工艺参数对电火花电弧高效复合加工性能的影响研究

李德格 ，刘永红 ，孙万运 ，武鑫磊 ，申 泱 ，王晓龙

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580；2.首都航天机械公司，北京 100076；3.清华大学机械系，北京100084；4.东营市科学技术局，山东东营257061）

科技发展与社会进步促使人们对难加工材料的结构及性能（硬度、耐高温性及耐腐蚀性等）提出了更高的要求，尤其在航天、深海领域，相关零部件需承受极端环境的考验。要加工制造出满足高要求的工件，如果采用传统加工方法很难取得好的效果，而电加工技术作为一种非接触的加工方式，在高强高硬材料加工中具有无可比拟的优势。电火花加工是在工作介质中，利用工具电极与工件之间产生的脉冲性火花放电产生的高能蚀除工件材料[1]。电火花电弧复合加工技术的基本原理与普通电火花加工方法基本类似，还具有传统切削加工无法比拟的优点[2-4]，比如：不存在切削力，对电极的强度及硬度要求较低，实验常用工具材料为廉价的石墨，且导电性好，还克服了一般电火花加工效率低的缺点。经国内外专家的不断研究和改进，该技术已得到越发广泛的应用。

电加工技术为解决难加工材料的加工难度大、复杂型腔模具的经济性和可行性较差等问题找到了出路[5]，还被广泛应用于航空航天[6]、模具成形[7]、电子元器件[8]、高精密机械加工等行业，但同时存在加工效率低的问题。随着现代制造业对加工效率的要求越来越高，普通电火花加工已不能满足其要求。为此，国内外专家学者对电加工的加工机理和电参数对加工的影响等做了深入研究。Masanori提出了气中电火花加工新方法，实现了气体介质中较稳定的电火花加工[9]。李立青、郭艳玲研究了不同工作介质的电火花加工性能，并以煤油介质为参照，对工件加工性能进行了总结[10]。陈虎、张立新等研究了电火花加工中电极材料对加工性能的影响[11]，进行了相应材料的对比分析，取得了不错的效果。

在电弧加工方面，Shen研究了在不同介质 （液中、雾中、气中）下的加工，并分析了工件表面质量情况，发现介质的不同对工件的表面质量、热影响区的厚度及表面硬度有较显著的影响[12]。刘永红等提出了电火花电弧复合加工新方法[13]，并对镍基高温合金Inconel718进行了铣削实验，在由高压脉冲电源和低压大功率直流电源组成的新型大功率脉冲电源下完成，其加工技术包括提供放电间隙击穿高电压的击穿模块和提供高效放电能量的直流电弧模块，可实现对工件材料的快速去除，不但具备普通电火花加工非接触式的优势，同时其加工效率最高可达20 000 mm3/min，超过一般电火花加工技术数倍。纪仁杰等[14]提出利用辅助电极进行非导电陶瓷电火花电弧复合加工的新方法，采用电火花高压击穿工具电极与辅助电极之间的放电间隙形成放电通道，并利用电弧提供高放电能量来加工非导电陶瓷材料。

在电火花电弧复合加工中，工件的加工性能会受到不同参数及不同工作介质的影响。本文对此进行了相关实验，并以此为基础，分析了不同加工参数下的工件性能，得到在不同峰值电流、脉宽、主轴转速等参数下的工件加工效率、表面粗糙度及相对电极损耗率的变化规律，为最优工作参数的选取提供了支撑。

1 实验设计及条件

实验在自主研制的四轴数控加工中心上进行（图1），分析研究不同参数下的工件加工工艺性能，主要分析了电流、脉宽、主轴转速等参数对工件加工效率、工件表面粗糙度、相对电极损耗率的影响规律。

图1 四轴数控加工中心

采用单因素变量实验加工方法，在实验过程中采取逐层加工法进行加工。首先，工具电极在Z轴方向向工件进给一定深度，然后在XY平面运动，一组实验完毕后，工具电极再在Z轴带动的情况下，继续向下运动，然后重复XY平面运动相同距离，完成一个相同的加工轨迹。经多次分层加工，得到不同参数下工件的去除量、表面粗糙度及电极相对损耗率。在同一参数下进行多次分层铣削，可避免一次加工后电极损耗长度及工件去除质量测量不准确等偶然情况的发生，使误差降到最低，提高了实验结果的准确度，且结果更具可信度。

电火花电弧复合加工单因素参数实验所用设备及工具有：四轴数控加工中心、表面粗糙度仪、烘烤箱、天平及游标卡尺。其中，实验主要在加工中心上进行，用粗糙度仪测量加工工件的表面粗糙度，用天平、游标卡尺测量加工过程中的电极损耗质量及长度，用烘烤箱完成电极测量前后的烘干处理。其他实验条件为：工具电极为内径4 mm的管状石墨电极，工件为45钢，工作液为水基工作液。

2 结果分析与讨论

2.1 工艺参数对加工效率的影响

加工效率是评判一种加工方法能否投入实践的关键标准。实验称量了工件在加工前后的质量，通过质量除以密度的方式求得加工体积，再与加工时间相除得到加工效率值。各主要加工参数对加工效率的影响见图2，可见各加工参数对加工效率有显著的影响，且有明显规律可循。

图2 加工参数对加工效率的影响曲线

图2a是工件加工效率随峰值电流变化的规律曲线。可见，峰值电流在电火花电弧复合加工中对工件加工效率的影响最显著。若其他加工条件相同，改变峰值电流，则工件的加工效率会随着峰值电流的增加而增大。这是因为随着峰值电流增加，单个脉冲释放的能量变大，蚀除的工件材料相应变多，进而使工件加工效率提高。因此，为获得更高的加工效率，应首先提高峰值电流。不同峰值电流工况下加工的样件见图3。

图3 不同峰值电流工况下的加工样品

图2b是工件加工效率随电弧脉宽变化的规律曲线。可见，随着电弧脉宽增加，工件的加工效率近似直线增加。这是因为当脉宽增加后，一次放电加工的时间变长，加工过程更为连续，释放的能量也更为连续，越来越接近于直流电弧的加工状态，故加工效率随着脉宽的增加而增大。

图2c是工件加工效率随着主轴电极转速变化的规律曲线。可见，加工效率先随着主轴转速的增加逐渐减小，至转速增大到1000 r/min后受其影响不明显。这是因为主轴转速越快，断弧频率越高，致使加工不连续，降低了加工效率。当主轴转速低于1000 r/min时，转速对电弧的抑制作用相对较弱，放电相对连续，故单次电弧放电去除的工件材料相对较多；随着转速增加，对电弧的抑制作用增强，电弧能有效破裂，加工效率降低；当转速高于1000 r/min时，转速对电弧的抑制作用不再明显，加工效率变化随之也不明显。相比于峰值电流和脉宽对加工效率的影响，电极转速对加工效率的影响不大，即峰值电流及脉宽等电参数才是影响电火花电弧复合加工效率的主要因素。

2.2 工艺参数对工件表面粗糙度的影响

工件表面粗糙度是评定工件加工质量优劣的重要依据，为确定在哪种参数下可获得较优的表面粗糙度，实验进行了不同参数下的表面粗糙度值变化研究，结果见图4。实验选取在电流值为600 A以下时对工件进行测量分析，若在大电流工况下，则会因工件表面粗糙度值变大而无法准确测量。

图4 加工参数对表面粗糙度的影响曲线

图4a是表面粗糙度值随峰值电流的变化曲线。可见，在其他加工条件一致的情况下，表面粗糙度值随着峰值电流的增加而增大。这是因为电流的增加使单次放电能量变大，导致放电坑变大，进而导致工件表面粗糙度值增大。

由图4b可见，在其他条件不变的情况下，表面粗糙度值随着脉宽的增加而增大。这与增加电流导致表面粗糙度值变大的原因相同，增加脉宽使放电脉冲的能量更集中，导致放电坑变大，进而使工件表面粗糙度值变大。

图4c是工件表面粗糙度值随电极主轴转速的变化曲线。可见，在其他条件不变的情况下，转速的增加导致表面粗糙度值变大，但变化不大。主要原因是转速增加后电弧易断裂，脉冲放电能量稍显集中，从而使放电坑略有增大，进而导致表面粗糙度值稍有变大，但从整体来说，转速对工件的表面粗糙度影响很小。

2.3 加工参数对电极相对损耗率的影响

电极相对损耗率是电极在线补偿的重要依据，为实验查询电极补偿量提供数据，因此有必要就各参数对电极损耗率的影响进行分析。本文认为电极相对损耗率的定义是：在加工过程中，工具电极的损耗长度（μm）与工件去除体积（mm3）之比。电极相对损耗率随着峰值电流、脉宽及电极转速变化的规律见图5。

由图5a可见，在其他加工条件保持不变的工况下，电极损耗率随峰值电流的增加先整体有减小的趋势，后又有增加和再降低的趋势，且电极损耗率在电流约为600 A时最优。这是因为电流增大会明显增加材料去除率且放电更连续，而在此电流范围内的电极损耗变化不大，故导致电流增大、电极损耗率反而减小的现象；之后，电极损耗率曲线突升，是由于电流继续增大时，在一定范围内的材料去除率上升不大，而电极在大电流影响下，其损耗较大。

电极相对损耗率随脉宽变化的曲线见图5b。可见，当峰值电流固定时，放电过程中单个脉冲所蚀除的工件材料体积和放电坑的深度会随着脉冲宽度的增加而增大，因而材料去除率增加。这是因为脉冲宽度增加时，传递到加工区域的放电能量增加，有较多的放电蚀除产物粘附于电极表面，电极损耗得到的补偿增加。因此，上述二个原因使相对电极损耗率随着脉冲宽度的增加而减小。

由图5c可见，主轴转速的变化对电极损耗率影响很小，但在一定范围内仍有起伏变化，电极损耗率会先随着转速的增加而增大，后又略有下降。这是因为在电流不变的情况下，转速的变化对材料去除体积的影响很小，加上电极损耗长度变化也不大，故转速变化对电极相对损耗率的影响很小。随着转速增加，电极损耗率在转速约为1500 r/min时达到最大，可考虑这是由于转速增加，放电集中，断弧频率较高，故而电极损耗较大。

图5 工艺参数对电极相对损耗率的影响曲线

3 结论

（1）研究了峰值电流、电弧脉宽和电极转速对工件加工效率的影响规律，分析得出：大电流大脉宽可使电火花电弧复合加工技术的加工效率得到较大提高；主轴转速对加工效率的影响不是很大，但为提高加工效率，可选择适当的低转速加工。因此，为得到较高的加工效率，可选择低主轴转速下的大电流、大脉宽进行加工。

（2）工件表面粗糙度值随着峰值电流的变大而增大，且变化明显，最优表面粗糙度值约为20 μm；脉宽的增加使工件表面粗糙度值增大；电极主轴转速增加会引起工件表面粗糙度值增大，但电极转速对工件表面粗糙度的影响较小。取较小的峰值电流、较小的脉宽和较低的电极转速，虽然会影响加工效率，却可实现较好的加工表面质量，适用于精加工阶段。

（3）电极损耗率随着峰值电流的变大先下降，增高后再下降，整体上有减小的趋势，峰值电流约为600 A时的相对电极损耗率最低；脉宽的增加使电极损耗率减小，但也不能无限制增大脉宽；电极损耗率随主轴转速先增大、后降低，但影响较小。为了避免电极快速损耗，可选取约为600 A的电流、较大的脉宽和适当的电极转速。

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