SiCp/Al 復合材料電火花加工材料去除率及電極損耗研究＊

劉 宇 曲嘉偉 李小明 閻長罡 張生芳 王紫光

（①大連交通大學機械工程學院，遼寧 大連 116028；②哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

SiCp/Al 復合材料是通過機械攪拌等特殊方法將鋁合金和碳化硅顆粒按一定體分數、分布狀態結合而成，因具有高塑性、低密度、高比模量和尺寸穩定性高等優良性質，在航空航天、微電子、殼體封裝以及精密儀表等領域中廣泛應用。但是，SiC顆粒的引入雖然使材料具備了優良的性能，可如何加工SiCp/Al 復合材料卻成了首要問題。由于碳化硅顆粒具有較大硬度使得材料變形抗力增大，傳統加工方式會出現切削溫度高、刀具磨損速度較快、加工效率低等問題[1]。研究發現，雖然聚晶金剛石刀具可以加工SiCp/Al 復合材料，但刀具磨損較為嚴重，加工成本過高，加工效率也受到影響[2]。電火花加工屬于非接觸加工，規避了傳統加工方法的弊端，不受材料強度、硬度的限制，被作為加工高硬度的SiCp/Al 復合材料最合適的方法之一[3-5]。而不同的加工參數往往是限制電火花加工效率的重要原因，因此國內外學者對此進行了大量研究。冀蘊研究了脈寬、脈間、峰值電流和粉末濃度對材料去除率的影響，利用灰色關聯法對混粉電火花加工工藝參數進行了優化，獲得了脈寬25 μs，脈間125 μs，峰值電流16 A，粉末濃度10 g/L 的最優參數組合，使得材料去除率提高了69.88%[6]。Singh Bharat 等人利用田口法對雙相不銹鋼材料進行優化并獲得最佳工藝參數，研究發現在6 A 峰值電流、160 μs 脈寬，80%占空比和80 V 電壓下可獲得基于信噪比的最佳材料蝕除率[7]。胡寶彬探究了不同材料低速走絲電火花加工中電參數對材料蝕除體積的影響規律，發現峰值電流較開路電壓相比，其對材料蝕除體積的影響更大[8]。侯萬武也驗證了250～1 000 r/min 下的電極轉速對電火花加工的影響，加工效率總體呈增大趨勢[9]。

除此之外，在電火花加工中電極的損耗通常直接決定了電極形狀以及工件的加工形狀，電極的形狀又影響了加工精度，因此對于掌握如何降低工具電極的損耗就顯得尤為關鍵。吳天儀通過實驗表明，相比于普通的電火花加工，利用電化學氣泡輔助的電火花加工方法的電極損耗可以降低為原來的1/3，加工時間可縮短為原來的一半[10]。程美等通過改變電流、電壓等放電參數，開展了KG5 碳化鎢電極的電極損耗試驗，研究發現降低電壓和電流，適當增大脈沖寬度均可有效降低電極損耗，并得到了一組低電極損耗，高加工質量的放電參數[11]。Ogleznev N D 等人研究了峰值電流對石墨和銅復合電極加工工具鋼的性能影響，通過實驗得出隨著峰值電流的增加，電極損耗增大[12]。張曉燕等指出電火花加工的電參數一定要與工件加工面積相互匹配，通過試驗驗證得出，利用銅電極在煤油中以負極性加工鋼時，峰值電流與脈沖寬度之比應≤0.06～0.12 A/μs,此時的電極損耗＜1%[13]。

由于電火花加工其優良的加工特性，在一些以SiCp/Al 復合材料為加工對象的復雜精密加工中發揮著巨大的作用，但是在加工過程中往往由于材料去除率較低和電極損耗較高導致了加工效率低下、工件表面完整性較低等問題，并且對于各個工藝參數的影響掌握也較為淺顯，因此進行相關的工藝研究很有必要。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及裝置

采用自行搭建的電火花加工裝置進行試驗，如圖1 所示，該裝置可實現X、Y和Z軸的進給和Z軸的伺服控制。在表1 所示的加工裝置中，主軸轉速為0～12 000 r/min，并且該裝置開路電壓以及峰值電流的大小都可以進行調節。在裝置的主運動系統中，柱狀電極裝夾于彈簧夾頭上，而直流電機將自身的旋轉通過與之相連的高精度的ER11 彈簧夾頭傳遞到柱狀電極，使之旋轉，并且柱狀電極的直徑應為1～7 mm。本文選擇SiCp/Al 復合材料，其主要性能指標如表1 所示。該材料以ZL101A 鋁合金為基體，碳化硅顆粒粒徑為38～100 μm，體積分數為65%。

圖1 電火花加工實況圖

表1 SiCp/Al 復合材料性能指標

1.2 試驗方案設計

在進行材料去除率和電極損耗研究時，采用自行搭建的電火花加工機床進行實驗，在火花機油中對SiCp/Al 復合材料加工3 min。分別用銅鎢合金與紫銅電極以正、負兩種不同極性的加工方式進行加工極性影響試驗。采用直徑2 mm 的柱狀紫銅與銅鎢合金電極以負極性加工方式進行開路電壓、主軸轉速、峰值電流影響試驗，具體性能指標及試驗條件如表2 所示。

表2 SiCp/Al 復合材料性能指標

1.3 試驗測試指標及其方法

（1）材料去除率

材料去除率是指在單位時間內從基體材料中拋出的材料質量或體積，因此分為質量加工速度和體積加工速度。為了準確計算出材料蝕除量，本文采用體積加工速度，即[14]：

式中：vw為體積加工速度，mm3/min；V為時間t內從工件上蝕除的體積，mm3；t為加工時間，min。

采用Alicona 光學三維表面形貌儀的體積測量功能，利用“皂膜法”來測量SiCp/Al 復合材料的蝕除體積，“皂膜法”的測試方法如圖2 所示。在多種拋出力的共同作用下，電蝕產物會向熔池四周噴濺，由于受到重力作用，熔池四周會有較多的“凸起”特征，但是這些凸起并沒有完全拋出基體，因此不包括在蝕除體積中，“皂膜法”體積不包括所選區域里超過這個膜的部分，因此更符合加工實際。

圖2 皂膜法材料蝕除體積測量方法示意圖

（2）電極損耗

電火花成形加工中存在一定的電極損耗，損耗后的電極無論是形狀還是尺寸都會影響電火花成形加工的效率和精度。一般電極損耗分為絕對損耗和相對損耗兩種表示方法。電極絕對損耗vE是指單位時間內工具電極的損耗量，電極絕對損耗又分為體積損耗，質量損耗和長度損耗3 種方法。

式中：vEw為電極體積損耗速度，mm3/min；V為時間t內電極損耗體積，mm3；t為加工時間，min。

式中：vEm為電極質量損耗速度，g/min；m為時間t內電極損耗質量，g。電極損耗前后的質量是通過精密天平進行稱重測得的，精度達到0.001 g。兩種電極損耗之間可以通過電極材料的密度進行換算[15]。

2 材料去除率影響因素分析

2.1 加工極性的影響

圖3 為不同極性及電極材料對工件材料蝕除體積的影響。從圖中可以得到，正極性加工，工件材料的去除體積比較大，當選擇銅鎢合金電極時，工件材料蝕除體積為最大，即材料去除率最高；負極性加工，銅鎢合金加工材料的蝕除率會稍大于紫銅電極。原因是，改變了加工極性，令放電通道內兩級之間的能量分布產生了變化。當開始火花放電，其中的電子受到陽極吸引，正離子去往陰極。加工選擇短脈寬時，由于電子具有輕質的特點以及較小的慣性，電子的速度更大，即能量更大。相反，正離子的質量和慣性較大，所以獲得的速度小。同時刻內，對正極打擊的能量大于負極，能量越大，材料的蝕除體積就越大。所以，在正極性狀態下，工件材料去除率更高。這與文獻[16]中加工極性對電極損耗影響的試驗規律相吻合。

圖3 極性、工具電極材料對工件材料蝕除體積的影響

2.2 電極材料的影響

從圖3 中可以看出，使用銅鎢合金、紫銅兩種電極材料，對于工件材料去除率差距不大，說明兩種工具電極對于電火花加工穩定性上的影響區別不大。在正極性狀態下加工時，銅鎢合金電極對于材料的去除率稍大于紫銅電極，可能是銅鎢合金的電子逸出功稍小的原因。文獻[17]指出，銅鎢合金作為最常用的電極材料，與純銅、石墨等材料相比，在電火花加工中電極損耗較小，這與本文觀點一致。在正極性加工狀態下，負極的工具電極表面自由電子更容易逸出誘發擊穿放電，使得加工過程中放電效率更高。不同電極材料屬性如表3 所示。此外，銅鎢合金較高的材料去除率還與其自身的較小的電極損耗相關，電極損耗較小，電極與工件間隙中的蝕除產物相對較少，加工穩定性較好，進而使得工件的材料蝕除效率更高。

表3 不同電極材料屬性

2.3 開路電壓的影響

圖4 為不同開路電壓對材料蝕除體積的影響，從圖中可以得到，開路電壓的增加會增大材料蝕除體積。原因是單脈沖能量的大小與開路電壓成正比的，增大開路電壓的同時，單脈沖的能量也會變大，而能量的增大會增大放電產生的凹坑，因此在時間相同的情況下，工件材料的蝕除體積就越大。增大開路電壓，會使放電過程中凹坑電蝕材料的拋出力增大，有利于SiCp/Al 復合材料中難以融化去除的SiC 顆粒拋出。此外開路電壓的增大會增大放電間隙，改善了間隙的放電狀態，使極間電蝕產物更容易排出，避免了二次放電、拉弧和短路等現象的發生，提高了材料蝕除速度。

圖4 不同開路電壓對材料蝕除體積的影響

2.4 峰值電流的影響

電火花圖5 為不同峰值電流對材料蝕除體積的影響，依圖所示，峰值電流的增大會增大材料蝕除體積，峰值電流變大，帶電粒子個數就會增多，控制其他參數一致時，使峰值電流變大，進而使得帶電粒子個數變多，會加劇帶電粒子的運動，帶電粒子的轟擊變強，對材料蝕除產生凹坑的能力越強，就會提高材料的去除率。峰值電流的提高會增大材料拋出的熱爆炸力，使得放電凹坑中熔融材料的拋出變多。對于SiCp/Al 復合材料，當熱爆炸力足夠大時，未融化的碳化硅顆粒會以固態形式整體拋出，材料拋出更充分，提高了材料蝕除速度。如圖，在峰值電流為1 A 的狀態下，材料蝕除體積相對較少，原因是帶電粒子的數量較少，產生較小的熱爆炸力，所以不利于電蝕產物拋出，加工條件變差，從而導致加工效率較低。當增大電流時，帶電粒子數量也會變多，拋出力變強，有利于SiC 顆粒的拋出，改善了加工環境，因此材料去除率變大。

圖5 不同峰值電流對材料蝕除體積的影響

2.5 主軸轉速的影響

圖6 所示為不同主軸轉速對工件材料蝕除體積的影響，從圖中可以得到，提高主軸轉速，會使材料蝕除體積增大。這是因為，提高主軸轉速會加劇工作介質的流動，減少了間隙流場內電蝕產物的堆積，進而降低異常放電頻率，提高了加工穩定性，因為有效放電次數的增加，使得能量得到了充分利用。與此同時，由主軸高速旋轉所產生的離心力，會成為電蝕產物的額外拋出力，在電火花加工SiCp/Al復合材料的過程中，會產生很多復雜的蝕除物，非常不利于加工穩定性，提高主軸轉速，可以使得流場產生更大的離心力，加劇工作液流動，能夠將蝕除物快速排出。對連續脈沖放電加工的穩定性有積極的影響。

圖6 不同主軸轉速對材料蝕除體積的影響

3 電極損耗影響因素分析

3.1 加工極性的影響

由圖7 可知，當電極極性不同時銅鎢合金和紫銅電極的絕對損耗也有所差別，并且處于負極性時的電極損耗總是高于正極性。這是由于，當工具電極接不同極性時，間隙之間的能量分布也不相同。當脈沖能量擊穿兩極間的放電通道時，其中的電子則移動到陽極，而正離子會向陰極移動。選擇小脈寬加工，當電極接負極，工件與正極相連時，由于正離子的質量遠大于電子、其慣性也更大。與電極接正極相比，在相同時間內，正離子到達電極表面的數量要小于電子，因此電極產生的損耗較小；而當電極接正極，電子的慣性較小，同樣的時間內會獲得更高速度，轟擊正極表面的電子數量會更多，因此電極的損耗會更大。

圖7 不同極性對電極損耗的影響

3.2 電極材料的影響

從圖7 中可以看出，無論加工極性如何，銅鎢合金的電極損耗要比紫銅低很多。這是因為，電極材料的熔點以及導熱性質都會影響電極損耗。當電極材料獲得相同放電能量時，其熔點越高，在相同溫度下所熔化的會越少，因此會產生更小的電極損耗。而材料的導熱性質越好，加工過程中向外傳導出的熱量就越多，因此會減少用于自身材料去除的能量，從而降低電極損耗。從表3 可以看出，銅鎢合金具備銅、鎢兩種金屬材料的優點，其熔點遠高于紫銅，雖然其導熱性質相比紫銅較差，但是在相同加工條件下，紫銅的融化體積大于銅鎢合金，所以銅鎢電極損耗較小。

3.3 開路電壓的影響

由圖8 可知，不同的開路電壓也影響著電極的損耗，當開路電壓逐漸升高時，電極損耗的趨勢與材料去除率相同，都逐漸增加。這是因為，單個脈沖釋放的能量會隨開路電壓的升高而增大，因此放電通道分配在兩極間的蝕除能量也隨之增大，電極損耗增加。而電極損耗隨開路電壓升高增幅趨勢放緩，這是因為，隨著開路電壓的逐漸升高，放電間隙變大，工作液的流動能力更強，電蝕產物也更容易排出，使得間隙中的放電更加穩定，因此減少了部分電極損耗。但是電壓增大，放電通道間隙內的能量就越多，所產生的熱量難以快速消散，對于銅鎢合金熱導率相對較差的材料來說，也會導致電極的進一步損耗。這一規律與文獻[18]中開路電壓對電極損耗影響的試驗結果相一致。

圖8 不同開路電壓對電極損耗的影響

3.4 峰值電流的影響

由圖9 可以看出，電極損耗也與峰值電流的大小有關，隨著峰值電流的增加，電極損耗增加。這是因為，峰值電流越大，材料去除速度就越快，同樣電極損耗也會增大。當電極材料接正極時，電子會向電極材料方向移動，隨著峰值電流的逐漸變大，電子以及拋出的碳化硅顆粒也逐漸增多，對電極材料的轟擊作用不斷加強。當峰值電流為1 A 時，此時間隙中的電子數量較少，所產生的熱爆炸力也相對較小，電極損耗較小。當峰值電流逐漸增大，間隙中的電子傳遞到電極的能量就越多，電極損耗就越大。當峰值電流達到3 A 時，工件材料所得到的能量變多，被蝕除的體積變大，間隙中的碳化硅顆粒增多，在爆炸力的作用下就會有更多的碳化硅顆粒轟擊電極材料，電極損耗增大。文獻[19]在以奧氏體不銹鋼1Cr17Ni7 為基體材料探究峰值電流對電極損耗的影響中獲得了與本文相一致的研究結果。

圖9 不同峰值電流對電極損耗的影響

3.5 主軸轉速的影響

由圖10 可以看出，電極損耗也受主軸轉速快慢的影響，隨主軸轉速的加快，電極損耗減少。這是因為，當主軸轉速逐漸加快時，電極與工件材料放電間隙內工作液的流動作用也會變快，向外傳遞的熱量就越多，使放電間隙的消電離更加充分，恢復極間工作液的介電強度。SiCp/Al 復合材料在電火花加工的過程中，會產生大量復雜電蝕產物，而電蝕產物的堆積往往是影響電極損耗的重要因素。隨著主軸轉速的加快，使得放電位置更加分散，提高加工的穩定性，減少異常放電的發生。并且在主軸高速旋下，間隙中的電蝕產物也被快速向外拋出，降低間隙中電蝕產物的濃度，電蝕產物的堆積減少，因此出現二次放電現象的概率降低，提高了脈沖能量的利用率。由于主軸轉速的增大，使得放電位置更加均勻，電極錐化效果逐漸減弱，因此尖端電極直徑較低轉速時較大，而電極直徑越大，電極損耗越小，所以，當主軸轉速處于一定范圍內，電極損耗反而會隨著主軸轉速的加快逐漸減小。

圖10 不同主軸轉速對電極損耗的影響

由以上分析可知，開路電壓的增大不僅改善了放電間隙、減少異常放電，同時電極損耗也沒有較大提升。峰值電流的增大可以提高放電能量從而提高材料蝕除率。主軸轉速與電極的形狀密切相關，因此較大的主軸轉速可以減弱電極錐化效果，降低電極損耗。因此，在本文試驗條件下，選取開路電壓100 V，峰值電流3 A，主軸轉速600 r/min，得到的材料蝕除率約為3.842 mm3/min，電極損耗約為0.169 g，具有較高的材料蝕除率以及較低的電極損耗。

4 結語

本文以SiCp/Al 復合材料為試驗對象，在自行搭建的電火花加工試驗臺上開展工藝試驗，探究了不同工藝參數下材料蝕除率和電極損耗對SiCp/Al復合材料加工的影響，并得到如下結論：

（1）開路電壓和峰值電流顯著影響了材料去除率，在1～2 A 范圍內峰值電流對材料蝕除體積的影響最明顯，兩者總體隨其增加而增加。在正極性加工下的材料由于粒子獲得的能量較大，因此正極性下的材料去除率比負極性下高。銅鎢合金和紫銅兩種電極材料對材料蝕除率影響不大，而電極轉速的增加改善了流場中的放電環境，從而增加了材料蝕除率。

（2）在銅鎢合金和紫銅兩種電極在負極性加工下，更多電子向電極端移動，電極損耗大于正極性加工。銅鎢合金電極因熔點高于紫銅電極，其電極損耗遠小于紫銅電極。開路電壓的增大使放電間隙增大，提高了放電的穩定性，加快了電極損耗，但是較峰值電流的影響小。主軸轉速的增加可改善放電間隙環境并使得電極錐化效果減弱從而使電極損耗降低。