电火花加工中多材质电极损耗规律的实验研究

刘 宇，王文建，马付建，阎长罡，张生芳

（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028）

多材质电极电火花加工利用电火花加工时不可避免的电极损耗及形状变化，采用不同材料组成的多材质电极，对具有复杂曲面的模具微小型腔进行加工，拓宽了电火花成形加工的工艺范围。但在电火花加工过程中，不同材料的电极损耗和形状变化对加工精度影响很大，其影响因素已成为国内外研究的热点。雍耀维等选用紫铜、钨及三种不同配比铜钨合金电极材料进行电火花加工实验，分别测量稳定加工时的间隙放电电压，发现随着材料配比和开路电压的不同，极间放电电压变化显著，从而影响了最终的加工特性[1]。陈虎等进行了紫铜电极和CuW50铜钨合金电极加工实验，认为相同工艺参数下，加工过程受电极材料热学性能影响较大，铜钨合金材料去除率约为紫铜的85.7%，而电极相对损耗约为紫铜的42.9%，从而为电火花加工不锈钢模具材料的电极选择提供了经验参考[2]。Khan研究了紫铜和黄铜电极的总体性能，结果表明，用黄铜电极加工低碳钢时电极损耗率最大，用黄铜电极加工铝时材料去除率最高，用紫铜电极加工低碳钢时材料去除率变得非常低[3]。Norasetthekul等在黄铜电极表面涂覆大量熔点高、导热性好的硼化锆材料，制备成新型电极并进行电火花加工实验，结果表明，新型电极比黄铜电极、铜钨合金电极的使用寿命提高3～5倍[4]。Jeong等采用圆柱刀具的电火花钻孔工艺仿真模型进行电火花加工模拟，能较准确地预测损耗后的电极几何形状[5]。吕奇超等利用镍钨合金镀层制备多材质复合电极，以增强电极表层材料的抗电蚀性能，所得复合电极能有效降低加工过程中电极侧壁及端部棱角处的损耗，从而改善加工孔的形状精度[6]。

本文采用不同材料组成的多材质电极，以模具钢为加工对象开展了电火花加工实验研究，分析了电极材料、加工极性对多材质电极损耗的影响规律，并以黄铜-模具钢电极、紫铜-铜钨合金电极为研究对象，分析了多材质电极的形状变化规律，研究结果对多材质电极电火花加工具有指导意义。

1 实验方案

多材质电极电火花加工过程中的电极损耗可分为端面损耗、角损耗、侧面损耗及结合区过渡曲面四种形式（图1）。

图1 多材质电极损耗示意图

（1）端面损耗。端面最接近工件表面，所以放电概率最大，损耗最严重。

（3）侧面损耗。电极和工件侧壁之间产生的火花放电及电蚀产物排出时“二次放电”，导致电极发生侧面损耗。

（4）结合区过渡曲面。结合区因不同材料的电蚀性能变化等影响，形成过渡曲面。

为了分析电极材料、加工极性对多材质电极损耗及形状变化影响的规律，设计并制作了多材质电极，并在自行搭建的电火花加工机床上进行电火花小脉宽加工实验。电极材料及加工参数见表1。将表1所示的电极材料两两组合，采用热镀方法将不同材料通过锡金属连接在一起，从而制成多材质电极（图 2）。

图2 热镀法制备的多材质电极

实验将加工时间设置为定值，用电子游标卡尺量取多材质电极各组分在加工前、后的长度，并计算其损耗；通过电子显微镜对电极形状进行观察，并分析电极各组分之间的电极损耗规律；再以黄铜-模具钢电极、紫铜-铜钨合金电极为研究对象，对模具钢进行正极性加工，每加工1 min，用电子显微镜观察电极形状变化情况，进而研究多材质电极的形状变化规律。

表1 多材质电极材料及加工参数

2 电极损耗影响实验

2.1 电极材料对长度损耗的影响规律

图3是多材质电极负极性加工模具钢的电极长度损耗对比。可见，在负极性加工时，多材质电极内部不同材料的电极长度损耗整体趋势是：黄铜＞紫铜＞模具钢＞铜钨合金，这一趋势基本不受与该材料组合的其他材料的变化影响，且基本与电极材料的熔点由小到大的排列顺序一致，同时材料的导热性能也起到了一定的辅助作用（表2）。由此可知，在负极性加工时，熔点高、导热性好的材料其电极长度损耗小，熔点低、导热性差的材料其长度损耗大。

表2 不同电极材料的物理参数

图4是多材质电极正极性加工模具钢的电极长度损耗对比。可见，在正极性加工时，不同材料的电极长度损耗趋势是：模具钢＞紫铜＞黄铜＞铜钨合金，这与负极性加工时有所不同。造成紫铜电极损耗高于黄铜电极损耗的原因是：紫铜电极在加工时有部分电极材料熔融后会粘附在工件表面，增加了电极损耗，该现象在正极性加工时出现的概率远多于负极性加工。不仅如此，紫铜电极在正极性加工时工件向上抬起的频率也远多于负极性加工，这说明正极性加工时因材料粘附而造成的电极长度损耗会更大，而其他电极材料在加工过程中未发现工件粘附抬起的现象。同时，在正极性加工时，紫铜和黄铜电极的长度损耗均小于模具钢电极，而在负极性加工时，模具钢电极的长度损耗较大。

图3 负极性加工模具钢时不同电极的长度损耗情况

图4 正极性加工模具钢时不同电极的长度损耗情况

本实验采用小脉宽放电参数，正极性加工时接在负极的工具电极得到的能量较少，此时由于紫铜和黄铜电极导热性能比模具钢好，达到熔点时的体积就会少于模具钢；负极性加工时接在正极的工具电极得到的能量较多，此时由于紫铜和黄铜的导热性能比模具钢好，其整体温度就会比模具钢高，达到熔点时的体积就会相应地多于模具钢；加上模具钢电极中存在碳元素，这增加了正极工件表面形成的碳黑膜，阻碍工件材料去除的同时，加大了工具电极损耗。

⑤对目前气候变化的影响还有不确定性。目前最关心的问题有三个：一是未来如何变化和变多少，二是这种变化对我们自然生态系统会有什么影响，三是如何适应和应对未来的变化。

由图3、图4可发现，同种电极材料的电极损耗在不同的电极组合下也不同，其规律是：当某种电极材料与电极损耗大的材料组合时，其自身的电极损耗也相应增大；反之，当电极材料与电极损耗小的电极材料组合时，其自身的电极损耗也相应减小。例如：黄铜材料在负极性加工模具钢时，其与紫铜材料组合成多材质电极时损耗最大，与模具钢组合时损耗次之，与铜钨合金组合时损耗最小；在正极性加工模具钢时，其与紫铜材料组合成多材质电极时损耗最大，与黄铜组合时损耗次之，与铜钨合金组合时损耗最小。这一趋势与各材料在正、负极性加工时的损耗顺序相一致，造成该现象的原因是因为电极材料的损耗速度不同。在加工过程中，电极损耗小的材料损耗速度慢，连续加工时该电极材料会突出于电极前端，这会增大其与周围工件材料放电的概率，同时“帮助”与其组合的另一电极材料加工工件，进而减小了另一材料的电极损耗。

由图3、图4还可看出，材料的导热性能也影响了电极损耗。通常来说，在多材质电极中，能量是从高熔点材料向低熔点材料传导的，如果电极材料的熔点高且导热性能好，加工中易将能量传给同组的其他材料，降低自身材料损耗的同时，增加了同组其他材料损耗的可能性，而其他材料如果导热能力不强，被传导来的热量就会被自身吸收，增加了电极损耗。图4所示紫铜-铜钨合金电极与模具钢-铜钨合金电极的对比就是一个很好的例子：铜钨合金的熔点高且导热能力强，其热量在加工过程中由铜钨合金传给紫铜和模具钢，但由于紫铜的导热能力强于模具钢，能顺利地将多余热量传散出去，其熔点虽低于模具钢，但电极损耗却低于模具钢。图3所示紫铜-模具钢电极与黄铜-模具钢电极的对比结果也能证实以上说法：紫铜材料的熔点和黄铜相差不大，但加工中二者的电极损耗相差很大，就是因为紫铜材料良好的导电性能，将加工中的热量及时传散出去，同时也帮助同组的模具钢材料散热，降低了二者的电极损耗。

2.2 电极材料对电极角损耗的影响规律

图5是正极性加工时，多材质电极加工后的端部形状。可看出，不同电极的组合会得到不同的端面形状。由图5a可知，模具钢-铜钨合金多材质电极中，模具钢的损耗长度大于铜钨合金，且铜钨合金的电极端面有明显的圆弧，但模具钢的电极端面却近似为平面。该现象是由于电极损耗速度不同而造成的，蚀除速度越快，电极受伺服机构控制进给就越快，电极中间部位的损耗就越快，导致电极端面还没来得及进行角损耗就已向下进给，最后就会得到角损耗不明显近似为平面的电极端面。由图5b可发现，损耗慢的铜钨合金电极的端面圆弧没有损耗快的黄铜电极端面圆弧明显，其原因是铜钨合金损耗太小，约0.02 mm，其角损耗同样很小，所以其端面圆弧并不明显；而黄铜电极的长度损耗约为0.18 mm，近似为铜钨合金的9倍，故其角损耗会比铜钨合金明显，导致黄铜电极端面圆弧更明显。从图5e可见，模具钢和紫铜电极材料的端面均近似为平面，这是因为二者的损耗速度都很快且速度近乎相等，因此角损耗都不明显。从图5c、图5d和图5f可知，三种多材质电极中损耗慢的电极端面近似为圆弧，损耗快的均近似为平面，其原因和图5a所示情况一致。

图5 正极性多材质电极加工形貌

图6是负极性加工时，多材质电极加工后的端部形状。可见，损耗快的电极材料端面形状近似平面，而损耗慢的电极材料端面形状往往为近似半球状，角损耗较大，该现象与正极性加工相一致。所不同的是负极性加工时，不同材料电极的端面形状变化差异更大，角损耗后的端面近似为半球状，这或是因为负极性加工时的损耗相比正极性加工更大。

观察图6b可发现，在紫铜-模具钢多材质电极的负极性加工时，紫铜电极端面近似为平面，而模具钢电极端面却近似为半球状。产生该现象的原因是因为紫铜电极加工过程中损耗很快，而模具钢电极却相对较慢，损耗慢的电极加工的深度更深，受周围材料侧面放电的影响较大。从图6d可看出，虽然铜钨合金电极端面也为球状，紫铜电极端面近似为平面，但与图6c所示的电极端面形状略有不同。图6c所示的铜钨合金电极侧面损耗更严重，这是因为黄铜电极在负极性加工时的电极损耗比紫铜严重，且在相同时间内，铜钨合金加工时间更长、深度更深，此时铜钨合金的侧面和工件更易产生侧面放电，导致铜钨合金电极侧面损耗更严重。从图6f可发现，电极端面形状均接近球状，但都不明显。这是因为二者损耗慢且速度相差不多。

图6 负极性多材质电极加工形貌

2.3 加工极性对长度损耗的影响规律

从图3、图4可看出，多材质电极中除了模具钢电极，其余电极在负极性加工时的长度损耗均高于正极性加工时，这主要是因为本实验选取了小脉宽放电参数，在负极性加工时，电极接正极、工件接负极，因脉宽较小，加工过程中的电子因质量和惯性小，易在短时间内获得很高的加速度和速度，因此会有大量的电子轰击正极，传递的能量较多，导致连接正极的工具电极损耗较快；而正离子质量大，在较短的脉宽时间内，仅有一小部分正离子能到达负极，放电期间传递的能量较少，导致工件电极损耗较慢。而在正极性加工时，接在负极的工具电极受到少量正离子的轰击作用，故电极长度损耗小。

模具钢电极之所以在负极性加工时电极长度损耗小于正极性加工时，可能是因为用模具钢做工具电极时增加了放电区域碳元素的含量，使加工过程中生成碳单质的可能性增加，而放电生成的碳单质往往带有负电，易吸附在正极的模具钢材料上形成碳黑膜。当负极性加工时，接在正极的模具钢工具电极表面会形成一层碳黑膜，减少了工具电极损耗；而正极性加工时，接在正极的模具钢工件上会形成碳黑膜，从而增加电极损耗。

2.4 加工极性对电极角损耗的影响规律

对比图5、图6可发现，在负极性加工时，不同材料电极的端面形状变化差异更大，角损耗后的端面近似为半球状；而正极性加工时，不同材料电极的端面形状变化差异不大，这可能是由于负极性加工的电极材料损耗相比正极性加工更大所造成的。例如：多材质电极中的铜钨合金材料在正极性加工时，铜钨合金电极端面圆弧形状没有负极性加工时明显，这是因为正极性加工时，铜钨合金损耗较小，仅为零点几毫米，导致角损耗不明显，而负极性加工时，工具电极损耗速度会有所增加，电极端面圆弧更明显。但是，多材质电极中的紫铜和黄铜电极在正极性加工时，电极端面圆弧比负极性加工时明显，这是因为正极性加工时电极的损耗速度远小于负极性加工，损耗速度越快，伺服进给就越快，电极中间部位蚀除就快，角损耗就不明显。而多材质电极中的模具钢电极在正极性加工时，电极端面圆弧没有负极性加工时明显，这是因为模具钢电极在正极性加工时，由于工件碳黑膜的保护作用，工具材料中间部位蚀除更快，角损耗不明显。

3 电极形状变化影响实验

3.1 黄铜-模具钢多材质电极形状变化规律

模具钢-黄铜多材质电极形状随加工时间的变化情况见图7。可见，随着加工时间的增加，黄铜电极端面从开始的平面逐渐变成球状表面，而模具钢电极端面最终边缘仅有很小的圆弧，电极中间一直保持为近似的平面。分析原因：黄铜电极端面从平面逐渐变为圆弧是因为相比模具钢材料，黄铜材料的损耗较小，材料端部一直突出于工具电极前端，由于电极边缘处的场强比其余位置高，具有更高的放电概率，边缘处的电极损耗速度更快，随着电极边缘曲率不断减小，电极端面场强逐渐趋于平稳，最后进入均匀场强阶段，意味着黄铜电极进入均匀损耗阶段。而模具钢电极仅两侧有很小的圆弧，端面却一直近似为平面是因为模具钢电极在正极性加工时，端面损耗速度较快，导致角损耗不明显，最终使其端面近似为平面。

由图7还可发现，黄铜和模具钢材料的结合处形成一过渡曲面，其形状近似于圆弧，且随着加工时间的增加，过渡曲面的形状也发生了变化。利用圆心角测试法求出的结合区过渡曲面圆弧半径和圆心角的关系见图8。可见，随着时间的增加，黄铜-模具钢多材质电极结合区域圆弧的圆心角逐渐增大并趋于稳定，而圆弧半径逐渐减小并趋于稳定。分析原因：在加工开始阶段，由于电极材料的耐电蚀性差异，在不同材料的结合区域形成过渡曲面，而该过渡曲面的形状趋近于电场强度的等势面，加之加工初始阶段的电极形状变化较快，过渡曲面在形状和大小上的变化也较快；随着加工持续进行，多材质电极进入均匀损耗阶段，此时过渡区域的圆弧半径和圆心角均基本恒定。

图7 模具钢-黄铜多材质电极形状随时间的变化情况

图8 黄铜-模具钢电极结合区过渡圆弧的半径及圆心角

3.2 紫铜-铜钨合金电极形状变化规律

图9是紫铜-铜钨合金多材质电极形状随加工时间的变化情况。可看出，随着加工的进行，铜钨合金和紫铜电极两侧均产生了很小的圆弧，而电极中间却均近似为平面。铜钨合金的电极端面没有形成图7e所示黄铜电极的球状，这是因为铜钨合金的损耗速度相对于黄铜要慢很多，损耗长度太小，进而导致圆弧不明显；而紫铜电极侧面圆弧小是因为紫铜电极损耗速度快，导致角损耗不明显。

图9 紫铜-铜钨合金多材质电极形状随时间的变化情况

从图9还可发现，结合处形成的过渡曲面随着加工时间的增加越来越明显。利用圆心角测试法得到紫铜和铜钨合金电极结合处的圆心角和半径之间的关系见图10。可看出，随着时间的增加，紫铜-铜钨合金多材质电极结合区域的圆弧圆心角逐渐增大并趋于稳定，而圆弧半径逐渐减小并趋于稳定，这与图8所示现象类似。与图8相比，紫铜-铜钨合金多材质电极结合区域的过渡圆弧半径更大、圆心角更小，这与两种材料之间的耐电蚀性差异有关。观察图9、图10可发现，开始加工1 min时，紫铜-铜钨合金多材质电极损耗慢，过渡处圆弧并不明显；在2 min时过渡圆弧开始出现，且圆弧半径随着加工进行而减小，同时圆心角增大；当加工时间超过3 min后，过渡区域圆心角和半径均基本不变，说明此时多材质电极已进入均匀损耗阶段。

4 结论

本文针对电火花加工中多材质电极的损耗和形状变化，采用单因素试验研究方法分析了电极材料、加工极性对多材质电极长度损耗和角损耗的影响规律，研究了黄铜-模具钢、紫铜-铜钨合金多材质电极加工模具钢材料时的电极形状变化规律，得出以下结论：

图10 紫铜-铜钨电极结合区过渡圆弧的半径及圆心角

（1）两种材料组成多材质电极时，通常熔点高且导热性好的材料损耗较小，并能辅助减小同组其他材料的电极损耗；损耗较慢的电极材料端部角损耗一般较大，而损耗较快的电极材料端部角损耗较小。

（2）对于小脉宽放电加工而言，负极性加工的电极长度损耗比正极性加工大，且电极端部角损耗也比正极性加工明显。

（3）加工中，多材质电极结合处会形成过渡曲面，随着加工的进行，其圆弧半径和圆心角逐渐减小，当加工进入均匀损耗阶段后，多材质电极过渡曲面的圆弧半径和圆心角基本恒定不变。

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