电火花加工SiCpAl复合材料微细孔的技术研究.pdf

http://www.paper.edu.cn

电火花加工SiCp/Al复合材料微细孔的技术研究1

张宏1，胡富强1，陈焕春1，武高辉2
1.哈尔滨工业大学特种加工研究所哈尔滨（150001）
2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨（150001）
E-mail:[e-mail]
摘要：本文使用µ-spark2000机床对SiCp/Al复合材料进行电火花加工微细孔的工艺实验，
分析了开路电压、电容、电极材料与加工速度和电极损耗之间的关系，总结了开路电压和电
容对加工精度和表面粗糙度的影响规律，并成功加工出Φ53µm的微细阵列孔，结论：应采
用合适高开路电压和电容加工SiCp/Al复合材料；尽量选择熔点高、硬度大、化学性能稳定
好的材料做电极；针对本机床，开路电压应选择100V、电容应选择在4700pF左右为宜。
关键词：微细；电火花加工；SiCp/Al复合材料；孔
1.前言

SiCp/Al复合材料具有热膨胀系数（CTE）低且可调、导热性好、密度小、高比强度、
高比模量和优异的尺寸稳定性等特点，因此，在航空、航天、汽车、摩托车、仪器仪表、兵
器等工业领域有很大的应用潜力[1]。SiCp/Al复合材料中加入了高强度的硬脆SiC陶瓷颗粒，
在机械加工的过程中能引起剧烈的刀具磨损，加工精度和表面质量难以保证[2-4]。因为电火
花加工过程中没有宏观机械能，材料的硬度、强度和粗糙度对材料的去除率没有影响，所以
电火花加工技术成为SiCp/Al复合材料加工的重要手段。电火花多用于颗粒增强金属基复合
材料的孔、槽及切割加工[5]。目前，微细电火花加工技术在航空航天、医学、模具、微电子
器件、生物技术、微型传感器和微型电器制造等方面得到广泛应用[6,7]，SiCp/Al复合材料应
用也向微小、高精度方向发展。本文以电火花加工SiCp/Al复合材料微细孔为研究对象，进
一步拓宽SiCp/Al复合材料的应用领域。

2.SiCp/Al复合材料电火花微细孔加工工艺研究
微细电火花成形加工工艺指标主要包括加工速度、电极损耗、加工精度、表面质量等，
加工速度直接关系到工件的加工周期和经济效益，而工具电极损耗直接关系到工件的加工精
度。因此，本文重点研究影响加工速度和电极损耗的相关因素（本文以加工相同深度的通孔
所用时间和电极长度变化来表示加工速度和电极损耗）。

2.1实验条件

本实验所采用的设备是日本µ-spark2000机床，所用SiCp/Al复合材料的体积分数为
45%，SiC颗粒平均粒径3.5µm，工件厚度为0.6mm；加工参数为：基准电压0.5V，安定电
压0V，电源类型RC，电极极性为负，电极材料为Cu。

2.2开路电压对加工速度和电极损耗的影响

采用电极直径为Φ67µm，电极转速1400r/min，电容2级，分别选取开路电压60V、80V、
100V、150V，研究开路电压对加工时间和电极损耗的影响，结果如图1所示。

1
本课题得到黑龙江省博士后资助项目LBH-Z07122的资助。

-1-
http://www.paper.edu.cn

0.12
250

0.1
200
0.08

150(mm)
(min)
0.06

100
0.04
电极损耗
加工时间

500.02

00
60801001201401606080100120140160
开路电压(V)开路电压(V)
图1开路电压对加工时间和电极损耗的影响

由图1可以看出，随着开路电压的逐渐增大，加工时间逐渐减小，即加工速度逐渐变大，
而电极损耗是先下降后上升的过程。分析原因，由于电火花放电能量与开路电压成平方关系，
因而开路电压增大，则放电能量增大，从而加工速度增大，加工时间减小；同时，开路电压
升高，放电间隙增大，电极损耗减小；开路电压继续升高，放电能量更大，电极和工件材料
蚀除更快，从而加工时间更短而电极损耗加剧。结论，采用合适的高开路电压加工，获得较
高的加工速度，并减小电极的损耗，本实验开路电压选择100V为宜。

2.3电容对加工速度和电极损耗的影响

采用电极直径为Φ84µm，电极转速1400r/min，开路电压为100V，分别选取电容0pF、
47pF、100pF、470pF、1000pF、4700pF、10000pF，研究电容对加工时间和电极损耗的影响，
结果如图2所示。

250.2

20
0.15

15
(min)
(mm)
0.1
10
加工时间
电极损耗
0.05
5

00
020004000600080001000012000020004000600080001000012000
电容(pF)电容(pF)
图2电容对加工时间和电极损耗的影响

由图2上可以看出，随着电容的增加，加工时间迅速减小