铝基碳化硅电弧铣削与数控铣削组合加工研究

胡志敏

（东莞市技师学院，广东 东莞 523470）

1 电弧铣削加工以提高材料去除率

1.1 电弧铣削系统

电弧铣削系统能够提供的大功率电源峰值电流可达到500A，脉冲宽度与脉冲能够在0.1ms～10ms之间进行调节，系统内部均匀分布12处直径为2mm的通孔，电极外径为20mm，组成电弧铣削系统的子系统之一高压冲液系统的入口压强最高可达2MPa，超高的压强可让工作液自行从电极端面冲出，从而形成作为断弧使用的高压流体。电弧铣削系统在对铝基碳化硅复合材料进行粗加工的过程中，电弧等离子体可以快速的蚀除铝基碳化硅复合材料，材料的去除率最高可以达到6300mm3/min,再铸层厚度可以控制在100μm以内，加工的效果极好。在这个过程中，电弧等离子体会带来超高的温度，在进行高体积分数铝基碳化硅复合材料加工的时候，电弧铣削系统选用石墨作为电极材料能够取得更好的效果。

1.2 放电参数的优化

（1）极性的选择。电弧铣削加工工作需要使用电力，它的加工性能受到放电参数：电极极性、脉冲宽度、峰值电流等的影响，放电参数中的电极极性是其它参数的先决条件，这显得极为的重要。通过进行实际的电弧铣削加工工作，得到在不同电极极性的加工性能。通常，在控制其它因素不变，改变电极的正、负极性，正极一端的材料去除率相较于负极一端略低，正极一端的损耗率比负极一端略高，可知在对材料加工过程中，材料去除率与损耗率要得到最好的效果，需要选择的电极极性是负极。同时，选择的电极极性为正极之时得到的加工材料的表面质量相对较好，可知在对材料加工过程中想要得到较好的表面质量需要选择正极。电弧铣削加工工作属于材料的粗加工阶段，材料加工除了需要考虑材料去除率与损耗率之外，还需要考虑表面质量因素，相对较好的表面质量能为后续的精加工工作提供便利。实验的结果表明，与电极负极性相比，虽然电极正极性下的材料去除率相对较低、损耗率相对较高，但是总体的差距不是很大，然而电极正极性下的表面质量明显优于电极负极性，通过经过多方面的考虑，铝基碳化硅复合材料的加工选择使用电极正极性。

（2）材料去除率与电极相对损耗率。铝基碳化硅复合材料的加工通常使用占空比的这一名词来作为衡量脉冲宽度与脉冲周期比值的指标，经过大量实验论证[1]，可知材料去除率、电极相对损耗率与占空比之间的关系，在峰值电流同等的条件下，随着占空比这一比值的升高，材料去除率也逐渐呈现上升的趋势，而电极相对损耗率却呈现下降的趋势，而在相同的占空比的条件下，脉冲宽度值越高，材料去除率也就越高，而且峰值电流上升材料去除率也会随着上升，由此可知，脉冲宽度与峰值电流能够影响铝基碳化硅复合材料的材料去除率，而且根据实验结果的数据得知，电弧铣削加工与传统的加工方法相比，性能上有着巨大的优势。

2 数控铣磨加工避免表面缺陷

2.1 铣磨工具设计

铝基碳化硅复合材料的颗粒硬度非常高，一般硬度的磨料不能胜任加工工作，考虑这一因素，加工过程中需要选用金刚石作为铣磨工具的磨料，这可以让铝基碳化硅复合材料的表面质量得到保证。根据一般对铝基碳化硅复合材料产品需求，选用的金刚石磨料的颗粒度范围在80～240目之间；如果在铣磨过程中，铝基碳化硅复合材料的粉末状磨屑将铣磨工具表面堵塞住，这会导致铣磨工具遭到损坏，长时间如此，铣磨工具就需要更换，使用寿命不够长久，严重造成资源的浪费，针对这样的情况，在设计铣磨工具之时，采用避免磨屑堵塞的方案，设计出使用寿命悠久的铣磨工具。以某设计为例，经过多次的进行试验，考虑加工的成本以及加工质量，最终采用以电镀结合80目金刚石磨料作为半精加工铣磨工具，并在其中设置3条均布的螺旋状排屑槽，螺旋排屑槽可以更好的辅助排屑，而且还能冷却液的冷却。

因为陶瓷结合剂的生产成本较高，所以不能在整个步骤中使用，它与240目金刚石磨料相结合，作为精加工铣磨工具。

2.2 铣磨参数优化

数控铣磨加工能够精细的控制加工参数，铣磨加工工具的铣磨宽度、主轴转速、进给速度的能够得到稳定的控制，但是加工参数需要控制在什么程度，这需要进行实验研究，从而得出最优的数控铣磨加工方案。铝基碳化硅复合材料的表面缺陷通产是因为切削力过大，切削力不能够精细的保持不变，但是数控铣磨加工能够完美解决这些问题。通过实验数据建立铣磨参数与铣磨力的关系的曲线图，找到它们之间的关系，优化铝基碳化硅复合材料的加工。通常，法向铣磨力与径向铣磨力随着主轴转速的提升均呈现下降趋势，但是在主轴转速达到一定的速度之后，从曲线又发现铣磨力又却开始出现上升的趋势，通过多次对数据的分析和对实验的研究发现，造成这样的现象是因为过高的主轴转速将导致颤振加剧，造成铣磨力上升。而法向铣磨力与径向铣磨力随着进给速度的增加而增加，这是因为单位时间内参与切削的有效磨粒数上升，导致了铣磨力的提升；而法向铣磨力与径向铣磨力会随着铣磨宽度增加而上升，而且上升程度十分的明显，可知铣磨宽度对于铣磨力的影响十分巨大，在传统的加工方法也呈现这样的状况。通过对铝基碳化硅复合材料加工的实际研究可知，铣磨力控制在10N以下，能够保证铝基碳化硅复合材料表面的质量，所以我们可以通过曲线图中铣磨力与铣磨宽度、主轴转速、进给速度的关系，从而得到相应的加工参数，通过数控铣磨加工能够精密控制加工参数的优点，得到质量优良的铝基碳化硅复合材料。

3 产品加工实验

为了对铝基碳化硅复合材料加工使用铝基碳化硅电弧铣削与数控铣削组合加工方式进行研究，是通过进行实际加工试验的方式进行的。使用的加工材料为50%的高体积分数铝基碳化硅复合材料、80目金刚石磨料、240目金刚石磨料、石墨电极2件、粗加工耗时4h、半精加工耗时3.5h、精加工耗时1h，最终得到材料去除率超过80%、尺寸精度与表面质量符合要求、无崩边缺陷的产品。通过试验证明，新型的加工方法比传统的方法更加精密高效，完美解决传统加工存在的问题缺陷，提高了高体积分数铝基碳化硅复合材料的加工效率与加工效益。这次试验为数铝基碳化硅的加工提供可靠实用的参考数据，为数铝基碳化硅的加工发展做出巨大的贡献。

4 结论

通过铝基碳化硅电弧铣削与数控铣削组合加工方法，实现了对铝基碳化硅的高效精密加工，提高了材料去除率，避免了表面缺陷问题，这种组合加工的方式比传统的电火花加工更加的优秀，试验数据证明铝基碳化硅电弧铣削与数控铣削组合加工方法的可行性。