孟 濤，陳 陽(yáng)，張?jiān)迄i，王豆豆

（1.海軍裝備部，陜西西安；2.中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西西安710021；3.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安710072）

隨著航空航天、電子、交通等行業(yè)零構(gòu)件產(chǎn)品向輕量化、高性能方向發(fā)展[1-3]，高體分SiCp/Al復(fù)合材料（SiC體積分?jǐn)?shù)達(dá)50%以上）因其低密度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性能好、耐磨等卓越性能而得到廣泛應(yīng)用，但該類復(fù)合材料的加工問(wèn)題也限制其應(yīng)用。目前各國(guó)學(xué)者對(duì)其加工問(wèn)題展開(kāi)了系統(tǒng)研究。Dabade等[4]將激光輔助車削與傳統(tǒng)車削加工SiCp/Al材料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)立方氮化硼或硬質(zhì)合金刀具結(jié)合激光束對(duì)工件表面進(jìn)行加工，改善了材料的可加工性。Kadivar等[5]研究了超聲振動(dòng)對(duì)SiCp/Al材料鉆屑形成的影響，結(jié)果表明超聲振動(dòng)可使鉆屑長(zhǎng)度減小、鉆削力降低、表面質(zhì)量提高。Rao等[6]的研究表明，SiCp/Al復(fù)合材料的電火花加工受到增強(qiáng)相SiC顆粒的屏蔽，出現(xiàn)加工效率下降及表面質(zhì)量降低等問(wèn)題。周力[7]建立了超聲振動(dòng)磨削SiCp/Al復(fù)合材料側(cè)磨磨削力和端磨磨削力的預(yù)測(cè)模型，以綜合反映SiCp/Al復(fù)合材料已加工表面形貌特點(diǎn)的特征參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，采用非支配排序遺傳算法獲得了SiCp/Al復(fù)合加工技術(shù)的優(yōu)化工藝參數(shù)。董志剛等[8]對(duì)比了超聲輔助磨削與常規(guī)磨削的材料去除機(jī)制與表面完整性，發(fā)現(xiàn)SiCp/Al磨削過(guò)程中材料的去除以SiC顆粒斷裂為主，而超聲輔助磨削加工具有相似的表面完整性。

上述研究基本針對(duì)較低體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al材料，對(duì)高體分SiCp/Al材料的加工研究較少。超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al相較于機(jī)械切削加工和常規(guī)電火花加工具有加工表面質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。而在超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工過(guò)程中，許多工藝參數(shù)如加工電流、加工脈寬、彈簧預(yù)緊力都會(huì)影響工件的表面質(zhì)量和加工效率。本文以SiC體積分?jǐn)?shù)為52%的SiCp/Al復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)五因素四水平正交試驗(yàn)方案，研究了加工電流、加工脈寬、彈簧預(yù)緊力和脈沖占比四個(gè)加工參數(shù)對(duì)復(fù)合加工表面質(zhì)量和加工效率的影響規(guī)律，即在不同的工藝條件下進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，以此確定超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工的最優(yōu)工藝參數(shù)，為提高加工效率、降低加工成本和擴(kuò)展該復(fù)合材料的應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工原理

超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工原理是利用電火花能量去除易堵塞砂輪的鋁基體，利用磨削去除電火花無(wú)法加工的SiC增強(qiáng)相，同時(shí)輔助以超聲振動(dòng)的作用實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工（圖1）。

圖1 超聲振動(dòng)磨削放電加工原理

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文在DM7150精密電火花加工機(jī)床上加載采用CS-1型超聲波發(fā)生器的超聲振動(dòng)裝置和新型嵌入組合式電極[9]裝置進(jìn)行試驗(yàn)。改裝后的機(jī)床實(shí)物見(jiàn)圖2。試驗(yàn)采用M300C表面粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度，還采用FA2104A型電子分析天秤進(jìn)行加工前、后的重量測(cè)量。工件材料為SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%的SiCp/Al復(fù)合材料（圖3）。工具電極為針對(duì)超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料專門設(shè)計(jì)的新型嵌入組合式工具電極，其結(jié)構(gòu)爆炸圖見(jiàn)圖4。工作液為煤油，采用負(fù)極性加工。超聲振動(dòng)頻率固定為20 kHz。

圖2 超聲振動(dòng)磨削放電加工機(jī)床

圖3 52%的SiCp/Al復(fù)合材料的SEM圖

圖4 新型嵌入組合式電極[9]結(jié)構(gòu)爆炸圖

1.3 試驗(yàn)方法

本研究主要考察煤油工作環(huán)境中52%的SiCp/Al復(fù)合材料超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工性能的影響因素。試驗(yàn)指標(biāo)為復(fù)合加工后測(cè)得的工件表面粗糙度Ra和加工速度，表面粗糙度值越小、加工速度越快，則表示加工性能越好?；谇捌趯?shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，本研究選取的試驗(yàn)因素為彈簧預(yù)緊力、電流、加工脈寬和脈沖占比等四個(gè)影響因素，每個(gè)因素各有四個(gè)水平，以此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。由于四因素四水平正交表不存在，研究時(shí)增加了一空白因素X以構(gòu)成五因素四水平正交試驗(yàn)，即L16（45）。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 L16（45）正交試驗(yàn)因素水平表

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行表面粗糙度和質(zhì)量測(cè)量，采用質(zhì)量去除率（mg/min），即式（1）計(jì)算獲取加工速度：

式中：v表示復(fù)合加工速度，mg/min；Δm為加工前后工件質(zhì)量變化，mg；t為加工時(shí)間，min。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。采用極差分析方法可將因素水平的變化所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異反映出來(lái)，差異的大小反映了因素變化時(shí)的指標(biāo)變化幅度。極差越大，說(shuō)明該因素的影響越顯著。按照極差分析法，對(duì)超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料的加工速度和表面粗糙度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了極差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。其中，K1、K2、K3和K4為各因素/因子對(duì)應(yīng)相應(yīng)水平表面粗糙度和加工速度之和，R是{1/4K1、1/4K2、1/4K3、1/4K4}中的極差。由極差分析可知超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)各因素對(duì)表面粗糙度的影響順序?yàn)殡娏鳎炯庸っ}寬＞彈簧預(yù)緊力＞脈沖占比，且獲得最小表面粗糙度值的最優(yōu)組合是A1B1C1D2/D4，即彈簧預(yù)緊力15 N、電流25 A、加工脈寬550μs和脈沖占比0.5/0.7。各因素對(duì)加工速度的影響順序?yàn)殡娏鳎緩椈深A(yù)緊力＞加工脈寬＞脈沖占比，且獲得最大加工速度的最優(yōu)組合是A3B4C2D2，即彈簧預(yù)緊力30 N、電流40 A、加工脈寬650μs和脈沖占比0.5。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

極差分析方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、直觀且計(jì)算量較少，但由于極差分析不能估計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)結(jié)果測(cè)定中必然存在的誤差大小，不能真正區(qū)分某因素的各水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果的差異究竟是由水平的改變所引起的還是由試驗(yàn)誤差引起的。而方差分析通過(guò)分析不同來(lái)源的變異對(duì)總變異的貢獻(xiàn)大小，從而確定可控因素對(duì)研究結(jié)果影響力的大小，可以更準(zhǔn)確地分析在各種因素作用下哪種因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響較大。表4和表5分別為復(fù)合加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)表面粗糙度和加工速度的方差分析。

表3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表4 表面粗糙度方差分析

表5 加工速度方差分析

通過(guò)方差分析可知，加工電流對(duì)表面粗糙度的影響最大，其次是加工脈寬和彈簧預(yù)緊力，而脈沖占比影響最小；對(duì)于加工速度而言，電流的影響最大，其次是彈簧預(yù)緊力和加工脈寬，而脈沖占比影響最小，這與極差分析的結(jié)果一致。這主要是因?yàn)?，?fù)合加工在超聲振動(dòng)的輔助作用下首先通過(guò)電火花放電蝕除Al基體，其次磨削去除SiC硬質(zhì)相，從而實(shí)現(xiàn)高體分SiCp/Al復(fù)合材料的連續(xù)加工。其中電火花單脈沖過(guò)程中的材料蝕除量可表示為：

式中：k為與電極材料、脈沖參數(shù)、加工極性和排屑條件有關(guān)的系數(shù)，mm3/J；W為單脈沖放電所釋放的能量，取決于極間電壓u（t）、放電電流i（t）和脈沖放電時(shí)間ton。

從式（2）可看出，蝕除量和脈沖能量W近似成正比關(guān)系，因此加工電流越大，脈沖能量就越大，從而蝕除量越大、加工速度越大、表面質(zhì)量越差。彈簧預(yù)緊力的增大使工具電極中金剛石磨條的磨削力變大，從而減小了電火花加工過(guò)程中的極間間隙。在一定范圍內(nèi)，彈簧預(yù)緊力越大，導(dǎo)致極間間隙越小、磨削力越大、加工速度越快、表面質(zhì)量越好。在放電周期一定的情況下，加工脈寬和效率成正比，即加工脈寬越大、脈沖能量越大；而放電蝕除的凹坑越大、越深，則加工速度越大、表面質(zhì)量越差，但過(guò)大的加工脈寬致使蝕除產(chǎn)物不能及時(shí)排出，短路頻率增加，消電離現(xiàn)象恢復(fù)不及時(shí)，加工速度下降。

3 復(fù)合加工放電波形分析

為進(jìn)一步探究該復(fù)合加工的機(jī)理，本研究對(duì)復(fù)合加工放電波形進(jìn)行了分析。電火花的粗規(guī)準(zhǔn)加工脈寬為50～500μs，中規(guī)準(zhǔn)加工脈寬為10～100μs，精規(guī)準(zhǔn)加工脈寬為2～6μs，輔助以20 kHz的超聲振動(dòng)（對(duì)應(yīng)的周期為0.5μs）作用后，如圖5所示，電火花的一個(gè)加工脈寬細(xì)化成多個(gè)微小的加工脈寬。在傳統(tǒng)電火花加工過(guò)程中，只有極間間隙h滿足hmin＜h＜hmax時(shí)才能正常放電。而在復(fù)合加工過(guò)程中，即使在超聲振動(dòng)的作用下，極間間隙h大于最大放電間隙hmax也依然可保持正常的放電狀態(tài)，當(dāng)極間間隙h小于最小放電間隙hmin發(fā)生短路放電時(shí)，超聲振動(dòng)也會(huì)迅速拉大極間距離，從而保持正常的放電狀態(tài)。

由于以較高的超聲振動(dòng)頻率（fz=20 kHz）進(jìn)行輔助后，一個(gè)脈沖寬度內(nèi)電極與材料之間會(huì)出現(xiàn)多次間隙變化，產(chǎn)生多種放電類型，即空載、間隙放電、短路放電及其之間的組合放電。這使電蝕產(chǎn)物在電極之間的分布更加均勻，有利于分散放電點(diǎn)，減少了放電集中的現(xiàn)象；同時(shí)，超聲作用帶動(dòng)工具電極在工作液中高頻振動(dòng)，產(chǎn)生的空化、泵吸和渦流作用，能改善放電蝕除顆粒的排出，促進(jìn)放電的消電離過(guò)程，有助于減少或避免電弧放電現(xiàn)象。試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有明顯的火花和飛濺，對(duì)采集到的放電波形進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，得到組合放電的次數(shù)多于空載和短路放電之和，這說(shuō)明超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工的主要放電類型為組合放電。

圖5 復(fù)合加工電信號(hào)波形圖

4 結(jié)論

（1）超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果表明，影響表面粗糙度的因素顯著性為：電流＞加工脈寬＞彈簧預(yù)緊力＞脈沖占比，則最優(yōu)參數(shù)如下：電流25 A、加工脈寬550μs、彈簧預(yù)緊力15 N、脈沖占比為0.5或0.7；影響加工速度的因素顯著性為：電流＞彈簧預(yù)緊力＞加工脈寬＞脈沖占比，則最優(yōu)參數(shù)如下：電流40 A、彈簧預(yù)緊力30 N、加工脈寬650μs、脈沖占比0.5。

（2）復(fù)合加工放電波形分析結(jié)果表明，加工過(guò)程中主要的放電類型為短路放電和間隙放電組合而成的放電類型，超聲振動(dòng)作用有利于減少放電集中現(xiàn)象，促進(jìn)消電離過(guò)程。

（3）采用超聲振動(dòng)磨削放電復(fù)合加工高體分SiCp/Al時(shí)，應(yīng)綜合考慮加工電流、加工脈寬、彈簧預(yù)緊力和脈沖占比對(duì)加工性能的影響，根據(jù)表面粗糙度和加工效率的要求選擇各參數(shù)。