聚晶金剛石的混鐵粉電火花加工方法研究

賈志新 張凱悅 王 津

北京科技大學機械工程學院,北京,100083

0 引言

聚晶金剛石(polycrystalline diamond, PCD)是一種在高溫高壓條件下,由金剛石微粉與用作催化劑的金屬均勻混合并燒結在硬質合金基體上的超硬材料[1]。PCD因高硬度與耐磨性而被廣泛應用于切削加工、地質鉆探、石材加工等領域的工具制備。由于PCD硬度高,對其加工比較困難,故目前主要的加工方法是金剛石砂輪磨削和電火花加工。金剛石砂輪磨削加工精度高,但是加工效率低,同時因砂輪損耗大而導致加工成本較高;電火花加工成本低[2],但因PCD導電性較差而導致加工效率低。IWAI等[3]利用寬度2.2 mm的窄電極,通過超聲輔助電火花加工PCD,雖然加工效率得到提升,但是電極尺寸較大時會給超聲振動帶來困難,不適用于較大面積的PCD加工,而且這種方法存在噪聲污染。

雖然有大量的終端網點在銷售產品，但在平時工作中，銷售經理側重于對短期內銷量的關注，沒有建立健全的終端數據庫。銷售經理只是對規模終端商親自做了客情維護，但是，要想牢牢把控渠道必須“抓大不放斜，建立系統而全面的終端數據庫。數據庫內容包括：終端店具體的地址、店主姓名、電話、經營本公司產品品種和數量、每家店的銷量概況等。

一些學者通過向工作液中添加導電粉末來改進電火花加工工藝。PECAS等[4]發現硅粉能夠提高電火花加工的材料去除率(material removal rate, MRR)并且降低加工表面粗糙度。YEO等[5]發現碳化硅粉末能夠降低加工表面粗糙度。CHOW等[6]通過向純水中添加碳化硅粉末來提高電火花加工鈦合金的MRR值和降低表面粗糙度。PRIHANDANA等[7]利用二硫化鉬粉末來提高電火花加工銅鎢合金的MRR值。KUANG等[8]研究鋁粉對電火花加工的影響,發現隨著鋁粉濃度的增加,MRR值先增大后減小。TZENG等[9]研究了鋁、鉻、銅和碳化硅粉末對電火花加工模具鋼的影響,發現粉末的濃度、粒度、密度、電導率和熱導率均會對加工性能產生影響。JAHAN等[10]發現石墨粉能夠降低電火花加工鈷鎢硬質合金的表面粗糙度,而鋁粉能夠增大放電間隙并提高MRR值。PRIHANDANA等[11]利用納米尺度石墨粉提高了超聲輔助電火花加工精度。LIEW等[12]利用碳納米纖維提高了電火花加工碳化硅的MRR值。

不同的導電粉末(硅、碳化硅、二硫化鉬、鋁、鉻、銅、石墨和碳納米纖維粉末)在電火花加工不同材料時(鈦合金、銅鎢合金、模具鋼、鈷鎢硬質合金和碳化硅)時提高了MRR值,然而鮮有針對PCD材料混粉電火花加工的研究報道。PCD的電火花加工材料去除方式具有特殊性,因為它是由金屬和不導電的聚晶金剛石微粉燒結而成的,電火花加工時放電發生在PCD中的金屬材料與工具電極之間,金剛石微粉不參與放電。需要研究在煤油中混入導電粉末的方法是否能提高MRR值,并分析加工參數對MRR值和加工表面粗糙度的影響。另外,與以往研究不同,本文采用鐵粉作為導電粉末混入煤油工作液中,鐵粉具有導磁性,配合電磁鐵能夠為鐵粉的回收提供便利,有利于今后該方法的實用化。本文首先分析混鐵粉電火花加工PCD的材料去除機理,通過實驗驗證該方法提高MRR值的可行性,并分析工作液中鐵粉濃度對MRR值和加工表面粗糙度的影響規律;然后研究峰值電流、脈寬、脈間和伺服電壓對MRR值和加工表面粗糙度的影響規律,并得到在保證加工表面粗糙度的前提下使MRR值最大化的最優電參數值組合,為提高電火花加工PCD效率提供有效手段。

1 混鐵粉電火花加工PCD方法

通過實驗初步探究未添加鐵粉的煤油工作液中電火花加工PCD的工件材料去除方式。電火花加工時放電發生在PCD表面金屬材料與工具電極之間,金剛石微粉不參與放電。火花放電瞬間高溫去除PCD上放電點處的金屬材料,并使放電點附近的金剛石顆粒部分熔化、汽化,或者石墨化、氧化,由于金剛石顆粒熔沸點高,且不直接參與放電,故通過這種方式只能去除少量金剛石顆粒材料。隨著金屬材料的不斷去除,它對金剛石顆粒的固結作用失效,部分金剛石顆粒從基體脫落,這是去除金剛石材料的主要方式。一定時間內有效放電比率(正常火花放電數量與極間施加電壓脈沖總數的比值)越高,放電直接去除金屬和金剛石的速度越快,金剛石顆粒脫落的速度也越快,MRR值越大。如圖1a所示,放電剛開始時,新PCD復合片表面金屬含量較高,容易形成火花放電,有效放電比率較高,所以MRR值較大。如圖1b所示,隨著加工的進行,PCD表面金屬材料因被蝕除而減少,且金屬材料與電極之間間隙變大,形成火花放電的難度增大,導致有效放電比率降低,MRR值減小。隨著金剛石顆粒的脫落,露出的金屬材料增加,且電極向工件進給使電極與金屬材料間的距離減小,有效放電比率回升,再繼續上述過程,如此循環,直到加工結束。

(a)新PCD復合片電火花加工示意圖

通過實驗驗證上述分析的正確性。取新PCD復合片并采集其表面SEM圖片,然后對其進行電火花加工,采集加工過程電壓電流波形并在線計算其有效放電比率(一個采集周期內正常放電數占總放電數的百分比),當有效放電比率明顯下降時停止加工,采集此時PCD復合片表面SEM圖片。電火花加工PCD復合片的實驗條件見表1。SEM檢測結果如圖2所示,由于金剛石晶體不導電,它在SEM下表現為亮白色,故SEM圖片越亮,說明PCD復合片金屬材料含量越少。圖2a所示新PCD復合片表面SEM圖片顏色較深,圖2b所示電火花加工后的PCD復合片表面顏色較亮,說明新PCD復合片表面金屬材料含量較高。

表1 PCD復合片表面金屬含量和有效放電比率關系的實驗條件

(a)新PCD復合片表面SEM圖

原因是當ρ<2 g/L時,鐵粉微粒濃度較小,對放電的促進作用有限,此時提高MRR值的主要因素是附著在PCD復合片表面凹坑及金剛石單晶表面的鐵粉增加了放電面積,且隨著鐵粉濃度的增加,它對放電的促進作用顯著增強。當ρ為2～25 g/L時,附著于PCD片表面鐵粉微粒對MRR值的促進作用趨于飽和,而煤油工作液中的鐵粉微粒對電場的影響效果開始變得明顯,并成為進一步促進放電的主要因素。當ρ>25 g/L時,工作液中鐵粉對放電的促進作用也趨近飽和,此時再向煤油工作液中加入鐵粉微粒,部分鐵粉會沉淀在加工槽底,煤油工作液鐵粉含量的增加不明顯,故MRR值保持穩定。在實際加工過程中,ρ過高容易導致油泵內部油路堵塞,損壞循環系統,并且可能會導致拉弧的產生,因此,本實驗鐵粉質量濃度最高為50 g/L。

式中,j為水平重復數;T為數據總和;n為數據總個數;r為因素水平數。

進行一系列電火花加工PCD復合片實驗,研究鐵粉濃度和電參數(峰值電流、脈寬、脈間、伺服電壓)對MRR值和加工表面粗糙度的影響規律,進一步通過正交試驗優化電參數。

2 實驗裝置與方案

實驗在數控電火花PCD磨片機床上進行,圖4為實驗裝置示意圖。加工過程中,PCD復合片固定在機床工作臺上,由工作臺伺服系統實現X、Y方向移動,工具電極固定于機床主軸上,由主軸系統實現Z軸方向運動。由油泵向中空的紫銅電極提供一定濃度的混鐵粉工作液。加工時,機床工作臺帶動油槽做搖動,消除電極中空帶來的影響。本實驗加工用PCD片直徑48 mm,厚度5 mm,其中,PCD復合層厚度2 mm,金剛石顆粒直徑8～10 μm,鐵粉顆粒直徑0.5～10 μm。

圖4 混鐵粉電火花加工PCD復合片裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of mixed iron powder EDM device for processing PCD composite sheet

機床采用高低壓混合放電,高壓200 V,低壓70 V,攪拌用直流電機電壓4～5 V,齒輪泵功率40～55 W。進行單因素實驗,實驗參數包括鐵粉濃度、峰值電流、脈寬、脈間、伺服電壓,通過測量加工前后工件質量并除以加工時間來計算工件的MRR值,利用粗糙度儀測量加工表面粗糙度。

3 實驗結果和討論

3.1 鐵粉質量濃度對MRR值和表面粗糙度的影響

首先通過實驗驗證工作液中混鐵粉是否能提高電火花加工PCD的MRR值,本研究以機床廠家提供的最優加工電參數為基礎,在清澈電火花加工液中逐次加入一定量的鐵粉微粒,分別采集PCD復合片加工過程中極間電壓電流波形并實時計算有效放電比率,研究MRR值隨加工液鐵粉質量濃度增大的變化規律。

實驗電參數與表1相同,加工時間為3 min,圖5所示為MRR值和鐵粉質量濃度ρ的關系。可見當ρ<2 g/L時,MRR值隨ρ的增加而快速增大;當ρ為2～25 g/L時,MRR值隨ρ的增加而緩慢增大;當ρ>25 g/L時,MRR值基本保持穩定狀態,隨鐵粉質量濃度的增大變化微小,ρ=37.5 g/L時MRR值最大。實驗結果表明,在工作液中添加鐵粉能夠明顯提高MRR值。

2）本實驗中的混合菌群在原油降解的前期對中鏈、長鏈烴降解效果較好；而在降解的后期對短鏈烴的降解效果較強.

圖5 工件材料MRR值和鐵粉濃度的關系Fig.5 Relationship between material removal rate MRR and iron powder concentration

根據采集的加工過程極間電壓電流波形和計算得到的有效放電比率來分析鐵粉質量濃度ρ對MRR值的影響。通過清澈工作液、ρ=2 g/L工作液及ρ=37.5 g/L工作液下加工過程電壓電流波形和有效放電比率來分析ρ對MRR值的影響機理。

如圖6a所示,當未添加鐵粉(ρ=0)時,部分電壓脈沖下并未產生火花放電電流;如圖6b所示,有效放電比率集中在40%～85%。如圖7a所示,當ρ=2 g/L時,所有電壓脈沖均可擊穿絕緣介質,形成火花放電,但是擊穿延時較大,部分放電的擊穿延時占比脈寬超過50%;如圖7b所示,有效放電比率主要集中于60%～85%,比清澈工作液條件下有了明顯提高。如圖8a所示,當ρ=37.5 g/L時,所有電壓脈沖都可形成火花放電,且擊穿延時明顯縮短;如圖8b所示,有效放電比率穩定在75%～85%。

(a)加工液中電壓、電流波形

(a)加工液中電壓、電流波形

圖2a和圖2b所示的PCD復合片所對應的電火花加工電壓電流波形如圖3所示,橫軸為采集的電壓和電流數據點的數量,代表采集時間,每個通道的采集頻率為250 kHz。對極間電壓進行分壓,使其在采集卡電壓輸入范圍,電壓波形數值乘以24為極間電壓實際值,單位為V;電流波形數值乘以3.5為電路中實際電流值,單位為A。由圖3a可見新PCD復合片電火花加工時,極間施加電壓脈沖時都能產生放電電流,即形成了火花放電,有效放電比率較高,則MRR值較高。由圖3b可見加工一段時間后, 由于PCD復合片表面金屬含量降低,很多高壓脈沖波形下并未產生放電電流,有效放電比率較低,則MRR值較低。實驗結果表明有效放電比率降低確實是PCD表面金屬材料被蝕除而減少所致,與上述加工PCD機理分析一致。

白康等（2013）[5]研究發現，林麝正常期糞中睪酮含量較低，泌香初期含量開始急劇升高，至泌香盛期達最高峰，且明顯高于正常期，泌香后期急劇下降，且雌二醇的變化規律與睪酮相似，而孕酮含量在整個泌香期呈無規律性變化。張爭明等[6]對林麝泌香期血清性激素的研究發現，泌香初期血清雌二醇、睪酮和孕酮含量較低，泌香盛期均達到最高峰，泌香后期又都迅速降至與泌香前期接近的含量水平。由此可見，睪酮和雌二醇與麝的泌香反應密切相關。

圖9所示為加工表面粗糙度和煤油工作液鐵粉質量濃度ρ的關系,實驗結果表明,加工表面粗糙度Ra無規則地分布于1.0～1.35 μm,且其變化與ρ的增加無關。由于電火花加工PCD復合片的主要材料去除方式是金屬材料的熔化、汽化,以及與之伴隨的金剛石顆粒的剝落,故影響電火花加工PCD復合片表面粗糙度的主要因素為金剛石顆粒的粒度,ρ對Ra幾乎沒有影響。

式中:CX為待測元素的濃度(單位%)，CMarix為基體元素的濃度(單位%，對于高純金屬CMarix=100%=1)， IX為待測元素同位素質譜線強度(單位cps)，IMarix為基體元素同位素質譜線強度(單位cps)。

圖9 加工表面粗糙度與鐵粉質量濃度的關系Fig.9 Relationship between Ra and ρ

3.2 峰值電流對MRR值及表面粗糙度的影響

當ρ=37.5 g/L時,PCD復合片的電火花加工效率最高,因此選取ρ=37.5 g/L的加工液,脈寬、脈間和伺服電壓的參數值設置見表1,通過設置一系列峰值電流的值,探究峰值電流對MRR值及表面粗糙度的影響。MRR值和加工表面粗糙度與峰值電流的關系如圖10所示。可見MRR值隨峰值電流的增加而增大,但增加趨勢逐漸減緩,當電流大于30 A后容易出現拉弧燒傷電極和工件,所以此時并未獲得MRR值和加工表面粗糙度數據。在電火花加工過程中,隨著加工電流的增大,單次脈沖放電產生的能量增大,MRR值增大。同時,隨著加工電流的增大,極間介質溫度升高,部分帶電粒子消電離不完全,同時鐵粉微粒使電場得到強化,因此在此處放電通道在較低電壓下便可形成,減少了擊穿延時,增加了有效加工時間,但在鐵粉微粒附近形成的放電通道能量部分消耗于鐵粉微粒的汽化及周圍煤油工作液的電解與汽化,減小了MRR值增加速率。同時,由于極間介質消電離不充分,會產生部分拉弧放電,也會影響MRR值。

由圖10可以發現,PCD復合片加工表面粗糙度Ra穩定在1.04～1.15 μm,受峰值電流影響較小。在正常加工條件下,影響Ra的主要因素為單晶金剛石顆粒粒度,實驗結果出現小幅無規則變化,主要是由電火花放電的不確定性、單晶金剛石顆粒粒度及分布的隨機性及測量誤差引起的。

3.3 脈寬對MRR值及表面粗糙度的影響

高校網絡遠程教育是基于信息技術滿足學習型社會及終身教育體系構建需求而逐漸興起的。該教學模式是指為了實現特定目標，教育發展由各種相關要素集合并共同發揮某一整體功能的教育范式。隨著互聯網的普及和信息化在各行各業的滲透，高校網絡遠程教育已成為各高校教育模式的重要表達，并逐漸被社會上眾多學習者接受。網絡遠程教育構成要素主要涉及在教學過程中進行交互及關聯的核心構造，這些要素之間的關系及運行機制決定了遠程教育質量的優劣。因此，從教育主體、教育資源及教學管理等維度探討高校網絡遠程教育系統構成，并在此基礎上優化其發展及運行機制，既是教育者們關注的問題，也是全社會共同關心的課題。

圖11 工件材料去除率、加工表面粗糙度和脈寬ti的關系Fig.11 Relationship between MRR, Ra and pulse width ti

3.4 脈間對MRR值及粗糙度的影響

ρ=37.5 g/L時,峰值電流、脈寬和伺服電壓的參數值設置見表1,設置一系列脈間值,得到圖12所示的MRR值、加工表面粗糙度與脈間to的關系。可以看出,MRR值隨脈間的增加先增大后減小,在120 μs時達到最大值。當脈間較小時,極間消電離不充分,拉弧放電較多,導致MRR值較小;隨著脈間的增加,極間消電離得到改善,正常放電數占比增加,MRR值隨之增大;當脈間進一步增加,有效加工時間減少,MRR值減小。被加工面的表面粗糙度Ra分布在1.06～1.34 μm,其原因與脈寬對表面粗糙度的影響一致。

從三次產業的投資情況看，第一產業投資增長 36.5%，第二產業投資增長12.0%，第三產業投資增長8.9%。

圖12 工件材料去除率、加工表面粗糙度和脈間to的關系Fig.12 Relationship between MRR, Ra and pulse interval to

3.5 伺服電壓對MRR值及表面粗糙度的影響

對于高度顯著因素,選取使指標最大的水平,不顯著因素的水平則結合實際選取。本研究中,電參數選取不會造成生產及技術成本增加,所有因素都選擇使指標最優的水平,因此,方差分析最終選取A3C1D3B3作為最優加工模型參數,此結果與極差分析選取結果一致。

圖13 工件材料去除率、加工表面粗糙度和伺服電壓U的關系Fig.13 Relationship between MRR, Ra and servo voltage U

4 混鐵粉電火花加工PCD電參數優化

4.1 正交試驗設計

混鐵粉電火花加工PCD復合片過程中,峰值電流、脈寬、脈間和伺服電壓對MRR值具有綜合影響。為確定混鐵粉電火花加工PCD最優加工電參數,以正交試驗作為實驗設計方案,測量電參數下PCD復合片的MRR值及加工表面質量,并從中找出最優參數組合。實驗工藝參數見表2,構造L16(45)型正交表。加工液鐵粉質量濃度為37.5 g/L,加工時間為3 min。初次實驗開始前,使用清水洗干凈PCD復合片,并使用吸水紙巾擦干,稱量PCD復合片質量。每次實驗結束后,取出PCD復合片,使用清水沖洗表面,并使用吸水紙巾擦干PCD復合片表面水分。使用精度為1 mg的電子天平稱量質量,并計算工件材料去除率,測量被加工面的表面粗糙度。

高校科研成果是國家科研成果的重要組成部分，長期以來，高校已逐漸成為國家科研戰線的生力軍，在各個研究領域發揮著極其重要的作用。科研管理的科學和高效對高校科研工作的重要性不言而喻。要想將科研成果轉化為生產力，化科研為力量，需要用科學管理的思維來創新機制、完善制度，建立科研成果轉化的全鏈條管理閉環。唯有如此，才能更好地走好科研成果的“最后一公里”。

表2 正交試驗工藝參數

根據正交表安排進行16組實驗,其中一空列作為誤差項存在,每組實驗測量的MRR值及被加工面的表面粗糙度見表3。由實驗結果可以發現,MRR最大值為0.0553 g/min,對應的表面粗糙度為1.19 μm;MRR最小值為0.0153 g/min,對應的表面粗糙度為1.13 μm,MRR最大值是最小值的3.61倍。Ra穩定在1.02～1.24 μm區間內。不同電參數下加工效率相差數倍,可見合理選擇電參數可以有效提高PCD復合片的鐵粉輔助電火花的MRR值。為分析討論各因素水平對加工效率的影響,可采用極差分析法和方差分析法。

表3 正交試驗結果

4.1.1極差分析法

極差分析法通過計算每個因素的極差R來分析因素對實驗結果影響的主次。本實驗為4水平正交試驗,每一因素的極差R的計算公式為

農村飲水安全自動化監控技術研究及應用前景分析……………………………………………… 胡 孟，李曉琴(8.66)

R=max(K1,K2,K3,K4)-min(K1,K2,K3,K4)

(1)

其中,Ki代表某因素水平編號為i的所有實驗結果總和,反映了四次該因素i水平及其他每個因素的四個水平各一次的影響。極差R反映了該列所排因素選取的水平變動對指標的影響,極差越大說明因素的水平變動對指標影響越大,極差最大的列對應因素即為實驗中最主要的因素,反之則為最次要的因素。

管理工作時針對所有參與建筑施工的人員進行的，管理力度的提升可從以下幾方面入手：定期對員工進行培訓。首先樹立員工的質量把控意識，讓其認識到保證工程質量的重要性。其次是對其基礎知識和技能的鞏固，逐步提升專水準，改變以往只憑經驗進行施工作業的情況；制定相應的獎罰制度。對員工的工作進行階段性評比，對于施工人員以施工質量作為衡量標準，對管理人員的評比，其匯報、現場記錄等作為重要參考依據；吸收國外優秀的管理模式，將其改造成符合我國施工現狀的管理體系，我國的工程管理效果會顯著提升[3]。

各因素水平對加工效率影響的極差分析見表4。由表4可得,各因素影響加工效率的主次順序依次為峰值電流、脈間、伺服電壓、脈寬。空白行的極差主要是由實驗誤差導致的,其值最小,說明本次實驗誤差較小,實驗值可信度高。對于最主要影響因素,需選擇能使其指標最好的水平;對于次要影響因素,需結合實際生產條件選擇。在本研究中,電參數選擇不會造成生產及技術成本增加,故所有因素都選擇使指標最優的水平。本研究要求加工效率越高越好,故最優生產參數為A3C1D3B3。

表4 加工效率極差分析

4.1.2方差分析法

分別計算各列變動平方和Si、總變動平方和ST、總自由度fT,各因素變動平方和S、各因素自由度f、誤差變動平方和Sa、誤差自由度fa及F系數F,即

ST=ΣSi=ΣS+Sa

(2)

fT=n-1=Σfi=Σf+fa

(3)

(4)

f=r-1

(5)

(6)

綜上所述,在電火花加工過程中,PCD復合片表面的金屬材料含量增加可以提高MRR值,但是受限于金剛石顆粒含量要求,金屬材料的含量是有限的,并且在加工過程中,金屬材料參與放電,其含量逐漸降低,所以單純依賴PCD復合片中的金屬材料難以保持MRR值處于較高水平。此外,如果金剛石顆粒比較大,會使加工間隙較大,形成放電的難度增大,使MRR值降低。向電極和工件之間噴入混鐵粉的煤油工作液,利用工作液中的導電鐵粉顆粒填充PCD表面被放電蝕除的金屬,相當于增大了PCD表面金屬材料含量,同時部分鐵粉微粒附著在金剛石微粒表面或位于加工間隙內的煤油工作液中,使局部電場增強,從而促進火花放電形成。

當ρ=37.5 g/L時,峰值電流、脈間和伺服電壓的參數值設置見表1,設置一系列脈寬值,得到圖11所示的MRR值、加工表面粗糙度與脈寬ti的關系。可以看出,隨著脈寬的增加,MRR值先增大,并在ti=100 μs時達到最大值,隨后逐漸減小。當脈寬較小時,單次脈沖放電能量小,MRR值較小;隨著脈寬的增大,單次放電能量提高,MRR值增大;當脈寬進一步增加時,由于單次放電能量較大,極間介質溫度高,消電離不夠充分,拉弧放電數量增加,因此MRR值逐漸減小。由圖11可以發現,Ra無規則地分布在0.98～1.25 μm,其原因與峰值電流對表面粗糙度的影響一致。

由式(3)可計算出各列的列變動平方和：

S1=0.001 336S2=0.000 104

S3=0.000 033S4=0.000 238

S5=0.000 157

由式(2)、式(3)可得

ST=Si=0.001 868

fT=n-1=16-1=15

因為因素A、B、C、D分別排列在正交表的1、2、4、5列,且各因素水平數均為4,故有

SA=S1=0.001 336fA=3
SB=S2=0.000 104fB=3
SC=S4=0.000 238fC=3
SD=S5=0.000 157fD=3

Fα是一個臨界值,表示依據其作出判斷時的把握。當F>Fα時,就有(1-α)×100%的把握說該因素是顯著的。通常,若F>F0.05,則說明該因素顯著;若F>F0.01,則說明該因素高度顯著。比較各F值與F0.25、F0.05、F0.01的大小可得：因素A高度顯著,因素B、C、D不顯著。

2017年夏季在湖北省農業科學院糧食作物研究所武漢南湖核心試驗場種植對照揚稻6號和鄂早18。揚稻6號播始歷期92 d，鄂早18播始歷期69 d，其他農藝性狀如表1所示。

Sa=ST-SA-SB-SC-SD=S3=0.000 033

fa=fT-fA-fB-fC-fD=f3=3

上述分析計算求得了各因素變動平方和、各因素自由度、誤差變動平方和及誤差自由度,則可按式(4)計算各因素的平均變動平方和與誤差的平均變動平方和比值,對各因素做F檢驗,判斷各因素是否顯著：

FA=40.48FB=3.15

FC=7.21FD=4.76

由F表查得

了解水文參數的空間變異以及與之對應的尺度特性是水文學的核心問題[1-2]。研究水文過程在不同的空間尺度的特征主要有兩個目的：一是用來預測未觀測流域的水文參數(PUB：Prediction in Ungauged Basins)[3-5]；二是了解該區域水文過程的機制，例如降水與地表徑流產流的關系[6-7]。

F0.25(3,3)=2.36F0.05(3,3)=9.28

F0.01(3,3)=29.46

由式(2)及式(3)可得

ρ=37.5 g/L時,峰值電流、脈寬和伺服電壓的參數值設置見表1,設置一系列伺服電壓值,得到圖13所示的MRR值、加工表面粗糙度與伺服電壓U的關系。可以看出,MRR值隨伺服電壓的增加先緩慢減小,當U>27.5 V時,MRR值開始快速減小。伺服電壓是決定加工過程極間間隙的最主要因素。伺服電壓取值在較低區間時,極間間距較小,電場強度大,放電通道容易形成,且由于工具電極軸心孔噴射的加工液可沖洗電極間加工屑,故MRR值較大;當伺服電壓繼續增加,極間間距也隨之增加,極間電場強度降低,放電通道形成困難,造成擊穿延時大或不能擊穿放電,加工效率降低。由圖13可得,Ra與伺服電壓變化沒有關系,Ra穩定在1.03～1.31 μm區間內。

因素A水平3的四次試驗結果總和與水平4的四次試驗結果總和十分接近,所以因素A除選取A3之外,還將選取A4。因此,本研究通過正交試驗選取的最優加工參數為A3C1D3B3與A4C1D3B3,并在后續試驗中比較這兩組參數的加工效率,并確定唯一的最優加工參數模型。

4.2 最優加工模型的建立及驗證

通過正交試驗法確定了PCD復合片的混鐵粉電火花加工兩組最優加工參數：峰值電流20 A、脈寬125 μs、脈間75 μs、伺服電壓27.5 V;峰值電流25A、脈寬125 μs、脈間75 μs、伺服電壓27.5 V。機床廠家提供的機床原始加工條件下最優加工參數為：峰值電流18 A、脈寬80 μs、脈間120 μs、伺服電壓25 V、磨頭轉速700 r/min,不抬刀。分別對三組參數在對應加工環境下的加工效率及加工質量進行實驗,實驗編號按照上述順序分別記作1、2和3,并作比較,從正交試驗選取的兩組參數中確定最優加工模型的最終值。三組參數各實驗三次,每次加工時間為5 min,實驗結果見表5。

表5 最優電參數組合實驗結果

由表5可得,在混鐵粉電火花加工PCD復合片實驗中,加工效率方面實驗1高于實驗2,這與正交試驗分析結果相同。實驗1平均加工效率相對于實驗3提高38%,表明本研究加工方法相對于傳統電火花加工PCD復合片的MRR值有較大提升,而加工表面質量在一定范圍內浮動,且與加工參數無相關性。因此,本研究確定混鐵粉電火花加工PCD復合片的鐵粉輔助磨平加工最優加工模型參數如下：加工液鐵粉濃度37.5 g/L、峰值電流20 A、脈寬125 μs、脈間75 μs、伺服電壓27.5 V。

5 結論

本文研究了煤油工作液中添加鐵粉對電火花加工PCD的影響機理,實驗分析了鐵粉質量濃度、峰值電流、脈寬、脈間和伺服電壓對工件材料去除率和加工表面粗糙度的影響規律,實驗結果表明在保證加工表面粗糙度的前提下,增加鐵粉質量濃度使得工件材料去除率得到了提高,并且通過正交試驗確定了最優加工電參數,具體結論如下：

(1)鐵粉降低了煤油工作液的絕緣強度,利于擊穿放電的形成,提高了工件材料去除率,鐵粉質量濃度為37.5 g/L時工件材料去除率最高,鐵粉質量濃度繼續增大對工件材料去除率的提高影響較小,而且容易造成工作液循環系統堵塞而發生故障。

(2)峰值電流對工件材料去除率的影響較大,隨著峰值電流的增大,工件材料去除率提高,但峰值電流超過30 A后容易出現拉弧燒傷電極和工件。

(3)工件材料去除率隨著脈寬的增大先增大后減小,在脈寬為100 μs時達到最大值。脈寬超過100 μs后極間消電離不充分,發生拉弧的概率增加,不僅降低了工件材料去除率,而且有燒傷電極和工件的風險。

(4)工件材料去除率隨著脈間的增大先增大后減小,在脈寬80 μs下,脈間為120 μs時加工效率最高,隨著伺服電壓的增加而減小,且減小速率越來越大。

(5)電火花加工PCD的表面粗糙度受鐵粉濃度、峰值電流、脈寬、脈間和伺服電壓的影響較小,主要與金剛石微粉的粒度有關。

(6)混鐵粉電火花加工PCD復合片的最優電參數組合為：加工液鐵粉濃度37.5 g/L、峰值電流20 A、脈寬125 μs、脈間75 μs、伺服電壓27.5 V,其工件材料去除率比傳統電火花加工提高了38%。

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