洪漢，趙萬(wàn)生，顧琳

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

側(cè)銑式高速電弧放電加工工藝研究

洪漢，趙萬(wàn)生，顧琳

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

側(cè)銑式高速電弧放電加工利用電極側(cè)面放電蝕除工件材料，能加工復(fù)雜的型腔、溝槽及直紋面等。為了探索這種新型電弧放電加工的工藝特性，探討了峰值電流、脈寬和沖液壓力等條件對(duì)工件材料去除率和相對(duì)電極損耗率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：提高沖液壓力和峰值電流均能增大工件材料去除率；相對(duì)電極損耗率隨沖液壓力的提高而增大，隨峰值電流的提高而減小。在一定范圍內(nèi)，工件材料去除率隨脈寬的提高而增大，相對(duì)電極損耗率隨脈寬的提高而減小。

側(cè)銑式高速電弧放電加工；沖液壓力；峰值電流；脈寬

針對(duì)傳統(tǒng)電火花加工效率較低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出利用電弧放電去除材料以獲得較高的加工效率，并取得了實(shí)質(zhì)性突破[1-5]。趙萬(wàn)生等在集束電極電火花加工實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)加工間隙中的沖液流速會(huì)影響工件材料去除率和相對(duì)電極損耗率[6-7]。在此基礎(chǔ)上提出的高速電弧放電加工技術(shù)采用具有多孔結(jié)構(gòu)的工具電極，利用極間沖液來(lái)控制電弧放電[8-11]，從而實(shí)現(xiàn)了高速沉入式放電加工。早期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用500 A加工電流時(shí)，集束電極高速電弧放電加工的材料去除率可達(dá)14 000 mm3/min。

側(cè)銑式高速電弧放電加工是在高速電弧放電加工原理的基礎(chǔ)上，采用側(cè)銑電極作為工具電極，使其沿一定軌跡進(jìn)行掃掠式放電加工。側(cè)銑電極為圓筒形，沿軸線開(kāi)有內(nèi)腔，且電極的側(cè)面設(shè)置有與該內(nèi)腔相通的多個(gè)側(cè)沖液孔，電極底面也開(kāi)有沖液孔（圖1）。側(cè)銑式高速電弧放電加工主要利用側(cè)銑電極的側(cè)面來(lái)放電蝕除工件材料，因而可實(shí)現(xiàn)曲面、直紋面的連續(xù)加工。

圖1 側(cè)銑電極示意圖

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的側(cè)銑式高速電弧放電加工，并進(jìn)一步了解其加工工藝特性，本文進(jìn)行了側(cè)銑式高速電弧放電加工工藝實(shí)驗(yàn)，探討了峰值電流、脈寬和沖液壓力等對(duì)材料去除率（MRR）及相對(duì)電極損耗率（TWR）的影響。

1 側(cè)銑式高速電弧放電加工實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)改造的高速電弧放電加工機(jī)床上進(jìn)行，使用的側(cè)銑電極直徑為20 mm，沖液孔直徑為2 mm。為確保電極具有足夠的剛度，其側(cè)面布孔圈數(shù)為4圈，每圈上的沖液孔數(shù)為12個(gè)（圖1）。圖2是側(cè)銑電極夾具，用于裝夾、固定側(cè)銑電極，并通過(guò)機(jī)床主軸帶動(dòng)電極旋轉(zhuǎn)，工作液通過(guò)沖液管進(jìn)入夾具內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的內(nèi)沖液。

圖2 側(cè)銑式高速電弧放電加工電極夾具

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電極材料為石墨，工件采用Cr12硬質(zhì)模具鋼，且與正極連接。為實(shí)現(xiàn)高能量的電弧放電，本實(shí)驗(yàn)使用專(zhuān)用的脈沖電源。該脈沖電源可實(shí)現(xiàn)單次放電或連續(xù)放電，各項(xiàng)電參數(shù)均可在極大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。最大峰值電流為600 A，脈寬可調(diào)范圍為0.5～10 ms，脈間可調(diào)范圍為0～10 ms。實(shí)驗(yàn)采用的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 側(cè)銑式高速電弧放電加工實(shí)驗(yàn)條件

為了對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，側(cè)銑式高速電弧放電加工選用加工性能中的材料去除率（MRR）為主要衡量指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合相對(duì)電極損耗率（TWR）進(jìn)行分析。材料去除率是指每分鐘去除材料的體積；相對(duì)電極損耗率是指電極損耗體積和工件材料去除體積的百分比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈寬對(duì)側(cè)銑式高速電弧放電加工的影響

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)研究，選擇峰值電流為400 A，沖液壓力為1.6 MPa，在脈寬分別為3、4、5、6、7 ms時(shí)得到的工件材料去除率和相對(duì)電極損耗率見(jiàn)圖3。可看出，工件材料去除率先隨著脈寬的增加而增大，在脈寬為5 ms附近達(dá)到峰值，再提高脈寬，材料去除率反而降低；而相對(duì)電極損耗率隨著脈寬的增加而減小。

圖3 脈寬對(duì)MRR、TWR的影響

加工過(guò)程中采集到的放電波形見(jiàn)圖4。為有效顯示間隙電壓和放電電流信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了比例變換。圖中第一通道的1 V的測(cè)量電壓對(duì)應(yīng)實(shí)際電壓為33 V，即實(shí)際的開(kāi)路電壓為100 V；第二通道的200 mV的測(cè)量電壓對(duì)應(yīng)實(shí)際電流為400 A。由圖4可見(jiàn)，脈寬增大，單個(gè)脈沖放電能量會(huì)隨之提高，故工件材料去除率上升。但脈寬時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，相當(dāng)于減小脈間長(zhǎng)度，減小了有效放電率，反而不利于放電加工，從而導(dǎo)致材料去除率降低。所以，在一定范圍內(nèi)提高脈寬，可提高工件材料去除率，減小相對(duì)電極損耗率。

圖4 不同脈寬下的電壓、電流波形

2.2 峰值電流對(duì)側(cè)銑式高速電弧放電加工的影響

由于脈寬在5 ms時(shí)，可獲得較高的材料去除率，所以選擇脈寬為5 ms，沖液壓力為1.6 MPa，進(jìn)行不同峰值電流下的加工實(shí)驗(yàn)。選取的峰值電流分別為200、300、400、500、600 A，得到的材料去除率和相對(duì)電極損耗率見(jiàn)圖5。

圖5 峰值電流對(duì)MRR及TWR的影響

由圖5可知，工件材料去除率隨峰值電流的增加而提高；同時(shí)，相對(duì)電極損耗率減小。這是因?yàn)槭姌O的熔點(diǎn)較高，電極損耗較??；當(dāng)放電能量增加時(shí)，等離子體弧柱的能量及壓力隨之增大，對(duì)熔池中液態(tài)金屬的排出效果更顯著，從而單個(gè)電弧放電可去除更多體積的工件材料，而相對(duì)電極損耗率隨之降低；但提高峰值電流會(huì)加大放電時(shí)單個(gè)電蝕坑的尺寸，從而使加工表面更粗糙。因此，峰值電流不能無(wú)限加大。

通過(guò)示波器采集的放電波形見(jiàn)圖6?？煽闯?，電流大小對(duì)有效放電率影響不大，但會(huì)提高放電能量。因此，加大峰值電流可提高工件材料去除率，減小相對(duì)電極損耗率。

圖6 不同峰值電流下的放電波形圖

2.3 沖液壓力對(duì)側(cè)銑式高速電弧放電加工的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沖液壓力大小是通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的。選取峰值電流為400 A，脈寬為5 ms，按表1設(shè)定的5種不同的入口沖液壓力進(jìn)行側(cè)銑式高速電弧放電加工實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的材料去除率和相對(duì)電極損耗率見(jiàn)圖7。

圖7 沖液壓力對(duì)MRR、TWR的影響

由圖7可知，當(dāng)沖液壓力為0.4 MPa時(shí)，極間工作液流速緩慢，加工穩(wěn)定性較差，材料去除率僅為1291 mm3/min。將沖液壓力提高至1.6 MPa時(shí)，加工較穩(wěn)定，材料去除率提高至4095 mm3/min。通過(guò)示波器采集到的放電波形見(jiàn)圖8。

圖8 不同沖液壓力下的放電波形圖

由圖8可知，當(dāng)沖液壓力增加時(shí)，有效放電率進(jìn)一步提高。分析可知，增加沖液壓力能強(qiáng)化極間沖液的流動(dòng)性，提高流體對(duì)電弧的控制能力；同時(shí)，還有利于極間排屑，從而增加了加工穩(wěn)定性，提高了放電率，進(jìn)而提高了材料去除率。但較高的沖液壓力會(huì)提高相對(duì)電極損耗率。因此，側(cè)銑式高速電弧放電加工時(shí)，要獲得較高的材料去除率，同時(shí)保持較小的相對(duì)電極損耗率，必須控制沖液壓力在合適的水平。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述加工條件在加工直紋面類(lèi)零件的可行性，本文最后設(shè)計(jì)了樣件特征加工實(shí)驗(yàn)。加工出的葉片流道見(jiàn)圖9，整個(gè)加工過(guò)程顯示了側(cè)銑式高速電弧放電加工在加工復(fù)雜曲面時(shí)的柔性及高速高效性。

圖9 側(cè)銑式高速電弧放電加工的葉片流道

3 結(jié)論

本文研究了側(cè)銑式高速電弧放電加工的可行性，采用側(cè)銑電極的側(cè)面進(jìn)行電弧放電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面的高效加工。結(jié)合實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)峰值電流為400 A時(shí)，側(cè)銑式高速電弧放電加工直紋面的材料去除率可達(dá)4095 mm3/min，體現(xiàn)了高速、高效去除工件材料的特點(diǎn)。

（2）提高沖液壓力和峰值電流均能使工件材料去除率增大；相對(duì)電極損耗率隨著沖液壓力的增加而增大，隨著峰值電流和脈寬的增加而減小。

（3）在一定范圍內(nèi)提高脈寬，可增大工件材料去除率，減小相對(duì)電極損耗率。

（4）側(cè)銑式高速電弧放電加工適用于難切削材料的直紋面、連續(xù)曲面等的粗加工階段。

[1]Paul M A，Aspinwall D K.Arc sawing performance evaluation and machine design[J].ISEM，1998，12：407-416.

[2]Lamphere M.High-speed electroerosionmilling of superalloys[C]//Proceedings of the 16th International Symposium on Electromachining.Shanghai，2010.

[3]Yuan R，Wei B，Luo Y，et al.High-speed electro erosion milling of super alloys[C]//Proceedings of the 16th InternationalSymposiumonElectromachining.Shanghai，2010：207-210.

[4]葉軍，朱寧，吳國(guó)興，等.數(shù)控高效放電銑削加工技術(shù)[J].電加工與模具，2010（4）：60-63.

[5]Trimmer A L，Hayashi S，Lamphere M.Advancement in high speed electro-erosion processes for machining tough metals[C]//Proceedings of the 16th International Symposium on Electromachining.Shanghai，2010.

[6]李磊，顧琳，趙萬(wàn)生.大流量多孔內(nèi)沖液下的放電波形特征[J].中國(guó)機(jī)械工程，2009（13）：1590-1593.

[7]李磊，顧琳，趙萬(wàn)生.多孔內(nèi)沖液集束電極電火花加工極間流場(chǎng)仿真及試驗(yàn)研究[C]//第13屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[8]Zhao W，Gu L，Xu H，et al.A novel high efficiency electrical erosion process-blasting erosion arc machining[J]. Procedia CIRP，2013，6：622-626.

[9]Gu L，Li L，Rjaurkar K P，et al.An efficient and economical rapid-tooling method for die-sinking electrical discharge machining[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2011，133（5）：051004.

[10]Li L，Gu L，Xi X，et al.Influence of flushing on performance of EDM with bunched electrode[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，58（1-4）：187-194.

[11]Meshcheriakov G，Nosulenko V，Meshcheriakov N，et al. Physical and technological control of arc dimensional machining[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，1988，37（1）：209-212.

Study on Machining Characters of Flank Milling Blasting Erosion Arc Machining

Hong Han，Zhao Wansheng，Gu Lin
（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Flank milling blasting erosion arc machining mainly uses the flank of electrode to remove the material.It can be applied in machining of concaves with complex surfaces，and slots as well.Machining experiments were conducted to explore the machining performance of flank milling blasting erosion arc machining under different inlet pressures，peak currents and pulse durations.The experimental results show that higher inlet pressure and peak current could improve the material removal rate correspondingly.Tool wear ratio would be amplified with the increasing of the inlet pressure，and reduced with the increasing of peak current.Increasing the pulse duration can reduce tool wear ratio，but the material removal rate increases within a certain range.

flank milling blasting erosion arc machining；inlet pressure；peak current；pulse duration

TG661

A

1009－279X（2014）04－0004-04

2014-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51235007）

洪漢，男，1989年生，碩士研究生。