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銅鎢電極材料的電加工性能實驗研究

2017-3-17 來源：上海交通大學機械與動力工程學院作者：雍耀維郭常寧

摘（zhāi）要：銅鎢合金電極材料在加工硬質合金時，常以其相對損耗較小而受（shòu）到用戶的（de）青睞，加之銅鎢合金電極的熱穩定（dìng）性好，因此在現場使用銅鎢合金電（diàn）極加工（gōng）硬質合金的場合較多。用實驗的方法對不同配比的銅鎢合金材（cái）料作為電極進行深入（rù）研究，針對不同需求尋求最佳配比的銅鎢（wū）合金電極。考察了材料（liào）中的成分含量變化對（duì）電火花加（jiā）工特（tè）性的影響，用（yòng）能（néng）量分配（pèi）以及電子逸出功的原理（lǐ）分析了材料（liào）去除速（sù）度、相對電極（jí）損耗與電極材料特性以及電參數之間的關係。研究發現，極間電（diàn）壓160 V左右采用窄脈寬時，電極cu，，w可以（yǐ）獲得較好的工藝效果，含銅量少的cu笛w電極相對損耗最小（xiǎo）。

關鍵（jiàn）詞：電火花加工；銅鎢合（hé）金；電（diàn）極材料；加工特性

0.前言

在電火（huǒ）花加工（gōng）中，用（yòng）作工具電極的材料可達上百種，但主要有純銅(或（huò）紫銅)、石墨（mò）、銅鎢合金、銀鎢合金以及其它銅合金等。而在精密模（mó）具製造中，由於各個（gè）主要零部件尺寸精度和形狀精度要求較高，為了保證加（jiā）工後零件（jiàn）主要尺寸和形狀的精度（dù），在工具電（diàn）極材料的選用（yòng）時，常以（yǐ）電極損（sǔn）耗小為（wéi）原則。銅鎢合金電極材料(下稱（chēng）：CuW電極)在加工硬質合金工件時以其損耗（hào）率較小，特別是（shì）棱角部的（de）損耗要比紫銅、石墨等電極明顯小因而受到用戶的青睞（lài），加之CuW電極的熱穩定性好，因此在生（shēng）產中通常使用CuW來滿足經濟性與性能要求。過去，在研究CuW電極加工硬質合金的文獻中，多數是討論單一CuW成分的電極加（jiā）工硬質合金時的放電加工（gōng）特性¨J，由於CuW合金中（zhōng）的主要成分是銅和鎢，二（èr）者的物理特（tè）性差異（yì）較大，銅的導熱率要比鎢的高，而鎢（wū）的熔點又比銅高出很多，當銅在CuW合金中的含量（liàng）較少時，電極的損耗較小，但是這並不是說銅越少損耗越低，因為不含銅的（de）鎢電極消耗反而大，也就是說消耗存在一個最佳（jiā）電極損（sǔn）耗比（bǐ）例，也就是說材料改變時，放電加工特性會（huì）有所不同，具（jù）體（tǐ）機（jī）製研究仍需實驗研（yán）究和分析。本（běn）文作者用實驗的方法考察（chá）了不（bú）同電（diàn）極材料的放電加工特性，從（cóng）能量分配以及電（diàn）子逸出功的原理分析了電極（jí）材料與放電加工特性的關係，力求找（zhǎo）到一種銅（tóng）鎢合金的最佳配比，得出一些指導（dǎo）生產銅鎢合金（jīn）電極材料的有益（yì）的結論。

1.實驗設計

為了深入研究CuW電極對放電加工特性（xìng）的影響規律（lǜ），考察利用不同CuW材料（liào）作為電極材料時（shí）的放電電壓以及峰（fēng）值電流、開路電壓和脈衝寬度變化對材料去除速度、相對電極損耗的影響趨勢。該實驗加（jiā）工深（shēn）度為1 nMn。實驗條件（jiàn）如表1所（suǒ）示。

表1實驗條件

電極材料（liào）為cu笛w、cu如w和Cu，，W 3種銅鎢電（diàn）極；電極材料為銅粉和（hé）鎢粉末，化學成分如表2所示按照Cu：W質量比分別為25：75，50：50和75：25配料（liào）。工件材料是硬質合（hé）金(YGl5)。加工速度通過計算每分鍾工件的質量得到，相對電極損耗通過計算電極損耗量與加工速度的比值得到。

表2 CuW合金粉末成分(質量百分比)

2.銅鎢電極材（cái）料性（xìng）能

表（biǎo）3是銅（tóng）鎢含量不同時銅鎢合金以及銅和鎢的物理特性參數。

表（biǎo）3不同電極材料特性

從（cóng）表3中（zhōng）可以（yǐ）看出鎢的熔點（diǎn）是（shì）銅的3倍左右，而（ér）銅的導電率是鎢的3倍左右，導熱率（lǜ）和（hé）導電率隨著鎢（wū）的含量的降低而增加。鎢、銅的熔點相差很大，鎢的熔點高於銅的沸點且鎢銅不互溶，一般的熔煉方（fāng）法難以生產出鎢銅複合材料，目前是通（tōng）過粉末冶金方法得到鎢銅合金材料（liào）。其製取方法主要分為兩大類：熔滲（shèn）法和燒結法H]。在銅鎢電極中，鎢構（gòu）成該複合材料的耐熔相，起到骨架作（zuò）用（yòng），保持製品的幾何形狀；銅構成材料（liào）的易熔相，具有良好的（de）導熱性。本文中使用的銅鎢合金是通（tōng）過燒結法獲得（dé）的．其製造工藝（yì）路線為：擠壓，燒結；擠壓，燒結；再（zài）擠壓，再燒結；再擠壓燒結，最後滲（shèn）透。

3.實驗結（jié）果和討論

3．1材料去除速度分析

圖1表示當脈寬為25鬥s不（bú）同開放電壓（yā）條件下，材料去除速（sù）度與電極材料中銅鎢含量成分比例之間的關（guān）係。由圖可知在實驗範圍內的電壓條件下，無論開放電壓為多少，材料去除速（sù）度先隨著銅（tóng）含量的減小而變小，當銅含量為75％左（zuǒ）右時，即選用電極Cu，，w時，去除速度最大為17 mg／min；另一方麵，材料（liào）的去除速度（dù）隨著開放（fàng）電壓增大而增加，在開放電（diàn）壓（yā）為160 V時，達到最大，但是開放電壓的進一步（bù）增加材（cái）料（liào）去除（chú）速度有所降低。這是因為當開（kāi）放電壓增高時，由於電場強（qiáng）度等（děng）於電壓除以極間距，如果極間距相同（tóng），電壓增高，電場強度必然增大，所以在高（gāo）的電場強（qiáng）度條件下，放電時極間介質擊穿的幾率就會增大，每一個火花的能量增高，也（yě）就是材料的（de）去除速度會增加（jiā）；但是（shì）電壓過高的時候，勢必造成能量密度過大（dà），讓加工工件來不及冷卻（què），降低材料去除速（sù）度。

圖2是在（zài）開路電壓為160 V時，不同脈寬條件下，材料去除速度隨電極材料中銅鎢成份含量（liàng）比例變（biàn）化的曲線。由圖2可以看出，不論何種脈寬（kuān）條件，去除速度隨著電極材料中銅（tóng）含量的減小隨之（zhī）變小，表現（xiàn）出與隨電壓（yā）變化一致的規律。在選用材料（liào）為Cu，，w時，即銅含量為75％左右時，去除速度最大（dà）。同時脈寬的增加會使得材料去除速度下（xià）降，即在脈寬（kuān）為25汕s時其加（jiā）工（gōng）效果最佳。究其原因，脈（mò）寬增大的時候，放電通道擴張，則單位麵（miàn）積上能量的（de）密（mì）度隨之減小，所以通過放電離子通道提供的（de）能量不能提供足夠的爆炸力去（qù）除工（gōng）件表麵（miàn）的熔化材（cái）料；因此，較多的熔（róng）化物（wù）殘留在加工表麵，使得材料去除速度變慢。

圖1不同電壓下加工速度（dù）與電極材料（liào）之間的關係

圖2不同脈寬下加工速度與電極材料的關係（xì）

當電極的電阻（zǔ）不同時，則使得放（fàng）電波形前（qián）沿斜率（lǜ）也不盡相同，但電極的電阻較小時，則脈衝的前沿斜（xié）率就比較大，反（fǎn）之，電阻越大，脈衝的前沿（yán）斜率越小（xiǎo）H1。由於前沿斜率不同，造（zào）成帶電粒子和電荷對放（fàng）電點的衝擊不同，斜率越大則（zé）衝擊越大。當（dāng）占空比一定，脈寬較短的（de）時，單（dān）位時間內的火花（huā）的數目增多；在（zài）有效的脈衝中，當脈（mò）衝數目增多後，相應的對電極（jí）衝擊的量也會增大，結（jié）果表現為材料去除速度的增加。從單發放電的角度來說（shuō），這種作（zuò）用的結果不明顯，但是在（zài）經過若幹萬次甚至上百萬次的放電之後，這種作用結果疊加在一起，差（chà）別就明顯了。所以，隨著脈衝（chōng）寬度的增大，材料的去除（chú）速度會降低。

從參考文獻[8]中可知由於材（cái）料（liào）不同，其極間電壓也有有所不同，cu，，W(17．13 V)，Cu。W(16．9 V)，Cu笛W(16．5 V)。而且由於電極電阻的不同，施加在（zài）通道內的電壓（yā）就會不同。在所有的電極中，銅鎢電極的熔點隨著鎢含（hán）量的增大而增高，電阻同時也隨之增大。假如電阻每改變（biàn）降低(升高)一個（gè），隨之脈衝（chōng）能量的變化升（shēng）高(降低)，則在單位時間內能量的變化就是該（gāi）時間（jiān）段內每一（yī）個脈衝（chōng）能量變化的積（jī）分值；所以經過成千上萬的（de）脈衝（chōng）後由電極（jí）阻值不同而引起的能量的變化不容（róng）忽視。當電（diàn）阻很（hěn）小（xiǎo）時，放電速度快，也就是脈衝能量較大，所以此時會產生大量的熱，能量在較短的時間內急劇增大，放電痕增大，由放電形成的屑滯留在（zài）間隙中，最終電極和工作屑之間放電，工作屑又和工件（jiàn）表麵（miàn）放電，真正消耗在工件（jiàn）表麵的能量都經過加工屑（xiè）的（de）分散，材料的去除速度就變的很小。用銅鎢（wū）合金作為電極材料，鎢元素的存在，讓電極的電阻增大，放電速（sù）度變慢，使得能量適中，隨之材（cái）料去除速度增大；但是，當鎢的含量過大，電阻太大，反而使得（dé）能量值過低，則材料去除速度明顯下降。

從放電的角度分析，放電通道是由陰極(一)、陽極(+)和等離（lí）子體所構成。在（zài）陰極和陽極都有壓（yā）降區，其電壓降（jiàng）數值比放電通道的（de）其餘（yú）部分大而且電位梯度大，相應電場增大，在電場作用下，開始場發射電子。同時在陰極是供給（gěi）攜帶電（diàn）流的電子，發射電子的陰極點被灼熱到足夠（gòu）高溫度，此刻開始熱致發射電子（zǐ），能使電子獲（huò）得足夠大的能量而逸出陰極表麵，靠近陰極表麵的正離子在表麵前方（fāng）形成的電場也有助於逸出（chū）電子。由於銅和鎢（wū）的逸出功很相（xiàng）近，但是在CuW電極中，電子逸出功降低，使電子的發射容易（yì）的多，致使在通道（dào）中的電子數量的增（zēng）大，而通（tōng）道中的電流95％是由電子的移動形（xíng）成的（de）∽1，所以最後轟擊工件的電子數（shù）量增大，材料的去除速度增大。但（dàn）是隨著脈寬增大，會因為電子的擴散（sàn）作用（yòng）而使陽極(工件)放電斑增大，降低其電流密度，從而影響電極表麵的金屬蝕（shí）除量。

3．2電極損（sǔn）耗分析

圖（tú）3表示了隨電壓變化時，相對電極損耗與與電極材（cái）料中銅鎢含量成分之（zhī）間的變化趨勢，相對（duì）電極損耗隨（suí）著（zhe）開放電壓增大（dà）而增加，在開放電壓為160 V時（shí）最大，但是開放電壓過高後，相對電極損耗開始下降。隨著電極中銅（tóng）含量的減小，相對電極損（sǔn）耗逐漸（jiàn）減小，即（jí）當選（xuǎn）用電極Cu：，W時，其相對（duì）電極損耗最小（xiǎo），而cu，，w電極損耗最高。這是因為當開路電壓升高（gāo）的時候，電極間的放電電壓也就會相應的升高，所以（yǐ）電極間的能量也會卜升．隨之電極的損耗就變大。

圖（tú）3不同電壓下相對電極損耗與電極材料之（zhī）間的關係材料之間的關係

圖4中可以看出相對電極（jí）損耗隨電極中銅含量的減小而減小，同電壓特性一（yī）致：電極（jí）Cu笛w加工時其相對電極損耗（hào）最小，而cu，：w電（diàn）極（jí）損耗最高。而隨著脈衝寬度變長，則電極損耗越小。這是因為當脈寬增大時（shí）候，則脈衝的能量也增大，此時，通道也隨之擴張，能力密度就會（huì）降低；傳遞到電極上的能量就更容易在（zài）較長時間內被傳遞出（chū）去，這些都（dōu）會使得相對電極損耗降低（dī）．

圖4不（bú）同脈寬下相對電極損耗（hào）與電極（jí）材料（liào）之間的關（guān）係

根據（jù）電極材料的物理屬性（xìng）：在銅鎢電（diàn）極的導電率和導熱率都隨著銅含量的增大而增大，這會使（shǐ）得傳遞在電極上的熱量（liàng）很快被傳遞到（dào）其他的地（dì）方（fāng），所以較少的能量都被電（diàn）極吸收，所以銅鎢電（diàn）極的損耗（hào）會隨著銅的含量（liàng）的減小而減小。

從銅鎢合金電極的製造工藝考慮，在鎢含量較高的時候，這種方（fāng）法通常會產生很多的（de）氣孑L，這主要是因為鎢和液體銅的互溶（róng）性不好造成的。多孔性就會成為影響電（diàn）火花加工特性的主要因素。氣孔較多會產生較（jiào）大的電阻和弱的粒子結（jié）合力。這些氣孔會減小橫截麵積，根據電阻的表達式R=pL／S(這裏p是電阻率，L是導體（tǐ）長度（dù），s是橫截麵積)可知（zhī），電極的電阻值增加，當（dāng）電流值設定以後，通道（dào）中的能量隨著鎢含量的增大降低，也就是通過（guò）放電通道傳遞給（gěi）電極的能量就會減小，但是由於電極本身的電阻值（zhí）的增（zēng）大會使之獲得更多的能量，所以用來蝕除電極的能量也（yě）就會隨著（zhe）鎢含（hán）量的增大而增大，所以電極損耗會隨著鎢元素的增加而增大，而鎢電極因為其熔點和沸點（diǎn）都很高，所以保持較低的損（sǔn）耗。

如果陰極是低熔點材料，則不能在高溫下存在，所以電子的逸出主要依賴於陰極表麵的電場強度，如果材料的導熱性好，放電點附近的溫度（dù）梯度要比高熔（róng）點的材料小得多，所（suǒ）以電極表麵電場變化時放電點能在陰極表麵快速（sù）移動，電極損耗會很低（dī）。CuW電極的電（diàn）子（zǐ）逸出（chū）功就要比銅或者鎢的低¨.，所以電子很容（róng）易就逸出，在通道中電子的數目增大。電子（zǐ）高速奔向陽極，並與陽極（jí）逸出的原子流(因為陽極的壓降（jiàng）一般很小)碰撞，使有些沒有電離原子產生電離，這樣奔向陰極的正離子的數量也會增大，在高溫作用下，場致發射電子（zǐ）和熱致發（fā）射電子共同左（zuǒ）右，所以作為陰極的電極的損耗取決於材料本身的物理特性如（rú）熔點，導熱等，Cu笛w雖然導熱（rè）率低，但熔（róng）點高，在短脈衝下（xià）熱量來（lái）不及傳（chuán）導，凸顯了熔（róng）點的（de）作用，所以其電（diàn）極損耗會下降，而Cu75W熔點要低，導致損耗增加。

3．3 實驗驗（yàn）證

通過（guò）以上實（shí）驗分析，在加工過程中，加工速度和相對電極損耗都會隨電極材料中銅含量（liàng）的減小而減小。因此建議在粗加工是（shì）可選（xuǎn）用Cu，，w電極，而精加工時刻（kè）采用Cu為W電極。選（xuǎn）擇電壓160 V，脈衝寬度（dù）100鬥s進行驗證實驗，加工速度可達19．5mg／min，而電極損耗1．75％左右。

4.結論及展望

通過一係列的試驗研究，結果表明：

(1)開路（lù）電壓越高，則材料的去除速度也（yě）越高（gāo），但是當電壓過（guò）高時，材料去除速度反而會下降，較優（yōu）的（de）開路電壓為160 V；電極的損耗也會隨著開（kāi）路電（diàn）壓（yā）的升高而增大。脈（mò）衝寬度越大則材料去除速度越小，隨著脈衝寬度的增大，電極的損耗隨之降低。

(2)隨著電極材（cái）料中銅含量的減小，材料（liào）的去除速度和相對電極損耗都隨之減小；電極采用Cu，，W時，加工性能最佳。而電（diàn）極采用cu笛（dí）w時，相對電極損耗最（zuì）佳。因此建議在粗加工是可選用cu，，w電極，而精加工時刻采用Cu巧w電極。

(3)整個實驗中隻考慮了加工速度以及相對電極損耗（hào）受電極材料（liào）成分影響，而沒有考慮到加工表麵質量。因此後期研究中需對不同成分（fèn）配比的電極對加工表麵質量影響深入研究。

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