基于內花鍵電火花成型加工的工藝參數組合研究*

祁植力，孫倫業

(安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

電火花加工[1]是指在介質(主要為煤油、皂化液、去離子水)中，利用兩極(工具電極和工件)之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現象對材料進行加工，使零件的尺寸、形狀和表面粗糙度達到預定要求的一種加工方法。

截至目前，電火花加工技術已經過很多年的更新迭代，其通過加工原理的改進，不僅能夠加工出簡單型面，也可完成通孔加工，甚至還可以將工具電極進行微細化并制成電極絲從而進行線切割加工。 但是近十年來，研究者們在基礎理論方面的電燒加工機理暫無重大突破，這是由于電火花加工在放電過程中的微觀層面上表現出的復雜性和隨機性很強所導致。傳統的檢測設備可以測量放電間隙的一些參數及其對加工性能的影響，控制其余電參數保持不變的情況下，改變某一電參數進行研究，可歸納出此因素對工藝指標的影響。

但是在實際生產中，通過監測不同電參數組合加工出的工件的工藝指標，發現在多個電參數變化的情況下，整個加工過程具有一定的綜合性和復雜性。 因此，筆者從實際生產出發，考慮各加工參數之間的互相制約關系以及綜合作用對加工速度、表面質量的影響，通過正交試驗[2]的方式分析得出對表面質量的主要影響因素，為實際生產中的加工參數選擇提供有效的參考。

1 加工原理及特征

電火花成型加工不同于普通金屬切削方法，其加工表面是由無數個不規則的放電凹坑所積累而成，其局部放大圖如圖1 所示。

電火花加工主要的工作過程為:工具電極與工件分別與高頻脈沖電源的兩輸出端相連接，通過主軸進給機構使工具電極與工件時常保持一個很小的間隙，當脈沖電壓加到兩極之間時，在當時條件下，在工具電極和工件端面[3]之間某一間隙相對最小處擊穿介質，在該局部產生火花放電，由此產生的順勢高溫會蝕除一部分工具電極和工件上的金屬，各自形成一個凹坑，圖1 表示單個脈沖放電后的電蝕坑[4]。 脈沖放電結束后，經過一段間隔時間(即放電休止時間)，使工作液恢復絕緣之后，第二個脈沖電壓又加到兩極上，又會在極間距離相對最近處擊穿放電，再次電蝕出小凹坑，以此高頻、連續地重復放電，加工出所需要的零件。 電火花加工的系統原理圖如圖2 所示。

圖1 電火花加工表面局部放大圖

圖2 電火花加工系統原理示意圖

表面粗糙度[5]指零件加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，是評定零件表面質量的重要參數，對機械產品的使用壽命和可靠性有著重要的影響。 在電火花加工的理論研究中，影響表面粗糙度的因素[6]主要是脈寬與脈沖峰值電流的乘積，即單個脈沖能量的大小。 但在實踐中發現，電極面積、需要加工面積過大等情況會產生“電容效應”，也會導致表面粗糙度變差。

2 電極制作

2.1 電極材料選擇

軸體純銅電極[7](俗稱紫銅)質地細密、加工穩定性好，相對電極損耗較小，適合應用的場合比較廣泛，適于加工貫通模和型腔模。 缺點為在后續精加工環節中，精車、打磨等精密機械加工困難。 紫銅的熱學常數如表1 所列。 文中設計的電極是要加工出一個內花鍵[8]形狀的通孔，且需要一次成型以觀察加工表面粗糙度，這與紫銅電極的特性剛好契合，故選用材料為紫銅。

表1 紫銅的熱學常數

續表1 紫銅的熱學常數

2.2 電極尺寸設計

針對穿孔加工，被加工工件的精度主要取決于工具電極的精度，因而對它有較為嚴格的要求，一般要求工具電極的尺寸精度和表面粗糙度比被加工工件高一級，精度不低于IT7，表面粗糙度Ra＜1.25 μm。以國標中的最小花鍵尺寸為參考，順應電火花加工為精密加工，在不影響研究的情況下考慮到加工的經濟性以及節省材料的原則，設計出了較小的花鍵尺寸，根據DK7140 電火花成型機床中所配備夾具的裝夾范圍為直徑1～13 mm，設計出如下電極，其尺寸示意圖及三維示意圖如圖3、4 所示。

圖3 工具電極尺寸示意圖

圖4 工具電極三維示意圖

3 基本原理

3.1 電火花加工的表面粗糙度

電火花成型加工出的微觀表面與機械加工截然不同，它是由無方向性的小坑和凸邊所組成。 其表面粗糙度通常用輪廓算術平均偏差Ra表示。 根據前人經驗得知，對表面粗糙度影響最大的因素是單個脈沖能量。 脈沖量增大，每次的電蝕量也增大，微觀下放電熔化的凹坑也會又大又深，導致表面粗糙度變差。 表面粗糙度和脈沖能量之間的關系，可用如下實驗公式來表示:

式中:Rmax為實測的表面粗糙度，μm；Kr為常數，銅加工鋼時常取2.3；te為放電時間，μs；?e為脈沖峰值電流，A。

根據此經驗公式可算出理論的Rmax值范圍為

27.148～43.838 μm。

3.2 理論與實際的矛盾點

電火花成型加工的表面粗糙度與加工面積之間存在很大矛盾。 在試驗中發現，即使單個脈沖能量很小，表面粗糙度也很難低于0.32 μm。 并且，當采用一次成型的方式使用電極電蝕通孔時，同樣的加工電參數會導致加工表面粗糙度差異明顯，甚至在另一組電參數的試驗中，由于加工孔內產生積碳，導致加工無法繼續進行的情況，如圖5 所示。 所以，以理論參數作為基礎，還需在復雜的實際加工環境中，找到相應機床的工藝特性，例如如何調整某項影響力最大的參數以達到提高加工速度、提高表面質量或減少工具電極損耗的目的，為以后使用機床的人提供便利。

圖5 加工時產生積碳

4 實驗設計

4.1 實驗平臺

文中以型號為DK7140 的ZNC 精密型單軸(Z向)電火花成型機床為實驗平臺進行實驗。其Z軸行程為200 mm，最大工作電流75 A，最大消耗功率5 kVA。 其特點有精度高、效率高、性能穩定、經濟適用；控制系統抗干擾能力強、功能豐富；外觀優雅且清潔環保；能夠應用于各種復雜模具及零件的電蝕加工、批量產品的生產，廣泛應用于機械、電器、化工、航空、軍工等行業。 機床示意圖如圖6 所示。

圖6 機床示意圖

4.2 實驗對象

以45＃鋼為加工工件，其熱學常數如表2 所列。 鑒于上文提到的一次成型加工不能完全適用于多種電參數組合的情況，現采用先在加工工件上鉆取直徑。

表2 45＃鋼的熱學常數

鉆取直徑為10 mm 的通孔，在此基礎上進行電火花成型加工，這樣可以減少加工所需要的工時，減少一次加工需要去除材料體積的步驟，根據體積進行預測計算，加工時間可縮短約29%，更加保證了所有電參數組合能夠順利完成加工。

4.3 實驗方案

文中針對此型號機床平時使用過程中經常調整的三個參數:Ap低壓電流、TA放電時間、TB放電休止時間，研究這三個電參數的綜合作用下，對加工速度和加工表面粗糙度的影響。 通過初期嘗試，設計了如表3 所列的電參數值來進行9 組正交試驗，最后通過正交試驗分析，得出主次影響因素，并排列出較優組合，最后輔以實驗驗證。

表3 正交試驗電參數設置值

電火花成型機床的基本工作流程為:被加工工件找正并裝夾—工具電極找正并裝夾—選用電參數值、設置Z軸加工深度—調節噴油嘴向加工處噴油—開始加工—通孔加工完畢—自動停止。

5 數據收集和分析

5.1 測量儀器

文中將介紹一種便攜式粗糙度儀Mahr M300，測量范圍為350 μm，輪廓分辨率最低能達到8 nm，配備PHT-6-350 測頭，可以測孔徑大于6 mm，最大深度17 mm，溝槽寬度大于3 mm 的工件表面，其示意圖如圖7 所示。

圖7 粗糙度儀示意圖

5.2 數據收集與分析

正交試驗是利用正交表科學地安排與分析多因素試驗的方法。 正交表是根據正交原理設計的已規范化的表格，它是正交試驗中安排試驗和分析試驗結果的基本工具。 在文中，根據表3 的工藝參數設置值，選用L9(34)格式的正交表，第4 列留作空列，在分析過程中可以判別是否有其余因素對試驗結果產生較大影響。 試驗方案和試驗結果分析如表4 所列。根據空列的R值遠小于低壓電流與放電時間的R值可以判斷，除本文研究的工藝參數以外的因素對表面粗糙度產生的影響可以忽略不計。

表4 正交試驗試驗方案和試驗結果分析

6 結 論

(1) 根據公式(1)計算出的理論Ra最大粗糙度值范圍在27.148 ～43.838 μm，而實際加工中，Ra值的范圍在6.385～10.678 μm，說明了理論計算只能提供參考，進行具體的實驗是有必要的。

(2) 通過建立合理的正交試驗，可以得出，針對表面粗糙度這一工藝指標，各因素影響程度的主次順序為:低壓電流，放電時間，放電休止時間。

(3) 通過正交試驗分析得出，為了獲得更低的表面粗糙度，指標應越小越好，所以優方案為A1B1C2，即低壓電流9 A，放電時間200 μs，放電休止時間15 μs。

(4) 在本試驗平臺下，針對表面粗糙度這一工藝指標的調整，可以通過優先減少放電時間來保證較小的表面粗糙度，此結論可為今后的實踐操作提供充足的理論依據并具有一定的指導意義。