1、超声振动对电火花加工效果的影响 林本刚 李丽 刘云 张岩 山东理工大学 摘 要： 为提高电火花加工效果, 提出了工件复合水平超声振动电火花复合加工。通过正交实验对普通电火花加工和复合超声振动的电火花加工进行对比。采用扫描电子显微镜 (SEM) 对加工后的表面形貌进行分析, 用 TR200 粗糙度仪对工件表面粗糙度进行测量分析。结果表明, 附加超声振动后, 工件表面形貌发生了变化, 电蚀坑大而浅, 表面裂纹数量减少, 表面粗糙度整体降低了 10%左右, 加工速度提高了 13%以上。关键词： 工件超声振动; 表面形貌; 表面粗糙度; 加工速度; 作者简介：林本刚, 硕士研究生, 山东理工大学机械工
2、程学院, 255049 山东省淄博市作者简介：李丽, 教授, 山东理工大学机械工程学院, 255049 山东省淄博市收稿日期：2017 年 3 月基金：国家自然科学基金 (51105235) Effect of Ultrasonic Electrical Discharge MachiningLin Bengang Li Li Liu Yun Zhang Yan School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology; Abstract： In order to improve the effect of EDM,
3、 this paper presents a method of ultrasonic EDM. Through the orthogonal experiment of EDM were compared with ultrasonic EDM. Scanning electron microscopy ( SEM) was used to analyze the surface morphology of the machined surface, and the surface roughness of the workpiece was measured by TR200 roughn
4、ess meter. The results show that the surface topography of the workpiece is changed with the addition of ultrasonic EDM, and the erosion pits are large and shallow, the number of surface cracks is reduced, the surface roughness is reduced by about 10%, and the processing speed is increased by more t
5、han 13%.Keyword： ultrasonic EDM; surface topography; surface roughness; processing speed; Received： 2017 年 3 月1 引言超声电火花复合加工技术是将特种加工领域中较为实用的两种特种加工技术电火花加工和超声加工结合, 期待获得两种加工方法的优势互补, 目前, 超声电火花复合加工技术的形式主要有工件超声振动、工具电极超声振动及线切割中电极丝超声振动等1。在一般电火花加工中加入超声振动后, 放电通道更易形成, 减少拉弧放电。超声的空化、涡流和泵吸作用能有效加快工作液的冷却和循环, 加速极间介质的
6、消电离2。超声电火花复合加工的优势使其备受关注, 其中对工具电极复合超声振动的研究较多3-5, 对工件复合超声振动的研究十分有限。在工件复合超声振动的研究中, 常小龙等6以表面粗糙度为主要对象分析了TC4 钛合金工件复合超声振动电火花加工的优点以及工件附加水平超声振动和附加竖直超声振动的差别;祝锡晶等7对工件超声振动的加工装置进行了设计研究, 通过正交实验法和信噪比法得到了工件超声振动电火花复合加工的工艺预测模型。张高萍等8对电火花超声复合加工超硬合金过程中电参数对加工速度的影响进行了研究;缪东辉等9对电火花超声复合加工硬质合金的脉冲宽度和超声振幅对加工效率和表面粗糙度进行了研究。这些学者对工
7、件复合超声振动电火花加工进行了初步研究, 主要针对表面粗糙度进行了研究, 对加工后的表面微观相貌缺少分析, 对超硬材料和硬质合金的电火花超声复合加工还是以工具电极附加超声振动为主。针对现有研究的不足, 以镍基高温合金 Inconel718 作为工件材料, 对加工后的工件表面微观形貌和粗糙度进行研究。由于电火花加工过程中的脉冲宽度、间隙电压、脉冲间隔、峰值电流、超声振幅等电参数都会对加工结果造成影响, 为了简化实验过程, 通过正交实验法和对比实验法研究工件附加水平超声振动对电火花加工的影响。2 实验装置与参数如图 1 所示, 实验装置在 DM71 系列精密电火花成型机床上进行改造而实现, 在机床
8、工作台上安装超声振动变幅杆和换能器, 使工件在水平方向做超声振动。实验主要探讨电参数及超声参数对表面质量的影响, 而电参数中的峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔、间隙电压以及超声频率和振幅都会影响表面质量。为了简化实验过程, 采用正交实验法进行研究, 加工参数见表 1。采用对比实验法, 以超声振动为对比对象, 研究附加超声辅助对电火花加工的影响。图 1 机床及附件 下载原图1.机床工作台 2.工作容器 3.导线 4.电主轴 5.工具夹具 6.工具电极 7.工件 8.超声变幅杆 9.换能器 10.支撑件实验材料采用高温镍基合金, 镍基合金具有优良的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能 (见表
9、 2) , 能在高温下承受高应力、保持较好的机械和化学性能, 但是镍基合金的塑性变形抗力大, 切削过程中冷硬现象严重, 刀具极易损坏, 加工效率极低, 被视为典型的难加工材料10。而电火花加工的特点决定了电火花适合加工镍基合金这类难加工材料。工件电极材料为Inconel718, 工件电极尺寸为 10mm10mm30mm, 圆柱形工具电极材料为铜, 电极尺寸 16mm140mm。表 1 加工参数 下载原表 表 2 实验材料的特性参数 下载原表 对加工后的 Inconel718 工件进行检测和分析, 用扫描电子显微镜 (SEM) 观察加工后的表面形貌, 用 TR200 手持式粗糙度测量仪测量加工后
10、的表面粗糙度。3 实验分析3.1 表面形貌分析图 2 是在保持峰值电流不变, 改变其他电参数加工后的 Inconel718 材料的表面显微图。由图可见, 在峰值电流不变的情况下, 增加脉冲宽度, 电蚀坑变大, 加工过程中采用单脉冲电火花放电的方式, 增加脉冲宽度后单脉冲所携带的能量增加, 单脉冲能量密度增加, 电蚀坑的直径相应增大。图 2a 和图 2b 在增大脉冲宽度的同时增大了脉冲间隔, 随着脉冲间隔的增加, 极间介质消电离和工作液冷却的时间也增加, 所以图 2b 中的工件表面的微裂纹相应减少。图 2c 与图 2d 相比, 在增大脉冲宽度的同时减小了脉冲间隔, 降低了工作液冷却的时间和极间介
11、质消电离, 使工件表面容易出现微裂纹, 在图 2d 中可以明显看到表面微裂纹增加。对比图 2b、图 2d、图 2f, 可观察到在脉冲宽度不变的情况下, 增加了峰值电流。由于施加的单脉冲能量与峰值电流大小正相关, 峰值电流增加, 能量聚集, 更多的材料被熔化抛出, 能量越大, 使得材料的抛出越剧烈, 导致电蚀坑的形状更加不规则且凹坑周围出现熔融状物质。图 2b 和图 2c 保持脉冲间隔不变, 降低脉冲宽度和间隙电压, 增大峰值电流。增加峰值电流后, 单脉冲能量密度增大, 脉冲宽度降低, 放电时间减少, 电蚀坑直径变化不大, 但较大的单脉冲能量使得电蚀坑的形状不规则, 相同的脉冲间隙时间, 放电时
12、间短的消电离和冷却时间更充分 (见图 2d) , 显微组织的表面微裂纹也相应减少。图 2 不同电参数超声辅助电火花加工的表面形貌 下载原图图 3 是没有超声辅助振动加工后的 Inconel718 工件表面显微图, 通过图中可以观察到, 电蚀坑的形状更加规则。图 3a 与图 2c 都采用相同的电参数进行加工, 图 2c 有超声振动辅助, 从两图比较中可以看出, 附加了水平超声振动后, 工件表面微裂纹明显减少, 电蚀坑形状更加不规则。附加水平超声振动后, 工件会在水平方向上有高频的反复小位移, 导致放电点在一定小范围内不断移动, 同时使熔融状态的金属在冷却后形成不规则的形状。超声的泵吸和空化作用有
13、利于电蚀产物的抛出, 加剧冷却液的循环, 在相同时间内达到更好的冷却效果, 形成较少表面微裂纹。对比图 2e 与图 3b, 图 3b 的电蚀坑形状更完整, 凸边清晰可见;图 2e 的电蚀坑形状十分不规则, 凸边几乎不可见。电蚀坑的凸边是由于电火花加工过程中电蚀产物被抛出在电蚀坑周围堆积形成, 图 2e 中, 超声振动使得被抛出的电蚀产物很难堆积到一起, 因此不会形成明显的凸边。电参数的脉冲宽度与脉冲间隔匹配较好, 表面微裂纹相应减少。图 2f 与图 3c 相比, 在电参数不变的情况下, 工件附加超声振动后电蚀坑的深度变浅, 超声振动使放电点不断移动, 在相同的加工时间内, 电蚀坑的深度变浅,
14、深度更均匀。图 3 不同电参数普通电火花加工的表面形貌 下载原图3.2 表面粗糙度分析表面粗糙度直接反映加工精度、装配精度和使用寿命, 是工件表面质量的重要指标。采用手持式表面粗糙度测量仪测量加工后的工件表面数据。为减小误差, 每个试样测量多次取平均值 (见表 3) 。将表 1 和表 3 合并成完整的正交实验表 4, 并对单个指标进行试验分析。表 3 电火花加工表面粗糙度 下载原表 对表 4 中的正交实验数据用关系曲线进行描述, 得到图 4 所示结果。由表 4 正交实验数据表中可以观察到, 工件附加了水平超声振动后的表面粗糙度明显低于普通电火花加工的工件的粗糙度。分析图 2 和图 3 可知,
15、超声振动使加工后的工件表面的电蚀坑形状不规则、深度变浅、电蚀坑凸边消失, 工件表面更加平整, 表面粗糙度降低。表 4 正交实验数据表 下载原表 图 4 中, 峰值电流较小时, 超声振动对表面粗糙度的影响不大, 随着峰值电流的增大, 超声振动辅助加工可明显降低工件表面粗糙度。在峰值电流较小时, 单脉冲携带的能量较小, 电极材料熔化较少, 属于精加工范围, 表面粗糙度主要由峰值电流和能量密度决定, 超声振动的影响不大。当峰值电流增大时, 单脉冲所携带的能量不断增加, 电极材料熔化抛出的较多, 电极材料抛出后会在电蚀坑周围形成凸边, 被抛出到工作液中的电蚀产物有可能形成二次放电;而超声振动的高频振动
16、使得被抛出的电蚀产物很难积聚在电蚀坑周围, 超声振动的空化作用有利于电蚀产物的抛出, 避免工作液中存在过多的电蚀产物形成二次放电;峰值电流增大时, 与普通电火花加工相比, 超声振动加工的粗糙度明显降低。图 4 电参数与表面粗糙度关系 下载原图图 4 电参数与表面粗糙度关系 下载原图在间隙电压较低时, 超声振动对工件表面粗糙度的影响不大;随着间隙电压的不断增大, 复合了超声振动辅助的表面粗糙度出现大幅降低。在电火花加工过程中, 间隙电压与单个脉冲的能量有关, 同时与放电通道的击穿有关。间隙电压增大, 单脉冲所携带的能量相应增加, 有利于工件加工;增大了间隙电压使放电通道更易击穿形成放电通道;超声
17、振动对工作液的空化和泵吸, 改善了工作液的循环和放电环境, 加剧了工作介质中粒子的移动, 更容易形成放电通道, 超声振动对大脉冲能量加工工件的改善更明显, 所以在间隙电压增大时, 超声振动加工的表面粗糙度明显降低。在 4 个电参数对表面粗糙度的影响中, 间隙电压影响最大, 峰值电流次之, 然后是脉冲宽度, 最后是脉冲间隔11。采用正交实验法分析单一实验因素, 不可避免要受到其他实验参数的影响, 但间隙电压和峰值电流仍然是影响粗糙度的主要因素。引入超声振动可明显降低加工后的表面粗糙度、较大的峰值电流和间隙电压、较小的脉冲宽度, 脉冲间隔时效果更加明显。3.3 加工效率分析电火花加工过程中的加工速
18、度较慢, 可通过提高脉冲频率、增加单脉冲能量、提高工艺系数的途径来提高加工效率;但是这些方法会对工件表面造成伤害, 降低加工精度。提高电火花加工效率、降低工件表面粗糙度是众多研究的重要内容。为方便测量, 采用质量加工速度 vm来表示加工效率 (g/min) , 计算公式为表 5 为电火花加工速度表, 可以看出, 电火花加工效率与脉冲宽度和脉冲间隔相关, 在小电流时增大脉冲宽度和脉冲间隔, 不仅没有提高加工速度反而降低了加工速度。电流较小时, 单个脉冲能量也相对较小, 单个脉冲的加工能量有限;脉冲宽度和脉冲间隔的增大, 降低了脉冲频率, 在相同加工时间内, 作用到加工表面的脉冲密度降低, 所以加
19、工效率降低。通过对比有无超声振动的加工速度可知, 附加超声振动的加工效率明显提高。超声振动产生的空化作用, 加剧了能量聚集, 有利于产生电火花放电, 空化气泡的破裂产生的水射流对工件表面材料起去除作用;超声波的泵吸、涡流作用可以起到改善电火花加工环境的作用。因此, 工件附加水平超声振动后, 加工效率明显提高。表 5 电火花加工速度表 (10g/min) 下载原表 4 结语(1) 工件附加水平超声振动加工后的表面电蚀坑更加平整, 电蚀坑凸边消失, 电蚀坑形貌表现为大而浅, 且加工表面更加光滑, 表面微裂纹大大减少。(2) 工件复合水平超声振动后, 与普通电火花加工相比, 表面粗糙度明显降低, 平
20、均降低约 10%, 在一些电参数下甚至可降低 30%以上。在选择较大的峰值电流和间隙电压、以及较小的脉冲宽度和脉冲间隔时, 可更加显著地降低表面粗糙度。(3) 引入超声振动可极大地提高电火花加工速度, 平均速度提高 13%以上, 随着电参数的增大, 速度提高幅度更明显, 对提升电火花加工速度的研究具有指导意义。参考文献1胡富强, 曹福洋, 魏军齐, 等.高硅铝合金超声电火花复合加工表面性能研究A.中国机械工程学会特种加工分会.第 15 届全国特种加工学术会议论文集 (上) C.中国机械工程学会特种加工分会, 2013:5. 2车江涛.水平超声振动电火花复合加工装置及试验研究D.太原:中北大学,
21、 2014. 3张云鹏, 赵伟, 孙广标, 等.超声电火花复合加工钛合金表面质量研究J.电加工与模具, 2009 (1) :22-25. 4张树彩.超声电火花线切割复合加工的研究D.大连:大连理工大学, 2005. 5张高萍, 郭光宜, 周昇.硬质合金的超声电火花复合加工速度研究J.模具技术, 2011 (3) :60-63. 6常小龙.TC4 钛合金工件超声振动电火花复合加工试验研究D.太原:中北大学, 2016. 7王璟, 祝锡晶, 庞昊斐.工件超声振动电火花复合加工技术的研究J.热加工工艺, 2016, 16:133-136. 8张高萍, 郭光宜, 周昇.硬质合金的超声电火花复合加工速度研究J.模具技术, 2011 (3) :60-63. 9缪东辉, 韩超, 高长水.硬质合金的超声电火花复合加工试验研究J.电加工与模具, 2010 (3) :18-21. 10徐林红, 江征风, Jan-Eric St hl.镍基合金 Inconel718 可切削加工性的试验研究J.现代制造工程, 2010 (2) :91-94. 11孔文军, 车江涛, 祝锡晶, 等.水平超声振动电火花复合加工试验研究J.制造业自动化, 2014 (19) :38-41.
