電火花成形加工中不同材料的工件試驗研究
電火花成形加工(Sinker EDM)是指在一定的介質(zhì)(工作液)中，通過電極和工件之間脈沖放電的電蝕作用，對工件進行加工的方法。其加工原理是，當電極和工件之間施加很強的脈沖電壓時，會擊穿介質(zhì)絕緣強度最低處。由于放電區(qū)域很小，放電時間極短，所以，能量高度集中，使放電區(qū)的溫度瞬時高達10 000~12 000℃，工件表面和電極表面的金屬局部熔化、甚至汽化蒸發(fā)。局部熔化和汽化的金屬在爆炸力的作用下拋入工作液中，并被冷卻為金屬小顆粒，然后被工作液迅速沖離工作區(qū)，從而使工件表面形成一個微小的凹坑。一次放電后，介質(zhì)的絕緣強度恢復等待下一次放電。如此反復使工件表面不斷被蝕除，并在工件上復制出電極的形狀，從而達到成形加工的目的，它是一種非傳統(tǒng)的材料去除方式之一[1,2].
近年來，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，電火花成形加工技術在制造業(yè)領域占有重要地位，是實現(xiàn)難加工材料、復雜零部件精密加工的有效手段。電火花成形加工相對于其他傳統(tǒng)加工技術而言，其發(fā)展歷史并不長久，對其加工機理與適用范圍的研究也不充分。應用電火花成形加工不同材料的工件，可達到的表面粗糙度值及加工成形所需時間雖然有一些參考，但工件材料的物理性能存在差異，實際可達到的表面粗糙度值及加工成形所需時間需要試驗獲取。
本文以航空零部件電火花成形加工中不同材料的工件，通過試驗探究加工不同工件材料可達到的加工表面粗糙度值及加工成形所需時間，旨在為制造業(yè)應用電火花成形加工提供一定的參考。
1 試驗目的
針對不同材料(不銹鋼、30Cr Mn Si、鋁合金、鈦合金)的工件采用電火花成形加工，在相同的加工參數(shù)和等同的試驗條件下，測取工件加工成形表面粗糙度值及加工成形所需的加工時間。
2 試驗方案
2.1 試驗工件材料及數(shù)量
在航空零部件制造過程中，大多數(shù)的材料為強度高或者密度小等合金材料[3].因此，本文以不銹鋼、30Cr Mn Si、鋁合金、鈦合金為研究對象，選取試驗工件4種材料為：1Cr18N i9Ti(不銹鋼)、30Cr Mn Si、2A12(鋁合金)、TC6(鈦合金)。試驗工件數(shù)量：4種材料的工件各加工3個，試驗工件數(shù)量為12個，每種材料加工的試驗結(jié)果取3個試驗工件的平均值。
2.2 試驗工件加工圖樣
試驗工件加工圖樣，如圖1所示。電火花成形加工的孔是直徑3 mm,孔深2.5 mm的小孔。
2.3 試驗設備
1)試驗加工設備為臺灣CHMER EDM電火花成形加工機床;2)電火花成形加工后，便于工件小孔內(nèi)徑表面粗糙度測量的切割設備為DK77402G型電火花線切割機;3)表面粗糙度測量設備為Marsurf SD 26表面粗糙度測量儀。
2.4 電極材料選擇
在電火花成形加工中，電極材料通常有石墨、紫銅、鎢銅等導電性能較好的材料[4,5].考慮電極制作成本與加工中的電極損耗等影響，本文試驗選擇圓柱形紫銅電極材料，紫銅成形直徑為3 mm,夾頭處直徑為7 mm,如圖2所示。
2.5 工件加工前處理
為減小工件加工成形誤差，分別對4種材料的12個試驗工件的加工表面，在電火花成形加工前進行表面拋光處理[6].試驗工件加工前表面拋光處理后，如圖3所示。
2.6 工件加工電參數(shù)和非電參數(shù)
工件加工選擇的電參數(shù)如表1所示，極性為正極性(工件接正極，電極接負極)。工作液為Vacmul EDM3美孚維美電火花機油。
3 試驗結(jié)果及分析
由圖4可知：工件加工的成形小孔輪廓較為完整，形狀較好。一方面是由于成形加工過程中電極與工件形成的放電通道能量轉(zhuǎn)移能力強，在單位時間內(nèi)蝕除的顆�？梢耘懦庸らg隙，減小蝕除物的堆積，若蝕除物在加工過程中不能及時的排除，間隙堆積會引起"二次放電"現(xiàn)象，導致加工條件惡化，甚至會產(chǎn)生短路狀況，影響電火花成形加工的穩(wěn)定性和加工精度[8,9].另一方面是由于紫銅電極材料本身具有良好的導電性能以及足夠的硬度與強度，使得電極底端放電更加均勻有效，進而保證加工成形的穩(wěn)定性。但是加工后的4種工件表面形貌(粗糙度)有所不同，而在鈦合金材料表面有明顯的灼傷現(xiàn)象。用特制的航空清洗液對加工后的4種工件進行清洗，鈦合金成形的灼傷表面不能夠清洗除去，若用砂紙進行打磨，將影響工件的尺寸公差。在航空零部件的工藝生產(chǎn)單要求中，灼傷的表面無法滿足原材料的光澤度要求。
3.1 工件加工成形所用的時間
4種不同材料試驗工件，電火花成形加工所用的時間，試驗結(jié)果如圖9所示。
由圖9可知：電火花成形加工，在相同的電參數(shù)與非電參數(shù)下加工不同材料工件，加工成形所用的時間是不同的。不銹鋼與30Cr Mn Si材料所消耗的時間大致相同，鋁合金材料加工時間最短，這是由于鋁合金具有低密度的特點，在相同的放電參數(shù)下單位時間內(nèi)蝕除材料的體積更大，鈦合金材料加工所消耗的時間為鋁合金的12倍左右，這主要是因為鈦合金擁有超強的硬度，在電火花成形加工中電參數(shù)單位時間內(nèi)所蝕除的工件面積相對較小。
3.2 工件加工成形表面粗糙度
對4種不同材料12個(每種3個)試驗工件，電火花成形加工表面粗糙度，每個試驗工件以不同路徑測量10次取平均值，加工成形表面粗糙度試驗結(jié)果如圖10所示。
由圖10可知：電火花成形加工30Cr Mn Si材料小孔內(nèi)徑表面粗糙度最好，其表面粗糙度為Ra1.06μm,4種不同材料工件小孔內(nèi)徑表面粗糙度優(yōu)劣順序為：30Cr Mn Si>鈦合金(TC6)>鋁合金(2A12)>不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)。電火花成形加工鈦合金材料小孔底面表面粗糙度最好，其表面粗糙度為Ra1.57μm,4種不同材料工件小孔底面粗糙度優(yōu)劣順序為：鈦合金(TC6)>鋁合金(2A12)>30Cr Mn Si>不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)。
依據(jù)本文試驗結(jié)果及電火花成形加工原理，并查閱現(xiàn)有相關資料[10,11],在相同的加工參數(shù)和等同的試驗條件下，電火花成形加工不同材料的工件，由于工件材料的物理性能(熔點、硬度和強度等)不同，形成的放電凹坑大小不同，導致工件成形表面粗糙度值及所需的加工時間有明顯的變化。
4 結(jié)論
本文針對航空零部件常用材料(不銹鋼、30Cr Mn Si、鋁合金、鈦合金)，在相同的加工參數(shù)和等同的試驗條件下，進行電火花成形加工試驗，試驗結(jié)果表明：
(1)電火花成形加工不同材料的工件，工件成形表面粗糙度值及工件成形所需的加工時間均有所不同。
(2)對相同的工件材料，電火花加工工件成形不同的形狀(本文小孔內(nèi)徑和底面)，工件成形表面粗糙度值也有所不同。
(3)電火花成形加工4種不同材料工件小孔所需的加工時間長短順序為：鈦合金(TC6)>不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)>30Cr Mn Si>鋁合金(2A12)。
《電火花成形加工中不同材料的工件試驗研究》來源：《工程機械》，作者：常星星,陳建彬,馮孟亮
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