劉 宇，王文建，馬付建，閻長罡，張生芳

（大連交通大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116028）

多材質(zhì)電極電火花加工利用電火花加工時不可避免的電極損耗及形狀變化，采用不同材料組成的多材質(zhì)電極，對具有復(fù)雜曲面的模具微小型腔進行加工，拓寬了電火花成形加工的工藝范圍。但在電火花加工過程中，不同材料的電極損耗和形狀變化對加工精度影響很大，其影響因素已成為國內(nèi)外研究的熱點。雍耀維等選用紫銅、鎢及三種不同配比銅鎢合金電極材料進行電火花加工實驗，分別測量穩(wěn)定加工時的間隙放電電壓，發(fā)現(xiàn)隨著材料配比和開路電壓的不同，極間放電電壓變化顯著，從而影響了最終的加工特性[1]。陳虎等進行了紫銅電極和CuW50銅鎢合金電極加工實驗，認為相同工藝參數(shù)下，加工過程受電極材料熱學(xué)性能影響較大，銅鎢合金材料去除率約為紫銅的85.7%，而電極相對損耗約為紫銅的42.9%，從而為電火花加工不銹鋼模具材料的電極選擇提供了經(jīng)驗參考[2]。Khan研究了紫銅和黃銅電極的總體性能，結(jié)果表明，用黃銅電極加工低碳鋼時電極損耗率最大，用黃銅電極加工鋁時材料去除率最高，用紫銅電極加工低碳鋼時材料去除率變得非常低[3]。Norasetthekul等在黃銅電極表面涂覆大量熔點高、導(dǎo)熱性好的硼化鋯材料，制備成新型電極并進行電火花加工實驗，結(jié)果表明，新型電極比黃銅電極、銅鎢合金電極的使用壽命提高3～5倍[4]。Jeong等采用圓柱刀具的電火花鉆孔工藝仿真模型進行電火花加工模擬，能較準(zhǔn)確地預(yù)測損耗后的電極幾何形狀[5]。呂奇超等利用鎳鎢合金鍍層制備多材質(zhì)復(fù)合電極，以增強電極表層材料的抗電蝕性能，所得復(fù)合電極能有效降低加工過程中電極側(cè)壁及端部棱角處的損耗，從而改善加工孔的形狀精度[6]。

本文采用不同材料組成的多材質(zhì)電極，以模具鋼為加工對象開展了電火花加工實驗研究，分析了電極材料、加工極性對多材質(zhì)電極損耗的影響規(guī)律，并以黃銅-模具鋼電極、紫銅-銅鎢合金電極為研究對象，分析了多材質(zhì)電極的形狀變化規(guī)律，研究結(jié)果對多材質(zhì)電極電火花加工具有指導(dǎo)意義。

1 實驗方案

多材質(zhì)電極電火花加工過程中的電極損耗可分為端面損耗、角損耗、側(cè)面損耗及結(jié)合區(qū)過渡曲面四種形式（圖1）。

圖1 多材質(zhì)電極損耗示意圖

（1）端面損耗。端面最接近工件表面，所以放電概率最大，損耗最嚴(yán)重。

（3）側(cè)面損耗。電極和工件側(cè)壁之間產(chǎn)生的火花放電及電蝕產(chǎn)物排出時“二次放電”，導(dǎo)致電極發(fā)生側(cè)面損耗。

（4）結(jié)合區(qū)過渡曲面。結(jié)合區(qū)因不同材料的電蝕性能變化等影響，形成過渡曲面。

為了分析電極材料、加工極性對多材質(zhì)電極損耗及形狀變化影響的規(guī)律，設(shè)計并制作了多材質(zhì)電極，并在自行搭建的電火花加工機床上進行電火花小脈寬加工實驗。電極材料及加工參數(shù)見表1。將表1所示的電極材料兩兩組合，采用熱鍍方法將不同材料通過錫金屬連接在一起，從而制成多材質(zhì)電極（圖 2）。

圖2 熱鍍法制備的多材質(zhì)電極

實驗將加工時間設(shè)置為定值，用電子游標(biāo)卡尺量取多材質(zhì)電極各組分在加工前、后的長度，并計算其損耗；通過電子顯微鏡對電極形狀進行觀察，并分析電極各組分之間的電極損耗規(guī)律；再以黃銅-模具鋼電極、紫銅-銅鎢合金電極為研究對象，對模具鋼進行正極性加工，每加工1 min，用電子顯微鏡觀察電極形狀變化情況，進而研究多材質(zhì)電極的形狀變化規(guī)律。

表1 多材質(zhì)電極材料及加工參數(shù)

2 電極損耗影響實驗

2.1 電極材料對長度損耗的影響規(guī)律

圖3是多材質(zhì)電極負極性加工模具鋼的電極長度損耗對比?？梢姡谪摌O性加工時，多材質(zhì)電極內(nèi)部不同材料的電極長度損耗整體趨勢是：黃銅＞紫銅＞模具鋼＞銅鎢合金，這一趨勢基本不受與該材料組合的其他材料的變化影響，且基本與電極材料的熔點由小到大的排列順序一致，同時材料的導(dǎo)熱性能也起到了一定的輔助作用（表2）。由此可知，在負極性加工時，熔點高、導(dǎo)熱性好的材料其電極長度損耗小，熔點低、導(dǎo)熱性差的材料其長度損耗大。

表2 不同電極材料的物理參數(shù)

圖4是多材質(zhì)電極正極性加工模具鋼的電極長度損耗對比?？梢?，在正極性加工時，不同材料的電極長度損耗趨勢是：模具鋼＞紫銅＞黃銅＞銅鎢合金，這與負極性加工時有所不同。造成紫銅電極損耗高于黃銅電極損耗的原因是：紫銅電極在加工時有部分電極材料熔融后會粘附在工件表面，增加了電極損耗，該現(xiàn)象在正極性加工時出現(xiàn)的概率遠多于負極性加工。不僅如此，紫銅電極在正極性加工時工件向上抬起的頻率也遠多于負極性加工，這說明正極性加工時因材料粘附而造成的電極長度損耗會更大，而其他電極材料在加工過程中未發(fā)現(xiàn)工件粘附抬起的現(xiàn)象。同時，在正極性加工時，紫銅和黃銅電極的長度損耗均小于模具鋼電極，而在負極性加工時，模具鋼電極的長度損耗較大。

圖3 負極性加工模具鋼時不同電極的長度損耗情況

圖4 正極性加工模具鋼時不同電極的長度損耗情況

本實驗采用小脈寬放電參數(shù)，正極性加工時接在負極的工具電極得到的能量較少，此時由于紫銅和黃銅電極導(dǎo)熱性能比模具鋼好，達到熔點時的體積就會少于模具鋼；負極性加工時接在正極的工具電極得到的能量較多，此時由于紫銅和黃銅的導(dǎo)熱性能比模具鋼好，其整體溫度就會比模具鋼高，達到熔點時的體積就會相應(yīng)地多于模具鋼；加上模具鋼電極中存在碳元素，這增加了正極工件表面形成的碳黑膜，阻礙工件材料去除的同時，加大了工具電極損耗。

⑤對目前氣候變化的影響還有不確定性。目前最關(guān)心的問題有三個：一是未來如何變化和變多少，二是這種變化對我們自然生態(tài)系統(tǒng)會有什么影響，三是如何適應(yīng)和應(yīng)對未來的變化。

由圖3、圖4可發(fā)現(xiàn)，同種電極材料的電極損耗在不同的電極組合下也不同，其規(guī)律是：當(dāng)某種電極材料與電極損耗大的材料組合時，其自身的電極損耗也相應(yīng)增大；反之，當(dāng)電極材料與電極損耗小的電極材料組合時，其自身的電極損耗也相應(yīng)減小。例如：黃銅材料在負極性加工模具鋼時，其與紫銅材料組合成多材質(zhì)電極時損耗最大，與模具鋼組合時損耗次之，與銅鎢合金組合時損耗最?。辉谡龢O性加工模具鋼時，其與紫銅材料組合成多材質(zhì)電極時損耗最大，與黃銅組合時損耗次之，與銅鎢合金組合時損耗最小。這一趨勢與各材料在正、負極性加工時的損耗順序相一致，造成該現(xiàn)象的原因是因為電極材料的損耗速度不同。在加工過程中，電極損耗小的材料損耗速度慢，連續(xù)加工時該電極材料會突出于電極前端，這會增大其與周圍工件材料放電的概率，同時“幫助”與其組合的另一電極材料加工工件，進而減小了另一材料的電極損耗。

由圖3、圖4還可看出，材料的導(dǎo)熱性能也影響了電極損耗。通常來說，在多材質(zhì)電極中，能量是從高熔點材料向低熔點材料傳導(dǎo)的，如果電極材料的熔點高且導(dǎo)熱性能好，加工中易將能量傳給同組的其他材料，降低自身材料損耗的同時，增加了同組其他材料損耗的可能性，而其他材料如果導(dǎo)熱能力不強，被傳導(dǎo)來的熱量就會被自身吸收，增加了電極損耗。圖4所示紫銅-銅鎢合金電極與模具鋼-銅鎢合金電極的對比就是一個很好的例子：銅鎢合金的熔點高且導(dǎo)熱能力強，其熱量在加工過程中由銅鎢合金傳給紫銅和模具鋼，但由于紫銅的導(dǎo)熱能力強于模具鋼，能順利地將多余熱量傳散出去，其熔點雖低于模具鋼，但電極損耗卻低于模具鋼。圖3所示紫銅-模具鋼電極與黃銅-模具鋼電極的對比結(jié)果也能證實以上說法：紫銅材料的熔點和黃銅相差不大，但加工中二者的電極損耗相差很大，就是因為紫銅材料良好的導(dǎo)電性能，將加工中的熱量及時傳散出去，同時也幫助同組的模具鋼材料散熱，降低了二者的電極損耗。

2.2 電極材料對電極角損耗的影響規(guī)律

圖5是正極性加工時，多材質(zhì)電極加工后的端部形狀?？煽闯?，不同電極的組合會得到不同的端面形狀。由圖5a可知，模具鋼-銅鎢合金多材質(zhì)電極中，模具鋼的損耗長度大于銅鎢合金，且銅鎢合金的電極端面有明顯的圓弧，但模具鋼的電極端面卻近似為平面。該現(xiàn)象是由于電極損耗速度不同而造成的，蝕除速度越快，電極受伺服機構(gòu)控制進給就越快，電極中間部位的損耗就越快，導(dǎo)致電極端面還沒來得及進行角損耗就已向下進給，最后就會得到角損耗不明顯近似為平面的電極端面。由圖5b可發(fā)現(xiàn)，損耗慢的銅鎢合金電極的端面圓弧沒有損耗快的黃銅電極端面圓弧明顯，其原因是銅鎢合金損耗太小，約0.02 mm，其角損耗同樣很小，所以其端面圓弧并不明顯；而黃銅電極的長度損耗約為0.18 mm，近似為銅鎢合金的9倍，故其角損耗會比銅鎢合金明顯，導(dǎo)致黃銅電極端面圓弧更明顯。從圖5e可見，模具鋼和紫銅電極材料的端面均近似為平面，這是因為二者的損耗速度都很快且速度近乎相等，因此角損耗都不明顯。從圖5c、圖5d和圖5f可知，三種多材質(zhì)電極中損耗慢的電極端面近似為圓弧，損耗快的均近似為平面，其原因和圖5a所示情況一致。

圖5 正極性多材質(zhì)電極加工形貌

圖6是負極性加工時，多材質(zhì)電極加工后的端部形狀?？梢?，損耗快的電極材料端面形狀近似平面，而損耗慢的電極材料端面形狀往往為近似半球狀，角損耗較大，該現(xiàn)象與正極性加工相一致。所不同的是負極性加工時，不同材料電極的端面形狀變化差異更大，角損耗后的端面近似為半球狀，這或是因為負極性加工時的損耗相比正極性加工更大。

觀察圖6b可發(fā)現(xiàn)，在紫銅-模具鋼多材質(zhì)電極的負極性加工時，紫銅電極端面近似為平面，而模具鋼電極端面卻近似為半球狀。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是因為紫銅電極加工過程中損耗很快，而模具鋼電極卻相對較慢，損耗慢的電極加工的深度更深，受周圍材料側(cè)面放電的影響較大。從圖6d可看出，雖然銅鎢合金電極端面也為球狀，紫銅電極端面近似為平面，但與圖6c所示的電極端面形狀略有不同。圖6c所示的銅鎢合金電極側(cè)面損耗更嚴(yán)重，這是因為黃銅電極在負極性加工時的電極損耗比紫銅嚴(yán)重，且在相同時間內(nèi)，銅鎢合金加工時間更長、深度更深，此時銅鎢合金的側(cè)面和工件更易產(chǎn)生側(cè)面放電，導(dǎo)致銅鎢合金電極側(cè)面損耗更嚴(yán)重。從圖6f可發(fā)現(xiàn)，電極端面形狀均接近球狀，但都不明顯。這是因為二者損耗慢且速度相差不多。

圖6 負極性多材質(zhì)電極加工形貌

2.3 加工極性對長度損耗的影響規(guī)律

從圖3、圖4可看出，多材質(zhì)電極中除了模具鋼電極，其余電極在負極性加工時的長度損耗均高于正極性加工時，這主要是因為本實驗選取了小脈寬放電參數(shù)，在負極性加工時，電極接正極、工件接負極，因脈寬較小，加工過程中的電子因質(zhì)量和慣性小，易在短時間內(nèi)獲得很高的加速度和速度，因此會有大量的電子轟擊正極，傳遞的能量較多，導(dǎo)致連接正極的工具電極損耗較快；而正離子質(zhì)量大，在較短的脈寬時間內(nèi)，僅有一小部分正離子能到達負極，放電期間傳遞的能量較少，導(dǎo)致工件電極損耗較慢。而在正極性加工時，接在負極的工具電極受到少量正離子的轟擊作用，故電極長度損耗小。

模具鋼電極之所以在負極性加工時電極長度損耗小于正極性加工時，可能是因為用模具鋼做工具電極時增加了放電區(qū)域碳元素的含量，使加工過程中生成碳單質(zhì)的可能性增加，而放電生成的碳單質(zhì)往往帶有負電，易吸附在正極的模具鋼材料上形成碳黑膜。當(dāng)負極性加工時，接在正極的模具鋼工具電極表面會形成一層碳黑膜，減少了工具電極損耗；而正極性加工時，接在正極的模具鋼工件上會形成碳黑膜，從而增加電極損耗。

2.4 加工極性對電極角損耗的影響規(guī)律

對比圖5、圖6可發(fā)現(xiàn)，在負極性加工時，不同材料電極的端面形狀變化差異更大，角損耗后的端面近似為半球狀；而正極性加工時，不同材料電極的端面形狀變化差異不大，這可能是由于負極性加工的電極材料損耗相比正極性加工更大所造成的。例如：多材質(zhì)電極中的銅鎢合金材料在正極性加工時，銅鎢合金電極端面圓弧形狀沒有負極性加工時明顯，這是因為正極性加工時，銅鎢合金損耗較小，僅為零點幾毫米，導(dǎo)致角損耗不明顯，而負極性加工時，工具電極損耗速度會有所增加，電極端面圓弧更明顯。但是，多材質(zhì)電極中的紫銅和黃銅電極在正極性加工時，電極端面圓弧比負極性加工時明顯，這是因為正極性加工時電極的損耗速度遠小于負極性加工，損耗速度越快，伺服進給就越快，電極中間部位蝕除就快，角損耗就不明顯。而多材質(zhì)電極中的模具鋼電極在正極性加工時，電極端面圓弧沒有負極性加工時明顯，這是因為模具鋼電極在正極性加工時，由于工件碳黑膜的保護作用，工具材料中間部位蝕除更快，角損耗不明顯。

3 電極形狀變化影響實驗

3.1 黃銅-模具鋼多材質(zhì)電極形狀變化規(guī)律

模具鋼-黃銅多材質(zhì)電極形狀隨加工時間的變化情況見圖7?？梢?，隨著加工時間的增加，黃銅電極端面從開始的平面逐漸變成球狀表面，而模具鋼電極端面最終邊緣僅有很小的圓弧，電極中間一直保持為近似的平面。分析原因：黃銅電極端面從平面逐漸變?yōu)閳A弧是因為相比模具鋼材料，黃銅材料的損耗較小，材料端部一直突出于工具電極前端，由于電極邊緣處的場強比其余位置高，具有更高的放電概率，邊緣處的電極損耗速度更快，隨著電極邊緣曲率不斷減小，電極端面場強逐漸趨于平穩(wěn)，最后進入均勻場強階段，意味著黃銅電極進入均勻損耗階段。而模具鋼電極僅兩側(cè)有很小的圓弧，端面卻一直近似為平面是因為模具鋼電極在正極性加工時，端面損耗速度較快，導(dǎo)致角損耗不明顯，最終使其端面近似為平面。

由圖7還可發(fā)現(xiàn)，黃銅和模具鋼材料的結(jié)合處形成一過渡曲面，其形狀近似于圓弧，且隨著加工時間的增加，過渡曲面的形狀也發(fā)生了變化。利用圓心角測試法求出的結(jié)合區(qū)過渡曲面圓弧半徑和圓心角的關(guān)系見圖8?？梢?，隨著時間的增加，黃銅-模具鋼多材質(zhì)電極結(jié)合區(qū)域圓弧的圓心角逐漸增大并趨于穩(wěn)定，而圓弧半徑逐漸減小并趨于穩(wěn)定。分析原因：在加工開始階段，由于電極材料的耐電蝕性差異，在不同材料的結(jié)合區(qū)域形成過渡曲面，而該過渡曲面的形狀趨近于電場強度的等勢面，加之加工初始階段的電極形狀變化較快，過渡曲面在形狀和大小上的變化也較快；隨著加工持續(xù)進行，多材質(zhì)電極進入均勻損耗階段，此時過渡區(qū)域的圓弧半徑和圓心角均基本恒定。

圖7 模具鋼-黃銅多材質(zhì)電極形狀隨時間的變化情況

圖8 黃銅-模具鋼電極結(jié)合區(qū)過渡圓弧的半徑及圓心角

3.2 紫銅-銅鎢合金電極形狀變化規(guī)律

圖9是紫銅-銅鎢合金多材質(zhì)電極形狀隨加工時間的變化情況?？煽闯?，隨著加工的進行，銅鎢合金和紫銅電極兩側(cè)均產(chǎn)生了很小的圓弧，而電極中間卻均近似為平面。銅鎢合金的電極端面沒有形成圖7e所示黃銅電極的球狀，這是因為銅鎢合金的損耗速度相對于黃銅要慢很多，損耗長度太小，進而導(dǎo)致圓弧不明顯；而紫銅電極側(cè)面圓弧小是因為紫銅電極損耗速度快，導(dǎo)致角損耗不明顯。

圖9 紫銅-銅鎢合金多材質(zhì)電極形狀隨時間的變化情況

從圖9還可發(fā)現(xiàn)，結(jié)合處形成的過渡曲面隨著加工時間的增加越來越明顯。利用圓心角測試法得到紫銅和銅鎢合金電極結(jié)合處的圓心角和半徑之間的關(guān)系見圖10?？煽闯?，隨著時間的增加，紫銅-銅鎢合金多材質(zhì)電極結(jié)合區(qū)域的圓弧圓心角逐漸增大并趨于穩(wěn)定，而圓弧半徑逐漸減小并趨于穩(wěn)定，這與圖8所示現(xiàn)象類似。與圖8相比，紫銅-銅鎢合金多材質(zhì)電極結(jié)合區(qū)域的過渡圓弧半徑更大、圓心角更小，這與兩種材料之間的耐電蝕性差異有關(guān)。觀察圖9、圖10可發(fā)現(xiàn)，開始加工1 min時，紫銅-銅鎢合金多材質(zhì)電極損耗慢，過渡處圓弧并不明顯；在2 min時過渡圓弧開始出現(xiàn)，且圓弧半徑隨著加工進行而減小，同時圓心角增大；當(dāng)加工時間超過3 min后，過渡區(qū)域圓心角和半徑均基本不變，說明此時多材質(zhì)電極已進入均勻損耗階段。

4 結(jié)論

本文針對電火花加工中多材質(zhì)電極的損耗和形狀變化，采用單因素試驗研究方法分析了電極材料、加工極性對多材質(zhì)電極長度損耗和角損耗的影響規(guī)律，研究了黃銅-模具鋼、紫銅-銅鎢合金多材質(zhì)電極加工模具鋼材料時的電極形狀變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

圖10 紫銅-銅鎢電極結(jié)合區(qū)過渡圓弧的半徑及圓心角

（1）兩種材料組成多材質(zhì)電極時，通常熔點高且導(dǎo)熱性好的材料損耗較小，并能輔助減小同組其他材料的電極損耗；損耗較慢的電極材料端部角損耗一般較大，而損耗較快的電極材料端部角損耗較小。

（2）對于小脈寬放電加工而言，負極性加工的電極長度損耗比正極性加工大，且電極端部角損耗也比正極性加工明顯。

（3）加工中，多材質(zhì)電極結(jié)合處會形成過渡曲面，隨著加工的進行，其圓弧半徑和圓心角逐漸減小，當(dāng)加工進入均勻損耗階段后，多材質(zhì)電極過渡曲面的圓弧半徑和圓心角基本恒定不變。

[1] 雍耀維，唐博.電極材料對極間放電電壓及加工特性影響[J].機械設(shè)計與制造，2012（6）：103-105.

[2] 陳虎，張立新，喻俊志，等.電火花加工中電極材料對加工性能影響的試驗研究 [J].現(xiàn)代制造工程，2013（4）：79-84.

[3] KHAN A A.Electrode wear and material removal rate during EDM of aluminum and mild steel using copper and brass electrodes[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39（5）：482-487.

[4] NORASETTHEUL S，EUBANK P T，BRADLEY W L，et al.Use of zirconium diboride-copper as an electrode in plasma applications[J].Journal of Materials Science，1999，34（6）：1261-1270.

[5] JEONG Y H，MIN B K.Geometry prediction of EDM-drilled holes and tool electrode shapes of micro-EDM process using simulation [J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2007，47 （12-13）：1817-1826.

[6] 呂奇超.微細電火花復(fù)合電極制備技術(shù)仿真與實驗研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.