多孔质电极电火花加工方法及实验

孔令蕾，蒋 毅，赵万生，平雪良

（1.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

多孔质电极电火花加工方法及实验

孔令蕾1，蒋 毅1，赵万生2，平雪良1

（1.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

为克服传统电火花加工的复杂形状电极制备周期长、大面积复杂型腔加工效率低的弊端，提出了一种用于粗加工的多孔质电极电火花加工新方法。采用紫铜颗粒高温烧结的方式实现多孔质电极的快速制备，利用多孔质电极中的孔隙实现内冲液，以达到电火花粗加工过程中快速去除材料的目的。并可采用电极端部、侧部冲液相结合的方式，提高复杂型腔电火花加工的效率。通过对多孔质电极烧结制备的实验研究，初步确定了多孔质电极的烧结工艺参数。通过加工实验证明了多孔质电极电火花加工的可行性。

电火花加工；多孔质电极；金属颗粒烧结；内冲液

传统电火花加工存在着复杂形状电极的制备成本高、周期长以及加工效率相对偏低等问题。在电极制备方面，一般通过机械加工的方式去除材料，以获取目标型面；而在加工某些具有复杂型面的电极时，往往会遇到加工困难的问题[1]。据统计，大面积电火花加工采用的复杂形状电极的制造周期与成本约占模具或制品的一半左右；在加工效率方面，传统电火花加工与近年来兴起的高速切削相比没有优势。

为了降低复杂形状成形电极的制备成本，各国学者提出了一系列利用点、面或体单元材料进行电极快速构建的新方法。粉末冶金电极制备方法是一种典型的利用点单元材料构建成形电极的方法，但用该方法制备出的电极通常为实体电极，电极损耗较大[2]。采用快速成形技术，通过增加电极材料逐层构建，也可制备出成形电极，但该方法较复杂，制备的电极精度较低、损耗较大，电极的电火花加工性能差，难以实现大电流、高去除率的加工[3]；且快速成形系统结构复杂，设备价格及其运行成本过高。分割电极法是一种利用体单元材料构建成形电极的方法，虽然每个子电极的加工时间及成本显著低

于复杂成形电极，但对电极几何结构特别是复杂结构电极的分割额外增加了时间成本[4]。赵万生等提出的集束电极法也可看成是一种利用体单元材料构建成形电极的方法[5]，具有操作简单、成本低的特点；但由于该方法通过直管状电极构建曲面，故一般只能加工开放的型腔结构，对相对闭塞的型腔进行加工时，会产生干涉问题。

为了提高电火花加工效率，近年来，研究人员对影响电火花加工性能的工具电极、电介质等电火花加工要素进行了大量的探索和改进，涌现出了一系列新的工艺方法。如：国枝正典等提出了气中（干式）电火花加工方法，具有效率高、工具接近零损耗的特点[6-7]；然而，为了有效排出蚀除产物，气中加工所采用的管状工具电极的壁厚不能太大，这限制了电极的尺寸，使气中加工方法只适合于较小型腔的分层铣削。集束电极电火花加工方法不仅可用于快速制备电极，还可利用管状集束电极实现多孔内冲液加工，从而能采用大流量冲液、大电流放电的加工策略，用更大的峰值电流进行加工，以获得更高的材料去除率[5]；但由于该方法采用了直管状电极，故其冲液方向是一维的，无法实现三维全向的多孔内冲液加工，且其粗加工余量相对较大，需大幅提高精加工的用时。

尽管如此，电火花加工在难加工材料和复杂型腔结构零件的加工中仍有明显的优势。究其原因：一是由于电火花加工具有非接触加工、可加工所有金属材料、加工能力与材料的硬度和强度无关等优点，使电火花加工对被加工材料的适应性较好；二是由于某些相对闭塞的复杂半开放型腔结构（如叶片弯扭程度较大的带冠整体叶盘的流道内部），刀具活动空间狭小，难以避免走刀过程中的干涉问题，使电火花加工成为此类零件加工的较好选择。因此，电火花加工技术的发展需寻求一种既能实现电极的快速制备，又能提高电火花加工效率，特别是进一步提高难加工材料和复杂型腔结构零件的加工效率的新技术，以充分发挥电火花加工的长处，抑制其短处。本文正是出于这一“扬长避短”的目的，提出了多孔质电极电火花加工方法。

1 多孔质电极电火花加工方法

多孔质电极电火花加工方法的核心在于其工具电极是一种密布着孔隙的多孔材料。在该多孔材料的内部，通孔所占的比例应远高于闭孔和盲孔，从而使加工液能在通孔形成的流道中顺畅流动。当进行电火花加工时，通过在电极一端通入一定流量的加工液，可使冲液施加于加工区域的各个部位，从而以一种类似于集束电极多孔内冲液的方式进行加工，以提高电火花加工的效率。

多孔质电极电火花加工方法的特征可归纳为：

（1）高温烧结制备多孔质电极。采用直径较大的金属颗粒，依靠高温烧结的方式，快速制备出具有复杂三维结构的电极。通过对烧结过程的控制，使金属颗粒在紧密粘连的同时，保有较高比例的通孔，以形成多孔结构。与粉末冶金技术制备的实体电极相比，多孔质电极可采用内冲液方式进行放电加工，因此可利用冲液改善加工稳定性的优势，从而提高加工效率。

（2）内冲液加工方式。利用电极多孔结构形成的流道，采用内冲液方式进行粗加工。依靠多孔内冲液强制排出蚀除产物，有利于提高加工的稳定性，从而能采用大峰值电流进行加工，提高加工效率。与单孔内冲液相比，采用多孔内冲液多孔质电极电火花加工时，极间工作液流速显著增大，能获得更有效的排屑能力，蚀除产物颗粒在极间的分布更均匀，从而增大工件材料的去除率。

（3）侧部冲液增效。利用多孔质电极的冲液出口密布于整个电极表面的优势，将内冲液变成三维全向的多孔内冲液，从而在需要依靠电极侧部进行放电的复杂型腔的加工场合，使冲液直接作用于放电区域，改善加工的稳定性，提高加工效率。该特征能解决集束电极只能实现一维方向冲液的问题。

2 多孔质电极的制备

多孔质电极是多孔金属材料中的一类。多孔金属由金属骨架与孔隙组成，具有金属材料的可焊性等基本金属属性。与致密金属材料相比，多孔金属的显著特征是其内部具有大量的孔隙，这使得多孔质电极具有比重小、比表面大、能量吸收性好、导热率低（闭孔体）、换热散热能力高（通孔体）、耐热耐火、抗热震、能再生、加工性好等诸多优异特性[8-9]。

多孔质电极制备材料的选取直接关系到放电加工的效果和冲液效果，决定了放电速度、加工精度及表面粗糙度等加工性能。烧结多孔质电极的金属颗粒可选用球形、树枝形、圆柱形或不规则形状的金属颗粒。当采用球形颗粒时，获得的多孔烧结体具有流体阻力小、结构均匀、再生性良好的特点。由于铜金属比石墨更易进行烧结制备，且紫铜材料本身也是一种通用的电火花工具电极材料，故选用直径3 mm的非规则球形紫铜颗粒作为烧结多孔质电极的原材料。烧结过程中，非规则球形颗粒比理想球形颗粒更具有接触形式多样化的特点，可形成点与点、线与面、面与面等接触熔合方式，有利于颗

粒之间的相互结合，从而提高粘结力度。

为保证烧结出一定形状的电极，必须采用成形烧结模具。为保证铜颗粒在烧结过程中不被氧化，烧结过程中必须施加还原性保护气体，或模具本身具有密封性能。耐高温不锈钢虽有较好的热稳定性，但其热传导性较差，且随温度变化会有很大的热变形，因此不利于电极成形；氧化铝陶瓷具有较好的热传导性和耐热性，热变形也较小，但因其硬脆、易碎，且加工成本较高，也不适于作为模具材料使用。本文选用石墨作为模具材料，制备了带有模具盖的烧结用模具。将铜颗粒装入石墨模具后振实，通过模具盖上的螺纹和石棉密封圈进行密封，可将铜颗粒压紧，并将其密封在模具中进行烧结，从而在实现成形高温烧结的同时，避免了铜颗粒的氧化。依靠烧结过程中金属颗粒间的相互黏结，形成孔隙度较大的多孔性烧结体，即多孔质电极体。

孔隙率是多孔体中所有孔隙的体积与多孔体总体积的比值。多孔质电极电火花加工中，工作液流道是由多孔质电极体中的孔隙组成的，故孔隙率的大小对多孔质电极冲液性能的影响极为关键，冲液在多孔质电极上的分布及流量的大小也会进一步影响电火花加工的性能。孔隙率的大小受到铜颗粒堆积形式和填充方式的影响，其值在一定范围内是可控的。为得到适合放电加工要求的多孔质电极，需对孔隙率及其影响因素做进一步分析。

均一尺寸的粉末颗粒堆积后，其孔隙率与颗粒尺寸大小无关，但与颗粒的堆积方式有关。球颗粒堆积越松散，其孔隙率越大；反之，球颗粒堆积越紧密，则孔隙率越小。正方体体心排列下的孔隙率的大小可依据图1所示的金属球形颗粒堆积模型进行计算。图1a是正方体体心排列下的球体颗粒堆积体；若将球形实体视为虚空，而将球体之间的孔隙用实体表示，则孔隙的立体模型呈复杂几何体（图1b）。

图1 铜颗粒正方体体心排列模型

通过计算易得出正方体体心排列下的金属球形颗粒堆积模型的孔隙率最小极限为25.9%。但在实际情况下，铜颗粒的堆积无法达到极为致密的程度，很难形成理想的正方体体心排列。因此，均一尺寸的粉末颗粒堆积后的孔隙率通常要大于25.9%。而粒度不一的粉末颗粒在均匀堆积后，其孔隙率可小于25.9%，原因在于大颗粒间的孔隙将会被小颗粒填充。由此可知，孔隙尺寸与粉末颗粒尺寸及粒度分布关系密切，颗粒尺寸小、粒度分布不均匀，孔隙尺寸也会较小[10]。因此，通过对不同粒度大小的颗粒进行配比和对松装颗粒进行不同程度的振实并施以压紧力，可在一定程度上控制多孔质电极孔隙度的大小，制备出不同孔隙率的电极，用于多孔质电极加工实验。

烧结温度曲线如图2所示。烧结过程为：将铜颗粒装入石墨模具后，连同密封的石墨模具一起放在烧结电阻炉中加热6 h，将炉内温度从室温提升至1020℃，经2 h保温，而后随炉冷却至≤700℃后取出，在室内空气中自然冷却至室温后，将成形烧结体从石墨模具中取出。由于炉内热电偶测得的温度是炉内温度和室温的温差，通过放置测温环，可测得模具内的实际温度为1062℃。

图2 烧结温度曲线

制备得到的烧结体见图3。烧结体为高59 mm、上下段直径分别为62、50 mm的T形圆柱。之所以采用T形电极，是因为其头部可方便地被固定在多孔质电极夹具上，且不影响其冲液。图3a是采用铜颗粒烧结而成的电极，可实现三维全向的多孔内冲液；图3b是外表面覆裹一层厚度为0.03 mm的铜箔后烧结而成的电极，覆盖一层铜箔可解决加工初期工作液在电极侧部泄漏的问题，即只有当电极的某一部位参与加工并开始放电后，在铜箔被损耗后，该部位才能开始冲液。

图3 直径3 mm的非规则球形烧结体

为了避免多孔质电极上的铜颗粒在加工过程中脱落，引起拉弧、短路等现象，进而损坏加工工件或使电极报废，必须保证铜颗粒之间的粘结力足够大。为此，在制备多孔质电极前，还需对成形模具中的金属颗粒作冷压处理，进一步提高其压紧力。

3 多孔质电极电火花加工实验

实验装置采用SC110型电火花加工机床；工件材料为45钢；工具电极分别使用实体电极和图3b所示覆裹铜箔的多孔质电极；加工液为煤油；电极夹具见图4。加工深度为5 mm，抬刀高度为2 mm，其他加工参数见表1。

表1 加工参数

图4 夹具示意图

实验结果表明，在相同的放电加工条件下，实体电极的材料去除率为0.978 g/min，多孔质电极的材料去除率为0.99 g/min。在一定量的内孔冲液条件下，使用多孔质电极的材料去除率略高于实体电极，但未能体现出明显优势。

目前的实验结果仅初步证明了多孔质电极电火花加工方法的可行性。由于加工深度较小，实体电极在抬刀作用下实际仍能保持较好的工作液流动环境；所设定的电参数也是机床在给定电极投影面积下的缺省参数，尚未用更大的电流和更大的脉宽进行系统性实验。因此，采用内冲液方式的多孔质电极电火花加工的优势尚无法充分体现。此外，由于覆裹的铜箔厚度仅为0.03 mm，当进行冲液时，铜箔边缘在流体的作用下向外翻起，且有振动，对放电过程产生了极为不利的影响。

下一步的研究工作还须在目前的基础上，采用具有足够刚度、更厚的铜箔进行覆裹，并采用更大的电流和脉宽进行系统性实验，进一步探寻多孔质电极电火花加工方法在更深、排屑条件更不利的型腔中的加工性能。

4 结语

本文验证了多孔质电极电火花加工方法的可行性。金属颗粒在烧结过程中实现了紧密粘连而不是松散堆积，粘连后的金属颗粒之间保有较大孔隙，形成冲液流道，而未因过分粘连变成实体电极，从而实现了复杂形状多孔质电极的快速制备。初步实验结果表明，多孔质电极电火花加工在材料去除率方面有微弱优势，但需通过更全面的实验对其加工性能作进一步研究。

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The Method and Experiment of EDM with Porous Electrode

Kong Linglei1，Jiang Yi1，Zhao Wansheng2，Ping Xueliang1
（1.Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

To address the long preparation period of complexity electrode and the low efficiency of large and complicated cavity machining in traditional EDM，a new method by using porous electrode in EDM roughing machining is proposed.A high temperature sintering of copper particles way to achieve rapid preparation of porous electrode is utilized，to provide pores of porous electrode for inner flushing to improve the material removal ratio during EDM roughing machining.By means of applying flushing on both tip and side part of the electrode，the efficiency of complex cavity EDM process is improved. Through the fabrication of porous electrodes sintering，the sintering process parameters of porous electrode is identified.Feasibility of EDM with a porous electrode is proved by a series of processing experiment results.

EDM；porous electrode；metal particles sintering；inner flushing

TG661

A

1009－279X（2014）03－0022-04

2013-12-30

国家自然科学基金资助项目（51205169）第一作者简介：孔令蕾，男，1987年生，硕士研究生。