电火花成形加工中不同材料的工件试验研究
电火花成形加工(Sinker EDM)是指在一定的介质(工作液)中，通过电极和工件之间脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工的方法。其加工原理是，当电极和工件之间施加很强的脉冲电压时，会击穿介质绝缘强度最低处。由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达10 000~12 000℃，工件表面和电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出电极的形状，从而达到成形加工的目的，它是一种非传统的材料去除方式之一[1,2].
近年来，随着现代科学技术的发展，电火花成形加工技术在制造业领域占有重要地位，是实现难加工材料、复杂零部件精密加工的有效手段。电火花成形加工相对于其他传统加工技术而言，其发展历史并不长久，对其加工机理与适用范围的研究也不充分。应用电火花成形加工不同材料的工件，可达到的表面粗糙度值及加工成形所需时间虽然有一些参考，但工件材料的物理性能存在差异，实际可达到的表面粗糙度值及加工成形所需时间需要试验获取。
本文以航空零部件电火花成形加工中不同材料的工件，通过试验探究加工不同工件材料可达到的加工表面粗糙度值及加工成形所需时间，旨在为制造业应用电火花成形加工提供一定的参考。
1 试验目的
针对不同材料(不锈钢、30Cr Mn Si、铝合金、钛合金)的工件采用电火花成形加工，在相同的加工参数和等同的试验条件下，测取工件加工成形表面粗糙度值及加工成形所需的加工时间。
2 试验方案
2.1 试验工件材料及数量
在航空零部件制造过程中，大多数的材料为强度高或者密度小等合金材料[3].因此，本文以不锈钢、30Cr Mn Si、铝合金、钛合金为研究对象，选取试验工件4种材料为：1Cr18N i9Ti(不锈钢)、30Cr Mn Si、2A12(铝合金)、TC6(钛合金)。试验工件数量：4种材料的工件各加工3个，试验工件数量为12个，每种材料加工的试验结果取3个试验工件的平均值。
2.2 试验工件加工图样
试验工件加工图样，如图1所示。电火花成形加工的孔是直径3 mm,孔深2.5 mm的小孔。
2.3 试验设备
1)试验加工设备为台湾CHMER EDM电火花成形加工机床;2)电火花成形加工后，便于工件小孔内径表面粗糙度测量的切割设备为DK77402G型电火花线切割机;3)表面粗糙度测量设备为Marsurf SD 26表面粗糙度测量仪。
2.4 电极材料选择
在电火花成形加工中，电极材料通常有石墨、紫铜、钨铜等导电性能较好的材料[4,5].考虑电极制作成本与加工中的电极损耗等影响，本文试验选择圆柱形紫铜电极材料，紫铜成形直径为3 mm,夹头处直径为7 mm,如图2所示。
2.5 工件加工前处理
为减小工件加工成形误差，分别对4种材料的12个试验工件的加工表面，在电火花成形加工前进行表面抛光处理[6].试验工件加工前表面抛光处理后，如图3所示。
2.6 工件加工电参数和非电参数
工件加工选择的电参数如表1所示，极性为正极性(工件接正极，电极接负极)。工作液为Vacmul EDM3美孚维美电火花机油。
3 试验结果及分析
由图4可知：工件加工的成形小孔轮廓较为完整，形状较好。一方面是由于成形加工过程中电极与工件形成的放电通道能量转移能力强，在单位时间内蚀除的颗粒可以排除加工间隙，减小蚀除物的堆积，若蚀除物在加工过程中不能及时的排除，间隙堆积会引起"二次放电"现象，导致加工条件恶化，甚至会产生短路状况，影响电火花成形加工的稳定性和加工精度[8,9].另一方面是由于紫铜电极材料本身具有良好的导电性能以及足够的硬度与强度，使得电极底端放电更加均匀有效，进而保证加工成形的稳定性。但是加工后的4种工件表面形貌(粗糙度)有所不同，而在钛合金材料表面有明显的灼伤现象。用特制的航空清洗液对加工后的4种工件进行清洗，钛合金成形的灼伤表面不能够清洗除去，若用砂纸进行打磨，将影响工件的尺寸公差。在航空零部件的工艺生产单要求中，灼伤的表面无法满足原材料的光泽度要求。
3.1 工件加工成形所用的时间
4种不同材料试验工件，电火花成形加工所用的时间，试验结果如图9所示。
由图9可知：电火花成形加工，在相同的电参数与非电参数下加工不同材料工件，加工成形所用的时间是不同的。不锈钢与30Cr Mn Si材料所消耗的时间大致相同，铝合金材料加工时间最短，这是由于铝合金具有低密度的特点，在相同的放电参数下单位时间内蚀除材料的体积更大，钛合金材料加工所消耗的时间为铝合金的12倍左右，这主要是因为钛合金拥有超强的硬度，在电火花成形加工中电参数单位时间内所蚀除的工件面积相对较小。
3.2 工件加工成形表面粗糙度
对4种不同材料12个(每种3个)试验工件，电火花成形加工表面粗糙度，每个试验工件以不同路径测量10次取平均值，加工成形表面粗糙度试验结果如图10所示。
由图10可知：电火花成形加工30Cr Mn Si材料小孔内径表面粗糙度最好，其表面粗糙度为Ra1.06μm,4种不同材料工件小孔内径表面粗糙度优劣顺序为：30Cr Mn Si>钛合金(TC6)>铝合金(2A12)>不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。电火花成形加工钛合金材料小孔底面表面粗糙度最好，其表面粗糙度为Ra1.57μm,4种不同材料工件小孔底面粗糙度优劣顺序为：钛合金(TC6)>铝合金(2A12)>30Cr Mn Si>不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。
依据本文试验结果及电火花成形加工原理，并查阅现有相关资料[10,11],在相同的加工参数和等同的试验条件下，电火花成形加工不同材料的工件，由于工件材料的物理性能(熔点、硬度和强度等)不同，形成的放电凹坑大小不同，导致工件成形表面粗糙度值及所需的加工时间有明显的变化。
4 结论
本文针对航空零部件常用材料(不锈钢、30Cr Mn Si、铝合金、钛合金)，在相同的加工参数和等同的试验条件下，进行电火花成形加工试验，试验结果表明：
(1)电火花成形加工不同材料的工件，工件成形表面粗糙度值及工件成形所需的加工时间均有所不同。
(2)对相同的工件材料，电火花加工工件成形不同的形状(本文小孔内径和底面)，工件成形表面粗糙度值也有所不同。
(3)电火花成形加工4种不同材料工件小孔所需的加工时间长短顺序为：钛合金(TC6)>不锈钢(1Cr18Ni9Ti)>30Cr Mn Si>铝合金(2A12)。
《电火花成形加工中不同材料的工件试验研究》来源：《工程机械》，作者：常星星,陈建彬,冯孟亮
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