時東波，王振龍

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

設計·研究

CuW90微小孔電火花加工實驗研究

時東波，王振龍

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

利用單因素實驗和正交試驗法探究了電源電容、電流、伺服參考電壓、伺服速度及占空比對CuW90微小孔電火花加工效率和電極損耗的影響。結果表明：伺服參考電壓和占空比對加工效率和電極損耗的影響都較大，而電容、電流對其影響較小，最終得到了CuW90電火花微小孔加工的最優(yōu)參數組合。

電火花加工；微小孔；加工效率；電極損耗；CuW90

CuW90是指鎢元素質量分數90%的銅鎢合金，具有較高的熔點和強度、相對較低的密度、良好的導熱性和導電性、較小的熱膨脹系數，被廣泛應用于各種領域，如用作導彈或火箭發(fā)動機的噴管、燃氣舵、空氣舵、鼻錐等。正是由于上述特性，使CuW90材料的微小孔加工成為一大制造難點。以傳統(tǒng)加工方式加工高硬度材料時，因存在宏觀作用力，加工精度難以保證，且刀具制造困難。而電火花加工具有無宏觀作用力、適合加工難切削材料等特點，非常適合CuW90材料的微小孔加工。

國內外學者對鎢合金及其加工特性進行了探究。Lee等[1]利用沃羅諾伊圖探究了銅鎢合金中鎢元素含量對電導率的影響，表明在一定范圍內鎢顆粒的增多會增加電導率，從而影響放電加工效果。李建原等[2]采用弱電解質溶液，利用在線制作的削邊電極，經絕緣處理后輔以超聲振動對鎢材料試件進行了電火花電化學復合加工實驗。馬名峻等[3]也采用電火花電化學復合加工方法，利用液體成膜的低濃度電解質環(huán)保水溶液對鎢鉬類金屬進行了超深小孔加工，結果表明絕緣膜可有效改善電極損耗。張艷等[4]探究了不同形狀中空電極的加工機理，證實雙孔電極具有較好的加工效果。朱派龍等[5]利用新型三爪管電極對鎢鉬合金進行了深小孔加工，提高了加工精度。但目前對CuW90微小孔加工參數影響的研究較少，因此有必要對其進行相關的實驗探索。

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗裝置

實驗采用自主研發(fā)的電火花高速小孔加工機床，其硬件部分由位移平臺、電極旋轉主軸、內沖液系統(tǒng)、導向裝置等組成 （圖1）。電極旋轉主軸為System 3R系列高速主軸，可實現(xiàn)60～2000 r/min無級調速，配合專用夾頭可夾持直徑0.09～3 mm的管電極。內沖液系統(tǒng)選用AD1008產業(yè)用高壓泵和TFO-FK IP44型三相高性能電機，可提供的最高壓力為9.8 MPa。導向裝置可調節(jié)不同工位，配合使用陶瓷芯導向器，可保證電極在高速旋轉過程中保持較高的回轉精度。

圖1 電火花高速小孔加工機床

機床軟件主要由脈沖電源和伺服控制系統(tǒng)組成。電源采用RC晶體管復合脈沖電源，可有效控制電容充電時間，改善加工狀態(tài)（圖2）。

圖2 復合脈沖電源示意圖

1.2 實驗方案

首先選取合適的實驗參數 （如：電源電容、電流、伺服參考電壓、伺服速度、占空比），利用單因素方法分別探究其對加工效率和電極損耗的影響，再通過正交試驗法尋找出上述參數的最優(yōu)組合。實驗結果均取三次實驗的平均值，實驗參數見表1。

表1 實驗參數表

2 單因素實驗分析

2.1 電容對加工結果的影響

RC脈沖電源的能量公式為：

式中：W為放電能量，J；C為電源電容，F(xiàn)；U為開路電壓，V。

可知，單脈沖放電能量大小與電容、電壓有關，保持電壓不變，電容大小變化會使能量發(fā)生變化。因此，設定電流為1.75 A、伺服參考電壓為100 V、主軸脈沖間隔為 200 μs、占空比為 1∶0，取電容值分別為 22、32、47、100、200 kpF，得到的加工時間及電極損耗曲線見圖3?？煽闯?，隨著電容值不斷增加，加工時間逐漸延長。原因是隨著電容增大，充電時間增長、放電頻率降低，使加工效率下降；且單次放電能量增大、有效蝕除量增加，避免了電極的無效損耗，故電極損耗量也隨之減小。

圖3 電容對加工時間及電極損耗的影響曲線圖

當選取不同電容值進行加工時，孔內壁的表面形貌會因放電能量大小而變化。由圖4、圖5可見，孔a的電容值為200 kpF，其工件表面凹坑及凸起較多，孔b的電容值為22 kpF，工件表面質量更好。

圖4 不同電容加工的小孔

圖5 不同電容加工的小孔形貌圖

2.2 電流對加工結果的影響

電容電量公式為：

式中：Q 為電容電荷量，C；I為電流，A；t為時間，s。

可知，電容充電時間與電流大小有關。因此，設定電容值為22 kpF、伺服參考電壓為100 V、主軸脈沖間隔為200 μs、占空比為1∶0，取電流值分別為0.11、0.21、0.42、0.84、1.26、1.75 A，得到的加工時間及電極損耗曲線見圖6。可看出，加工時間隨著電流值的增加而減小。分析原因：在加工過程中，充電電流不斷增大，電容充電周期減小，放電頻率提高，單位時間內的蝕除量增加，導致加工時間減??；且電流值在0.11～1.75 A范圍內變化時，加工時間減少了38.3%，說明電流值對加工效率有較大影響。電極損耗無明顯變化，約穩(wěn)定在18 mm波動范圍內。

圖6 電流對加工時間及電極損耗的影響曲線圖

2.3 伺服參考電壓對加工結果的影響

伺服參考電壓是保證放電間隙的一項重要指標，當檢測到放電電壓低于伺服參考電壓時，控制系統(tǒng)會判斷為間隙過小，從而減小電機主軸進給速度或回退；反之，控制系統(tǒng)會判斷為間隙過大，從而加大主軸進給速度，以保證加工順利進行。設置電容值為22 kpF、電流值為1.75 A、主軸脈沖間隔為200 μs、占空比為 1∶0，取伺服參考電壓分別為 50、100、150、200 V，得到的加工時間及電極損耗曲線見圖7?？煽闯觯斔欧⒖茧妷狠^低時，放電間隙小，放電時熱量集中，單次蝕除量大，加工時間短、效率高。隨著伺服參考電壓的升高，放電間隙增大，單次蝕除量減少，加工時間增加。伺服參考電壓為200 V時的加工時間約為電壓50 V時的4倍。此外，電極損耗隨著電壓的升高而呈緩慢增加趨勢，但影響有限，最大值僅比最小值增加了約17.6%。

圖7 伺服參考電壓對加工時間及電極損耗的影響曲線圖

2.4 伺服速度對加工結果的影響

伺服速度是指電機主軸進給速度，在此以主軸電機的脈沖間隔時間來改變伺服速度，間隔時間越大，速度越慢。為使加工迅速，伺服速度應與蝕除量相匹配，以保證正常的放電間隙，減少主軸回退。設定電容值為22 kpF、電流值為1.75 A、伺服參考電壓為100 V、占空比為1∶0，取主軸脈沖間隔分別為200、400、800、1000、1500、2000 μs，得到的加工時間及電極損耗曲線見圖8。當脈沖間隔較長即進給速度較慢時，單次蝕除量大于需要進給的距離，因而放電間隙過大，有效放電次數減少，從而使加工時間變長。脈沖間隔為2000 μs時的加工時間約為脈間200 μs時的3.4倍，說明伺服速度對加工時間有較大影響。此外，當進給速度減慢、有效放電次數減少時，放電過程中僅有電極損耗而無工件損耗，從而使電極損耗量逐漸增大。脈沖間隔為2000 μs時的電極損耗量比脈間200 μs時增加了約71.5%。

圖8 伺服速度對加工時間及電極損耗的影響曲線圖

2.5 占空比對加工結果的影響

在電火花加工中，占空比是指脈寬與脈間的比值。單獨使用晶體管脈沖電源時，直接控制脈寬與脈間的時間，即可控制充放電時間；單獨使用RC脈沖電源時，電容充電時間即脈間時間，而脈寬時間則很短，在擊穿放電間隙后瞬時放電，無放電維持電壓。當同時使用兩種電源時，由于晶體管脈沖周期遠小于電容充電時間，當晶體管處于高電平時，主回路導通，電容正常充電；當晶體管處于低電平時，主回路被切斷，電容維持原電壓不變，這樣就增加了消電離的時間。在不同的占空比條件下，得到的電壓波形見圖9。

設置電容值為22 kpF、電流值為1.75 A、伺服參考電壓為100 V、主軸脈沖間隔為200 μs，固定脈寬為 5 μs，取脈間分別為 0、5、15、25、35 μs，得到的加工時間及電極損耗曲線見圖10?？煽闯觯斆}間為0 μs即單獨使用RC脈沖電源時，加工時間最短；隨著脈間增加，占空比變小，加工時間增加。脈間為35 μs時的加工時間約為5 μs時的3倍。分析原因：金屬鎢的熔點為3410℃，相比于電極銅的熔點1083℃來說很高，需較大的能量密度才能蝕除。脈間的增加使放電頻率減小，蝕除效率降低，故加工時間延長。而對于電極損耗，占空比的變化對其影響不大。

圖9 不同占空比條件下的波形圖

圖10 占空比對加工時間及電極損耗影響曲線圖

2.6 不同工作液對加工間隙的影響

由于實驗使用中空電極，加工時孔的中心會形成柱狀殘留。當孔打通時，柱狀殘留會隨著沖液流出。使用不同的工作液，受導電性等影響，放電間隙會有不同，柱狀殘留也有所不同。由圖11可知，使用電火花油時，因其抗擊穿能力強，加工過程中的放電間隙小，形成的柱狀殘留較大且形狀規(guī)整；另外，受電極側面損耗及放電間隙小的影響，入口處直徑也較小，為0.49 mm。而去離子水的導電性較電火花油強，加工時的放電間隙較大，使得大部分中間材料被放電蝕除，僅留較細的一段，且放電間隙大導致加工孔徑大，為0.66 mm（圖12）。

圖11 電火花油工作液

圖12 去離子水工作液

3 正交試驗分析

為探究上述實驗參數的相互影響作用，尋找出最優(yōu)組合，進行了五因素四水平的正交試驗，因素水平見表2，正交試驗結果分析見表3～表4。結果表明，對加工時間及電極損耗影響最大的參數都是伺服參考電壓，其次是占空比，這與單因素實驗分析結果基本一致。但二者整體相較而言，所探究參數對加工時間的影響比對電極損耗的影響更大，在兼顧二者最優(yōu)組合時，應著重考慮加工時間的優(yōu)水平項。因此，選取電容40.37 kpF、電流1.75 A、伺服參考電壓 50 V、主軸脈沖間隔 400 μs、占空比 1∶1 為最優(yōu)組合，在該參數組合下加工時間為5.45 min，電極損耗為15.19 mm，結果較理想。

表2 因素水平表

表3 加工時間分析

表4 電極損耗分析

4 結論

（1）大電容能保證大能量，以增加單次蝕除量，大電流可減少電容充電時間，低伺服參考電壓可減小放電間隙，高伺服速度可保證放電間隙穩(wěn)定，大占空比可提高放電頻率，有利于優(yōu)化加工時間。

（2）采用高伺服速度來增加有效放電次數，有利于降低電極損耗；對電容、電流、伺服參考電壓、占空比來講，存在一個使電極損耗最低的最優(yōu)值。

（3）對加工時間和電極損耗影響最大的因素都是伺服參考電壓，其次是占空比。所探究的參數對加工時間的影響較大，優(yōu)化幅度達93.59%，對電極損耗的影響較小，優(yōu)化幅度為46.02%。

（4）綜合分析對加工時間及電極損耗的影響，得到最優(yōu)參數組合為電容40.37 kpF、電流1.75 A、伺服參考電壓50 V、主軸脈沖間隔400 μs、占空比1∶1。

[1] LEE Y J，LEE B H，KIM G S，et al.Evaluation of conductivity in W-Cu composites through the estimation oftopologicalmicrostructures [J].MaterialsLetters，2006，60（16）：2000-2003.

[2] 李建原，張勇斌，劉廣民，等.大深徑比鎢小孔的復合電加工工藝探索[J].制造業(yè)自動化，2016，38（5）：120-123.

[3] 馬名峻，王德新.一種利用電化學鈍化極化現(xiàn)象的超深小孔電火花復合加工工藝 [J].電加工與模具，2015（S1）：54-58.

[4] ZHANG Yan，XU Zhengyang，ZHU Yun，et al.Effect of tube-electrode inner structure on machining performance in tube-electrode high-speed electrochemical discharge drilling[J].Journal of Materials Processing Technology，2015，231：38-49.

[5] 朱派龍,周錦進.鎢鉬合金深小孔的電火花加工研究[J].電加工與模具,2000（5）：12-15.

Experimental Study on CuW90 Micro-hole by Electrical Discharge Machining

SHI Dongbo，WANG Zhenlong
（ School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China ）

For the processing of CuW90 micro-hole by electrical discharge machining(EDM)，the effects of capacitance，current，servo reference voltage，servo speed and duty cycle on machining efficiency and tool wear are explored through the single factor experiment and the orthogonal testing method.Experimental results show that servo reference voltage and duty cycle have a great influence on machining efficiency and tool wear，while capacitance and current have small effects on them，and the optimal parameter combination of processing micro-hole of CuW90 is obtained.

EDM；micro-hole；machining efficiency；tool wear；CuW90

TG661

A

1009-279X（2017）04-0001-04

2017-04-14

黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃重大項目（GA16A404）

時東波，男，1992年生，碩士研究生。