呂傳偉，谷安，李明義，鄭漢卿

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

超聲振動(dòng)輔助混粉電解電火花加工工藝研究

呂傳偉，谷安，李明義，鄭漢卿

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

提出了一種使用超聲振動(dòng)輔助混粉電解電火花銑削加工硬脆性非導(dǎo)電材料的方法。通過對(duì)高硼玻璃進(jìn)行超聲振動(dòng)作用下的混粉電解電火花銑削加工實(shí)驗(yàn)，研究了超聲振動(dòng)對(duì)電解電火花銑削加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：采用超聲振動(dòng)輔助混粉電解電火花加工，可獲得較好的表面質(zhì)量。

電解電火花加工；超聲振動(dòng)；銑削加工；混粉

硬脆性非導(dǎo)電材料具有高硬度、高脆性、高電阻、耐磨損、耐腐蝕、不導(dǎo)磁等優(yōu)良特性，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，特別是在汽車、航空航天、醫(yī)療器械等高科技領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

硬脆性非導(dǎo)電材料很難采用傳統(tǒng)的切削方式進(jìn)行加工，由于不導(dǎo)電或?qū)щ娦阅芎懿睿埠茈y用傳統(tǒng)的電加工方法進(jìn)行加工。而電解電火花加工方法在加工非導(dǎo)電的硬脆材料上表現(xiàn)出了良好的性能。近年來，一些學(xué)者對(duì)電解電火花加工進(jìn)行了研究,如：在玻璃材料上進(jìn)行電解電火花銑削加工實(shí)驗(yàn)，加工出了一些三維結(jié)構(gòu)[1]；對(duì)玻璃進(jìn)行混粉電解電火花加工實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，混粉電解電火花加工非導(dǎo)電材料，可獲得較好的表面質(zhì)量[2]。本文將在混粉電解電火花銑削加工的基礎(chǔ)上，在電解電火花設(shè)備上施加超聲振動(dòng)，探究超聲振動(dòng)對(duì)混粉電解電火花加工表面質(zhì)量的影響。

1 加工原理

1.1 電解電火花加工原理

電解電火花加工是利用電解液中的火花放電作用對(duì)工件進(jìn)行蝕除加工的，其原理見圖1。加工時(shí)，工具、工件及輔助電極都浸在電解液中，當(dāng)外部電壓作用到兩電極時(shí)，兩極產(chǎn)生電解作用，并在工具周圍產(chǎn)生氫氣泡；氣泡逐漸增多，且在工具電極周圍形成氣泡膜而充當(dāng)非導(dǎo)電相隔離工具電極和導(dǎo)電電解質(zhì)溶液，二者之間形成電勢(shì)差；當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到氣膜的擊穿電壓時(shí)，擊穿氣泡膜，產(chǎn)生火花放電，強(qiáng)烈的火花能量釋放的瞬時(shí)高溫，使非金屬材料工件熔化、氣化并拋出，從而去除材料。

圖1 電解電火花加工的原理示意圖

1.2 混粉電解電火花加工原理

在混粉電解電火花加工過程中，會(huì)有大量的細(xì)小粉末進(jìn)入由陰極生成的氫氣泡中，由于粉末的導(dǎo)電性，使包裹著導(dǎo)電粉末的氫氣泡絕緣強(qiáng)度降低，從而使擊穿氫氣泡放電變得更容易，所以火花放電間隙相應(yīng)增大[3]。此外，導(dǎo)電性粉末進(jìn)入氫氣泡中，使陰極和工作液的實(shí)際絕緣距離小于氫氣泡的直徑，即在擊穿絕緣距離一定的條件下，由于導(dǎo)電粉末的加入，也會(huì)使放電間隙變大。放電間隙的變化，將間接引起極間寄生電容的變化，單次放電的能量也不同，從而影響最終的加工效果。

1.3 超聲振動(dòng)作用機(jī)理

超聲振動(dòng)對(duì)混粉電解電火花加工的主要影響有：①攪拌作用。超聲空化泡崩裂產(chǎn)生的微射流、超聲場(chǎng)的傳質(zhì)效應(yīng)及聲流效應(yīng)引起工作液渦流，從而產(chǎn)生了攪拌作用，改善了工作液的循環(huán)；②排屑作用。由于超聲場(chǎng)的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)及聲流效應(yīng)，熔融材料會(huì)加速?gòu)墓ぜ懦觯撾x工件的碎屑迅速離開加工區(qū)域，同時(shí)，超聲攪拌作用也利于阻止加工碎屑沉積，使碎屑更易排出；③穩(wěn)定放電狀態(tài)的作用。超聲作用于電解液，使電解液和粉末混合均勻，防止粉末沉積，促使銑削加工過程中的放電均勻，從而使放電狀態(tài)穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖2，主要由電源、控制與信息處理單元、超聲設(shè)備、進(jìn)給裝置、電解槽、電極及工件夾具等組成。銑削加工軌跡通過工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，由計(jì)算機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，工具電極靜止不動(dòng)，從而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。超聲振動(dòng)方式為間接超聲，超聲振子粘結(jié)在電解槽底端，并與超聲波發(fā)生器相連。電解液為NaOH溶液，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%，其中混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的石墨粉；超聲振動(dòng)頻率分別為0、28、40 kHz；電壓分別為9、11、13 V；工具電極為直徑2 mm的棒狀銅電極；加工工件為3 mm厚的高硼玻璃片。

圖2 電解電火花銑削加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，通過對(duì)比不同超聲振動(dòng)頻率下，加工表面質(zhì)量隨電壓和電解液濃度的變化，研究超聲振動(dòng)對(duì)電解電火花銑削加工工藝的影響。具體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：在電解液濃度相同的條件下，通過對(duì)比不同振動(dòng)頻率下的加工表面粗糙度隨電壓的變化，探究超聲振動(dòng)對(duì)電解電火花銑削加工表面質(zhì)量隨電壓變化的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)工件進(jìn)行加工，并對(duì)加工后的工件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表1。

表1 混粉電解電火花銑削加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3是根據(jù)表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的在相同電解液濃度時(shí)，不同超聲振動(dòng)頻率下的加工表面粗糙度隨電壓的變化趨勢(shì)圖?？煽闯?，在超聲振動(dòng)環(huán)境下加工的工件表面粗糙度值比不使用超聲振動(dòng)時(shí)小，即銑削的表面質(zhì)量好；28 kHz的超聲振動(dòng)與40 kHz的超聲振動(dòng)，對(duì)銑削加工的表面質(zhì)量均起到了促進(jìn)作用。

圖3 電解液濃度相同、超聲振動(dòng)頻率不同時(shí)的工件表面粗糙度隨電壓的變化趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了超聲振動(dòng)對(duì)混粉電解電火花銑削加工表面質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)采用超聲振動(dòng)輔助混粉電解電火花加工，可獲得較好的表面質(zhì)量。超聲振動(dòng)的攪拌作用可使粉末混合均勻，且保證產(chǎn)生均勻的氫氣泡，是混粉電解電火花加工理想的攪拌方式；同時(shí)，又能提高表面質(zhì)量。因此，超聲振動(dòng)在混粉電解電火花加工方面具有很好的應(yīng)用前景。

[1]Zheng Zhiping，Cheng Weihsin，Huang Fuangyuan，et al. 3D microstructuring of pyrex glass using the electrochemical discharge machining process[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2007，17（5）：960-966.

[2]吳俊杰，谷安，呂傳偉，等.混粉電解電火花復(fù)合加工工藝研究[J].電加工與模具，2012（5）：64-66.

[3]Dascalescu L，Tobazeon R，Atten P.Behaviour of conducting particles in corona-dominated electric fields[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，1995，28（8）：1611-1618.

Research on the Process of Ultrasonic Vibration Assisted Powder-mixed Electrochemical Discharge Machining

Lü Chuanwei，Gu An，Li Mingyi，Zheng Hanqing
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A machining method of non-conductive hard and brittle materials with ultrasonic vibration assisted powder-mixed electrochemical discharge machining is proposed.Through the experiment of milling pyrex glass in powder-mixed electrochemical discharge machining assisted with ultrasonic vibration，the effect rules of ultrasonic vibration on the milling surface quality is researched. The experiment results show that powder-mixed electrochemical discharge machining with ultrasonic vibration assisted can acquire better surface quality.

electrochemical discharge machining；ultrasonic vibration；milling；powder-mixed

TG66

A

1009－279X（2014）04－0018-02

2014-02-21

呂傳偉，男，1987年生，碩士研究生。