磨粒輔助電火花加工金屬基復合材料實驗研究

陳 日，劉江文，郭鐘寧

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510090；2. 華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州 510640)

金屬基復合材料具有優(yōu)良的性能，在諸多工業(yè)領域有著廣泛的應用前景[1-6]，然而加工的困難是限制其工業(yè)應用的瓶頸問題。迄今為止，國內(nèi)外研究人員應用了包括切削加工、激光加工、磨料水射流加工、電火花加工、電解加工以及電化學火花加工等方法在內(nèi)的多種加工方法來嘗試加工金屬基復合材料[7-8]，然而研究結果表明，現(xiàn)有的加工手段均難以滿足金屬基復合材料實際應用的要求。

若采用車削、銑削等切削加工的方法加工金屬基復合材料，將面臨刀具劇烈磨損及加工表面質(zhì)量低下等問題[7-10]，其中以刀具磨損尤為突出，例如采用高速鋼刀具去加工該類材料，刀具在數(shù)秒鐘之內(nèi)便會被磨鈍[7]，即便是采用昂貴的PCD刀具，刀具的迅速磨損亦難以避免[10]，這主要是由于金屬基復合材料中的增強相本身就是磨料，具有很高的硬度，比如SiC顆粒的硬度就比絕大多數(shù)的刀具材料要高很多，因此在加工該類材料時劇烈的刀具磨損也就不足為奇了。

激光加工、磨料水射流加工雖然具有相對較高的加工效率且無需面臨刀具磨損的問題，然而由于金屬基復合材料的特殊性，激光和磨料水射流加工該類材料的加工精度低，加工表面質(zhì)量差，且難以加工出復雜的形狀，因此很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要[8，11]。

電解加工具有加工效率高(加工效率可達到電火花加工的5～10倍)，且工具電極無損耗的優(yōu)點[15-16]，然而在采用電解加工的方法加工金屬基復合材料的過程中，由于材料中存在大量難電解的增強相，這些增強相在加工過程中很難及時脫落排出，積聚在工件表面的增強相不僅影響加工質(zhì)量而且會對待加工區(qū)域的基體金屬形成屏蔽，采用電解的方法加工金屬基復合材料難以獲得理想的加工效率和表面質(zhì)量[9，17-18]。

對于金屬基復合材料而言，電火花加工的加工精度相對較高且能加工出復雜的三維形狀，因此是目前研究得較多的一種加工方法[12-14]。然而電火花加工該類材料的主要缺點在于其加工效率低[12]，表面質(zhì)量差且加工過程中存在工具電極損耗的問題[13]，多年來，國內(nèi)外的研究人員，采取了包括設計新穎的電極和優(yōu)化加工參數(shù)在內(nèi)的各種改進措施，做了大量的研究工作，試圖提高電火花加工金屬基復合材料的加工效率及加工質(zhì)量并降低工具電極的損耗，然而成效不大[12，14]。

在金屬基復合材料的加工上，磨削效應已被證明能獲得無損傷的加工表面和很高的尺寸精度[19]，但是單純的磨削加工其效率較低，且加工過程中的工具極易堵塞。

為此提出綜合采用電火花效應和機械磨削效應來加工金屬基復合材料，一方面，通過二者的復合作用，提高加工效率和加工質(zhì)量，另一方面加工過程中的放電效應還有望減輕工具的堵塞，提高工具的使用壽命。

1 實驗設計

1-加工電源； 2-控制系統(tǒng)；3-工件；4-Y軸；5- X軸；6-主軸；7-Z軸；8-工具進電系統(tǒng)；9-工具；10-滑軌；11-噴嘴；12-工作液槽；13-工作液循環(huán)系統(tǒng)；14-工作臺

1.1 實驗材料

工件材料為體積分數(shù)為10%的Al2O3顆粒增強型6061鋁基復合材料(10ALO)和體積分數(shù)為20%的Al2O3顆粒增強型6061鋁基復合材料(20ALO)，Al2O3顆粒平均直徑為21 μm，實驗樣品的厚度均為40 mm。

1.2 實驗設備

本研究的實驗裝置如圖1所示。

工具為固結磨料的電極，磨料通過金屬結合劑和基體結合，工具夾持在主軸的下端，并在主軸的帶動下進行旋轉運動，加工時工件接電源正極，工具通過工具進電系統(tǒng)與電源的負極接通，加工過程中，工具電極高速旋轉，在加工區(qū)域產(chǎn)生交替的電火花效應和磨削效應，不僅使得工件材料得以有效地被去除，而且在工具電極的高速旋轉下，加工區(qū)域的加工屑能被及時地帶走，此外，電火花放電效應不僅能有效去除工件材料，而且能及時去除黏附在工具磨粒之間的磨屑，防止工具堵塞，使得加工得以持續(xù)進行。

2 結果和討論

2.1 單因素實驗

首先使用電火花加工和磨粒輔助電火花加工分別對工件進行加工，并比較其加工效果的差異。通過考察兩種加工方法加工后的材料去除率及表面粗糙度，比較兩者的加工效率，同時初步考察電流對材料去除率的影響。實驗所用脈沖電源，其脈沖頻率、電流幅值都可精確調(diào)節(jié)。在實驗中，電參數(shù)的變化會引起電流密度的變化，實驗中主要通過調(diào)節(jié)脈沖寬度、占空比、脈沖電壓及電流來考察電參數(shù)對材料去除率的影響。

設定實驗條件為脈沖寬度32 μs、占空比1∶9、脈沖電壓80 V。分別使用增強相體積分數(shù)為10%和20%的顆粒增強金屬基復合材料進行實驗，結果如圖2-圖5所示。

圖2 采用不同加工方法對材料去除率的影響(增強相10%)Fig.2 Influence of different machining methods on material removal rate(the workpiece material is particulate reinforced aluminum alloy 6061 with 10 vol%)

圖3 采用不同加工方法對材料去除率的影響(增強相20%)Fig.3 Influence of different machining methods on material removal rate (the workpiece material is particulate reinforced aluminum alloy 6061 with 20 vol%)

圖4 電火花加工中增強相的不同體積分數(shù)對材料去除率的影響 Fig.4 Influence of different volume fraction of wild phase on material removal rate by EDM

圖5 磨粒輔助電火花加工中增強相的不同體積分數(shù)對材料去除率的影響 Fig.5 Influence of different volume fraction of wild phase on material removal rate by AEDM

從圖2和圖3中可以看出，磨粒輔助電火花加工的材料去除率明顯高于電火花加工的材料去除率。隨著電流的增大，電火花加工與磨粒輔助電火花加工的材料去除率都有明顯的上升趨勢。這是因為隨著電流的增大，單個脈沖的能量也增大，所產(chǎn)生的熱量也增多，增強了導電層的形成，從而使材料去除率增加。

由圖4和圖5可知，當增強相體積分數(shù)變大時，電火花加工與磨粒輔助電火花加工的材料去除率都明顯減小，這是因為增強相通常為難導電的物質(zhì)，在電加工過程中較難產(chǎn)生放電效應。

加工方法圖6 對比電火花加工及磨粒輔助電火花加工的表面粗糙度值Fig.6 Surface roughness value measured for the machined surfaces produced by EDM and AEDM

接下來對上述實驗中電流為4 A、材料增強相體積分數(shù)為10%的加工后工件作粗糙度值實驗，對比電火花加工及磨粒輔助電火花加工的表面粗糙度值。經(jīng)測量，其粗糙度值如圖6所示。

從圖6中可以看出，磨粒輔助電火花加工的粗糙度值明顯低于電火花加工的粗糙度值，加工表面較為平整。由于磨粒輔助電火花加工在加工過程中的磨削效應可有效去除加工區(qū)域的火花放電重鑄層，因此磨粒輔助電火花加工表面的粗糙度值要比電火花加工表面低得多。

2.2 正交試驗

在實際加工中，需綜合考慮各種參數(shù)對加工過程的影響，并優(yōu)化參數(shù)的搭配。為減少試驗次數(shù)，獲得科學的試驗結果，本研究采用了正交設計的方法來進行試驗。試驗的因素和水平如表1所示。

表1 加工因素水平表Tab.1 Levels table of processing factors

根據(jù)以上因素及水平，本試驗選用L9(34)正交表，如表2和表3所示，由于本試驗需要對2種金屬基復合材料分別進行分析，共需做18組試驗。

表2 增強相體積分數(shù)為10%的Al2O3顆粒增強型6061鋁基復合材料的試驗結果Tab.2 Experimental results of 10ALO

對試驗結果進行方差分析的結果分別見表4和表5。方差分析結果表明，對于增強相體積分數(shù)為10%的顆粒增強金屬基復合材料，占空比對試驗結果的影響非常顯著，脈沖寬度與平均電流對試驗結果的影響較為顯著。對于增強相體積分數(shù)為20%的顆粒增強金屬基復合材料，占空比對試驗結果的影響尤為顯著，平均電流對試驗結果的影響十分顯著，脈沖寬度對試驗結果的影響較為顯著。

根據(jù)以上分析，對這種顆粒增強金屬基復合材料進行加工的最佳工藝參數(shù)為A2B3C3，即脈沖寬度48 μs，占空比1∶4，平均電流6 A。

表3 增強相體積分數(shù)為20%的Al2O3顆粒增強型6061鋁基復合材料的試驗結果Tab.3 Experimental results of 20ALO

表4 增強相體積分數(shù)為10%的Al2O3顆粒增強型6061鋁基復合材料的方差分析表Tab.4 Variance analysis table of 10ALO

表5 增強相體積分數(shù)為20%的Al2O3顆粒增強型6061鋁基復合材料的方差分析表Tab.5 Variance analysis table of 20ALO

通過以上試驗表明，增強相體積分數(shù)較大的顆粒增強金屬基復合材料更難進行磨粒輔助電火花加工。由于顆粒增強金屬基復合材料的增強相氧化鋁為難導電物質(zhì)，使用磨粒輔助電火花方式進行加工，其放電難度較大，從而影響加工效率。

3 結 論

本研究采用了磨粒輔助電火花加工的方法加工顆粒增強金屬基復合材料，初步得到以下結論：

1)磨粒輔助電火花加工該類材料能獲得比電火花加工該類材料高得多的材料去除效率，同時，表面粗糙度值也提高了2.25 μm。

2)對于增強相體積分數(shù)為10%及20%的顆粒增強金屬基復合材料，占空比對加工效率的影響最為顯著。在本研究選取的試驗參數(shù)范圍內(nèi)，對該類顆粒增強金屬基復合材料進行加工的最佳工藝參數(shù)組合為脈沖寬度48 μs，占空比1∶4，平均電流6 A。

3)通過對增強相體積分數(shù)不同的兩種相同顆粒增強金屬基復合材料的對比，得知增強相是影響加工效率的主要原因之一。由于氧化鋁較難導電，在加工時需要較高的電流密度才能使其產(chǎn)生火花放電，因而降低了加工效率。

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