不同形貌下的异形结构电极电火花深孔加工实验研究

不同形貌下的异形结构电极电火花深孔加工实验研究

随着制造业的快速发展，对小结构的需求日益增加。本文通过制备出螺旋、三沟槽及削边三种异形结构电极，与圆柱电极进行实验对比。研究结果得出了电极形状对铝基碳化硅电火花深小孔加工性能的影响。1实验1.1sicp/2004al的研磨和抛光机实验在该实验中，选用SiC颗粒含量为50%的2024铝合金(SiCp/2024Al)作为实验材料。通过电火花线切割装置将SiCp/2024Al切成长10mm宽10mm厚3mm的实验样品。使用氩离子抛光机对SiCp/2024Al抛光1.5h后。通过扫描电子显微镜(SEM)及能量色散光谱仪(EDS)对抛光后的SiCp/2024Al表面进行观测，得到其表面微观形貌及元素谱图，如图1所示。1.2实验结果的微观形貌本次实验在如图2所示的高精度微细电火花机床SARIXSX-100上进行。将实验样件固定在沿X轴和Y轴进给驱动的工作台上，加工所用的的工具电极使用工具夹头装夹在旋转主轴上，工具电极沿Z轴进给，三轴的行程范围为±200mm，重复定位精度为±2μm，主轴分辨率为0.1μm。实验过程中，Z轴由程序控制，沿负方向进行运动加工，程序设定深度为5mm。电极转速范围为0～1000r/min。MMI命令面板控制X、Y和Z轴的移动，同时显示加工过程中的电压波形图。冷却装置可使加工过程中温度恒定，减小加工过程中的影响因素。实验结果的微观形貌图像在超景深显微镜(smart)和微观扫描电子显微镜(SEM,Zeiss-EVOMA25,Germany)上进行观测拍摄。使用具有平扫描模式的元素色散光谱仪(EDS,Oxford-X-Max20,TheUnitedKingdom)分析研究孔内表面的化学成分。电火花加工中，工作液不但用于加工中的散热与排屑，还作为极间放电介质直接参与放电加工。所以工作液的选取对加工过程的影响较大。本实验采用电火花用油，其材料特性如表1所示。1.3电极稳定不变加工工艺在该实验中，设计了单因素实验来探究电极形状对加工SiCp/Al的影响规律。实验选用ue7880.50mm的硬质合金电极对SiCp/Al进行盲孔加工试验。保持外界条件(机械振动、外界温度及脉冲电源放电状态等)稳定不变。主要针对设计制备出的不同截面形状电极与圆柱电极在加工时间、电极损耗及所加工的深小孔内表面形貌3个方面进行对比研究。根据加工经验，所选用的加工参数如表2所示。各电极实验加工深度分别设定为5mm(工件立放装夹于工作台面)，并对程序加工深度每增加1mm时的加工时间进行记录，同时对相应的电极损耗量进行测量，各深度进行3次实验研究，对所得数据取平均值并进行记录比对。在加工过程中，保持流体介质的喷射角及压力恒定不变，通过水冷装置将机床温度维持在21℃左右。2波形电极制备方法2.1电极电极加工用“电极加工电极”方法制备螺旋与沟槽电极。制备螺旋电极时，加工电极沿Z轴向下做微进给，圆柱工件电极一方面沿X轴负方向缓慢移动，同时绕自身轴线按一定速度逆时针旋转，两轴联动，便可在工件电极表面铣削出螺旋结构。同理，在加工中，圆柱工件电极不加入旋转程序，只沿X轴方向缓慢移动，可在圆柱工件电极表面铣削出沟槽结构。由于工件电极(ue7880.5mm)和所用加工电极(ue7880.21mm)尺寸较小、刚度较差，使得加工困难。本文采用的双导向块装置来稳定加工电极与工件电极，较好地解决了加工过程中电极悬长过大这一问题，使电极加工精度大大提高。螺旋及沟槽电极加工制备方法如图3所示。2.2微织构电极加工削边电极制备在线电极磨削装置上进行，如图4所示。制备过程中，线状电极丝始终在导向装置上做单向连续移动，修磨开始时，圆柱电极首先沿径向作微进给，进给量以实验所需的削边程度为准，然后圆柱电极向下作轴向进给，去除掉部分电极材料，进而得到需要的削边结构。线修装置类似于微小型的电火花线切割加工方式。在制备过程中，加工所用的线电极不作重复利用，从而可以忽略在加工过程中线电极损耗对加工精度的影响。通过反复实验，制备三种电极的去除量均控制为所用的圆柱工件电极材料量的40%，制备出的三种电极形貌图如图5所示。3结果与分析3.1加工深度对加工时间的影响为了能更为直观地对比电火花加工SiCp/Al时，各加工深度下不同形状电极的加工效率，做柱状图如图6所示。通过图6可知，加工深度为1～2mm时，加工时间之间相差不大，原因是当加工深度较小时，影响加工时间的主要因素为脉冲周期内放电强度，同一电参数下放电强度几乎相同，所以加工时间相差不大。当加工深度为3～5mm时，随着加工深度逐渐增大，这时排屑能力对加工时间的影响逐渐突显出来，当加工深度大于3mm时，工作液在圆柱电极加工的孔内更替循环较为困难，部分加工产生的电蚀碎屑难以随着工作液排出，在重力作用下堆积在电极端部产生频繁短路，电压波形图如图7b所示，导致电极回退，致使加工时间延长，甚至导致加工无法继续进行。通过对比可以看出三种异形结构电极的加工效率均高于圆柱电极，其中螺旋电极的加工效率最高。原因是异形结构电极的异形结构增大了容屑空间，避免了电蚀碎屑在放电区域的堆积。而螺旋电极在拥有沟槽与削边电极容屑优势的基础上，其表面的螺旋结构在旋转过程中会使工作液产生一定的轴向上升速度，带动电蚀碎屑顺着螺旋槽排出孔外，避免碎屑在电极底部及侧壁堆积。螺旋电极与圆柱电极加工过程碎屑分布对比如图8所示，可以看出螺旋电极能增强排屑能力，进而提高加工效率。3.2电极表面元素组成为了能更为直观地对比电火花加工SiCp/Al时，各加工深度下不同形状电极对应的电极损耗程度，做柱状图如图9所示。通过图9可知，三种电极都有不同程度的电极损耗，在加工初期，圆柱电极损耗较小，原因是因为三种电极表面的异形结构产生的放电不均匀导致的。随着加工深度的不断增加，圆柱电极的损耗明显增大，相比较而言，螺旋电极损耗最小。在加工过程中，电极与工件之间均负载着一定的能量，而较小的加工间隙间就会随着能量增加而聚集一定程度的热量，当热量无法随着工作液及时扩散时，就会使得电极与工件间达到极高的温度，从而加剧工具电极的自身损耗。在主轴的旋转作用下，螺旋电极能更好地在放电过程中将冷却的工作液输送到电极端部，降低电极端部产生的高温，减小电极损耗。同时工作液的及时循环更新能更好地排出加工过程中产生的电蚀碎屑，减小电蚀碎屑在放电间隙内产生的二次放电等，有效地改善了电极的径向损耗。加工结束后，三种电极表面均附着一定杂质，呈现碳黑色，如图10、11所示。通过对三种异形结构电极的微观形貌进行观测，可以看出，螺旋电极表面附着的碳黑结构较少。通过能谱进行元素分析可知，碳黑色杂质主要组成元素为碳，绝大部分是因为工作液在加工过程中，受热挥发产生一部分碳颗粒，同时SiCp/Al由于其中含有较大体积分数的SiC颗粒，所以相比较其他加工材料而言更容易分解生成碳元素。3.3电极形貌对碳极及sicp/al的影响通过对加工后的孔底部形貌进行观测得知，圆柱电极加工后孔内壁附着较为明显的碎屑杂质。在加工过程中，由于SiCp/Al本身具有半导电性，其加工放电过程与常见材料的微细电火花加工有所不同。随着加工深度不断增加，大部分电蚀碎屑会随着加工介质的流动排出孔外，但部分SiC颗粒会与熔融金属材料相包裹，随着圆柱电极排屑能力渐渐达到饱和，部分包裹SiC颗粒的熔融的铝基体还未来得及冷却排出，就在重力作用下掉落在孔底部，并迅速冷凝，形成碎屑附着的现象。通过能谱分析可以看到，螺旋电极与圆柱电极加工孔内表面含有一定程度的W元素，这是因为是随着加工不断进行，主要含量为W的钨钴硬质合金电极端部材料由于高温发生熔化汽化，大部分随着工作液排出，少部分没有及时排出，而随着熔融的铝基体又凝华在孔壁上。通过对比发现，圆柱电极加工的深孔内表面含有的W元素要高于螺旋电极加工的，这也间接证明了随着加工深度的增加，螺旋电极排屑能力好于圆柱极。由此可见，螺旋电极加工后的孔内表面形貌要好于圆柱电极，如图12所示。将同属于难加工材料的钛合金Ti6Al4V通过螺旋电极进行加工，将加工后的孔内表面与SiCp/Al进行对比如图13所示。可以看出，二者孔内表面皆有凹坑结构，原因是电火花加工去除材料方式主要为高温熔化及材料热膨胀爆炸等形式，所以加工过程结束后，材料表面会产生少量凹坑。而仔细观察发现SiCp/Al的孔内表面凹坑更为密集并且部分凹坑尺寸更大。分析原因是SiCp/Al中含有SiC颗粒，而SiC与金刚石同属于原子晶体，二者的微观晶体结构接近，SiC的熔点为2827℃并且只有在温度达到2700℃时才会发生分解。铝基体合金材料的熔点为660.4℃，并且铝基体的导热性要高于SiC。所以在放电过程中，基体除了以熔化及爆炸的形式去除外，还带有SiC颗粒的整体性脱落，导致其在孔内表面的凹坑形貌更为密集。4深度对异形结构电极加工的影响本文采用电火花加工工艺对SiCp/Al复合材料进行深小孔加工，研究了不同电极形状对加工时间、电极损耗及小孔内表面形貌的影响，结论如下:(1)加工效率方面，当加工孔深度较小时，异形结构电极与圆柱电极加工效率相差不大，当加工深度大于2mm时，异形结构电极加工效率明显高于圆柱电极，同时螺旋电极加工效率最高，加工深度达到4.5mm左右时，圆柱电极由于碎屑无法及时排出导致短路而无法继续加工。(2)电极损耗方面，在加工深度小时，圆柱电极损耗相对较小，随着加工深度不断增大，圆柱