張　敏，張勤河，朱　光，王　侃，董春杰

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

振動(dòng)輔助電弧銑削加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

張敏，張勤河，朱光，王侃，董春杰

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

通過(guò)對(duì)電弧加工技術(shù)、電弧銑削加工技術(shù)及其機(jī)理的總結(jié)，提出了振動(dòng)輔助電弧銑削加工技術(shù)。利用自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)有、無(wú)疊加振動(dòng)的銑削加工放電波形進(jìn)行了分析，研究了振動(dòng)頻率對(duì)加工速度、電極損耗的影響。結(jié)果表明：在較高頻率與較大振幅的條件下，通過(guò)疊加振動(dòng)可提高電弧銑削過(guò)程的穩(wěn)定性，并提升加工速度，降低電極相對(duì)損耗，進(jìn)而改善加工精度。振動(dòng)所起的良好作用是由于疊加振動(dòng)能促進(jìn)放電并減少短路。

電弧加工；銑削；振動(dòng)輔助；加工速度；電極相對(duì)損耗

電弧加工具有與傳統(tǒng)電火花加工極其類(lèi)似的特點(diǎn)，都是依靠工具與工件之間放電產(chǎn)生的高溫來(lái)蝕除工件材料，適用于傳統(tǒng)加工方式難以加工的各種導(dǎo)電材料；不同的是，傳統(tǒng)電火花加工采用火花放電來(lái)蝕除材料，而電弧加工采用具有更高能量密度的電弧放電來(lái)蝕除材料［1］。由于電弧加工相比于傳統(tǒng)電火花加工具有更高的加工速度與能量利用率，所以被認(rèn)為是十分具有發(fā)展前景的新型電加工技術(shù)，近年來(lái)已成為各方研究的熱點(diǎn)之一。

最早的電弧加工是Meshcheriakov等提出的電弧尺寸加工［2］。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，各種電弧加工及電弧復(fù)合加工技術(shù)被提出及研究，如：電熔爆加工技術(shù)、短電弧加工技術(shù)［3］、基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工技術(shù)［1，4］和超高速?gòu)?fù)合電火花電弧銑削技術(shù)［5-6］。這些電弧加工技術(shù)都采用了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電火花加工的峰值電流與脈沖寬度，得到了接近或超過(guò)10 000 mm3/min的加工速度，廣泛用于軋輥修造、高壓泵柱塞、葉輪外圓和端面加工等方面，提高了生產(chǎn)效率［7］。

1　電弧加工與電弧銑削技術(shù)的機(jī)理

電弧加工具有與電火花加工類(lèi)似的加工機(jī)理，其放電過(guò)程包括放電介質(zhì)的擊穿、等離子通道的形成與擴(kuò)展、電蝕凹坑的產(chǎn)生與爆噴、放電的結(jié)束與消電離。盡管火花放電與電弧放電有區(qū)別，但即使對(duì)于物理學(xué)家來(lái)講，區(qū)分火花與電弧也是極其困難的［8］。在放電加工參數(shù)方面，電弧加工通常采用遠(yuǎn)超電火花加工的峰值電流與脈沖寬度，有時(shí)甚至采用直流電源［9］；而在電火花放電過(guò)程中，隨著放電能量的增大，蝕除顆粒增多，易造成拉弧甚至短路［10］。當(dāng)采用電弧加工的放電參數(shù)進(jìn)行球面電極與球面電極之間的單脈沖放電時(shí)，由于產(chǎn)生的放電凹坑過(guò)大，凹坑凸緣也隨之升高，即使是單脈沖放電，也會(huì)造成對(duì)應(yīng)凹坑凸緣的連接，進(jìn)而造成單脈沖放電后的短路現(xiàn)象［11］。因此，文獻(xiàn)［11］提出了采用單脈沖放電后的間隙狀態(tài)作為區(qū)分電火花放電與電弧放電的方法，同時(shí)考慮到了峰值電流與脈沖寬度的影響，反映了電火花放電與電弧放電的區(qū)別，是一種有效區(qū)分電火花加工與電弧加工的方式。

在電弧放電中，由于采用了高峰值電流和大脈沖寬度，放電能量也隨之增大，更易造成蝕除顆粒的堆積、凸緣的增大，最終形成導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致短路的發(fā)生。不同于電火花加工的是，電弧加工采用工具電極與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或放電介質(zhì)的流動(dòng)干擾電弧，使電弧移動(dòng)、拉長(zhǎng)甚至斷開(kāi)，從而使加工過(guò)程能持續(xù)進(jìn)行，這被稱(chēng)為機(jī)械斷弧和流體沖液斷?。?］。例如：在電熔爆和短電弧的車(chē)削加工過(guò)程中，盤(pán)狀工具電極與圓柱狀工件同時(shí)旋轉(zhuǎn)，兩者產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，液體或氣液混合的介質(zhì)對(duì)放電點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行沖刷，就是同時(shí)采取了機(jī)械斷弧與流體沖液斷弧的方式；電弧尺寸加工與基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工則是采用了液體介質(zhì)、通過(guò)工具電極或工件電極上的孔的抽吸實(shí)現(xiàn)了流體沖液斷弧；超高速?gòu)?fù)合電火花電弧銑削技術(shù)依靠管狀電極在旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給的過(guò)程中同時(shí)存在的機(jī)械斷弧與流體沖液斷弧進(jìn)行銑削加工。

電弧加工相比于電火花加工的另一特點(diǎn)是極性效應(yīng)。公開(kāi)的電弧加工方法中，除反極性基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工［12］外，都是采用工件連接電源的正極。這是因?yàn)樵陔娀》烹娭?，正極獲得更多的能量［13］。反極性基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工相比于基于流體動(dòng)力斷弧的高速電弧放電加工，在降低加工速度的基礎(chǔ)上取得了更光滑的表面，減少了表面微裂紋，依然是正極獲得了更多的能量，符合電弧放電過(guò)程中正極獲得更多能量的特點(diǎn)。

2　振動(dòng)輔助電弧銑削加工技術(shù)

由上述分析可知，電弧加工中的機(jī)械斷弧與流體沖液斷弧是要解決因放電能量過(guò)大而可能導(dǎo)致的放電不穩(wěn)定與短路的問(wèn)題。機(jī)械斷弧的機(jī)理尚不明確，流體沖液斷弧盡管能降低電極損耗率和加工表面粗糙度值，但流體沖液對(duì)等離子通道的壓縮會(huì)導(dǎo)致放電凹坑減小，進(jìn)而降低加工速度［9］。在氣中電火花銑削中，疊加超聲振動(dòng)可有效提升加工速度［14］；在微細(xì)電火花小孔加工中，已發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)可提高加工速度，降低工具電極相對(duì)損耗，并減少短路次數(shù)，提升了加工質(zhì)量［15］；在宏觀電火花加工中，疊加0～600 Hz的低頻振動(dòng)能有效提高加工速度［16］。

因此，在電火花加工過(guò)程中，通過(guò)疊加在工具、工件或介質(zhì)中的振動(dòng)，具有促進(jìn)放電和促進(jìn)電蝕產(chǎn)物排出的作用?？紤]到振動(dòng)對(duì)電火花加工的有益效果，本文提出振動(dòng)輔助電弧銑削加工技術(shù)，通過(guò)在銑削過(guò)程中對(duì)工件疊加振動(dòng)，以促進(jìn)放電，在放電產(chǎn)生后實(shí)現(xiàn)增大放大間隙、防止凹坑凸緣增大而形成短路，進(jìn)而提高電弧銑削的加工速度。

3　振動(dòng)輔助電弧銑削加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)采用自行開(kāi)發(fā)研制的電弧銑削加工機(jī)床，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1a。工具電極采用管狀石墨電極，外徑16 mm、內(nèi)徑10 mm。工件為高速鋼W9Mo3Cr4V。工具電極固定在Z軸平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸上，以2000 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)中心沖液的方式，用高壓水泵向管狀電極內(nèi)部通入壓力為0.6 MPa的自來(lái)水。電弧放電電源采用自主研發(fā)的恒流輸出直流電源，輸出開(kāi)路電壓80 V、放電峰值電流400 A。采用正極性加工，即工件接電弧放電電源的正極。

圖1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

此外，放電狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部擁有獨(dú)立的電源，與電弧放電電源并聯(lián)。由于該獨(dú)立電源回路中的電流由工具電極與工件之間的等效電阻決定，因此該電流可反映放電狀態(tài)。將該電流等比例變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，經(jīng)穩(wěn)壓濾波可作為判斷放電狀態(tài)的檢測(cè)信號(hào)。

由于前期實(shí)驗(yàn)中，超聲頻振動(dòng)臺(tái)的峰值振幅過(guò)小，一般小于1 μm，在實(shí)驗(yàn)中幾乎對(duì)電弧放電過(guò)程無(wú)影響（電弧放電產(chǎn)生凹坑的凸緣高度在10 μm以上）。因此設(shè)計(jì)制造了振幅大、頻率可調(diào)的電磁式振動(dòng)臺(tái)。工件夾具固定在振動(dòng)臺(tái)面上，振動(dòng)臺(tái)面通過(guò)硅膠膜安裝在工作液槽的底部，振動(dòng)臺(tái)面的振動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向（Z軸方向）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖1b。電磁振動(dòng)臺(tái)有正全波振動(dòng)與正負(fù)半波振動(dòng)2種模式，前者電磁振動(dòng)臺(tái)電源發(fā)出設(shè)定頻率0～700 V的矩形脈沖，后者電磁振動(dòng)臺(tái)電源發(fā)出設(shè)定頻率-350～350 V的矩形脈沖。在相同頻率設(shè)定下，正全波振動(dòng)模式下的振幅大于正負(fù)半波振動(dòng)模式下的振幅。電磁振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面在安裝硅膠膜、夾具及工件后，在不同頻率下的峰值振幅測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　振幅隨頻率變化的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)包括2組單因素實(shí)驗(yàn)，分別采用正全波、正負(fù)半波振動(dòng)模式，研究不同振動(dòng)頻率對(duì)電弧銑削加工過(guò)程及結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，并對(duì)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1　實(shí)驗(yàn)條件

3.2放電波形分析

圖3a是無(wú)疊加振動(dòng)銑削過(guò)程中短路發(fā)生時(shí)的放電波形。在短路發(fā)生（達(dá)到短路閾值）的前一階段，有一個(gè)放電狀態(tài)惡化的過(guò)程。在此過(guò)程中，放電電壓降低，放電電流噪波減少，檢測(cè)電路中的間隙狀態(tài)（未處理）電壓與間隙狀態(tài)（處理后）的信號(hào)電壓均升高至接近短路閾值，這個(gè)過(guò)程是間隙狀況惡化的過(guò)程。圖3b、圖3c是疊加振動(dòng)后的短路波形。在圖3b中，間隙狀態(tài)惡化的過(guò)程較圖3a有延長(zhǎng)，說(shuō)明振動(dòng)通過(guò)促使工具電極與工件在接近時(shí)放電，放電后增大了二者的間隙，防止放電惡化與短路方面產(chǎn)生作用。在圖3c中，振動(dòng)的這種作用更明顯，通過(guò)這種對(duì)間隙的增大，使放電在間隙狀態(tài)惡化后沒(méi)有發(fā)展到短路，而消除了這種惡化，延續(xù)了正常加工。

圖3　放電波形的比較

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

振動(dòng)輔助電弧加工速度可通過(guò)對(duì)工件加工前、后的重量計(jì)算獲得，即：

式中：MRR為加工速度，mm3/min；M1為工件加工前的重量，g；M2為工件加工后的重量，g；T為加工時(shí)間，min；ρM為工件密度，g/mm3。

通過(guò)對(duì)2組實(shí)驗(yàn)的計(jì)算，可獲得不同頻率下的材料去除率變化規(guī)律。由圖4可知，在相同頻率下，正全波振動(dòng)模式下的加工速度高于正負(fù)半波振動(dòng)模式下的加工速度。同時(shí)，由于振動(dòng)臺(tái)隨著頻率升高，振幅急劇減小。當(dāng)頻率為250 Hz時(shí)，振幅已低于12 μm，所以250、300 Hz振動(dòng)頻率因振幅小，疊加振動(dòng)對(duì)其加工速度影響不大。當(dāng)振動(dòng)頻率為150、200 Hz時(shí)，加工速度優(yōu)于不疊加振動(dòng)時(shí)的速度，所以在疊加振動(dòng)頻率為150、200 Hz時(shí)，大振幅比小振幅能更好地提升加工速度。由上述分析可知，頻率與振幅能同時(shí)對(duì)加工速度產(chǎn)生影響；但由于提高頻率會(huì)使振幅大幅降低，因此在保證足夠振幅以防止放電凹坑凸緣連接、進(jìn)而使放電狀態(tài)惡化的前提下，應(yīng)盡量提高振動(dòng)頻率，將能促進(jìn)放電、防止短路，進(jìn)而提升加工速度。

圖4　振動(dòng)頻率對(duì)加工速度的影響

工具電極相對(duì)損耗可由工具電極與工件的重量損失獲得，即：

式中：TWR為工具電極相對(duì)損耗，%；m1為工具電極加工前的重量，g；m2為工具電極加工后的重量，g；ρm為工具電極密度。

實(shí)驗(yàn)所得的工具電極相對(duì)損耗與振動(dòng)頻率的關(guān)系見(jiàn)圖5。振動(dòng)的疊加有助于降低電極相對(duì)損耗，尤其在振動(dòng)頻率為150、200 Hz時(shí)最明顯。與對(duì)加工速度的影響類(lèi)似，在振動(dòng)頻率相同的條件下，更大的振幅能更多地降低電極相對(duì)損耗，更低的電極損耗減少了電極的長(zhǎng)度損失，對(duì)提升加工精度具有重要意義。

從加工后的工件形貌（圖6a～圖6c）可看出，是否疊加振動(dòng)及振幅大小幾乎不影響工件的加工效果。由圖6d可看出，電弧銑削加工產(chǎn)生的蝕除顆粒遠(yuǎn)大于電火花加工產(chǎn)生的蝕除顆粒。而電弧加工的電壓一般低于電火花加工，即電弧加工的放電間隙小于電火花加工，導(dǎo)致電弧加工蝕除顆粒的排出更困難。由于電弧加工產(chǎn)生的蝕除顆粒更大，其中有些顆粒直徑超過(guò)1 mm，遠(yuǎn)大于電弧加工的放電間隙。這些蝕除顆粒的排出過(guò)程應(yīng)當(dāng)是電弧放電在工具電極與工件的最近點(diǎn)產(chǎn)生后，受工具電極旋轉(zhuǎn)與流體沖液的復(fù)合影響，熔化了的工件材料被蝕除，使放電間隙增大，同時(shí)被拋出增大了的放電間隙。而疊加振動(dòng)能有效促進(jìn)放電的產(chǎn)生，在放電產(chǎn)生后增加工具電極與工件的間隙，防止放電狀態(tài)的惡化與短路的發(fā)生，甚至能消除短路，起到了穩(wěn)定加工過(guò)程的作用。

圖5　振動(dòng)頻率對(duì)電極相對(duì)損耗率的影響

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)電弧加工特性的研究與分析，提出了振動(dòng)輔助電弧銑削加工技術(shù)，并設(shè)計(jì)了2組單因素實(shí)驗(yàn)，針對(duì)不同頻率、振幅條件下的振動(dòng)輔助銑削進(jìn)行研究，分析了頻率、振幅對(duì)放電過(guò)程、加工速度與電極相對(duì)損耗的影響，主要結(jié)論如下：

（1）電弧銑削過(guò)程中，通過(guò)疊加振動(dòng)，可有效消除惡化的放電狀態(tài)，減少加工過(guò)程中的短路次數(shù)，提升加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

（2）振動(dòng)頻率與振幅對(duì)加工結(jié)果都有作用，在保證振幅的前提下，采用較高的頻率可提高加工速度，并降低電極相對(duì)損耗。

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Experimental Study on Vibration Assisted Electro-arc Milling Technology

Zhang Min，Zhang Qinhe，Zhu Guang，Wang Kan，Dong Chunjie
（Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture（Ministry of Education），School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Through the summary of the mechanism electro-arc machining（EAM）and EAM milling，vibration assisted electro-arc milling（V-EAM）was proposed.Experimental equipment has been developed and the discharge waveforms with and without vibration were analyzed.The effects of vibration frequency on material removal rate（MRR）and tool wear ratio（TWR）were studies.The results showed that the vibration of certain high frequency and large amplitude was of benefit to increasing MRR and decreasing TWR，which improving the machining precision further.The positive impact of vibration has been attributed to its abilities of increasing discharges and reducing short circuits.

electro-arc machining；milling；vibration assisted；machining speed；tool wear ratio

TG661

A

1009－279X（2016）03－0006-05

2016-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375274）；高校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20130131120077）；山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金（IIFSDV）資助項(xiàng)目（2012TS042）

張敏，男，1983年生，博士研究生。