高体分SiCp/Al超声振动磨削放电复合加工试验研究

孟 涛，陈 阳，张云鹏，王豆豆

（1.海军装备部，陕西西安；2.中国航发西安航空发动机有限公司，陕西西安710021；3.西北工业大学机电学院，陕西西安710072）

随着航空航天、电子、交通等行业零构件产品向轻量化、高性能方向发展[1-3]，高体分SiCp/Al复合材料（SiC体积分数达50%以上）因其低密度、高比模量、低热膨胀系数、导热性能好、耐磨等卓越性能而得到广泛应用，但该类复合材料的加工问题也限制其应用。目前各国学者对其加工问题展开了系统研究。Dabade等[4]将激光辅助车削与传统车削加工SiCp/Al材料进行比较，发现立方氮化硼或硬质合金刀具结合激光束对工件表面进行加工，改善了材料的可加工性。Kadivar等[5]研究了超声振动对SiCp/Al材料钻屑形成的影响，结果表明超声振动可使钻屑长度减小、钻削力降低、表面质量提高。Rao等[6]的研究表明，SiCp/Al复合材料的电火花加工受到增强相SiC颗粒的屏蔽，出现加工效率下降及表面质量降低等问题。周力[7]建立了超声振动磨削SiCp/Al复合材料侧磨磨削力和端磨磨削力的预测模型，以综合反映SiCp/Al复合材料已加工表面形貌特点的特征参数为优化目标，采用非支配排序遗传算法获得了SiCp/Al复合加工技术的优化工艺参数。董志刚等[8]对比了超声辅助磨削与常规磨削的材料去除机制与表面完整性，发现SiCp/Al磨削过程中材料的去除以SiC颗粒断裂为主，而超声辅助磨削加工具有相似的表面完整性。

上述研究基本针对较低体积分数的SiCp/Al材料，对高体分SiCp/Al材料的加工研究较少。超声振动磨削放电复合加工高体分SiCp/Al相较于机械切削加工和常规电火花加工具有加工表面质量好、加工效率高等优点。而在超声振动磨削放电复合加工过程中，许多工艺参数如加工电流、加工脉宽、弹簧预紧力都会影响工件的表面质量和加工效率。本文以SiC体积分数为52%的SiCp/Al复合材料为研究对象，通过设计五因素四水平正交试验方案，研究了加工电流、加工脉宽、弹簧预紧力和脉冲占比四个加工参数对复合加工表面质量和加工效率的影响规律，即在不同的工艺条件下进行加工实验，以此确定超声振动磨削放电复合加工的最优工艺参数，为提高加工效率、降低加工成本和扩展该复合材料的应用提供借鉴。

1 试验

1.1 超声振动磨削放电复合加工原理

超声振动磨削放电复合加工原理是利用电火花能量去除易堵塞砂轮的铝基体，利用磨削去除电火花无法加工的SiC增强相，同时辅助以超声振动的作用实现连续加工（图1）。

图1 超声振动磨削放电加工原理

1.2 试验设备

本文在DM7150精密电火花加工机床上加载采用CS-1型超声波发生器的超声振动装置和新型嵌入组合式电极[9]装置进行试验。改装后的机床实物见图2。试验采用M300C表面粗糙度仪测量表面粗糙度，还采用FA2104A型电子分析天秤进行加工前、后的重量测量。工件材料为SiC质量分数为52%的SiCp/Al复合材料（图3）。工具电极为针对超声振动磨削放电复合加工高体分SiCp/Al复合材料专门设计的新型嵌入组合式工具电极，其结构爆炸图见图4。工作液为煤油，采用负极性加工。超声振动频率固定为20 kHz。

图2 超声振动磨削放电加工机床

图3 52%的SiCp/Al复合材料的SEM图

图4 新型嵌入组合式电极[9]结构爆炸图

1.3 试验方法

本研究主要考察煤油工作环境中52%的SiCp/Al复合材料超声振动磨削放电复合加工性能的影响因素。试验指标为复合加工后测得的工件表面粗糙度Ra和加工速度，表面粗糙度值越小、加工速度越快，则表示加工性能越好。基于前期实验室的试验经验和相关文献资料，本研究选取的试验因素为弹簧预紧力、电流、加工脉宽和脉冲占比等四个影响因素，每个因素各有四个水平，以此设计正交试验。由于四因素四水平正交表不存在，研究时增加了一空白因素X以构成五因素四水平正交试验，即L16（45）。试验参数见表1。

表1 L16（45）正交试验因素水平表

试验结束后，对试样进行表面粗糙度和质量测量，采用质量去除率（mg/min），即式（1）计算获取加工速度：

式中：v表示复合加工速度，mg/min；Δm为加工前后工件质量变化，mg；t为加工时间，min。

2 正交试验结果及分析

2.1 正交试验结果的极差分析

正交试验结果见表2。采用极差分析方法可将因素水平的变化所引起的试验结果间的差异反映出来，差异的大小反映了因素变化时的指标变化幅度。极差越大，说明该因素的影响越显著。按照极差分析法，对超声振动磨削放电复合加工高体分SiCp/Al复合材料的加工速度和表面粗糙度的数据进行了极差分析，结果见表3。其中，K1、K2、K3和K4为各因素/因子对应相应水平表面粗糙度和加工速度之和，R是{1/4K1、1/4K2、1/4K3、1/4K4}中的极差。由极差分析可知超声振动磨削放电复合加工高体分SiCp/Al复合材料时各因素对表面粗糙度的影响顺序为电流＞加工脉宽＞弹簧预紧力＞脉冲占比，且获得最小表面粗糙度值的最优组合是A1B1C1D2/D4，即弹簧预紧力15 N、电流25 A、加工脉宽550μs和脉冲占比0.5/0.7。各因素对加工速度的影响顺序为电流＞弹簧预紧力＞加工脉宽＞脉冲占比，且获得最大加工速度的最优组合是A3B4C2D2，即弹簧预紧力30 N、电流40 A、加工脉宽650μs和脉冲占比0.5。

表2 正交试验方案及结果

2.2 正交试验结果的方差分析

极差分析方法的优点是方法简单、直观且计算量较少，但由于极差分析不能估计试验过程中及试验结果测定中必然存在的误差大小，不能真正区分某因素的各水平所对应的试验结果的差异究竟是由水平的改变所引起的还是由试验误差引起的。而方差分析通过分析不同来源的变异对总变异的贡献大小，从而确定可控因素对研究结果影响力的大小，可以更准确地分析在各种因素作用下哪种因素对试验指标的影响较大。表4和表5分别为复合加工高体分SiCp/Al复合材料时表面粗糙度和加工速度的方差分析。

表3 试验结果极差分析

表4 表面粗糙度方差分析

表5 加工速度方差分析

通过方差分析可知，加工电流对表面粗糙度的影响最大，其次是加工脉宽和弹簧预紧力，而脉冲占比影响最小；对于加工速度而言，电流的影响最大，其次是弹簧预紧力和加工脉宽，而脉冲占比影响最小，这与极差分析的结果一致。这主要是因为，复合加工在超声振动的辅助作用下首先通过电火花放电蚀除Al基体，其次磨削去除SiC硬质相，从而实现高体分SiCp/Al复合材料的连续加工。其中电火花单脉冲过程中的材料蚀除量可表示为：

式中：k为与电极材料、脉冲参数、加工极性和排屑条件有关的系数，mm3/J；W为单脉冲放电所释放的能量，取决于极间电压u（t）、放电电流i（t）和脉冲放电时间ton。

从式（2）可看出，蚀除量和脉冲能量W近似成正比关系，因此加工电流越大，脉冲能量就越大，从而蚀除量越大、加工速度越大、表面质量越差。弹簧预紧力的增大使工具电极中金刚石磨条的磨削力变大，从而减小了电火花加工过程中的极间间隙。在一定范围内，弹簧预紧力越大，导致极间间隙越小、磨削力越大、加工速度越快、表面质量越好。在放电周期一定的情况下，加工脉宽和效率成正比，即加工脉宽越大、脉冲能量越大；而放电蚀除的凹坑越大、越深，则加工速度越大、表面质量越差，但过大的加工脉宽致使蚀除产物不能及时排出，短路频率增加，消电离现象恢复不及时，加工速度下降。

3 复合加工放电波形分析

为进一步探究该复合加工的机理，本研究对复合加工放电波形进行了分析。电火花的粗规准加工脉宽为50～500μs，中规准加工脉宽为10～100μs，精规准加工脉宽为2～6μs，辅助以20 kHz的超声振动（对应的周期为0.5μs）作用后，如图5所示，电火花的一个加工脉宽细化成多个微小的加工脉宽。在传统电火花加工过程中，只有极间间隙h满足hmin＜h＜hmax时才能正常放电。而在复合加工过程中，即使在超声振动的作用下，极间间隙h大于最大放电间隙hmax也依然可保持正常的放电状态，当极间间隙h小于最小放电间隙hmin发生短路放电时，超声振动也会迅速拉大极间距离，从而保持正常的放电状态。

由于以较高的超声振动频率（fz=20 kHz）进行辅助后，一个脉冲宽度内电极与材料之间会出现多次间隙变化，产生多种放电类型，即空载、间隙放电、短路放电及其之间的组合放电。这使电蚀产物在电极之间的分布更加均匀，有利于分散放电点，减少了放电集中的现象；同时，超声作用带动工具电极在工作液中高频振动，产生的空化、泵吸和涡流作用，能改善放电蚀除颗粒的排出，促进放电的消电离过程，有助于减少或避免电弧放电现象。试验过程中没有明显的火花和飞溅，对采集到的放电波形进行分析和统计，得到组合放电的次数多于空载和短路放电之和，这说明超声振动磨削放电复合加工的主要放电类型为组合放电。

图5 复合加工电信号波形图

4 结论

（1）超声振动磨削放电复合加工高体分SiCp/Al正交试验结果的极差分析结果表明，影响表面粗糙度的因素显著性为：电流＞加工脉宽＞弹簧预紧力＞脉冲占比，则最优参数如下：电流25 A、加工脉宽550μs、弹簧预紧力15 N、脉冲占比为0.5或0.7；影响加工速度的因素显著性为：电流＞弹簧预紧力＞加工脉宽＞脉冲占比，则最优参数如下：电流40 A、弹簧预紧力30 N、加工脉宽650μs、脉冲占比0.5。

（2）复合加工放电波形分析结果表明，加工过程中主要的放电类型为短路放电和间隙放电组合而成的放电类型，超声振动作用有利于减少放电集中现象，促进消电离过程。

（3）采用超声振动磨削放电复合加工高体分SiCp/Al时，应综合考虑加工电流、加工脉宽、弹簧预紧力和脉冲占比对加工性能的影响，根据表面粗糙度和加工效率的要求选择各参数。