李德格 ，劉永紅 ，孫萬運 ，武鑫磊 ，申 泱 ，王曉龍

（1.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島 266580；2.首都航天機械公司，北京 100076；3.清華大學(xué)機械系，北京100084；4.東營市科學(xué)技術(shù)局，山東東營257061）

科技發(fā)展與社會進步促使人們對難加工材料的結(jié)構(gòu)及性能（硬度、耐高溫性及耐腐蝕性等）提出了更高的要求，尤其在航天、深海領(lǐng)域，相關(guān)零部件需承受極端環(huán)境的考驗。要加工制造出滿足高要求的工件，如果采用傳統(tǒng)加工方法很難取得好的效果，而電加工技術(shù)作為一種非接觸的加工方式，在高強高硬材料加工中具有無可比擬的優(yōu)勢。電火花加工是在工作介質(zhì)中，利用工具電極與工件之間產(chǎn)生的脈沖性火花放電產(chǎn)生的高能蝕除工件材料[1]。電火花電弧復(fù)合加工技術(shù)的基本原理與普通電火花加工方法基本類似，還具有傳統(tǒng)切削加工無法比擬的優(yōu)點[2-4]，比如：不存在切削力，對電極的強度及硬度要求較低，實驗常用工具材料為廉價的石墨，且導(dǎo)電性好，還克服了一般電火花加工效率低的缺點。經(jīng)國內(nèi)外專家的不斷研究和改進，該技術(shù)已得到越發(fā)廣泛的應(yīng)用。

電加工技術(shù)為解決難加工材料的加工難度大、復(fù)雜型腔模具的經(jīng)濟性和可行性較差等問題找到了出路[5]，還被廣泛應(yīng)用于航空航天[6]、模具成形[7]、電子元器件[8]、高精密機械加工等行業(yè)，但同時存在加工效率低的問題。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對加工效率的要求越來越高，普通電火花加工已不能滿足其要求。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者對電加工的加工機理和電參數(shù)對加工的影響等做了深入研究。Masanori提出了氣中電火花加工新方法，實現(xiàn)了氣體介質(zhì)中較穩(wěn)定的電火花加工[9]。李立青、郭艷玲研究了不同工作介質(zhì)的電火花加工性能，并以煤油介質(zhì)為參照，對工件加工性能進行了總結(jié)[10]。陳虎、張立新等研究了電火花加工中電極材料對加工性能的影響[11]，進行了相應(yīng)材料的對比分析，取得了不錯的效果。

在電弧加工方面，Shen研究了在不同介質(zhì) （液中、霧中、氣中）下的加工，并分析了工件表面質(zhì)量情況，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的不同對工件的表面質(zhì)量、熱影響區(qū)的厚度及表面硬度有較顯著的影響[12]。劉永紅等提出了電火花電弧復(fù)合加工新方法[13]，并對鎳基高溫合金Inconel718進行了銑削實驗，在由高壓脈沖電源和低壓大功率直流電源組成的新型大功率脈沖電源下完成，其加工技術(shù)包括提供放電間隙擊穿高電壓的擊穿模塊和提供高效放電能量的直流電弧模塊，可實現(xiàn)對工件材料的快速去除，不但具備普通電火花加工非接觸式的優(yōu)勢，同時其加工效率最高可達20 000 mm3/min，超過一般電火花加工技術(shù)數(shù)倍。紀仁杰等[14]提出利用輔助電極進行非導(dǎo)電陶瓷電火花電弧復(fù)合加工的新方法，采用電火花高壓擊穿工具電極與輔助電極之間的放電間隙形成放電通道，并利用電弧提供高放電能量來加工非導(dǎo)電陶瓷材料。

在電火花電弧復(fù)合加工中，工件的加工性能會受到不同參數(shù)及不同工作介質(zhì)的影響。本文對此進行了相關(guān)實驗，并以此為基礎(chǔ)，分析了不同加工參數(shù)下的工件性能，得到在不同峰值電流、脈寬、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)下的工件加工效率、表面粗糙度及相對電極損耗率的變化規(guī)律，為最優(yōu)工作參數(shù)的選取提供了支撐。

1 實驗設(shè)計及條件

實驗在自主研制的四軸數(shù)控加工中心上進行（圖1），分析研究不同參數(shù)下的工件加工工藝性能，主要分析了電流、脈寬、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對工件加工效率、工件表面粗糙度、相對電極損耗率的影響規(guī)律。

圖1 四軸數(shù)控加工中心

采用單因素變量實驗加工方法，在實驗過程中采取逐層加工法進行加工。首先，工具電極在Z軸方向向工件進給一定深度，然后在XY平面運動，一組實驗完畢后，工具電極再在Z軸帶動的情況下，繼續(xù)向下運動，然后重復(fù)XY平面運動相同距離，完成一個相同的加工軌跡。經(jīng)多次分層加工，得到不同參數(shù)下工件的去除量、表面粗糙度及電極相對損耗率。在同一參數(shù)下進行多次分層銑削，可避免一次加工后電極損耗長度及工件去除質(zhì)量測量不準確等偶然情況的發(fā)生，使誤差降到最低，提高了實驗結(jié)果的準確度，且結(jié)果更具可信度。

電火花電弧復(fù)合加工單因素參數(shù)實驗所用設(shè)備及工具有：四軸數(shù)控加工中心、表面粗糙度儀、烘烤箱、天平及游標卡尺。其中，實驗主要在加工中心上進行，用粗糙度儀測量加工工件的表面粗糙度，用天平、游標卡尺測量加工過程中的電極損耗質(zhì)量及長度，用烘烤箱完成電極測量前后的烘干處理。其他實驗條件為：工具電極為內(nèi)徑4 mm的管狀石墨電極，工件為45鋼，工作液為水基工作液。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 工藝參數(shù)對加工效率的影響

加工效率是評判一種加工方法能否投入實踐的關(guān)鍵標準。實驗稱量了工件在加工前后的質(zhì)量，通過質(zhì)量除以密度的方式求得加工體積，再與加工時間相除得到加工效率值。各主要加工參數(shù)對加工效率的影響見圖2，可見各加工參數(shù)對加工效率有顯著的影響，且有明顯規(guī)律可循。

圖2 加工參數(shù)對加工效率的影響曲線

圖2a是工件加工效率隨峰值電流變化的規(guī)律曲線。可見，峰值電流在電火花電弧復(fù)合加工中對工件加工效率的影響最顯著。若其他加工條件相同，改變峰值電流，則工件的加工效率會隨著峰值電流的增加而增大。這是因為隨著峰值電流增加，單個脈沖釋放的能量變大，蝕除的工件材料相應(yīng)變多，進而使工件加工效率提高。因此，為獲得更高的加工效率，應(yīng)首先提高峰值電流。不同峰值電流工況下加工的樣件見圖3。

圖3 不同峰值電流工況下的加工樣品

圖2b是工件加工效率隨電弧脈寬變化的規(guī)律曲線?？梢?，隨著電弧脈寬增加，工件的加工效率近似直線增加。這是因為當(dāng)脈寬增加后，一次放電加工的時間變長，加工過程更為連續(xù)，釋放的能量也更為連續(xù)，越來越接近于直流電弧的加工狀態(tài)，故加工效率隨著脈寬的增加而增大。

圖2c是工件加工效率隨著主軸電極轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律曲線?？梢?，加工效率先隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小，至轉(zhuǎn)速增大到1000 r/min后受其影響不明顯。這是因為主軸轉(zhuǎn)速越快，斷弧頻率越高，致使加工不連續(xù)，降低了加工效率。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于1000 r/min時，轉(zhuǎn)速對電弧的抑制作用相對較弱，放電相對連續(xù)，故單次電弧放電去除的工件材料相對較多；隨著轉(zhuǎn)速增加，對電弧的抑制作用增強，電弧能有效破裂，加工效率降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1000 r/min時，轉(zhuǎn)速對電弧的抑制作用不再明顯，加工效率變化隨之也不明顯。相比于峰值電流和脈寬對加工效率的影響，電極轉(zhuǎn)速對加工效率的影響不大，即峰值電流及脈寬等電參數(shù)才是影響電火花電弧復(fù)合加工效率的主要因素。

2.2 工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響

工件表面粗糙度是評定工件加工質(zhì)量優(yōu)劣的重要依據(jù)，為確定在哪種參數(shù)下可獲得較優(yōu)的表面粗糙度，實驗進行了不同參數(shù)下的表面粗糙度值變化研究，結(jié)果見圖4。實驗選取在電流值為600 A以下時對工件進行測量分析，若在大電流工況下，則會因工件表面粗糙度值變大而無法準確測量。

圖4 加工參數(shù)對表面粗糙度的影響曲線

圖4a是表面粗糙度值隨峰值電流的變化曲線?？梢?，在其他加工條件一致的情況下，表面粗糙度值隨著峰值電流的增加而增大。這是因為電流的增加使單次放電能量變大，導(dǎo)致放電坑變大，進而導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大。

由圖4b可見，在其他條件不變的情況下，表面粗糙度值隨著脈寬的增加而增大。這與增加電流導(dǎo)致表面粗糙度值變大的原因相同，增加脈寬使放電脈沖的能量更集中，導(dǎo)致放電坑變大，進而使工件表面粗糙度值變大。

圖4c是工件表面粗糙度值隨電極主軸轉(zhuǎn)速的變化曲線?？梢?，在其他條件不變的情況下，轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致表面粗糙度值變大，但變化不大。主要原因是轉(zhuǎn)速增加后電弧易斷裂，脈沖放電能量稍顯集中，從而使放電坑略有增大，進而導(dǎo)致表面粗糙度值稍有變大，但從整體來說，轉(zhuǎn)速對工件的表面粗糙度影響很小。

2.3 加工參數(shù)對電極相對損耗率的影響

電極相對損耗率是電極在線補償?shù)闹匾罁?jù)，為實驗查詢電極補償量提供數(shù)據(jù)，因此有必要就各參數(shù)對電極損耗率的影響進行分析。本文認為電極相對損耗率的定義是：在加工過程中，工具電極的損耗長度（μm）與工件去除體積（mm3）之比。電極相對損耗率隨著峰值電流、脈寬及電極轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律見圖5。

由圖5a可見，在其他加工條件保持不變的工況下，電極損耗率隨峰值電流的增加先整體有減小的趨勢，后又有增加和再降低的趨勢，且電極損耗率在電流約為600 A時最優(yōu)。這是因為電流增大會明顯增加材料去除率且放電更連續(xù)，而在此電流范圍內(nèi)的電極損耗變化不大，故導(dǎo)致電流增大、電極損耗率反而減小的現(xiàn)象；之后，電極損耗率曲線突升，是由于電流繼續(xù)增大時，在一定范圍內(nèi)的材料去除率上升不大，而電極在大電流影響下，其損耗較大。

電極相對損耗率隨脈寬變化的曲線見圖5b?？梢?，當(dāng)峰值電流固定時，放電過程中單個脈沖所蝕除的工件材料體積和放電坑的深度會隨著脈沖寬度的增加而增大，因而材料去除率增加。這是因為脈沖寬度增加時，傳遞到加工區(qū)域的放電能量增加，有較多的放電蝕除產(chǎn)物粘附于電極表面，電極損耗得到的補償增加。因此，上述二個原因使相對電極損耗率隨著脈沖寬度的增加而減小。

由圖5c可見，主軸轉(zhuǎn)速的變化對電極損耗率影響很小，但在一定范圍內(nèi)仍有起伏變化，電極損耗率會先隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，后又略有下降。這是因為在電流不變的情況下，轉(zhuǎn)速的變化對材料去除體積的影響很小，加上電極損耗長度變化也不大，故轉(zhuǎn)速變化對電極相對損耗率的影響很小。隨著轉(zhuǎn)速增加，電極損耗率在轉(zhuǎn)速約為1500 r/min時達到最大，可考慮這是由于轉(zhuǎn)速增加，放電集中，斷弧頻率較高，故而電極損耗較大。

圖5 工藝參數(shù)對電極相對損耗率的影響曲線

3 結(jié)論

（1）研究了峰值電流、電弧脈寬和電極轉(zhuǎn)速對工件加工效率的影響規(guī)律，分析得出：大電流大脈寬可使電火花電弧復(fù)合加工技術(shù)的加工效率得到較大提高；主軸轉(zhuǎn)速對加工效率的影響不是很大，但為提高加工效率，可選擇適當(dāng)?shù)牡娃D(zhuǎn)速加工。因此，為得到較高的加工效率，可選擇低主軸轉(zhuǎn)速下的大電流、大脈寬進行加工。

（2）工件表面粗糙度值隨著峰值電流的變大而增大，且變化明顯，最優(yōu)表面粗糙度值約為20 μm；脈寬的增加使工件表面粗糙度值增大；電極主軸轉(zhuǎn)速增加會引起工件表面粗糙度值增大，但電極轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響較小。取較小的峰值電流、較小的脈寬和較低的電極轉(zhuǎn)速，雖然會影響加工效率，卻可實現(xiàn)較好的加工表面質(zhì)量，適用于精加工階段。

（3）電極損耗率隨著峰值電流的變大先下降，增高后再下降，整體上有減小的趨勢，峰值電流約為600 A時的相對電極損耗率最低；脈寬的增加使電極損耗率減小，但也不能無限制增大脈寬；電極損耗率隨主軸轉(zhuǎn)速先增大、后降低，但影響較小。為了避免電極快速損耗，可選取約為600 A的電流、較大的脈寬和適當(dāng)?shù)碾姌O轉(zhuǎn)速。

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