微细电极凹底损耗的影响因素分析

2022-02-23王元刚李晓鹏

机械设计与制造 2022年2期

王元刚，王慧，李晓鹏

（大连大学机械工程学院，辽宁大连 116622）

1 引言

电火花铣削加工相比传统的电火花加工具有电极制造简单、更换电极方便、电极损耗易补偿等优点。目前一些国外有名的电火花加工设备生产厂家都在大力研究和开发电火花铣削加工技术。国外某公司预测未来电火花铣削加工将占模具加工的30%，具有巨大的发展潜力与不错的发展前景。电火花铣削加工作为一种新颖的电火花成型加工技术，一旦在关键技术上取得突破，很有可能逐步取代传统的电火花成型加工。

由于尺度效应，微细电火花铣削中电极损耗对加工精度的影响是不容忽视的［1］。为提高微细电火花铣削加工精度，一方面，各种电极损耗预测［2］、电极损耗补偿［3-4］、电极在线修整方法［5］不断涌现。另一方面，针对微细电极材质结构［6］及制造工艺［7］，研究人员也提出了不少改进与创新方法。虽然这些方法可以在一定程度上提高微细电火花铣削加工精度，但不论是补偿控制还是改进电极，都会增加微细电火花铣削的工艺难度与加工成本。另外，电极形状损耗所带来的加工误差始终难以得到有效解决。因此，为保持微细电极形状稳定，有必要从研究电极形状损耗规律出发。

目前，对电极形状损耗的研究较少，且对于圆柱电极的损耗形式分析不够全面。已有的实验研究表明，在电火花加工过程中电极会出现凹底损耗现象［8-9］。针对微细电极凹底损耗的影响因素及影响机理展开深入研究，以期为电火花微细加工电极形状控制提供数据参考与理论支持，提高电火花铣削加工精度。

2 实验分析

由于影响凹底损耗的因素复杂繁多，为进行一定的理论分析必须将影响因素进行提炼。当前的实验数据处理方法有很多，考虑实验量与实验效果，采用正交实验与响应曲面结合的方式，则可以很好地达到研究目的。

2.1 实验准备

采用沙迪克电火花机床（AD30LS）设备进行加工，加工示意图，如图1所示。实验采用直径为1.0 mm的圆柱电极，在SUS420不锈钢工件上加工孔，工作液为煤油。

图1 加工示意图Fig.1 Working Diagram

在现有资料的加工条件下，具体参数，如表1所示。进行试验加工出现明显的凹底损耗现象，如图2所示。

表1 试验加工条件Tab.1 The Processing Conditions of Electrode Wear Test

图2 加工后电极剖面图Fig.2 Electrode Profile after Machining

2.2 正交实验

根据电极材料蚀除过程的影响因素，考虑电流峰值、脉冲宽度、脉冲间隔与抬刀速度4个可能的影响因素，设计四因素三水平（L9（34））正交实验，提炼出主要影响因素。实验设计与结果，如表2所示。其余加工条件，如表1所示。由极差分析可知，4个影响因素的影响程度大小排列为：电流峰值＞脉冲宽度＞脉冲间隔＞抬刀速度。电流峰值与脉冲宽度对电极凹底损耗的影响显著，凹底损耗程度随4者的变化均为下降趋势。正交实验表明，脉冲间隔与抬刀速度不是影响凹底损耗的主要因素。由于两者影响蚀除产物的抛出，故“凹坑”的形成与切削的排出关系不大。

表2 正交试验Tab.2 Orthogonal Experiment

2.3 CCD实验

中心组合设计（Central Composite Design）是响应曲面中最常用的二阶设计。它可以从少量的实验中挖掘大量的信息。此外，还可以检测独立参数对响应的相互作用效果，能够较好地阐明独立工艺参数二元组合的影响。模型的数学表达式如下：

式中：x—响应的输入；y—响应的输出；b—多项式常数；ψ—误差常数。

根据正交试验的分析，峰值电流IP与脉冲宽度ON是影响“凹坑”形成的主要因素，以两者为模型的输入，“凹坑”深度为模型的输出建立二阶响应模型，以进一步探究两者对“凹坑”形成的影响。

根据实验，“凹坑”在表1条件下的存在范围为峰值电流IP＜21A，脉冲宽度ON＜5μs左右。由于加工条件的限制，脉冲宽度ON只能取整数，故对于脉冲宽度ON的中心点可选择3 μs，然而在脉冲宽度为5 μs（1.414点），峰值电流IP＞8A时“凹坑”深度变化不明显，为了满足中心设计要求，对峰值电流取以2为底的对数，使得log2（IP）满足中心设计要求，求解后再进行回代。这样不仅可使实验的覆盖范围较广，而且实验点前密后疏的分布能够较好地解决“凹坑”消失前变化不明显导致分辨度不高的问题。由此，将正交实验得出的主要影响因素作为该设计的自然变量，完整的设计和结果，如表3所示。

表3 CCD实验设计Tab.3 Central Composite Design Experiment

用计算机进行计算，在方差显著水平为5%的条件下，得出的响应模型为：

模型的拟合度及各因素的显著性，如表4所示。

表4 响应曲面的方差分析Tab.4 ANOVA for Response Surface Quadratic Model

从表4可以看出模型的F值为153.42，P＜0.0001，说明模型特征显著，失拟项为0.3208不显著，说明模型拟合良好。另外，预测值与实际值对比图，如图3所示。观察可知，预测值与实际值大致在一条直线上，亦说明预测值与实际值相差不大，故模型能够较好地拟合实验点的数据。

图3 预测与实际对比图Fig.3 Forecast vs.Actual Chart

由表4可知，因素A-A、B-B、A2的影响效果非常显著。上述过程得到了以因素A（log2（IP））与B（ON）为因变量的响应曲面表达式，据其绘制出的响应曲面模型图以及回代后的响应曲面模型图，如图4所示。图4清晰地展示了“凹坑”在峰值电流与脉冲宽度影响下的分布情况，即“凹坑”存在于峰值电流与脉冲宽度均较小的情况，且消失边界大致呈线性。当峰值电流IP＞26 A或脉冲宽度ON＞6 μs时电极凹底损耗现象将不复存在。

图4 响应曲面模型图Fig.4 Response Surface Model Diagram

3 机理分析

由上述分析可知，电流峰值与脉冲宽度对“凹坑”的形成起着至关重要的作用。现以峰值电流与脉冲宽度为主，从趋肤效应、热爆炸力、等离子体、流体动力4个角度出发，结合现有理论，对“凹坑”的形成机理进行分析。（1）趋肤效应：在趋肤效应的影响下，接负极的工具电极边缘主要是冷发射出来的电子，而中部则为接正电的工件电极所发射出来的离子，能量越高粒子发射越明显，工具电极底部中心受工件电极发射出来的离子轰击作用产生“凹坑”。而峰值电流与脉冲宽度的增大会使凹底损耗减小的原因则由于尖端放电以及趋肤效应使得电极边角损耗增大，相应地微细电极端面上留给“凹坑”存在的区域减小。（2）热爆炸力：放电通道作用在电极表面的电动力，实际上可以分为两种力，即指向轴线的径向力和指向电极内部的轴向力。而电流较小时径向压力作用不显著，会阻碍金属的挤出，所以从熔化的电极材料会在电极底部中心处聚集，并且在电场力与重力的作用下附着在工件表面上。另外，当脉冲间隔较小时，放电集中发生于某一部位，也有利于在正极上生成覆盖层。（3）磁流体动力：放电通道等离子体振荡频率与振幅随电流密度与放电电流增大而增大，相应地蚀除率也增加，而凹底损耗的峰值电流较小，磁流体动力作用效果不明显。（4）流体动力：放电通道周围的工作液会在高温热源作用下气化并发生热分解。在小脉宽下，蚀除产物大都是由气泡破裂而被抛出的。可以得出，凹底损耗时电极材料的抛出主要依赖于此。

经上述对凹底损耗的形成机理分析，可知在凹底损耗形成过程中，趋肤效应使得电极的不同区域损耗不均，进而出现“凹坑”，而热爆炸力与流体力又在材料的抛出过程中对“凹坑”的形成起了正向促进作用。电流峰值与脉冲宽度的影响是全方位多角度的，贯穿于“凹坑”形成的整个过程。