磁粉電火花連續(xù)脈沖放電毛化加工實(shí)驗(yàn)研究*

張永輝，楊逍瀟，楊 鑫，劉江文

（廣東工業(yè)大學(xué)省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510006）

0 引言

表面微織構(gòu)是指在材料表面上通過各種科學(xué)的手段制備具有不同形狀、比例和特性的結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，使得具有微納結(jié)構(gòu)的非光滑功能表面在潤濕性能、光熱性能、摩擦性能以及涂層粘合性能等方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。因此，功能性微結(jié)構(gòu)表面的研制對(duì)生物醫(yī)學(xué)、航空航天和其他高端制造領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)至關(guān)重要。目前，市場上用于加工和生產(chǎn)材料微織構(gòu)表面的途徑主要有以下幾類：微細(xì)電解技術(shù)[1]、UVLIGA技術(shù)[2]、壓印法[3]和毛化技術(shù)[4-6]。前三者均可在材料的表面實(shí)現(xiàn)排列規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，但是過程較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，并且加工效率低下。制備功能化的微結(jié)構(gòu)表面毛化技術(shù)手段主要包括激光束毛化、電子波束毛化和電火花束毛化。就目前而言，毛化技術(shù)是制備高質(zhì)量表面微結(jié)構(gòu)的常用技術(shù)方法。

激光毛化技術(shù)的工作原理是利用高頻脈沖激光使樣件表面材料達(dá)到熔化或汽化狀態(tài)，進(jìn)而在樣件表面加工出微結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有良好的可控性，制備所得工件的表面微觀結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，且在較大范圍內(nèi)其單位長度內(nèi)的點(diǎn)蝕坑數(shù)量和表面粗糙度均可調(diào)整，再現(xiàn)性好，但是激光加工設(shè)備價(jià)格昂貴，不適合進(jìn)行大規(guī)模推廣和投入生產(chǎn)[7]。電子束毛化技術(shù)雖然是工業(yè)制造上最新的發(fā)展成果，但是它尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前，利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在鋁合金、鈦合金、不銹鋼等材料的表面上直接制備形如三角形、尖刺狀、圓柱狀或錐柱狀等不同外觀和形貌的毛刺矩陣表面，這些矩形體毛刺高度大小可以根據(jù)所用的材料特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)高度范圍為10 μm～20 mm[8-11]。然而，該技術(shù)要求的環(huán)境非常苛刻，并且尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。電火花毛化技術(shù)是利用極間脈沖火花放電在樣件表面上形成電腐蝕坑，然后制備出表面微結(jié)構(gòu)。在加工過程中放電頻率高，可以控制放電頻率和能量。制備所得的毛化表面是由一系列電腐蝕坑組成的，可通過系統(tǒng)內(nèi)置加工參數(shù)來改變樣件表面的Ra值，再現(xiàn)性較好[12-13]。

但由于傳統(tǒng)電火花毛化工具電極不能適應(yīng)復(fù)雜形貌的狹縫、溝槽或內(nèi)表面，且當(dāng)工具電極損耗到一定程度后，需進(jìn)行更換。因此，本文采用由磁鐵吸附磁粉顆粒包裹而成的柔性磁粉工具電極，利用磁粉和電火花的相互作用對(duì)鍍鎳銅板進(jìn)行毛化加工。又由于在電火花放電加工過程中的放電方向是隨機(jī)的，且加工處理后的樣件表面是連續(xù)的單脈沖放電產(chǎn)生連續(xù)電腐蝕坑相互作用的結(jié)果。因此，通過研究磁粉電火花加工中的連續(xù)脈沖放電參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響，對(duì)研究復(fù)雜形貌磁粉電火花樣件加工過程中的工藝原理和規(guī)律以及預(yù)測其加工后的表面質(zhì)量都具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用自制磁粉電火花毛化加工系統(tǒng)，其工作原理框圖結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，基本組件主要包括脈沖電源，柔性工具電極，運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和工作介質(zhì)，其實(shí)物如圖1（b）所示。在磁粉電火花加工過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求該脈沖電源可調(diào)節(jié)脈沖寬度、峰值電流、電壓和占空比等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)內(nèi)置信號(hào)采集和處理模塊，可自動(dòng)捕獲加工過程中的電壓和電流信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)視和檢測判斷加工的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)使柔性工具電極能夠連續(xù)地加工零件。另外，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)還具有控制樣件在XY平面中移動(dòng)的功能，能控制柔性工具電極的運(yùn)動(dòng)使其能夠持續(xù)對(duì)下方未處理的區(qū)域進(jìn)行加工。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所采用的樣品材料為50 mm×50 mm×3mm的鍍鎳涂層銅板，鍍層厚度為1 μm。首先，旨在通過進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，研究分析加工樣件表面的粗糙度情況與脈沖寬度、峰值電流、磁粉粒徑、加工時(shí)間和占空比等實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間的關(guān)系。其次，通過響應(yīng)曲面法研究各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)樣件表面粗糙度的影響強(qiáng)弱關(guān)系，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示[14]。

表1 樣件表面毛化加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

除此之外，本實(shí)驗(yàn)所采用的電壓為80 V，工作介質(zhì)為去離子水，磁體為強(qiáng)力釹鐵硼磁體。磁粉電火花毛化實(shí)驗(yàn)操作流程如圖2所示。

圖2 磁粉電火花毛化實(shí)驗(yàn)操作流程

本文利用表面粗糙度對(duì)加工后的表面質(zhì)量進(jìn)行表征。假如該值的偏差較大，則表明樣件表面粗糙程度高；假如該值的偏差較小，則說明樣件表面光滑程度高。在表面粗糙度測量技術(shù)中，通常高頻的短波成分習(xí)慣上被列為檢測目標(biāo)，其與波紋度和形狀誤差的區(qū)別如圖3所示。

圖3 表面粗糙度與波紋度及形狀誤差區(qū)別示意圖

為了更加客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估樣件表面的粗糙情況，Ra值將被用來表征各樣件表面的粗糙度，其值是目標(biāo)截面的算術(shù)平均偏差，計(jì)算方法如下：

式中：n為取樣個(gè)數(shù)；||yi為樣本面上第i個(gè)采樣點(diǎn)的真實(shí)值與理想值的偏差值。

為了降低流經(jīng)流體受粗糙樣件表面波峰、波谷的影響，選擇Rz值來進(jìn)一步表征樣品表面的粗糙度。在整個(gè)采樣區(qū)間內(nèi)，把5個(gè)最高峰平均值和5個(gè)最低峰平均值相加即為Rz值，計(jì)算方法如下：

式中：Rpi為樣本面上第i個(gè)波峰距離理想平面的偏差值；Rvi為波谷距離理想平面的偏差值。

在本實(shí)驗(yàn)中，激光共聚焦顯微鏡被用于測量樣件的表面粗糙度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 峰值電流對(duì)樣件表面粗糙度的影響

為了研究峰值電流對(duì)加工處理后樣件表面粗糙度值（Ra和Rz）的影響，取其值為8 A、10 A、12 A、14 A和16 A，其余參數(shù)分別設(shè)定為36 μs、16.7%、150 μm和5 min。加工處理后的樣件表面粗糙度與峰值電流之間的關(guān)系如圖4所示。毛化樣品的表面形貌是由一系列單脈沖電腐蝕坑組成，且其平均直徑和深度均受峰值電流正向影響。因此，當(dāng)峰值電流從8 A逐漸變化到12 A時(shí)，樣件表面的粗糙度值（Ra和Rz）呈上升態(tài)勢。又因?yàn)槊庸み^程中的放電能量也受峰值電流正向影響，故當(dāng)峰值電流從12 A逐漸上升到16 A時(shí)，電腐蝕坑深度也隨之加大，因此Ra和Rz值也隨之增大。因此，加工處理后的樣件表面Ra和Rz值與峰值電流大小呈正相關(guān)，其中，Ra增幅為133.3%，Rz增幅為83.7%。

圖4 峰值電流對(duì)樣件表面粗糙度的影響

3.2 脈沖寬度對(duì)樣件表面粗糙度的影響

為了研究脈沖寬度對(duì)加工處理后樣品表面粗糙度值（Ra和Rz）的影響，取其值為12 μs、24 μs、36 μs、48 μs和60 μs，其余參數(shù)分別設(shè)定為12 A、16.7%、150 μm和5 min。加工處理后的樣件表面的Ra和Rz值與脈沖寬度之間的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)脈寬從12 μs增加至36 μs時(shí)，因?yàn)殡姼g坑的平均深度和直徑與脈寬大小呈正相關(guān)，故毛化加工表面的Ra和Rz值與脈寬大小也呈正相關(guān)。當(dāng)脈寬大小從36 μs調(diào)整到60 μs時(shí)，基本不會(huì)影響電腐蝕坑的平均直徑大小。但是，隨著放電能量的持續(xù)作用，電腐蝕坑深度也隨之繼續(xù)加大，使得加工處理后的表面Ra和Rz值繼續(xù)加大。因此，加工處理后的樣件表面Ra與Rz值與脈寬大小呈正相關(guān)，其中，Ra增幅為49.3%，Rz增幅為69.3%。

圖5 脈沖寬度對(duì)樣件表面粗糙度的影響

3.3 占空比對(duì)樣件表面粗糙度的影響

為了研究占空比對(duì)加工處理后樣品表面粗糙度值（Ra和Rz）的影響，取其值為10%、12.5%、16.7%、25%和50%，其余參數(shù)分別設(shè)定為12 A、36 μs、150 μm和5 min。加工處理后的樣件表面Ra與Rz值與占空比之間的關(guān)系如圖6所示。在EDM工藝中，需要設(shè)定一小段脈沖時(shí)間進(jìn)行消電離，否則無法使放電介質(zhì)恢復(fù)絕緣特性，影響放電加工進(jìn)程。另外，還需要馬上清除殘留的電蝕產(chǎn)物。否則，就會(huì)使得放電間隙內(nèi)部的電腐蝕產(chǎn)物聚集在一起，這會(huì)嚴(yán)重影響放電介質(zhì)的原始組成成分，改變其絕緣特性。又由于占空比數(shù)值的增加或減少都不會(huì)對(duì)電腐蝕坑的形貌造成過大的影響，因此，占空比的增減對(duì)加工處理樣件表面的粗糙度值也就影響不顯著，其中，Ra增幅僅為5.8%，Rz增幅僅為4.8%。

圖6 占空比對(duì)樣件表面粗糙度的影響

3.4 磁粉粒徑對(duì)樣件表面粗糙度的影響

為了研究磁粉粒徑對(duì)加工處理后樣品表面粗糙度 值（Ra和Rz）的 影 響，取 其 值 為50 μm、100 μm、150 μm、200 μm和250 μm，其余參數(shù)分別設(shè)定為12 A、36 μs、16.7%和5 min。圖7所示為毛化加工處理后的樣品表面粗糙度與磁粉顆粒粒徑之間的關(guān)系圖。已知電腐蝕坑的平均深度受磁粉顆粒大小的正向影響，故當(dāng)磁粉的粒徑大小從50 μm變化到150 μm時(shí)，加工處理后的樣件表面Ra和Rz值與磁粉的粒徑大小也呈正相關(guān)。當(dāng)磁性粉末的粒徑繼續(xù)增大到250 μm時(shí)，隨著電腐蝕坑的平均直徑和深度的持續(xù)增大，加工處理后的樣件表面的Ra和Rz值也隨之增大。因此，磁粉粒徑的大小與加工處理后的樣件表面的Ra和Rz值也是呈正相關(guān)的，其中，Ra增幅為70.1%，Rz增幅為52.9%。

圖7 磁粉粒徑對(duì)樣件表面粗糙度的影響

3.5 加工時(shí)間對(duì)樣件表面粗糙度的影響

為了研究加工時(shí)間對(duì)加工處理后樣件表面粗糙度值（Ra和Rz）的影響，取其值為1 min、3 min、5 min、7 min和9 min，其余參數(shù)分別設(shè)定為12 A、36 μs、16.7%和150 μm。不同加工時(shí)間對(duì)毛化后樣件表面粗糙度的影響如圖8所示，不同毛化時(shí)間處理后的樣件表面形貌如圖9所示。若處理時(shí)間僅為1 min時(shí)，由于樣品表面未完全處理，其Ra和Rz值分別只有1.042 μm和7.420 μm。當(dāng)將加工時(shí)間延長到5 min時(shí)，這時(shí)樣件表面已基本上被毛化，故Ra和Rz值有所增大。當(dāng)將加工時(shí)間繼續(xù)延長到9 min時(shí)，此時(shí)已經(jīng)將整個(gè)目標(biāo)表面毛化完全，其表面粗糙度值繼續(xù)增大。因此，加工時(shí)間的延長對(duì)目標(biāo)樣件表面粗糙度值的影響是正向的，其中，Ra增幅為44.4%，Rz增幅為33.8%。

圖8 加工時(shí)間對(duì)樣件表面粗糙度的影響

圖9 不同加工時(shí)間試件表面形貌

3.6 響應(yīng)曲面法

單因素實(shí)驗(yàn)表明，峰值電流、脈寬、磁粉粒徑和加工時(shí)間等參數(shù)在一定實(shí)驗(yàn)條件下均會(huì)顯著影響著目標(biāo)樣品表面的粗糙度值（Ra和Rz），但該實(shí)驗(yàn)卻無法深入地研究不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)毛化表面的粗糙度值的顯著性和影響程度。于是，本文采用響應(yīng)面法來研究各參數(shù)對(duì)表面Ra和Rz值的作用大小。在本實(shí)驗(yàn)中選擇脈沖寬度、峰值電流、加工時(shí)間和磁粉粒徑等作為試驗(yàn)影響因子，并給每個(gè)影響因子分別設(shè)置5個(gè)水平數(shù)值。另外，將樣件表面的Ra和Rz值設(shè)置為映射結(jié)果，如表2所示[14]。

表2 相應(yīng)曲面法的試驗(yàn)影響因子與水平

基于“design expert 7”軟件，通過使用中心組合（CCD）的方法對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣設(shè)計(jì)和處理。然后利用軟件工具進(jìn)行分析獲得二階回歸因子方程式，于是，樣件表面粗糙度值（Ra和Rz）與各試驗(yàn)影響因子之間的關(guān)系式[14]為：

通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算模擬分析函數(shù)Ra和Rz的方差，得到了計(jì)算分析的方差實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，如表3~4所示[14]。由表可知，Ra和Rz的模型失真度均不顯著，因此該模型可用。從X1、X2、X3和X4的F值可看出，各實(shí)驗(yàn)影響因子對(duì)Ra和Rz值影響程度由強(qiáng)到弱排序?yàn)椋悍逯惦娏鳌⒚}沖寬度、磁粉粒徑、加工時(shí)間。

表3 Ra方差分析

表4 Rz方差分析

此外，關(guān)于脈沖寬度和峰值電流對(duì)目標(biāo)樣件表面粗糙度值（Ra和Rz）的影響程度分析結(jié)果，如圖10所示。由圖可知，加工表面的Ra和Rz值均與峰值電流和脈沖寬度之間為正相關(guān)。又由于受到此二者的極限制約，電腐蝕坑的平均直徑是不能無限擴(kuò)大的，而其平均深度大小與此二者大小之間呈正相關(guān)。因此，當(dāng)這二者同時(shí)增加時(shí)，樣件表面的粗糙度值也增加。

圖10 脈沖寬度和峰值電流關(guān)于表面粗糙度值（Ra和Rz）的響應(yīng)曲面

關(guān)于加工時(shí)間和磁粉粒徑對(duì)目標(biāo)樣件表面粗糙度值（Ra和Rz）的影響程度分析結(jié)果，如圖11所示。由圖可知，在加工過程中所占用的時(shí)間和磁粉粒徑大小與目標(biāo)加工樣件表面的Ra和Rz值均呈正相關(guān)。但這個(gè)相關(guān)度卻大大弱于脈沖寬度和峰值電流的。

圖11 加工時(shí)間和磁粉粒徑關(guān)于表面粗糙度值（Ra和Rz）的響應(yīng)曲面

綜合以上結(jié)果可知，脈沖寬度、峰值電流、加工時(shí)間和磁粉粒徑等主要參數(shù)值的增減直接影響著目標(biāo)加工樣品表面粗糙度值（Ra和Rz）的增減情況，且按其影響水平的高低由高到低依次為：峰值電流、脈沖寬度、磁粉粒徑、加工時(shí)間。因此，在實(shí)驗(yàn)中如果將脈沖寬度、峰值電流、磁粉粒徑和加工時(shí)間等參數(shù)分別設(shè)置為60 μs、16 A、250 μm和9 min時(shí)，樣件表面的粗糙度值（Ra、Rz）將取得最大。毛化加工后的樣件表面形貌如圖12所示。

圖12 最佳參數(shù)制備所得樣件的表面形貌

4 結(jié)束語

本文研究了連續(xù)脈沖作用下單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)（脈沖寬度、峰值電流、加工時(shí)間、磁粉粒徑和占空比）對(duì)毛化處理樣件表面Ra與Rz值的影響。研究結(jié)果顯示，除了占空比對(duì)表面粗糙度值的影響不大外，毛化處理后樣件表面的Ra與Rz值與其他4個(gè)因素均呈正相關(guān)關(guān)系。另外，借助響應(yīng)曲面法研究分析了表面粗糙度值（Ra與Rz）受脈沖寬度、峰值電流、加工時(shí)間以及磁粉粒徑等參數(shù)的影響程度，按照影響強(qiáng)弱排序?yàn)椋悍逯惦娏鳌⒚}沖寬度、磁粉粒徑、加工時(shí)間。