電參數對7075 鋁板毛化表面形貌的影響

楊洋，朱賢峰，燕冬，黃金城，張楊，何天

(華東交通大學，江西南昌330013)

7075 鋁板由于在低溫下具有超高強度、高硬度以及良好的耐磨性和抗腐蝕性能被廣泛應用于航天制造領域。目前，國內外的飛機制造業中，飛機上下兩翼的面壁板常常選用7075 航空鋁板。為了使航空鋁板在沖壓成形時利于儲油和潤滑，更為了增強鋁板表面噴漆時油漆的吸附能力，常常需要對鋁板進行合理的毛化處理，使鋁板表面具有均勻致密的小凹坑［1］。

電火花毛化因良好的可控性被廣泛應用，如何選取合理有效的電參數，使經電火花毛化后的7075 航空鋁板表面達到合理的工藝要求是毛化領域一個值得研究的問題。作者針對毛化實驗后7075 航空鋁板的表面形態結果，分析電參數對7075 航空鋁板毛化表面Pc和Ry的影響，總結出有利于7075 航空鋁板的電火花毛化電參數工藝。

1 實驗及實驗方案

為了合理地得出電參數選擇對7075 航空鋁板表面形貌的影響，采用正交實驗法對電參數進行五水平配置，電極材料選擇電火花加工常用的紫銅材料，在EA12D 電火花成型機上進行7075 鋁板的毛化正交實驗，設置放電電流為2.5，3.5，4.5，5.5，6.5 A 5 個具有代表性的數值，脈沖寬度為2，4，6，8，10 μs 5 個數值，脈沖間隙也為2，4，6，8，10 μs 5 個數值，具體技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果掃描電鏡定性分析

運用掃描電鏡做4 個電參數下的50 倍放大圖，觀察表面局部微觀放大圖，具體如圖2 所示，圖(a)、(b)、(c)、(d)分別為放電電流逐漸增大的4個表面形貌圖，仔細觀察發現圖(a)、(b)中表面較為清晰，有規律，表面微觀除有細微氣孔外，無明顯表面缺陷，相反圖(c)中有非常明顯的裂紋出現，并有較為明顯的氣孔、淺坑。圖(c)中的裂紋是由于電加工過程中電弧放電能量過大，造成工件材料冷熱之間劇烈變化產生的熱應力以及收縮應力過大導致的［2］。工件表面的裂紋有時候并不僅僅存在該材料的表面，有時候還會延伸至工件材料的變質層，情況嚴重時會造成工件力學性能失效。所以，評價一個工件是否有缺陷的重要標準是是否有裂紋［3］。從4 個圖來看，盡量選用數值較小的放電電流，減少單個脈沖放電能量，將有利于減少工件材料表面裂紋的產生［4］。圖(d)中放電痕跡明顯，表面含有各種形狀的熔融組織形成的飛濺物，并含有因熔融金屬急劇冷卻造成的球狀附著物，球狀附著物表面鍵結構較為脆弱，將嚴重影響表面質量，應盡量避免［4］。幾個圖中放電電流較大的圖含有表面裂紋，氣孔、飛濺物等比較多，因此，在滿足電火花毛化相關工藝要求的前提下，應盡量選用較小的放電電流，以降低表面缺陷出現的概率。

圖2 不同放電電流下50 倍掃描電鏡圖

圖3為放電電流固定不變時，不同脈寬下毛化表面掃描電鏡的50 倍放大圖。

圖3 不同脈沖寬度下50 倍掃描電鏡圖

可以看出:隨著脈沖寬度的增大，表面凹坑直徑相應增大，這正好驗證了表面凹坑直徑與脈沖放電能量大小有關的電火花理論。因為放電電流不變的情況下，增大脈沖寬度，就是增大脈沖放電能量。同圖2(c)、 (d)一樣，圖3 (c)、 (d)紋理相比圖3(a)、(b)而言顯得模糊，表面出現球狀附著物和飛濺物，但是相對于圖2 (c)、(d)要少很多，而且大脈寬下也沒有明顯的裂紋和氣孔。可見，雖然增大脈沖寬度會影響工件材料毛化的表面質量，但是相比增大放電電流，增大脈沖寬度產生毛化表面缺陷的概率相對要小些。

2.2 實驗結果定量分析

用雙管顯微鏡定量測量五水平毛化正交實驗后各個電參數水平下毛化表面的相鄰凹坑間距Pc，表面最大不平度Ry，并取平均值，測量后所得數據如表1所示，按照所得數據繪制成的曲線如圖4 所示。

表1 各個正交水平下粗糙度相關數據

圖4 電參數與表面粗糙度關系曲線

(1)放電電流與表面粗糙度相關參數趨勢分析圖4 (a)為放電電流與相鄰凹坑間距Pc和表面最大不平度Ry之間的關系曲線，可以看出:Pc和Ry隨著放電電流的增大而逐步增大，而且放電電流基數越高，增大的幅度越大。相比之下，在同樣的電流數值下，相鄰凹坑間距Pc的值較表面最大不平度Ry要大，而且放電電流的數值越大兩者之間的差值越大。

(2)脈沖寬度與表面粗糙度相關參數趨勢分析

圖4 (b)中脈沖寬度與相鄰凹坑間距Pc和表面最大不平度Ry之間的關系曲線，與圖(a)大致趨勢相同，脈沖寬度增大，相鄰凹坑間距Pc和表面最大不平度Ry都增大，但是相比放電電流下的增大趨勢要緩和，說明放電電流對這兩者的影響相對較大。

(3)脈沖間隙與表面粗糙度相關參數趨勢分析

觀察圖4 (c)，發現脈沖間隙與相鄰凹坑間距Pc和表面最大不平度Ry之間的變化曲線近乎是水平線，只是相鄰凹坑間距先隨脈沖間隙略微上升后略微下降，而表面最大不平度則隨脈沖寬度有升有降。

3 結論

在7075 航空鋁板電火花毛化過程中，選用大的放電電流和脈沖寬度將會增大出現表面裂紋、表面氣孔等表面缺陷的概率，所以在滿足毛化其他工藝要求的前提下，盡量選用小的放電電流和脈沖寬度。

脈沖寬度和放電電流是影響表面粗糙度相關參數的重要因素，表面粗糙度相關參數都隨著它們數值的增大而增大。其中放電電流相比之下比脈沖寬度的影響要大，所以選取電參數時，為了得到理想的毛化表面粗糙度，而又盡量不影響加工效率，應優先選用較小的放電電流。

【1】趙福令，郭劍鷹.特種工藝在毛化技術中的應用［J］.電加工，1998(2):4 －9.

【2】JIANG Jianfeng，HE Yonghui，YAN Yonggen，et al. Research on Laser Texturing Process and Surface Quality Control［C］//SPIE，2000:240 －243.

【3】曹鳳國.電火花加工技術［M］.北京:化學工業出版社，2004.

【4】劉哲. 電火花加工技術［M］. 北京:國防工業出版社，2010.

【5】袁松梅，趙萬生，劉雛東.微小型電火花加工裝置的最新進展［J］.電加工，1998(6):1 －4.

【6】郭詠梅.電火花表面毛化及建模技術的研究［D］.大連:大連理工大學，2000.

【7】EGASHIRA Kai，MIZUTANI Katsumi.EDM at Low Open－Circuit Voltage［J］.Journal of the Japan Society of Electrical Machining Engineers，2003，37(85):18 －23.