某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

开发出一种采用高电极旋转速度（EDM-HS）的电火花加工过程，以解决传统EDM过程在加工金属基复合材料（MMCs）时遇到的问题。EDM-HS过程采用了非圆形工具电极。实验结果表明，通过采用非圆形工具电极，工件的材料去除率（MRR）可以显著提高。已分别研究了脉冲持续时间、加工电流、占空比、工具电极的旋转速度与MRR之间的关系。并且通过理论和实验分析了EDM-HS过程的加工机理。

非圆形电极可以扩大加工间隙，在高电极旋转速度下，加工碎屑可以有效地排出加工区域，从而获得稳定的加工状态。可以实现更高的MRR。已经采用正交分析研究了加工参数对MRR的相对重要性。发现在脉冲持续时间、加工电流、占空比和电极旋转速度中，为了获得最高的MRR，电极旋转速度是最有影响力的因素。这一结果支持使用这种新方法加工颗粒增强的MMC，从而可以实现更高的MRR。

金属基复合材料（MMCs）是航空航天、电子和汽车工业中重要的工程材料。无论采用传统还是非传统加工方法，MMC的加工都被认为非常困难。使用各种传统方法对MMC进行加工已经得到了较为详细，并且大多数研究表明存在一些限制，例如高刀具磨损率、表面质量差、形成亚表面缺陷等。

虽然非传统加工方法（如激光加工和磨料水射流加工方法）似乎能解决一些上述问题，如快速刀具磨损和低加工速率，但这些替代方法也有自己的问题。激光光束的非接触性和极高的能量密度排除了刀具磨损的问题，但高强度的热通常会产生不可接受的微观结构变化并导致不良的热裂纹。至于水射流方法，对于尺寸控制较差和形状轮廓限制的问题不容易克服。

在非传统加工方法中，沉没式电火花加工（EDM）和线切割电火花加工（W-EDM）已被证明是加工MMC最合适的方法。使用这种方法来加工MMC的优点是可以避免在加工过程中刀具的快速磨损。通过采用EDM来加工MMC可以获得良好的尺寸精度。但是还有两个主要问题需要解决：材料去除率（MRR）较低和刀具折断的风险较高。

工具电极固定在主轴上，主轴安装在Z轴上。工具电极半径为3mm（R），作为阴极使用。显示了实际的非圆形不锈钢电极。在加工过程中，主轴可以以非常高的速度旋转，并且主轴速度可以在广泛的范围内调整。使用了EDM电源。该电源的电流范围为0.5A到10A。开路电压范围为20V到120V。工作比范围为1：1到1：10，脉冲持续时间范围为4μs到100μs。

这台自制设备的主要规格所示。工作介质是NG-1乳化液。在加工过程中，控制系统可以通过提供适当的纠正动作来监控工作电压，防止发生短路。实验中使用了含有10体积％ A12O3（10ALO）或20体积％ Al2O3（20ALO）颗粒增强的铝合金6061作为工件材料。增强颗粒的名义尺寸为21μm，实验工件的厚度为30mm。

使用正交实验设计（Taguchi方法）来分析非圆形电极的EDM-HS加工参数对MRR的影响。实验中，工作电流、旋转速度、脉冲持续时间和工作比被选为四个因素，每个因素有三个水平。使用L9，MRR是优化目标。10ALO的MRR，20ALO的MRR。Ij、IIj和IIIj分别为每个水平的MRR值之和。R为范围值。

加工参数与材料去除率（MRR）之间的关系，显示了工具电极旋转速度与MRR之间的关系。在加工过程中，工作比、加工电流、脉冲持续时间、开路电压和工具电极的旋转速度分别为1:9、4A、32μs、80V和6000rpm。发现无论是10ALO还是20ALO，使用非圆形工具电极的MRR在任何旋转速度条件下都高于使用圆形工具电极。

对于非圆形和圆形工具电极，当旋转速度从0rpm增加到9000rpm时，MRR显著增加。这表明随着电极旋转速度的增加，更多的加工碎屑将从加工区排出，从而获得稳定的加工条件，并实现更高的MRR。当使用圆形电极时，当电极旋转速度从9000rpm增加到15000rpm时，MRR的增加并不显著。

这意味着对于圆形电极，当旋转速度相对较高时，电极旋转效应会减弱。这不足为奇，因为圆形电极的间隙距离很小，许多大于间隙尺寸的碎屑甚至在高旋转速度条件下也无法排出。而如果采用非圆形电极，随着工具电极旋转速度的增加，更多的大碎屑可以通过扩大的间隙距离排出。当工具电极的旋转速度从9000rpm增加到15000rpm时，MRR增加。

显示了加工电流对MRR的影响。在加工过程中，工作比、工具电极的旋转速度、脉冲持续时间和开路电压分别固定为1:9、6000rpm、32μs和80V。发现在任何电流条件下，非圆形工具电极的加工效率都高于圆形工具电极。对于两种电极和复合材料，MRR随着工作电流的增加而显著增加。

公式给出了单脉冲EDM的总能量，其中是工具电极与工件之间的加工电压，i是工作电流，tk是EDM火花维持时间（脉冲持续时间）。高电流意味着更大的EDM火花能量。更大的EDM火花可以去除更多的工件材料，这意味着更高的MRR。

图8显示了工作比对MRR的影响。发现当工作比从1:9增加到1:4时，MRR会增加。在加工过程中，工具电极的旋转速度、脉冲持续时间、开路电压和工作电流分别为6000rpm、32μs、80V和4A。尽管EDM火花能量没有改变，较大的工作比意味着单位时间内更多的EDM脉冲。随着工作比的增加，MRR会增加。

显示了脉冲持续时间对MRR的影响。在加工过程中，工具电极的旋转速度、工作比、开路电压和工作电流分别为6000rpm、1:9、80V和4A。同样发现，在任何脉冲持续时间条件下，通过采用非圆形电极，MMC的MRR都可以提高。

当脉冲持续时间从16μs增加到64μs时，10ALO和20ALO的MRR没有显著变化，无论是使用圆形还是非圆形工具电极。原因是虽然在较长的脉冲持续时间条件下可以产生更高的单脉冲EDM火花能量，从而可以获得更高的MRR，但工作比是固定的，因此脉冲间隔相应增加。然后，随着脉冲持续时间的增加，过程的总EDM火花能量不会改变。因此，仅仅改变脉冲持续时间将不会显著改变MRR。

MRR的正交实验，发现对于两种材料，四个因素的显著性排名为工具电极旋转速度>电流>工作比>脉冲持续时间。在以下条件下，可以实现最高的MRR：工具电极旋转速度6000rpm，工作比1:4，电流6A，脉冲持续时间32μs。

显示了EDM-HS过程中收集的一些碎屑。加工时间为三分钟。加工条件为脉冲持续时间32μs，工作比1:9，开路电压80V，工作电流4A和工具电极旋转速度6000rpm。使用Horiba CAPA-700测量了碎屑尺寸并分析了粒度分布。发现EDM-HS的碎屑中位直径为32μm，最大直径超过100μm。

结果也支持了这样的观点，即在加工MMC的EDM过程中会产生许多大碎屑。显然，通过使用非圆形电极，间隙距离可以大大增大，因此大碎屑可以随着工具电极的高速旋转很容易地排出加工区。因此，可以保持稳定的EDM加工过程，并因此获得更高的MRR。

该研究分析了不同加工参数对MRR的影响，发现工具电极旋转速度、工作电流、工作比和脉冲持续时间是主要影响因素。同时，通过收集和分析加工过程中产生的碎屑，证实了EDM-HS过程可以产生较多的大碎屑，并且非圆形电极有助于排出这些大碎屑。

总的来说，研究的结果表明，采用EDM-HS过程并结合非圆形电极是一种有效的方法来提高加工金属基复合材料的效率和稳定性，从而推动该类材料的应用和发展。

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