鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工研究

胡志敏

（東莞市技師學(xué)院，廣東 東莞 523470）

1 電弧銑削加工以提高材料去除率

1.1 電弧銑削系統(tǒng)

電弧銑削系統(tǒng)能夠提供的大功率電源峰值電流可達(dá)到500A，脈沖寬度與脈沖能夠在0.1ms～10ms之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)部均勻分布12處直徑為2mm的通孔，電極外徑為20mm，組成電弧銑削系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一高壓沖液系統(tǒng)的入口壓強(qiáng)最高可達(dá)2MPa，超高的壓強(qiáng)可讓工作液自行從電極端面沖出，從而形成作為斷弧使用的高壓流體。電弧銑削系統(tǒng)在對(duì)鋁基碳化硅復(fù)合材料進(jìn)行粗加工的過(guò)程中，電弧等離子體可以快速的蝕除鋁基碳化硅復(fù)合材料，材料的去除率最高可以達(dá)到6300mm3/min,再鑄層厚度可以控制在100μm以?xún)?nèi)，加工的效果極好。在這個(gè)過(guò)程中，電弧等離子體會(huì)帶來(lái)超高的溫度，在進(jìn)行高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料加工的時(shí)候，電弧銑削系統(tǒng)選用石墨作為電極材料能夠取得更好的效果。

1.2 放電參數(shù)的優(yōu)化

（1）極性的選擇。電弧銑削加工工作需要使用電力，它的加工性能受到放電參數(shù)：電極極性、脈沖寬度、峰值電流等的影響，放電參數(shù)中的電極極性是其它參數(shù)的先決條件，這顯得極為的重要。通過(guò)進(jìn)行實(shí)際的電弧銑削加工工作，得到在不同電極極性的加工性能。通常，在控制其它因素不變，改變電極的正、負(fù)極性，正極一端的材料去除率相較于負(fù)極一端略低，正極一端的損耗率比負(fù)極一端略高，可知在對(duì)材料加工過(guò)程中，材料去除率與損耗率要得到最好的效果，需要選擇的電極極性是負(fù)極。同時(shí)，選擇的電極極性為正極之時(shí)得到的加工材料的表面質(zhì)量相對(duì)較好，可知在對(duì)材料加工過(guò)程中想要得到較好的表面質(zhì)量需要選擇正極。電弧銑削加工工作屬于材料的粗加工階段，材料加工除了需要考慮材料去除率與損耗率之外，還需要考慮表面質(zhì)量因素，相對(duì)較好的表面質(zhì)量能為后續(xù)的精加工工作提供便利。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，與電極負(fù)極性相比，雖然電極正極性下的材料去除率相對(duì)較低、損耗率相對(duì)較高，但是總體的差距不是很大，然而電極正極性下的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于電極負(fù)極性，通過(guò)經(jīng)過(guò)多方面的考慮，鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工選擇使用電極正極性。

（2）材料去除率與電極相對(duì)損耗率。鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工通常使用占空比的這一名詞來(lái)作為衡量脈沖寬度與脈沖周期比值的指標(biāo)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)論證[1]，可知材料去除率、電極相對(duì)損耗率與占空比之間的關(guān)系，在峰值電流同等的條件下，隨著占空比這一比值的升高，材料去除率也逐漸呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而電極相對(duì)損耗率卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而在相同的占空比的條件下，脈沖寬度值越高，材料去除率也就越高，而且峰值電流上升材料去除率也會(huì)隨著上升，由此可知，脈沖寬度與峰值電流能夠影響鋁基碳化硅復(fù)合材料的材料去除率，而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)得知，電弧銑削加工與傳統(tǒng)的加工方法相比，性能上有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)控銑磨加工避免表面缺陷

2.1 銑磨工具設(shè)計(jì)

鋁基碳化硅復(fù)合材料的顆粒硬度非常高，一般硬度的磨料不能勝任加工工作，考慮這一因素，加工過(guò)程中需要選用金剛石作為銑磨工具的磨料，這可以讓鋁基碳化硅復(fù)合材料的表面質(zhì)量得到保證。根據(jù)一般對(duì)鋁基碳化硅復(fù)合材料產(chǎn)品需求，選用的金剛石磨料的顆粒度范圍在80～240目之間；如果在銑磨過(guò)程中，鋁基碳化硅復(fù)合材料的粉末狀磨屑將銑磨工具表面堵塞住，這會(huì)導(dǎo)致銑磨工具遭到損壞，長(zhǎng)時(shí)間如此，銑磨工具就需要更換，使用壽命不夠長(zhǎng)久，嚴(yán)重造成資源的浪費(fèi)，針對(duì)這樣的情況，在設(shè)計(jì)銑磨工具之時(shí)，采用避免磨屑堵塞的方案，設(shè)計(jì)出使用壽命悠久的銑磨工具。以某設(shè)計(jì)為例，經(jīng)過(guò)多次的進(jìn)行試驗(yàn)，考慮加工的成本以及加工質(zhì)量，最終采用以電鍍結(jié)合80目金剛石磨料作為半精加工銑磨工具，并在其中設(shè)置3條均布的螺旋狀排屑槽，螺旋排屑槽可以更好的輔助排屑，而且還能冷卻液的冷卻。

因?yàn)樘沾山Y(jié)合劑的生產(chǎn)成本較高，所以不能在整個(gè)步驟中使用，它與240目金剛石磨料相結(jié)合，作為精加工銑磨工具。

2.2 銑磨參數(shù)優(yōu)化

數(shù)控銑磨加工能夠精細(xì)的控制加工參數(shù)，銑磨加工工具的銑磨寬度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的能夠得到穩(wěn)定的控制，但是加工參數(shù)需要控制在什么程度，這需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而得出最優(yōu)的數(shù)控銑磨加工方案。鋁基碳化硅復(fù)合材料的表面缺陷通產(chǎn)是因?yàn)榍邢髁^(guò)大，切削力不能夠精細(xì)的保持不變，但是數(shù)控銑磨加工能夠完美解決這些問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立銑磨參數(shù)與銑磨力的關(guān)系的曲線圖，找到它們之間的關(guān)系，優(yōu)化鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工。通常，法向銑磨力與徑向銑磨力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提升均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是在主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的速度之后，從曲線又發(fā)現(xiàn)銑磨力又卻開(kāi)始出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，通過(guò)多次對(duì)數(shù)據(jù)的分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，造成這樣的現(xiàn)象是因?yàn)檫^(guò)高的主軸轉(zhuǎn)速將導(dǎo)致顫振加劇，造成銑磨力上升。而法向銑磨力與徑向銑磨力隨著進(jìn)給速度的增加而增加，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)參與切削的有效磨粒數(shù)上升，導(dǎo)致了銑磨力的提升；而法向銑磨力與徑向銑磨力會(huì)隨著銑磨寬度增加而上升，而且上升程度十分的明顯，可知銑磨寬度對(duì)于銑磨力的影響十分巨大，在傳統(tǒng)的加工方法也呈現(xiàn)這樣的狀況。通過(guò)對(duì)鋁基碳化硅復(fù)合材料加工的實(shí)際研究可知，銑磨力控制在10N以下，能夠保證鋁基碳化硅復(fù)合材料表面的質(zhì)量，所以我們可以通過(guò)曲線圖中銑磨力與銑磨寬度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的關(guān)系，從而得到相應(yīng)的加工參數(shù)，通過(guò)數(shù)控銑磨加工能夠精密控制加工參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，得到質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋁基碳化硅復(fù)合材料。

3 產(chǎn)品加工實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)鋁基碳化硅復(fù)合材料加工使用鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工方式進(jìn)行研究，是通過(guò)進(jìn)行實(shí)際加工試驗(yàn)的方式進(jìn)行的。使用的加工材料為50%的高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料、80目金剛石磨料、240目金剛石磨料、石墨電極2件、粗加工耗時(shí)4h、半精加工耗時(shí)3.5h、精加工耗時(shí)1h，最終得到材料去除率超過(guò)80%、尺寸精度與表面質(zhì)量符合要求、無(wú)崩邊缺陷的產(chǎn)品。通過(guò)試驗(yàn)證明，新型的加工方法比傳統(tǒng)的方法更加精密高效，完美解決傳統(tǒng)加工存在的問(wèn)題缺陷，提高了高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工效率與加工效益。這次試驗(yàn)為數(shù)鋁基碳化硅的加工提供可靠實(shí)用的參考數(shù)據(jù)，為數(shù)鋁基碳化硅的加工發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁基碳化硅的高效精密加工，提高了材料去除率，避免了表面缺陷問(wèn)題，這種組合加工的方式比傳統(tǒng)的電火花加工更加的優(yōu)秀，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明鋁基碳化硅電弧銑削與數(shù)控銑削組合加工方法的可行性。