、Korlos等對(duì)CFRPs通孔加工進(jìn)行研究，分析了放電參數(shù)(放電電流、開(kāi)路電壓、脈沖寬度、脈沖間隔和電極轉(zhuǎn)速)對(duì)電火花加工CFRPs材料去除率、電極磨損率及表面質(zhì)量的影響；Kumar等、Teicher等使用碳化鎢電極對(duì)CFRPs進(jìn)行微孔加工，分析了加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響；楊曉冬和黃瀟南對(duì)CFRPs電火花加工的放電凹坑進(jìn)行了研究；張俊清等提出一種高速電火花穿孔加工方法，通過(guò)專用夾具將加工中產(chǎn)生的有害粉塵集中收集，為CFRPs高效、低成本、綠色加工提供了一種新途徑；Yue等、Ito等對(duì)CFRPs的放電蝕除機(jī)理進(jìn)行了研究。

以上研究均顯示出CFRPs電火花加工表面存在明顯的熱影響區(qū)，這導(dǎo)致熱分解溫度低的樹(shù)脂材料先被蝕除，而失去樹(shù)脂支撐的碳纖維則發(fā)生裸露和翹曲等，從而在放電過(guò)程中容易引起拉弧，并影響表面質(zhì)量。研究表明放電參數(shù)(如放電電流、開(kāi)路電壓、脈沖寬度和脈沖間隔)和工具電極材料及電極轉(zhuǎn)速等都對(duì)熱影響區(qū)有影響。此外，對(duì)于電火花加工來(lái)說(shuō)，脈沖電源是影響其加工性能的重要因素，電火花加工的脈沖電源主要有2種類型，分別為晶體管脈沖電源和張弛式RC脈沖電源，Gotoh等對(duì)比研究了晶體管脈沖電源和RC脈沖電源電火花加工CFRPs的熱影響區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)，相比于晶體管脈沖電源，RC脈沖電源可獲得較小的熱影響區(qū)。這是由于RC脈沖電源在極間擊穿的瞬間產(chǎn)生較大的峰值放電電流，之后迅速結(jié)束放電，放電時(shí)間很短，因此產(chǎn)生的熱影響區(qū)較小。但RC脈沖電源的放電能量難以控制，且放電狀態(tài)受極間狀態(tài)影響較大，尤其是電火花加工CFRPs時(shí)，作為放電屑被蝕除的碳纖維具有較大的尺寸，如果沒(méi)有及時(shí)將其從極間排出則容易引起短路和拉弧等，特別容易陷入不穩(wěn)定的放電狀態(tài)。相比于RC脈沖電源，晶體管脈沖電源具有放電能量可控、不受極間狀態(tài)影響等特點(diǎn)，因此可以認(rèn)為晶體管脈沖電源更適合用于CFRPs材料的電火花加工。但是，在脈沖放電能量相同的條件下，如何減小晶體管脈沖電源電火花加工CFRPs的熱影響區(qū)，以得到高質(zhì)量的CFRPs電火花加工表面，目前尚未見(jiàn)有相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)。

不同的脈沖電源類型及不同的放電參數(shù)組合意味著不同的放電能量施加方式，進(jìn)而對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生影響。以晶體管脈沖電源為研究對(duì)象，為抑制該電源在加工CFRPs時(shí)產(chǎn)生的熱影響區(qū)，首先通過(guò)電火花加工CFRPs的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，明確能量施加方式對(duì)電火花加工CFRPs熱影響區(qū)的影響；進(jìn)而晶體管脈沖電源條件下的能量施加方式對(duì)熱影響區(qū)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析不同放電極性對(duì)熱影響區(qū)的影響。

1 CFRPs熱影響區(qū)建模與仿真

電火花加工為熱加工，利用工具和工件(正、負(fù)電極)之間脈沖性火花放電時(shí)電腐蝕產(chǎn)生的瞬時(shí)電熱作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的蝕除，其加工特性主要取決于材料的熱學(xué)性能(如熔沸點(diǎn)、比熱容、熱導(dǎo)率)和電氣性能(如電阻率)。CFRPs由碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂2種材料復(fù)合而成，具有非均質(zhì)性和各向異性等特性，導(dǎo)致了CFRPs完全不同于金屬的放電蝕除機(jī)理和放電特性，其蝕除形式包括碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的高溫氧化去除、熱分解去除和汽化去除，所形成的大量高速的氣狀噴流沖擊放電點(diǎn)處的碳纖維束，使碳纖維斷裂進(jìn)而被拋入極間形成較長(zhǎng)的碳纖維蝕除屑。并且，碳纖維熱分解時(shí)，溫度低的樹(shù)脂材料先被蝕除，失去樹(shù)脂支撐的碳纖維則發(fā)生裸露和翹曲，在放電過(guò)程中容易引起拉弧，進(jìn)而影響表面質(zhì)量。因此，需要明確CFRPs電火花加工的溫度場(chǎng)分布及其影響因素。

1.1 仿真模型

如圖1所示，在CFRPs的實(shí)際制作過(guò)程中，首先將單根碳纖維通過(guò)編織工藝編織成碳纖維布，然后將多層碳纖維布與樹(shù)脂材料通過(guò)一定的成型工藝固化成型為一體。

圖1 材料模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of material model

在CFRPs制作過(guò)程中，通常碳纖維之間被環(huán)氧樹(shù)脂隔離，盡管碳纖維材料具有一定導(dǎo)電性，但是環(huán)氧樹(shù)脂屬于絕緣材料，因此理論上CFRPs呈現(xiàn)電絕緣狀態(tài)，但是在實(shí)際中，CFRPs具有一定的導(dǎo)電性。這說(shuō)明在制作CFRPs過(guò)程中，由于制作工藝等原因，CFRPs內(nèi)部的碳纖維并未完全被環(huán)氧樹(shù)脂隔離，而是相互接觸，從而使CFRPs呈現(xiàn)一定的導(dǎo)電性。因此，如圖2所示，本文將實(shí)際中的CFRPs材料簡(jiǎn)化成直徑為8 μm的碳纖維均勻分布并相互接觸，碳纖維與碳纖維之間的空隙均勻填充環(huán)氧樹(shù)脂材料。如圖2(a)所示所建模型長(zhǎng)200 μm、寬400 μm、高200 μm。放電發(fā)生在垂直碳纖維編織平面，由于CFRPs為高阻材料，在溫度場(chǎng)計(jì)算中不僅考慮來(lái)自放電通道的表面熱源，還要考慮由放電電流引起的焦耳熱。仿真邊界條件如圖2(b)所示，電流密度與熱流密度作用在該區(qū)域，其中電流密度被認(rèn)為均勻分布在能量輸入?yún)^(qū)域，熱流密度通過(guò)高斯熱源來(lái)模擬。模型底面設(shè)置為零電勢(shì)(=0)。同時(shí)，為簡(jiǎn)化仿真模型，除能量輸入?yún)^(qū)域外，其他區(qū)域均被認(rèn)為絕緣絕熱。材料的相關(guān)屬性如表1所示。在仿真中，考慮CFRPs材料各向異性，碳纖維軸向、徑向的熱導(dǎo)率分別取50、5 W·m·K。

圖2 仿真模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of simulation model

表1 CFRPSs材料屬性[26] Table 1 Material properties used for simulation[26]

放電通道的熱流密度為

(1)

式中：為距離放電通道中心的距離,m；(,)為時(shí)刻位置處的熱流密度,W·m；()為時(shí)刻放電通道中心處的最大熱流密度,W·m；為熱源集中系數(shù)，取4.5；()為等離子通道直徑，通過(guò)高速攝像機(jī)觀測(cè)到仿真條件下等離子通道直徑約為120 μm。

一次放電分配到工件上的放電能量為

(2)

式中：為分配到工件上的能量百分比，取0.4；()為極間放電電壓，取()=25 V。根據(jù)式(2)，可求得高斯熱源中心處的熱流密度的表達(dá)式為

(3)

如圖2(b)所示，放電電流以均勻分布的電流密度作用于放電通道作用區(qū)域內(nèi)，計(jì)算公式為

(4)

式中：()為放電電流，A。

1.2 仿真結(jié)果

如表2所示仿真條件，本研究采用相同的單脈沖放電能量(單個(gè)脈沖能量大小為=()()=3×10J)、但通過(guò)不同的放電電流和脈沖寬度組合，得到不同的放電功率，分別在低功率能量輸入方式(放電電流2 A、脈沖寬度60 μs)與高功率能量施加方式(放電電流8 A、脈沖寬度15 μs)下對(duì)工件材料溫度場(chǎng)分布和熱影響區(qū)進(jìn)行模擬。

表2 仿真條件Table 2 Simulation conditions

Negarestani等在空氣中CFRPs的熱重分析結(jié)果可知，當(dāng)CFRPs溫度超過(guò)1 150 K時(shí)，碳纖維可被氧化成為CO/CO，因此當(dāng)溫度高于1 150 K時(shí)，碳纖維發(fā)生去除。圖3(a)、圖3(b)分別為在低功率能量輸入方式與高功率能量施加方式下的溫度場(chǎng)分布仿真結(jié)果。

圖3 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.3 Temperature field simulation results

圖3中1 150 K等溫線內(nèi)部材料高于碳纖維氧化點(diǎn)(1 150 K)和樹(shù)脂材料的熱分解點(diǎn)(693 K)，可以認(rèn)為該區(qū)域材料全部被蝕除，即該區(qū)域?yàn)槲g除區(qū)域。白色實(shí)線表示693 K等溫線，由于該部分高于樹(shù)脂材料的熱分解溫度(693 K)，但低于碳纖維氧化點(diǎn)，因此可認(rèn)為該部分的樹(shù)脂被去除，而碳纖維殘留，從而造成纖維裸露，可認(rèn)為1 150 K等溫線和693 K等溫線之間的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)。熱影響區(qū)在平行碳纖維方向較大，垂直碳纖維方向較小。如圖3所示，低功率能量輸入方式下，放電表面平行碳纖維方向和垂直碳纖維方向的熱影響區(qū)厚度分別為31、19 μm，深度方向熱影響區(qū)厚度為8 μm；高功率能量輸入方式下，放電表面平行碳纖維方向和垂直碳纖維方向的熱影響區(qū)厚度分別為15、11 μm，深度方向熱影響區(qū)厚度為3 μm?？梢?jiàn)，在單次放電能量相同的條件下，高功率放電能量(較大電流，較小脈寬)有利于減小熱影響區(qū)。熱影響區(qū)中由于缺少環(huán)氧樹(shù)脂支撐，導(dǎo)致碳纖維裸露。裸露的碳纖維易引起短路和拉弧。熱影響區(qū)越大，裸露的碳纖維越多越長(zhǎng)，表面加工質(zhì)量越差。

仿真結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，低功率能量輸入方式下蝕除區(qū)域體積為7.581×10μm，高功率能量輸入方式下蝕除區(qū)域體積為1.109×10μm。這是由于在高功率能量輸入方式下，放電電流更高，放電過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱大，有利于提高材料的蝕除速度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用圖4所示的自制電火花加工裝置進(jìn)行CFRPs通孔加工實(shí)驗(yàn)。軸采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給精度為1 μm，電源為晶體管脈沖電源。工具電極通過(guò)絕緣陶瓷薄壁套筒裝夾在電主軸的夾頭上(NAKANISHI BM-320)，電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)80 000 r·min，主軸回轉(zhuǎn)精度為1 μm，本實(shí)驗(yàn)中使用5 000 r·min的轉(zhuǎn)速。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental setup

首先以煤油為工作介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)論是正極性加工還是負(fù)極性加工，都出現(xiàn)了嚴(yán)重的積碳現(xiàn)象，如圖5所示。因此，采用去離子水為工作介質(zhì)，采用浸液和沖液組合的方式，用過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)對(duì)工作液槽中的去離子水進(jìn)行實(shí)時(shí)過(guò)濾，同時(shí)在加工過(guò)程中利用噴嘴對(duì)準(zhǔn)加工區(qū)域以一定壓力進(jìn)行沖液，以及時(shí)將放電蝕除的碳纖維從極間排除。

圖5 煤油介質(zhì)加工中積碳現(xiàn)象Fig.5 Carbon deposition in kerosene media processing

工具電極為?6 mm的銅棒，在進(jìn)行電火花孔加工之前，先利用材料為鎢的塊電極對(duì)工具電極的外徑和放電端面進(jìn)行放電磨削，以去除電極安裝偏心，并加工到需要的直徑尺寸，加工后的銅電極尺寸為?5 mm，通過(guò)對(duì)電極底面的磨削保證其底面的平整度。

實(shí)驗(yàn)中使用的CFRPs工件材料厚度1 mm，其性能參數(shù)如表3所示。

為防止電火花加工通孔結(jié)束前孔出口處裸露的碳纖維帶來(lái)的表面損傷，如圖6所示在片狀CFRPs工件兩側(cè)各用1片厚度為1 mm的塞尺夾緊，塞尺上預(yù)留直徑為6 mm的定位孔，2片塞尺上的孔對(duì)齊，該孔位為電火花孔加工位置。

表3 加工材料CFRPs性能參數(shù)Table 3 Properties of CFRPs

圖6 工件夾持方式Fig.6 Workpiece-holding method

每組加工條件下進(jìn)行4次通孔加工實(shí)驗(yàn)，加工結(jié)束后，使用CCD對(duì)工件表面的熱影響區(qū)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量加工前后工件質(zhì)量和加工時(shí)間計(jì)算加工速度。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

電火花加工的電參數(shù)包括開(kāi)路電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、放電電流和加工極性等。一次放電能量為極間放電電壓和放電電流的乘積在放電持續(xù)時(shí)間內(nèi)的積分。晶體管脈沖電源情況下，極間放電電壓為確定的放電維持電壓值，如果忽略放電延遲時(shí)間的影響，單脈沖放電能量近似等于放電維持電壓、放電電流和脈沖寬度的乘積。保證單次放電能量相同的條件下，分別采用不同的放電功率進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。加工條件如表4、圖7所示。分別采用4組不同的放電電流與脈沖寬度組合方式，單脈沖放電能量均為3×10J，從能量施加方式1到能量施加方式4，放電功率依次增加。脈沖間隔時(shí)間分別取為不同的值，以保證脈沖周期均為100 μs，即保證單位時(shí)間的放電次數(shù)相同。

表4 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)Table 4 Experimental processing parameters

圖7 能量施加方式Fig.7 Energy application method

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 能量施加方式的影響

圖8所示為不同能量施加方式條件下(為放電電流，為脈沖寬度)電火花加工得到的孔入口和出口側(cè)照片。由圖可知，利用電火花加工對(duì)CFRPs進(jìn)行孔加工，所得到的孔圓整，但在孔入口、出口側(cè)會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱影響區(qū)，這導(dǎo)致了不同的加工表面質(zhì)量。

電火花加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)如圖9所示，可知在熱影響區(qū)內(nèi)，由于樹(shù)脂受熱被去除，造成碳纖維殘留裸露。但是，由于電火花加工為非接觸加工，不存在切削作用力，因此不存在CFRPs鉆削加工的毛刺、崩邊和撕裂等損傷，碳纖維的去除形式主要為高溫蒸發(fā)去除、氧化去除和受高溫高壓去除材料的噴氣作用折斷去除。

圖8 不同能量施加方式下的熱影響區(qū)Fig.8 Observation of heat affected zone under different energy application methods

圖9 加工孔周圍熱影響區(qū)Fig.9 Heat affected zone around machined hole

如圖10所示，測(cè)量加工孔直徑，以加工孔的圓心為圓心，將能包含全部熱影響區(qū)域的最小圓直徑定義為熱影響區(qū)直徑。采用熱影響區(qū)表征系數(shù)HAZ進(jìn)行熱影響區(qū)的評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為

(5)

每組加工條件分別進(jìn)行4次加工實(shí)驗(yàn)，測(cè)量后得到出入口直徑平均值和熱影響區(qū)直徑平均值如表5所示，熱影響區(qū)表征系數(shù)HAZ的平均值如圖11所示。結(jié)合表5、圖8、圖11可知，在單個(gè)脈沖放電能量相同的情況下，放電功率越大，熱影響區(qū)越小，加工表面質(zhì)量越好。

圖10 熱影響區(qū)測(cè)量示意圖Fig.10 Schematic diagram of HAZ measurement

表5 加工測(cè)量結(jié)果Table 5 Processing measurement results

圖11 能量施加方式對(duì)熱影響區(qū)的影響Fig.11 Influence of energy application method on heat affected zone

其中放電功率最高的能量施加方式4(放電電流8 A，脈沖寬度15 μs)的熱影響區(qū)表征系數(shù)為放電功率最低的能量施加方式1(放電電流2 A，脈沖寬度60 μs)的熱影響區(qū)的81%。放電功率較低時(shí)，熱影響區(qū)域較大，該區(qū)域內(nèi)碳纖維裸露，容易發(fā)生短路和拉弧，此時(shí)熱量沿碳纖維方向迅速傳導(dǎo)，導(dǎo)致碳纖維周圍樹(shù)脂達(dá)到熱分解溫度，進(jìn)而影響表面質(zhì)量。而放電功率較高時(shí)，熱影響區(qū)域較小，碳纖維裸露少，避免了拉弧和短路的發(fā)生，可得到更好的孔加工表面質(zhì)量。前文仿真結(jié)果雖然針對(duì)的是單脈沖放電，但在連續(xù)脈沖條件下，仿真結(jié)論也是同樣的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

此外還發(fā)現(xiàn)較高放電功率有利于提高加工速度，如圖12所示，這與仿真結(jié)果一致。能量施加方式4為放電功率最高的能量施加方式，能量施加方式1為放電功率最低的能量施加方式，能量施加方式4的加工速度為能量施加方式1的1.56倍。對(duì)此本文還對(duì)加工過(guò)程中工具電極與工件之間的放電電壓和放電電流波形進(jìn)行觀測(cè)，不同能量施加方式下的典型放電波形對(duì)比如圖13所示。正常放電時(shí)，由于每次放電結(jié)束之后會(huì)經(jīng)歷一次極間介質(zhì)的絕緣恢復(fù)，工具電極和工件之間的電壓也會(huì)在每次放電結(jié)束之后恢復(fù)到較高的開(kāi)路電壓；而如果短路和拉弧狀態(tài)較多、放電狀態(tài)不好時(shí)，則每次放電結(jié)束后極間不能正?；謴?fù)絕緣，工具電極和工件之間的電壓也不能恢復(fù)到較高的開(kāi)路電壓。正常放電次數(shù)多意味著有效放電次數(shù)多，有利于提高加工速度。而短路和拉弧是電火花加工需要避免發(fā)生的狀態(tài)，該狀態(tài)下不僅使加工速度變慢，而且使加工表面質(zhì)量變差。由圖13可知，在較小放電功率的能量施加方式下，正常放電波形較少，短路和拉弧狀態(tài)較多，加工過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)極間經(jīng)常發(fā)出持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的火光，拉弧現(xiàn)象明顯，這不僅導(dǎo)致工具電極頻繁回退，加工速度慢，還進(jìn)而加劇了加工表面的熱影響區(qū)。而在較大放電功率的能量施加方式下，多為正常放電波形，有效放電次數(shù)多，因此獲得了較高的加工速度。

圖12 能量施加方式對(duì)加工速度的影響Fig.12 Effect of energy application method on processing speed

1—電壓波形；2—電流波形圖13 放電波形的觀測(cè)結(jié)果Fig.13 Discharge waveform diagram

3.2 加工極性的影響

在如表6所示的加工條件下，改變電火花加工過(guò)程中的加工極性，觀察不同加工極性下加工表面的熱影響區(qū)。

表6 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)Table 6 Experimental processing parameters

由圖14可知，相比于負(fù)極性加工，正極性加工的熱影響區(qū)較小。這是由于分配給正極的放電能量要大于負(fù)極，因此正極性加工速度要遠(yuǎn)高于負(fù)極性加工。較短的加工時(shí)間有利于減小熱量的累積，從而減小熱影響區(qū)。

圖14 不同極性加工條件下的熱影響區(qū)Fig.14 Heat affected zone under different polarity processing

4 結(jié) 論

1) 在單個(gè)放電脈沖能量相同的情況下，相比于低功率的能量施加方式，高功率的能量施加方式能有效抑制熱影響區(qū)大小，并可提高加工速度。

2) 相比于負(fù)極性加工，正極性加工有利于減小熱影響區(qū)，且可加快加工速度。

受實(shí)驗(yàn)中所使用的脈沖電源參數(shù)選擇范圍的局限，脈沖寬度未能達(dá)到足夠小，放電電流未能達(dá)到足夠大，因此，雖然在保證單個(gè)脈沖放電能量相同的前提下，通過(guò)對(duì)脈沖寬度和放電電流進(jìn)行不同的組合，即通過(guò)改變不同的能量施加方式使熱影響區(qū)得到了有效抑制，但仍存在較明顯的熱影響區(qū)。在今后的研究工作中，將通過(guò)對(duì)脈沖電源進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步減小脈沖寬度并提高放電電流，實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖放電能量的瞬間快速施加，從而獲得足夠大的放電功率，則有望實(shí)現(xiàn)無(wú)熱影響區(qū)的CFRPs電火花加工。