多孔質電極電火花加工工藝＊

蔣 毅 孔令蕾 平雪良 李 其

(江南大學機械工程學院江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫214122)

電火花加工被廣泛應用于航空、航天、國防、模具制造等領域，用以實現難加工材料、復雜形狀零件和有特殊要求的零件制造。但在制備復雜形狀、大面積的電火花加工工具成型電極時，常規機械加工方式存在制備周期長、復雜型面加工困難、制作成本高、材料利用率低等問題［1-2］。為此，各國研究人員開始探索各種采用點、面或體等幾何單元材料快速構建復雜形狀電極的新方法［3-4］。

利用點單元材料或面單元材料，采用粉末冶金、快速成型(RP)等技術可快速構建出精度很高的成型電極［5-6］，并顯著縮短成型電極特別是大面積復雜電極的制備周期，但其電火花加工性能差，電極的損耗率較高，所制備出的通常為實體電極，較難采用沖液方式進行加工。

上海交通大學趙萬生等［7］提出的集束電極法將大量管狀或棒狀單元電極捆綁，可快速制備出具有復雜端面的集束電極，用于電火花成型粗加工。該方法具有操作簡單、成本低的特點，并可利用管狀電極形成的流道在加工過程中施加分布式的內沖液，大幅提高加工效率［8-9］。但由于該方法通過直管狀電極構建曲面，因此一般只能加工開放的型腔結構，對相對閉塞的型腔進行加工時，容易產生干涉問題。

多孔質電極是一種由粒徑較大的紫銅顆粒高溫燒結而成的多孔材料電極［10］，也可看成是一種利用點單元材料制備而成的工具電極。通過該制備方法能夠降低復雜型面電極的制作成本，并可通過孔隙形成的流道在放電加工過程中實現分布式、三維全向的內沖液，有利于發揮與集束電極相似的優勢，獲得較高的加工效率。

本文對不同加工參數下多孔質電極電火花加工的性能進行了研究，并對多孔質電極和傳統實體電極在不同加工環境下的加工性能進行了對比研究。

1 工具電極制備

紫銅顆粒不會發生脫落;其次，顆粒之間應能夠形成通暢的流道，滿足分布式沖液要求。這兩個特征的獲得與燒結工藝密切相關。

多孔質電極是由毫米級粒徑的紫銅顆粒燒結而成的。首先將粒徑分別為φ2 mm 和φ3 mm 的球形紫銅顆粒裝入石墨模具中，振實并壓緊后置于真空爐內，在-0.1 MPa 的真空壓力下進行高溫燒結。利用高溫下顆粒之間形成的燒結頸可使顆粒間緊密連結，按照模具內腔形狀燒結成成型電極體。通過改變模具內腔形狀，可燒結獲得具有復雜曲面形狀的多孔質電極。為了對多孔質電極電火花加工的基本性能進行研究，這里采用圓柱形模具內腔，制成圓柱形多孔質成型電極，如圖1 所示。

燒結得到的多孔質電極應具備兩個特征。首先，顆粒之間的結合應足夠緊密，使得電火花加工過程中

在一定的燒結溫度和保溫時間下，燒結頸將在紫銅顆粒間產生并逐漸長大，顆粒間由分子間力轉變為較強的晶體結合鍵力，顆粒之間的結合力得以提高。盡管電火花加工屬于非接觸式加工，加工過程中無宏觀切削力，但仍會受到沖液壓力、電弧拉力、放電爆炸力的綜合影響，較小的結合力還不足以保證紫銅顆粒在加工過程中不發生脫落。因此要增加結合力，就應使燒結頸更為粗壯，意味著需要提高燒結溫度和保溫時間。另一方面，燒結頸的增大將使得顆粒間孔隙變小，對沖液產生不利影響，如一味增大燒結溫度和保溫時間，會發生“過燒結”，甚至紫銅顆粒完全熔融，孔隙率和通孔率大幅下降，無法滿足沖液要求。

為此，采用合適的燒結溫度和保溫時間對制備符合電火花加工要求的多孔質電極至關重要。經過大量實驗，按照如圖2 所示的燒結溫度曲線，在燒結溫度1 078 ℃，保溫2 h 下制備得到的多孔質電極局部SEM照片如圖3 所示，可見顆粒間形成了粗壯的燒結頸，并保持了較大的孔隙。采用這一電極可在滿足沖液、大能量加工要求的同時，保證銅顆粒不脫落。即使在多孔質電極經過加工已經發生極大程度的損耗，在長度方向上已損耗近5 層銅顆粒的情況下，仍然沒有發生脫落現象，如圖4 所示。

2 實驗裝置與實驗參數

電火花加工實驗在Agie-Charmille SC110 數控電火花成型機上進行。多孔質電極通過專用夾具安裝于主軸上，加工過程中可施加內沖液，夾持裝置和多孔質電極沖液情況如圖5 所示。

分別采用了實體電極和多孔質電極進行加工，電極外徑為φ30 mm，組成多孔質電極的顆粒包括φ2 mm和φ3 mm 兩種，工件材料為45#鋼。加工深度為6 mm，采用負極性加工(工件接負)。實驗過程中采用的其他加工參數如表1 所示。

表1 電火花加工實驗參數

3 實驗結果及討論

多孔質電極由毫米級粒徑的紫銅顆粒燒結而成，電極的表面平整度較低。因此在加工初期，電極端部的可放電投影面積非常小，只包括了數十個底層球形顆粒與工件上表面間的極小的接觸區域。隨著加工的進行，參與加工的面積逐漸增大，并逐步達至電極投影面積。為了避免較大的電極表面粗糙度對加工性能的影響，選用了較大的加工深度(6 mm)，以保證電極底部的所有區域均能參與放電。

也正因為多孔質電極表面不平整，與集束電極電火花加工類似，只適合于對加工材料的粗加工，在加工過程中利用分布式的內沖液達到快速去除材料的目的。一般來講，加工電流越大，材料去除率越高，因此采用了如表1 所示的較大的電極投影面積和沖液流量，并將加工電流固定于機床所能提供的最大電流64 A，而首先對多孔質電極在不同脈寬和脈間下的材料去除率MRR進行實驗研究。脈寬和脈間對材料去除率MRR的影響分別如圖6 和圖7 所示。

如圖6 所示，在不同的脈沖間隙下，隨著脈沖寬度的增加，工件材料去除率總體呈先上升后下降的趨勢。這與普通實體電極電火花加工的趨勢是相似的。從圖6 中可以注意到，隨著脈間的增加，獲得該脈間下最高材料去除率的脈寬總體呈增大趨勢。例如，當脈間為32 μs 時，脈寬320 μs 下即達到材料去除率峰值;而當脈間增至320 μs 時，達到材料去除率峰值的脈寬為1 000 μs。這表明脈間越大，其可承受的脈寬越大，越能利用較大的脈寬獲得高的材料去除率。

如圖7 所示，當脈沖寬度較小時(分別為56 μs、320 μs、750 μs)，隨著脈沖間隙的增加，工件材料去除率總體呈下降趨勢，并且均在脈沖間隙最小32 μs 時達到最大值;當脈沖寬度繼續增大(分別為1 000 μs、1 300 μs)，達到最大材料去除率時的脈間將相應增加。這是由于增大脈間會使得脈沖占空比下降，影響加工效率;但脈間又有保持極間狀態、維護放電穩定的作用，因此當脈寬較大時，應相應增大脈間。

從圖6 和圖7 可以注意到，盡管平均來看，對著脈沖寬度和脈沖間隙的改變，材料去除率呈現上升或下降的趨勢，但當脈沖寬度在320 μs ～1 000 μs 的區間范圍內，以及脈沖間隙在32 μs ～100 μs 的區間范圍內時，材料去除率的變化是不明顯的，或者說變化的趨勢是平緩的。為了進一步研究多孔質電極電火花加工的性能，將多孔質電極與實體電極進行了對比。在同樣的脈間100 μs、峰值電流64 A、不抬刀加工的條件下，隨著脈寬變化，兩者的電極相對損耗率TWR如圖8 所示。

如圖8 所示，隨著脈沖寬度的增大，多孔質電極和實體電極的電極相對損耗率均呈下降趨勢，顯示炭黑對工具電極的保護作用得到增強。而多孔質電極由于采用沖液方式加工，對保護膜的形成有干擾作用，與不沖液的實體電極相比，電極相對損耗率較高，這與采用集束電極加工的結論一致［9］。

隨著脈寬的變化，兩者的材料去除率MRR如圖9所示。相對于多孔質電極材料去除率的平緩變化，實體電極的變化更為劇烈，顯示脈沖寬度對其影響更顯著。盡管在其他脈沖寬度下，多孔質電極的材料去除率均略高于實體電極，但當脈沖寬度為560 μs 時，實體電極所能達到的最大材料去除率為257 mm-3/min，超過多孔質電極的206 mm-3/min。而遍歷圖7 中所有的脈寬/脈間組合，多孔質電極的最高材料去除率也只達到了214 mm-3/min，意味著在電流64 A 的情況下，多孔質電極無法獲得比實體電極更高的加工速度。

為此，又采用不同的峰值電流，對實體電極和多孔質電極的材料去除率進行了對比，在脈沖寬度560 μs，脈沖間隙100 μs 時，兩者的材料去除率如圖10 所示。

從圖10 中可以看出，改變電流對材料去除率的影響是非常顯著的，但在這一脈寬/脈間參數組合下，實體電極的材料去除率均高于多孔質電極，顯示出多孔質電極與實體電極相比，在提高材料去除率方面沒有優勢。一般而言，沖液應起到改善極間狀態、維護放電穩定、提高材料去除率的作用，但上述實驗的結果卻不支持這一結論。

但是，雖然上述實驗中采用的加工參數相同，多孔質電極和實體電極電火花加工之間仍存在一定的差異，這一差異應是導致兩者材料去除率不同的原因。差異主要體現在兩個方面:首先是多孔質電極表面形貌凹凸不平，而實體電極端部是一個平面;其次是多孔質電極采用了沖液方式加工，而實體電極沒有沖液。

為了探尋到底是何種差異導致了多孔質電極的材料去除率低于實體電極，分別采用了φ2 mm 和φ3 mm顆粒直徑燒結得到的多孔質電極和實體電極進行電火花加工實驗，以便對不同表面平整度電極的加工性能進行對比。為了排除沖液的影響，在實驗過程中關閉了沖液，多孔質電極和實體電極均以不沖液方式加工。電流為64 A，脈寬為560 μs，脈間為100 μs，分別采用不抬刀不平動、只抬刀和只平動3 種方式加工。對比試驗結果如圖11 所示。

由圖11 可知，無論在何種加工方式下，電極表面平整度最低的采用φ3 mm 顆粒燒結得到的多孔質電極，其材料去除率是最低的，而表面最為平整的實體電極材料去除率最高。這一結果暗示了電極表面平整度對材料去除率具有較顯著的影響，電極表面凹凸會導致更多的側向放電，有可能是導致材料去除率降低的原因。當采用不抬刀不平動方式加工時，φ3 mm 顆粒多孔質電極的材料去除率為192 mm-3/min，比圖10中所示的206 mm-3/min 降低了約7%，顯示此時沖液對提高加工效率具有一定作用，但作用并不大。

綜合以上實驗結果，當在工件上表面上加工較淺的型腔(6 mm)時，極間狀態并不能惡化到顯著影響放電穩定性的程度，是否施加沖液影響不大，而電極表面平整度卻是影響材料去除率的顯著因素。

這一結論也可由是否采用抬刀方式加工加以印證。當采用抬刀加工時，實體電極材料去除率大幅下降，顯示雖然抬刀一般有改善極間狀態的作用，但由于極間狀態惡化程度較小，改善作用不明顯，反而由于抬刀時間的損失，降低了材料去除率。

上述實驗都是在工件上表面加工較淺的型腔，但在深孔中加工時，由于加工蝕除產物無法順暢地排出加工區域，極間狀態一般將發生惡化，導致加工不穩定，加工效率降低。為此，進行了在深孔中加工的對比實驗。所采用的工件深孔初始深度為25 mm，內徑為30.8 mm，比電極外徑大0.8 mm，加工深度6 mm。選用的電流64 A，脈寬為560 μs，脈間為100 μs，分別采用不抬刀和抬刀方式加工，對比實驗結果如圖12 所示。

實體電極在深孔中采用不抬刀方式加工時，由于排屑不暢，材料去除率大為降低至43 mm-3/min，僅為在工件上表面加工時的1/5。采用抬刀方式加工后，由于抬刀對極間狀態的改善作用，加工效率有了提高。而多孔質電極采用抬刀方式加工時，其材料去除率比實體電極提高了50%以上，且由于沖液能夠極大改善極間狀態，因此可采用不抬刀方式加工。采用不抬刀加工時，由于節省了抬刀時間，其加工效率又有較大提高。在同樣無抬刀的情況下，多孔質電極的加工效率是實體電極的4 倍。

此外，當在深孔中采用實體電極加工時，由于排屑不暢，容易在工件表面生成碳柱，并破壞工具電極，如圖13 所示。而采用多孔質電極加工時，未出現過生成碳柱的情況。以上研究表明，在深孔中加工時，由于施加了分布式的內沖液，多孔質電極可顯示出比實體電極更為優異的加工特性，其在深孔中的加工能力較強。因此，多孔質電極在深孔加工中的性能及其機理將是下一步研究的重點。

4 結語

通過制備符合電火花加工要求的多孔質材料電極并搭建實驗系統，對多孔質電極的電火花加工性能進行了實驗研究，可得出以下結論:

(1)在工件上表面加工較淺的型腔時，多孔質電極與實體電極在材料去除率方面相比沒有優勢;

(2)導致多孔質電極材料去除率低的原因是其電極表面不平整，易發生大量側向放電，并由于型腔較淺，極間狀態較好，沖液對極間狀態的改善作用不能得到充分發揮;

(3)在深孔中加工時，由于排屑條件惡化，采用多孔質電極后可利用分布式的內沖液極大改善極間狀態，并可采用不抬刀方式加工，相同條件下材料去除率可達實體電極的4 倍。

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