磁場(chǎng)輔助電火花加工平臺(tái)開(kāi)發(fā)及SiCp/Al 加工試驗(yàn)研究*

王 侃，王金來(lái)，范 哲，許祥宇，李府謙

（1. 山東大學(xué)，威海 264209；2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，青島 266071；3. 山東金瓢食品機(jī)械股份有限公司，威海 264300）

作為非傳統(tǒng)加工制造技術(shù)的重要手段之一，電火花加工 （Electrical discharge machining，EDM）技術(shù)因非接觸加工、無(wú)切削力、加工表面質(zhì)量高、加工適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。隨著電火花加工技術(shù)水平的提高，其在難加工材料加工方面逐漸占據(jù)更高的地位[1-3]。

SiCp/Al 復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度且密度較低的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于電子、光電、航空航天、軍工等領(lǐng)域，具有較廣的發(fā)展前景。由于其基體內(nèi)含有硬度很高的碳化硅顆粒，使用傳統(tǒng)加工方式難以對(duì)其進(jìn)行加工。作為非接觸加工，電火花加工過(guò)程中沒(méi)有切削力產(chǎn)生，成為SiCp/Al 復(fù)合材料最主要的加工方式之一。

為了使SiCp/Al 復(fù)合材料獲得更好的加工效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。上海交通大學(xué)顧琳[4]利用高速電弧放電加工技術(shù)進(jìn)行了SiCp/Al 復(fù)合材料的加工試驗(yàn)研究，獲得了較高的加工效率。Müller 等[5]發(fā)現(xiàn)，雖然電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料的效率低于激光加工，但產(chǎn)生的熱影響區(qū)較小。Hocheng 等[6]發(fā)現(xiàn)，陶瓷顆粒對(duì)極間放電具有一定的“阻礙”作用，可使火花放電頻率降低，從而降低材料去除率。南京航空航天大學(xué)楊攀等[7]對(duì)不同碳化硅體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al 復(fù)合材料電火花加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。此外，還有許多學(xué)者從電極材料[8]、工作介質(zhì)[9]、冷卻[10]、工藝參數(shù)[11]、加工方式[12]和外部輔助措施[13-19]的角度展開(kāi)研究，從而改善了加工性能，提高了加工質(zhì)量，對(duì)電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

在電火花的加工過(guò)程中存在大量高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，施加外加磁場(chǎng)可使帶電粒子在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，從而對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生影響。Ming 等[20]通過(guò)對(duì)材料SKD 11進(jìn)行磁場(chǎng)輔助電火花加工和常規(guī)電火花加工之間的能源效率和環(huán)境影響的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)的輔助作用下材料去除率和能源效率均得到了一定程度的提升。Chen 等[21]將外磁場(chǎng)應(yīng)用于加工非磁性和鐵磁性材料的線切割工藝中，發(fā)現(xiàn)該工藝有利于提高加工效率和表面完整性。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，在磁場(chǎng)的輔助作用下可以提高電火花加工和線切割加工的加工能力和加工質(zhì)量，但很少有文獻(xiàn)關(guān)注磁場(chǎng)輔助作用下電火花加工對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的相關(guān)影響。本文對(duì)磁場(chǎng)輔助電火花加工技術(shù)展開(kāi)研究，開(kāi)發(fā)了磁場(chǎng)輔助電火花加工試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了磁場(chǎng)輔助電火花加工不同體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 復(fù)合材料的試驗(yàn)研究，探究外部磁場(chǎng)對(duì)電火花加工SiCp/Al 復(fù)合材料的相關(guān)影響。

1 磁場(chǎng)輔助電火花加工控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 磁場(chǎng)輔助電火花加工試驗(yàn)平臺(tái)硬件模塊

為實(shí)現(xiàn)機(jī)床在加工過(guò)程中精確運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)選用X（Y）A10A - L101 高精度線性直線位移平臺(tái) （日本KOHZU公司）作為該機(jī)床的直線位移伺服軸，同時(shí)選取與機(jī)床配套的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD - 355F。選取精密高速電動(dòng)主軸EM30 - S6000 （日本NAKANISHI公司）為該機(jī)床的旋轉(zhuǎn)主軸，同時(shí)選用配套控制器E3000，搭配空氣壓縮機(jī)用于主軸冷卻。為了控制伺服軸的步進(jìn)電機(jī)同時(shí)滿足平臺(tái)具備高度開(kāi)放性的要求，使用ADLINK AMP - 204C DSP 型高階脈沖式運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制。

電火花加工的放電狀態(tài)大致分為開(kāi)路、放電、短路3 種，為準(zhǔn)確識(shí)別放電狀態(tài)，搭建了平均電壓檢測(cè)模塊，檢測(cè)電路如圖1 所示。

圖1 平均電壓檢測(cè)電路Fig.1 Detection circuit of average voltage

使用NI Multisim 電路仿真軟件對(duì)上述電路進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)示波器波形可知，該方案上升沿穩(wěn)定時(shí)間約為1.5 ms，下降沿穩(wěn)定時(shí)間約為7.5 ms，符合后續(xù)軟件中對(duì)間隙平均電壓檢測(cè)的要求。平均電壓檢測(cè)模塊實(shí)物如圖3 所示，數(shù)控系統(tǒng)硬件電氣連接方案如圖4所示。

圖2 Multisim 電路仿真波形Fig.2 Waveform of Multisim circuit simulation

圖3 平均電壓檢測(cè)模塊Fig.3 Detection module of average voltage

圖4 硬件電氣連接方案示意圖Fig.4 Electrical connection scheme diagram of hardware

磁場(chǎng)由釹鐵硼磁鐵提供，將兩塊釹鐵硼合金放置在工件兩側(cè)，電極進(jìn)給方向與磁場(chǎng)線垂直，通過(guò)改變塊狀釹鐵硼合金之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，如圖5 所示。采用高斯計(jì)TUNKIA TD8620 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，其測(cè)量精度在1%以內(nèi)，如圖6所示。

圖5 磁鐵位置Fig.5 Magnet position

圖6 高斯計(jì)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.6 Gaussian meter for measuring magnetic flux density

1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)磁場(chǎng)輔助電火花加工平臺(tái)的試驗(yàn)需求及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，本系統(tǒng)以NI Lab Windows/CVI 軟件為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)出了便于操作的人機(jī)交互界面（圖7）。

圖7 磁場(chǎng)輔助電火花加工平臺(tái)人機(jī)交互界面Fig.7 Human-machine interface of magnetic field assisted EDM

為保障加工的穩(wěn)定性、檢測(cè)與顯示的實(shí)時(shí)性及系統(tǒng)總體的穩(wěn)定性，該運(yùn)動(dòng)控制軟件系統(tǒng)需多線程并列運(yùn)行。系統(tǒng)功能流程如圖8 所示，其中虛線表示信息流的交互方向。伺服平臺(tái)初始化功能模塊的主要功能是對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服軸、數(shù)據(jù)采集卡等模塊進(jìn)行初始化，基于APS168_ADLINK_DLL.dll（ADLINK 公司）及ART_USB3200.dll（阿爾泰公司）動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)庫(kù)，通過(guò)AMP - 204C 運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置。

圖8 系統(tǒng)功能流程圖Fig.8 Flow chart of system functions

2 單脈沖放電試驗(yàn)研究

電火花加工是連續(xù)的單個(gè)脈沖放電疊加的結(jié)果，單個(gè)放電凹坑的尺寸和形貌會(huì)影響最終的加工表面質(zhì)量。因此，通過(guò)分析不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)輔助下單個(gè)脈沖放電的特點(diǎn)和規(guī)律可以了解整個(gè)電火花放電加工過(guò)程中磁場(chǎng)對(duì)加工SiCp/Al 的影響，有利于深入了解電火花加工機(jī)理。

2.1 單脈沖試驗(yàn)設(shè)計(jì)

電火花單脈沖試驗(yàn)在自行研制的磁場(chǎng)輔助電火花加工試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)平臺(tái)在Z軸方向上定位精確，可以有效地控制工具電極和工件之間的放電間隙，滿足試驗(yàn)的要求。在單脈沖試驗(yàn)中，脈寬10 μs、開(kāi)路電壓100 V、電容1500 pF，采用正極性加工，利用示波器（普源DS1204B）采集放電波形，利用激光共聚焦顯微鏡（基恩士VK-X3000）對(duì)放電凹坑形貌進(jìn)行觀測(cè)和尺寸測(cè)量。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)放電持續(xù)時(shí)間的影響

圖9 為單脈沖試驗(yàn)中的電壓波形，即電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度后，電介質(zhì)被擊穿形成的放電通道。圖10 為磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0、100 mT、150 mT、200 mT 時(shí)的放電持續(xù)時(shí)間變化趨勢(shì)圖，采用Origin 計(jì)算生成誤差棒，為減小誤差每組試驗(yàn)加工次數(shù)在3 次以上，取其中有效數(shù)值平均值得出的最終數(shù)據(jù)作為折線點(diǎn)取值。試驗(yàn)結(jié)果表明，放電持續(xù)時(shí)間隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度由0 增加到200 mT 時(shí)，放電持續(xù)時(shí)間由4.2 μs 延長(zhǎng)到7.8 μs。其原因主要包括兩個(gè)方面，一方面是施加外部磁場(chǎng)后，電介質(zhì)被磁化，當(dāng)工件和電極之間施加電壓時(shí)，電介質(zhì)中的電場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)磁場(chǎng)，從而提高了電介質(zhì)的擊穿電壓，因此需要更高的電壓才能在電介質(zhì)中形成放電通路，放電發(fā)生后，電介質(zhì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行消電離，從而使放電時(shí)間延長(zhǎng)；另一方面，磁場(chǎng)可以對(duì)電極和工件之間產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行約束和加速，增加等離子體的能量和密度，密度的增加使等離子體內(nèi)部的阻尼效應(yīng)增加，等離子體中的粒子更加頻繁地碰撞并失去能量，減緩等離子體內(nèi)部的能量傳遞，減慢等離子體內(nèi)部的能量釋放速率，從而使放電持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。

圖9 磁場(chǎng)中單脈沖放電電壓波形Fig.9 Voltage waveform of a single-pulse discharge in magnetic field

圖10 磁場(chǎng)對(duì)放電持續(xù)時(shí)間的影響Fig.10 Influence of magnetic induction intensity on discharge duration

2.3 磁場(chǎng)對(duì)凹坑表面形貌的影響

在單脈沖火花放電中，通道內(nèi)的帶電粒子與工具電極和工件不斷地發(fā)生碰撞，釋放熱能，急速加熱工具電極和工件，熔化甚至氣化工件。熔化的材料在爆炸力的作用下被拋出，在電極表面形成一個(gè)放電凹坑，電蝕產(chǎn)物被拋出后冷卻，分布在放電凹坑的周?chē)?。圖11 為不同磁場(chǎng)下單脈沖放電凹坑形貌，可以看出，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，加工表面熔融物質(zhì)減少，表面更加光滑，這是因?yàn)樵诖艌?chǎng)的作用下，蝕除物的排出更加順暢，加工間隙時(shí)的蝕除物的融化再凝固現(xiàn)象減少[22]。

圖11 不同磁場(chǎng)下電蝕凹坑表面形貌Fig.11 Surface morphology of discharge craters in diffe ent magnetic field

2.4 磁場(chǎng)對(duì)凹坑尺寸的影響

如圖12（a）所示，凹坑直徑隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度從0 增加至200 mT，凹坑直徑由11.7 μm 增加至17.38 μm。在垂直磁場(chǎng)的作用下，洛倫茲力使放電通道中帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移。磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，偏移的軌跡越長(zhǎng)，凹坑直徑越大；磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，偏移的軌跡越短，凹坑直徑越小。

圖12 磁場(chǎng)對(duì)凹坑的影響Fig.12 Influence of magnetic induction intensity on crater

如圖12（b）所示，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，帶電粒子在放電通道中受到洛倫茲力的作用使得橫向動(dòng)能增加，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生偏移，凹坑深度隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度從0 增加至200 mT，凹坑深度由1.83 μm 降低至1.4 μm。

由于使用橢圓體模型計(jì)算凹坑體積具有建模簡(jiǎn)單、能精確反映凹坑形狀和方便比較分析等優(yōu)點(diǎn)，所以凹坑體積選擇以橢圓體進(jìn)行計(jì)算。如圖12（c）所示，凹坑體積隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，主要原因有： （1）在外部磁場(chǎng)的作用下，帶電粒子的軌跡發(fā)生偏移，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)路徑變長(zhǎng)，隨著運(yùn)動(dòng)軌跡變長(zhǎng)，帶電粒子碰撞的概率增加，使得放電通道的熱量增多，釋放的熱量可以蝕除更多的工件材料； （2）磁場(chǎng)使電介質(zhì)發(fā)生磁化，使其更易電離，更容易被擊穿，放電過(guò)程中產(chǎn)生的能量在擊穿介質(zhì)方面消耗得更少，更多的能量可以用于蝕除工件材料，從而導(dǎo)致凹坑體積隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加。

3 磁場(chǎng)對(duì)加工SiCp/Al 的影響

為了更好地探究磁場(chǎng)對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al 復(fù)合材料加工工藝的影響，通過(guò)建立相關(guān)平臺(tái)，分別對(duì)體積分?jǐn)?shù)為40%、45%、55%、65%的SiCp/Al 復(fù)合材料進(jìn)行一系列微孔加工試驗(yàn)，探究磁場(chǎng)對(duì)材料去除率，以及加工后工件表面粗糙度的相關(guān)影響。試驗(yàn)采用開(kāi)路電壓80 V、電容2200 pF、電極轉(zhuǎn)速2000 r/min、進(jìn)給深度500 μm、電極直徑0.2 mm。

3.1 磁場(chǎng)對(duì)加工表面粗糙度的影響

經(jīng)過(guò)一系列的加工試驗(yàn)，磁場(chǎng)對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al 復(fù)合材料的表面粗糙度影響如圖13 所示。可知，在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，表面粗糙度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，加工體積分?jǐn)?shù)40%、45%、55%、65%的SiCp/Al 復(fù)合材料時(shí)，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T 的磁場(chǎng)輔助下，加工工件表面粗糙度均有一定程度的降低。加工體積分?jǐn)?shù)55%的SiCp/Al 時(shí)表面粗糙度最低，且在SiCp/Al 體積分?jǐn)?shù)為55%時(shí)磁場(chǎng)的存在對(duì)粗糙度的降低更為明顯。55%的SiCp/Al 在無(wú)磁場(chǎng)輔助的情況下加工工件表面粗糙度為0.75 μm，在磁感應(yīng)強(qiáng)度0.3 T 的磁場(chǎng)輔助下加工工件表面粗糙度為0.62 μm，降低17.3%。這是由于磁場(chǎng)的存在降低了帶電粒子在工件和電極之間的擾動(dòng)程度，提高了放電通道的放電穩(wěn)定性，使得電極和工件之間的正常放電比例增加，提高了加工過(guò)程的穩(wěn)定性，從而減小了工件的表面粗糙度[23]。

圖13 磁場(chǎng)對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料表面粗糙度的影響Fig.13 Effect of magnetic field on surface roughness of SiCp/Al composites with diffe ent volume fractions

3.2 磁場(chǎng)對(duì)材料去除率的影響

磁場(chǎng)對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料的材料去除率影響如圖14所示?？芍诖鸥袘?yīng)強(qiáng)度為0 和0.3 T 兩種加工條件下，材料去除率呈現(xiàn)出隨著SiCp/Al 體積分?jǐn)?shù)的增加而降低的趨勢(shì)。這是由于高體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al 復(fù)合材料單位體積內(nèi)含較多的碳化硅顆粒，碳化硅硬度高，加工難度大，在加工過(guò)程中SiCp/Al 復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)越高，遇到碳化硅的概率也會(huì)更高，使加工更加困難。另外，碳化硅顆粒導(dǎo)電率較低，在一定程度上會(huì)阻礙放電通道的形成，增加了不正常放電的概率，導(dǎo)致碳化硅體積分?jǐn)?shù)越高的復(fù)合材料越難加工[24]。

圖14 磁場(chǎng)對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料材料去除率的影響Fig.14 Effect of magnetic field on materials removal rate of SiCp/Al composites with diffe ent volume fractions

施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T 的磁場(chǎng)后，體積分?jǐn)?shù)為40%、45%、55%和65%的SiCp/Al 材料去除率分別提升了4.6%、26.0%、47.1%和96.85%，由此可以看出，碳化硅的體積分?jǐn)?shù)越大，外部磁場(chǎng)對(duì)材料去除率的提升作用越明顯。隨著碳化硅體積分?jǐn)?shù)的增加，加工過(guò)程中由于碳化硅產(chǎn)生的異常放電次數(shù)增多。增加磁場(chǎng)輔助后，帶電粒子產(chǎn)生偏移，運(yùn)動(dòng)軌跡加長(zhǎng)，帶電粒子碰撞的概率增加，帶電粒子增多提高了通道內(nèi)的等離子體密度，減少了異常放電的次數(shù)，增加了放電通道的熱量，材料去除率得以提高。碳化硅體積分?jǐn)?shù)越高，磁場(chǎng)對(duì)異常放電的抑制作用越明顯，材料去除率的提升也就越明顯。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)硬件選型和硬件模塊的設(shè)計(jì)，搭建出完整的磁場(chǎng)輔助電火花加工機(jī)床試驗(yàn)平臺(tái)，基于Lab Windows/CVI 環(huán)境，開(kāi)發(fā)了一款與平臺(tái)相配套的人機(jī)交互界面及各功能模塊。

（2）在單次火花放電中，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，帶電粒子受到洛倫茲力的作用使橫向動(dòng)能增加，從而運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，導(dǎo)致凹坑直徑增加、深度減小，凹坑體積增大。其中凹坑直徑受磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的影響最為明顯，凹坑深度受磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的影響最小。

（3）通過(guò)施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T 的外部磁場(chǎng)后，工件表面粗糙度減小，材料去除率增大，且碳化硅的體積分?jǐn)?shù)越大，外部磁場(chǎng)對(duì)材料去除率的提升作用越明顯。體積分?jǐn)?shù)為65%的SiCp/Al 在施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3 T 的外部磁場(chǎng)后，材料去除率的提升高達(dá)96.85%。