多孔质电极电火花加工工艺＊

蒋 毅 孔令蕾 平雪良 李 其

(江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡214122)

电火花加工被广泛应用于航空、航天、国防、模具制造等领域，用以实现难加工材料、复杂形状零件和有特殊要求的零件制造。但在制备复杂形状、大面积的电火花加工工具成型电极时，常规机械加工方式存在制备周期长、复杂型面加工困难、制作成本高、材料利用率低等问题［1-2］。为此，各国研究人员开始探索各种采用点、面或体等几何单元材料快速构建复杂形状电极的新方法［3-4］。

利用点单元材料或面单元材料，采用粉末冶金、快速成型(RP)等技术可快速构建出精度很高的成型电极［5-6］，并显著缩短成型电极特别是大面积复杂电极的制备周期，但其电火花加工性能差，电极的损耗率较高，所制备出的通常为实体电极，较难采用冲液方式进行加工。

上海交通大学赵万生等［7］提出的集束电极法将大量管状或棒状单元电极捆绑，可快速制备出具有复杂端面的集束电极，用于电火花成型粗加工。该方法具有操作简单、成本低的特点，并可利用管状电极形成的流道在加工过程中施加分布式的内冲液，大幅提高加工效率［8-9］。但由于该方法通过直管状电极构建曲面，因此一般只能加工开放的型腔结构，对相对闭塞的型腔进行加工时，容易产生干涉问题。

多孔质电极是一种由粒径较大的紫铜颗粒高温烧结而成的多孔材料电极［10］，也可看成是一种利用点单元材料制备而成的工具电极。通过该制备方法能够降低复杂型面电极的制作成本，并可通过孔隙形成的流道在放电加工过程中实现分布式、三维全向的内冲液，有利于发挥与集束电极相似的优势，获得较高的加工效率。

本文对不同加工参数下多孔质电极电火花加工的性能进行了研究，并对多孔质电极和传统实体电极在不同加工环境下的加工性能进行了对比研究。

1 工具电极制备

紫铜颗粒不会发生脱落;其次，颗粒之间应能够形成通畅的流道，满足分布式冲液要求。这两个特征的获得与烧结工艺密切相关。

多孔质电极是由毫米级粒径的紫铜颗粒烧结而成的。首先将粒径分别为φ2 mm 和φ3 mm 的球形紫铜颗粒装入石墨模具中，振实并压紧后置于真空炉内，在-0.1 MPa 的真空压力下进行高温烧结。利用高温下颗粒之间形成的烧结颈可使颗粒间紧密连结，按照模具内腔形状烧结成成型电极体。通过改变模具内腔形状，可烧结获得具有复杂曲面形状的多孔质电极。为了对多孔质电极电火花加工的基本性能进行研究，这里采用圆柱形模具内腔，制成圆柱形多孔质成型电极，如图1 所示。

烧结得到的多孔质电极应具备两个特征。首先，颗粒之间的结合应足够紧密，使得电火花加工过程中

在一定的烧结温度和保温时间下，烧结颈将在紫铜颗粒间产生并逐渐长大，颗粒间由分子间力转变为较强的晶体结合键力，颗粒之间的结合力得以提高。尽管电火花加工属于非接触式加工，加工过程中无宏观切削力，但仍会受到冲液压力、电弧拉力、放电爆炸力的综合影响，较小的结合力还不足以保证紫铜颗粒在加工过程中不发生脱落。因此要增加结合力，就应使烧结颈更为粗壮，意味着需要提高烧结温度和保温时间。另一方面，烧结颈的增大将使得颗粒间孔隙变小，对冲液产生不利影响，如一味增大烧结温度和保温时间，会发生“过烧结”，甚至紫铜颗粒完全熔融，孔隙率和通孔率大幅下降，无法满足冲液要求。

为此，采用合适的烧结温度和保温时间对制备符合电火花加工要求的多孔质电极至关重要。经过大量实验，按照如图2 所示的烧结温度曲线，在烧结温度1 078 ℃，保温2 h 下制备得到的多孔质电极局部SEM照片如图3 所示，可见颗粒间形成了粗壮的烧结颈，并保持了较大的孔隙。采用这一电极可在满足冲液、大能量加工要求的同时，保证铜颗粒不脱落。即使在多孔质电极经过加工已经发生极大程度的损耗，在长度方向上已损耗近5 层铜颗粒的情况下，仍然没有发生脱落现象，如图4 所示。

2 实验装置与实验参数

电火花加工实验在Agie-Charmille SC110 数控电火花成型机上进行。多孔质电极通过专用夹具安装于主轴上，加工过程中可施加内冲液，夹持装置和多孔质电极冲液情况如图5 所示。

分别采用了实体电极和多孔质电极进行加工，电极外径为φ30 mm，组成多孔质电极的颗粒包括φ2 mm和φ3 mm 两种，工件材料为45#钢。加工深度为6 mm，采用负极性加工(工件接负)。实验过程中采用的其他加工参数如表1 所示。

表1 电火花加工实验参数

3 实验结果及讨论

多孔质电极由毫米级粒径的紫铜颗粒烧结而成，电极的表面平整度较低。因此在加工初期，电极端部的可放电投影面积非常小，只包括了数十个底层球形颗粒与工件上表面间的极小的接触区域。随着加工的进行，参与加工的面积逐渐增大，并逐步达至电极投影面积。为了避免较大的电极表面粗糙度对加工性能的影响，选用了较大的加工深度(6 mm)，以保证电极底部的所有区域均能参与放电。

也正因为多孔质电极表面不平整，与集束电极电火花加工类似，只适合于对加工材料的粗加工，在加工过程中利用分布式的内冲液达到快速去除材料的目的。一般来讲，加工电流越大，材料去除率越高，因此采用了如表1 所示的较大的电极投影面积和冲液流量，并将加工电流固定于机床所能提供的最大电流64 A，而首先对多孔质电极在不同脉宽和脉间下的材料去除率MRR进行实验研究。脉宽和脉间对材料去除率MRR的影响分别如图6 和图7 所示。

如图6 所示，在不同的脉冲间隙下，随着脉冲宽度的增加，工件材料去除率总体呈先上升后下降的趋势。这与普通实体电极电火花加工的趋势是相似的。从图6 中可以注意到，随着脉间的增加，获得该脉间下最高材料去除率的脉宽总体呈增大趋势。例如，当脉间为32 μs 时，脉宽320 μs 下即达到材料去除率峰值;而当脉间增至320 μs 时，达到材料去除率峰值的脉宽为1 000 μs。这表明脉间越大，其可承受的脉宽越大，越能利用较大的脉宽获得高的材料去除率。

如图7 所示，当脉冲宽度较小时(分别为56 μs、320 μs、750 μs)，随着脉冲间隙的增加，工件材料去除率总体呈下降趋势，并且均在脉冲间隙最小32 μs 时达到最大值;当脉冲宽度继续增大(分别为1 000 μs、1 300 μs)，达到最大材料去除率时的脉间将相应增加。这是由于增大脉间会使得脉冲占空比下降，影响加工效率;但脉间又有保持极间状态、维护放电稳定的作用，因此当脉宽较大时，应相应增大脉间。

从图6 和图7 可以注意到，尽管平均来看，对着脉冲宽度和脉冲间隙的改变，材料去除率呈现上升或下降的趋势，但当脉冲宽度在320 μs ～1 000 μs 的区间范围内，以及脉冲间隙在32 μs ～100 μs 的区间范围内时，材料去除率的变化是不明显的，或者说变化的趋势是平缓的。为了进一步研究多孔质电极电火花加工的性能，将多孔质电极与实体电极进行了对比。在同样的脉间100 μs、峰值电流64 A、不抬刀加工的条件下，随着脉宽变化，两者的电极相对损耗率TWR如图8 所示。

如图8 所示，随着脉冲宽度的增大，多孔质电极和实体电极的电极相对损耗率均呈下降趋势，显示炭黑对工具电极的保护作用得到增强。而多孔质电极由于采用冲液方式加工，对保护膜的形成有干扰作用，与不冲液的实体电极相比，电极相对损耗率较高，这与采用集束电极加工的结论一致［9］。

随着脉宽的变化，两者的材料去除率MRR如图9所示。相对于多孔质电极材料去除率的平缓变化，实体电极的变化更为剧烈，显示脉冲宽度对其影响更显著。尽管在其他脉冲宽度下，多孔质电极的材料去除率均略高于实体电极，但当脉冲宽度为560 μs 时，实体电极所能达到的最大材料去除率为257 mm-3/min，超过多孔质电极的206 mm-3/min。而遍历图7 中所有的脉宽/脉间组合，多孔质电极的最高材料去除率也只达到了214 mm-3/min，意味着在电流64 A 的情况下，多孔质电极无法获得比实体电极更高的加工速度。

为此，又采用不同的峰值电流，对实体电极和多孔质电极的材料去除率进行了对比，在脉冲宽度560 μs，脉冲间隙100 μs 时，两者的材料去除率如图10 所示。

从图10 中可以看出，改变电流对材料去除率的影响是非常显著的，但在这一脉宽/脉间参数组合下，实体电极的材料去除率均高于多孔质电极，显示出多孔质电极与实体电极相比，在提高材料去除率方面没有优势。一般而言，冲液应起到改善极间状态、维护放电稳定、提高材料去除率的作用，但上述实验的结果却不支持这一结论。

但是，虽然上述实验中采用的加工参数相同，多孔质电极和实体电极电火花加工之间仍存在一定的差异，这一差异应是导致两者材料去除率不同的原因。差异主要体现在两个方面:首先是多孔质电极表面形貌凹凸不平，而实体电极端部是一个平面;其次是多孔质电极采用了冲液方式加工，而实体电极没有冲液。

为了探寻到底是何种差异导致了多孔质电极的材料去除率低于实体电极，分别采用了φ2 mm 和φ3 mm颗粒直径烧结得到的多孔质电极和实体电极进行电火花加工实验，以便对不同表面平整度电极的加工性能进行对比。为了排除冲液的影响，在实验过程中关闭了冲液，多孔质电极和实体电极均以不冲液方式加工。电流为64 A，脉宽为560 μs，脉间为100 μs，分别采用不抬刀不平动、只抬刀和只平动3 种方式加工。对比试验结果如图11 所示。

由图11 可知，无论在何种加工方式下，电极表面平整度最低的采用φ3 mm 颗粒烧结得到的多孔质电极，其材料去除率是最低的，而表面最为平整的实体电极材料去除率最高。这一结果暗示了电极表面平整度对材料去除率具有较显著的影响，电极表面凹凸会导致更多的侧向放电，有可能是导致材料去除率降低的原因。当采用不抬刀不平动方式加工时，φ3 mm 颗粒多孔质电极的材料去除率为192 mm-3/min，比图10中所示的206 mm-3/min 降低了约7%，显示此时冲液对提高加工效率具有一定作用，但作用并不大。

综合以上实验结果，当在工件上表面上加工较浅的型腔(6 mm)时，极间状态并不能恶化到显著影响放电稳定性的程度，是否施加冲液影响不大，而电极表面平整度却是影响材料去除率的显著因素。

这一结论也可由是否采用抬刀方式加工加以印证。当采用抬刀加工时，实体电极材料去除率大幅下降，显示虽然抬刀一般有改善极间状态的作用，但由于极间状态恶化程度较小，改善作用不明显，反而由于抬刀时间的损失，降低了材料去除率。

上述实验都是在工件上表面加工较浅的型腔，但在深孔中加工时，由于加工蚀除产物无法顺畅地排出加工区域，极间状态一般将发生恶化，导致加工不稳定，加工效率降低。为此，进行了在深孔中加工的对比实验。所采用的工件深孔初始深度为25 mm，内径为30.8 mm，比电极外径大0.8 mm，加工深度6 mm。选用的电流64 A，脉宽为560 μs，脉间为100 μs，分别采用不抬刀和抬刀方式加工，对比实验结果如图12 所示。

实体电极在深孔中采用不抬刀方式加工时，由于排屑不畅，材料去除率大为降低至43 mm-3/min，仅为在工件上表面加工时的1/5。采用抬刀方式加工后，由于抬刀对极间状态的改善作用，加工效率有了提高。而多孔质电极采用抬刀方式加工时，其材料去除率比实体电极提高了50%以上，且由于冲液能够极大改善极间状态，因此可采用不抬刀方式加工。采用不抬刀加工时，由于节省了抬刀时间，其加工效率又有较大提高。在同样无抬刀的情况下，多孔质电极的加工效率是实体电极的4 倍。

此外，当在深孔中采用实体电极加工时，由于排屑不畅，容易在工件表面生成碳柱，并破坏工具电极，如图13 所示。而采用多孔质电极加工时，未出现过生成碳柱的情况。以上研究表明，在深孔中加工时，由于施加了分布式的内冲液，多孔质电极可显示出比实体电极更为优异的加工特性，其在深孔中的加工能力较强。因此，多孔质电极在深孔加工中的性能及其机理将是下一步研究的重点。

4 结语

通过制备符合电火花加工要求的多孔质材料电极并搭建实验系统，对多孔质电极的电火花加工性能进行了实验研究，可得出以下结论:

(1)在工件上表面加工较浅的型腔时，多孔质电极与实体电极在材料去除率方面相比没有优势;

(2)导致多孔质电极材料去除率低的原因是其电极表面不平整，易发生大量侧向放电，并由于型腔较浅，极间状态较好，冲液对极间状态的改善作用不能得到充分发挥;

(3)在深孔中加工时，由于排屑条件恶化，采用多孔质电极后可利用分布式的内冲液极大改善极间状态，并可采用不抬刀方式加工，相同条件下材料去除率可达实体电极的4 倍。

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