高速电弧放电加工的多孔电极制备

徐 辉，洪 汉，顾 琳，赵万生

（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

高速电弧放电加工的多孔电极制备

徐 辉，洪 汉，顾 琳，赵万生

（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

高速电弧放电加工是利用流体动力断弧机制实现对电弧的有效控制从而去除材料的。流体动力断弧机制的实现依赖于高速的极间流场动力，该动力需由多孔电极的强制内冲液提供。首先阐明了选择石墨作为多孔电极材料的原因；其次，完成了集成CAD、CAE（主要是CFD）和CAM的多孔电极设计、仿真及制造的软件模块，这些模块能依据加工工件的特征快速、高效地完成对应多孔电极的制备；最后，为了验证制备的一系列多孔电极的电弧加工能力，对典型工件包括具有复杂3D型腔的零件进行了加工实验。结果表明：基于多孔电极的高速电弧放电加工能实现很高的材料去除率（MRR＞14 000 mm3/min）和较低的工具损耗率（TWR＜1%），故特别适用于以难切削材料的大余量去除为主的粗加工。

高速电弧放电加工；多孔电极；内冲液；电极制备

电火花加工是一种电热转换的过程，加工中刀具和工件是非接触式的，这些特性决定其能加工可导电材料而不需考虑材料硬度。因而，传统电火花加工广泛应用于模具、医疗器械、汽车部件、航空航天设备及能源设备等的制造。然而，随着技术的进步，电火花加工效率低、周期长的瓶颈使其面临新的加工方式（如高速铣削、激光等）的严峻挑战，电火花加工使用领域也不断萎缩[1-3]。电火花加工效率低的主要原因是其材料去除机制存在问题，即采用更高能量密度时，易产生电弧放电和集中放电而烧坏工件表面[4]。因此，寻求一种新的放电机制是放电加工革新的突破点。

实验证明，电弧放电比火花放电拥有更高的能量密度。因而，放电加工时如何有效控制电弧，以避免产生放电集中和加工过热，进而提高加工效率，是提高放电加工效率的关键。近年来，研究人员在利用电弧放电加工方面取得了实质性的突破[5-8]。赵

万生等发现的“流体动力断弧”机制及发明的高速电弧放电加工方法依赖于多孔结构的电极。相比于传统的电火花加工，冲液在高速电弧放电加工过程中是一种主要的断弧方式。与电火花加工的实体或单孔电极相比，高速电弧放电加工首创的贯通式多孔结构是该电极的主要特征。高速电弧放电加工具有材料去除率很高、工具损耗率较低的特征，主要适用于去除大量材料的粗加工阶段。用于粗加工的多孔电极要求制备过程高效、经济和通用，这样才能降低高速电弧放电加工的总成本。其制备过程元素主要包括电极材料选择、电极形状设计和制造，其中最主要的是冲液孔的设计和加工（图1）。

图1 多孔电极制备过程元素

1 多孔电极的材料

电极材料对高速电弧放电加工性能的影响巨大，选择合适的电极材料是多孔电极设计的首个关键因素。首先，所选材料应具备电极的基本性能，如导电性和导热性好、熔点高、抵抗变形能力强。其次，由于高速电弧放电加工主要用于工件的粗加工阶段，故多孔电极材料还要满足价廉、易加工、材料去除率超高、电极损耗较低等要求。

1.1 优良的多孔电极材料-石墨

由于高速电弧放电加工电流是主要的“切削刀具”，较高的导电率（或较低的电阻率）能促进有效的加工。理论上，任何导电材料都可作为多孔电极的材料；但由于电弧加工是一种电热过程，可推定，高熔点的电极材料损耗率将会更低。此外，高速电弧放电加工是不产生切削力的过程，但从微观尺度上观察，每一次电弧放电都会有极强的爆炸过程；同时，电极材料端面尤其是冲液出口会被施加相当大的冲液作用力。因此，选择材料时需考虑其力学性能，包括抗拉强度、横向断裂强度、晶粒尺寸和硬度等。

常用成形电极材料有紫铜、石墨、黄铜、石墨渗铜等几种，其物理性能见表1。

表1 电极材料的物理性能[9]

电弧放电加工瞬时产生极高的热量，中心温度可达10 000 K以上，这就要求电极材料具有极高的熔点及比热容，保证加工时电极有很好的抵抗热腐蚀的能力。对比可知，石墨和钨电极更符合上述要求；但由于钨的价格比石墨贵且难加工，所以石墨最适合作为多孔电极的材料。

1.2 多孔电极的电极损耗形式

多孔电极的损耗根据发生的位置[10]主要可归为体积损耗、边缘损耗、底面损耗、侧面损耗四类。实验观察证明，高速流场使最大流速发生在多孔电极底面的边缘，导致该区域发生更剧烈的电弧放电，所以多孔电极的损耗主要是边缘损耗。因此，多孔电极的底面边缘采用倒角或圆弧过渡的设计，能更好地避免产生更大的电极边缘磨损。初期实验也证明，多孔电极的形状也会影响电极的磨损，因为不同的电极形状会产生差异非常大的间隙流场分布。通过对比，根据磨损程度从低到高，电极形状依次为：圆形、正方形、长方形和三角形。

2 多孔电极的制备过程

多孔电极的制备是一个复杂的过程，需考虑多方面的因素。通过构建集成CAD、CAE（CFD）和CAM的模块系统，把各个要素有机地结合起来，从而提高电极制备的效率。各环节的数据流程见图2。

图2 集成CAD、CAE（CFD）和CAM的多孔电极制备流程

2.1 多孔电极的CAD设计

多孔电极制备的另一个重要过程是多孔电极的CAD设计。首先，设计的电极要确保有效的极间冲液；其次，根据加工零件的特征，尽可能地简化和优化电极形状，以减少电极的制备时间和成本；最后，采用电极反拷贝加工工件时，要为下一步的半精和精加工留下合适的加工余量。CAD设计的多孔电极系统结构见图3，电极系统由夹具、电极和电极冲液孔三部分构成。时，根据多个孔的排列形式和加工时的电极运动轨迹，把多孔电极分为采用“沉入式”加工的成形电极和采用“铣削”加工的集束电极。图4是各电极的形状和主要加工进给方式。

图3 高速电弧放电加工多孔电极设计结构

图4 多孔电极的形式

2.1.1 多孔电极3D轮廓的CAD设计

为了扩大高速电弧放电加工的应用范围，需根据不同加工零件的形状设计多种多孔电极。设计

2.1.2 多孔电极冲液孔的CAD设计

多孔结构是高速电弧放电加工电极的主要特征，是电极制备阶段的主要设计内容。多孔电极冲液孔的设计直接关系到冲液流量的大小和均匀度，进而影响高速电弧放电加工的速度、电极损耗和表面质量。多孔电极的冲液方式为强化的内冲液，因而电极冲液孔应设置为从冲液腔直通入放电间隙。初期的实验证明，冲液孔的位置和大小是影响加工性能最明显的因素。

图5是电极加工面的2种不同的布孔方案。方案a的孔在电极端面是以相同直径（2 mm）均匀布置 （图1a）；方案b的孔在电极端面是以不同直径

（3、3、2、1 mm）依次递减。所设计的不同冲液孔的电极可通过仿真进行方案优选。

图5 不同的电极孔布置方案

2.2 多孔电极流场的CAE冲液仿真

多孔电极的CAE设计主要是CFD仿真，通过CFD进一步验证所设计的极间间隙的高速流场，进而初步预测加工结果。将图5所示的2种方案在CFD软件Fluent 6.3环境里进行仿真对比。该仿真模拟了冲液从夹具两端的冲液入口经冲液腔、冲液孔流入放电间隙的过程，冲液入口流速为0.5 m/s，流动模型为湍流，其仿真结果见图6。

图6 冲液流速仿真结果对比

通过对比发现，方案b从中心到边缘的冲液孔流速变化比方案a更均匀，放电间隙的流场也更均衡，因而在间隙底面中心位置，方案b的电弧放电加工受到更强的流场作用，从而避免了电弧的集中和过度放电所导致的中心位置的表面烧伤，加工出的工件表面质量更好。

2.3 多孔电极的CAM制造

传统的成形工具电极制备方法包括模压、铸造、挤压/拉拔、电火花线切割和磨削，最常用的是车削和铣削。随着电火花加工技术的发展，其他快速电极制备方法（如粉末冶金、电铸和快速成形等）也不断出现[11]。多孔电极CAD设计和CAE（CFD）优化后，其模型可在UG的CAM环境中生成电极制备的NC代码。CAM能分别生成冲液孔钻削和电极轮廓铣削的NC代码，且不需手工干预，这样就提高了电极制备的效率和精度。

首先，在CAM环境中，冲液孔的加工位置可由UG直接生成。因此，设计电极时，冲液孔的布置可根据实际需要任意布置，不需考虑每个加工孔的定位，大大节省了人工成本。其次，生成电极3D轮廓高速铣削所需的NC代码，其过程和机械加工的高速铣削类似。所有生成的代码都需经过后置处理，并输入数据库进行保存，以适应于不同的加工机床。最后，经实验摸索，在加工中心上对电极孔和3D轮廓进行加工时，直径2 mm、长50 mm冲液孔的加工时间不到3 min，而复杂的3D电极轮廓铣削更是少于10 min，极大缩短了多孔电极的加工时间。

3 多孔电极的高速电弧放电加工性能

3.1 多孔电极的高速电弧放电加工过程

图7是多孔电极的高速电弧放电加工过程参数，与电火花加工相比有着很大的不同。其加工过程表明，不仅电源参数影响加工性能，冲液孔设计也起到决定性作用。选用合适的电源参数、冲液参数和优化的多孔电极，加工难切削材料时，能获得超高的材料去除率和超低的工具损耗率，并保证一定的工件表面质量。整个多孔电极的设计和加工快速、稳定，实现了多孔电极的高速电弧放电加工用于粗加工时的经济性。

图7 多孔电极的高速电弧放电加工过程参数

3.2 多孔电极高速电弧放电加工的典型工件

多孔电极分为简单形状电极和复杂3D形状电极，对应的工件加工方式也分为简单电极的铣削加工和复杂电极的“沉入式”加工。图8是简单形状的多孔电极电弧放电铣削加工出的工件，简单电极铣削加工类似于机械铣削加工，但不产生切削应力。图9是复杂形状的多孔电极所采用的 “沉入式”加工，图9a是多孔实体电极，图9b是采用该电极加

工出的流道。该加工方式类似于电火花加工，但加工效率更快，加工长40 mm、深30 mm的流道所需时间在10 min以内。因此，根据加工零件的形状，分别采用不同的多孔电极和不同的加工方式，可高速高效地加工出零件的轮廓，这是高速电弧放电加工应用于难加工材料粗加工阶段的主要技术优势。

图8 多孔电极铣削加工的型腔

图9 多孔电极“沉入式”加工

4 结论

高速电弧放电加工的流体动力断弧机制依赖于多孔电极提供的极间强化的高速冲液，因此，快速、高效和经济地制备多孔电极是高速电弧放电加工大范围应用的关键。

（1）石墨是制造多孔电极最合适的材料。

（2）构建出的集成CAD、CAE（CFD）和CAM的多孔电极制备系统，能有效地提高电极的制备速度和准确性。

（3）实验证明依据加工零件的特征，可制备不同形式的多孔电极，从而实现不同的高速电弧放电加工方式。

（4）多孔电极的制备具有高效性和经济性，因而适用于粗加工阶段的高速电弧放电加工。

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Tooling of Multihole Electrode Using by Blasting Erosion Arc Machining

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

Blasting erosion arc machining(BEAM)based on hydrodynamic arc breaking mechanism to control arcing process is proposed to remove bulk material.The mechanism is dependent on the high-speed inner flushing which flows through the multihole electrode and then is enhanced in the gap. In this study，it firstly illuminated the technology advantages of using graphite as the electrode material. Secondly，it completed the software modules with integrated CAD，CAE(mainly using CFD)and CAM to design，simulate and manufacture multihole electrode.The software modules can quickly complete the tooling multihole electrode according to the character of parts.Lastly，it machined typical parts with complex 3D contour in order to certify the machining performance.Experiments show that BEAM with multihole electrode can attain higher material removal rate (MRR＞14 000 mm3/min)and lower relative tool wear ratio (TWR＜1%)，which suggest BEAM is adaptive to remove bulk difficult-to-cut materials at the stage of rough machining.

blasting erosion arc machining；multihole electrode；inner flushing；tooling electrode

TG661

A

1009－279X（2014）03－0008-05

2013-12-30

国家自然科学基金重点资助项目（51235007）第一作者简介：徐辉，男，1982年生，博士研究生。