TiN 陶瓷超聲振動輔助混粉電火花加工實驗平臺設(shè)計

周永強，高 翔，韓建慶，張勤河

（ 山東大學機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250014 ）

氮化鈦（TiN）是一種典型的多功能陶瓷材料，具有較高的熔點和硬度、 優(yōu)良的導電性和耐腐蝕性，在航空航天、軍工和民用等領(lǐng)域得到廣泛應用。然而，由于TiN 陶瓷材料的脆性極高，采用傳統(tǒng)機械加工時會產(chǎn)生較大切削力和嚴重的刀具磨損，導致加工時間較長、加工成本較高。 同時，傳統(tǒng)機械加工方法會損壞陶瓷材料表面， 產(chǎn)生裂紋和應力集中，影響部件的機械強度。 因此，針對高效的TiN 陶瓷加工工藝的研究具有重要意義。

為解決陶瓷材料難加工的問題，許多研究者對電火花加工進行了廣泛研究。 電火花加工是利用放電產(chǎn)生的局部高溫來蝕除工件材料的方法。 由于該方法使用導電金屬材料且無需考慮其機械性能，加工時沒有宏觀切削力，對工具電極的硬度和強度要求不高[1]。 但是這些方法大多只能解決單個方面的問題，比如，混粉電火花加工雖能降低工件的表面粗糙度，但也降低了材料去除率[2-3]；又如，超聲振動輔助電火花加工雖能提升材料去除率，但對工件的表面質(zhì)量提升較小[4-5]。

本文結(jié)合上述兩種加工方法， 提出了一種超聲振動輔助混粉電火花加工法， 設(shè)計搭建了實驗平臺，并進行TiN 陶瓷超聲振動輔助混粉電火花加工的實驗以驗證其可行性，為后續(xù)探索TiN 陶瓷超聲振動輔助混粉電火花加工規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。 圖1為超聲輔助混粉電火花加工機理示意圖。

圖1 超聲振動輔助混粉電火花加工機理示意圖

1 超聲振動系統(tǒng)實驗裝置設(shè)計

TiN 陶瓷超聲振動輔助混粉電火花加工實驗平臺超聲振動系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、換能器及變幅桿組成，其工作流程見圖2。換能器主要由壓電效應較強的壓電陶瓷組成，其在接收到超聲波發(fā)生器發(fā)送的電信號后，將該電信號轉(zhuǎn)化為自身的機械振動并傳遞給變幅桿，變幅桿將振幅放大并最終作用到工具電極上使其實現(xiàn)預期的振動。

圖2 超聲振動系統(tǒng)工作原理示意圖

2.1 超聲發(fā)生器選型

超聲波發(fā)生器的主要功能是將接收的工頻交流電轉(zhuǎn)變成換能器匹配的高頻振蕩電信號，因此也被稱為超聲波驅(qū)動電源，其功能參數(shù)見表1。本文選用的發(fā)生器為他激式震蕩電路，相比于采用自激式電路結(jié)構(gòu)的超聲波模擬電源， 其輸出功率明顯提升；同時還具備頻率自動跟蹤功能，使換能器振幅輸出更加穩(wěn)定。

表1 超聲發(fā)生器選型及參數(shù)

2.2 超聲換能器與變幅桿設(shè)計

超聲波換能器能將收到的電信號轉(zhuǎn)換為機械振動并傳輸?shù)阶兎鶙U，因此是整個超聲振動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。 夾心式結(jié)構(gòu)的壓電式換能器，是通過中心螺栓將壓電陶瓷材料固定在前、后端蓋之間并對其施加一定的預緊力，以避免壓電陶瓷在工作過程中因受到較大張力作用而損壞，相較于磁致伸縮式換能器具備占用空間小、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢。

由于換能器產(chǎn)生的振動幅度不能滿足實際加工需求，需利用變幅桿放大振幅。 階梯型變幅桿便于設(shè)計和加工。 圖3 是試驗使用的超聲振動主軸。

圖3 超聲振動主軸結(jié)構(gòu)圖

3 超聲振動系統(tǒng)仿真分析及性能測試

3.1 超聲振動主軸模態(tài)及諧響應分析

模態(tài)分析是基于線性假設(shè)來反映結(jié)構(gòu)自身的振動特性，這些特性主要為自振頻率和振型；諧響應分析是通過分析結(jié)構(gòu)在受到周期載荷持續(xù)作用時的穩(wěn)態(tài)響應[6]。 通過對超聲振動主軸進行模態(tài)與諧響應分析，可獲得該主軸在一定頻率范圍內(nèi)的最大響應位移，以驗證該主軸的性能是否能滿足超聲振動輔助混粉電火花加工的要求。

本文先利用SOLIDWORKS 軟件對超聲主軸做三維建模，再基于ABAQUS 軟件完成模態(tài)分析和諧響應分析。 所選超聲主軸的主體材料為鈦合金，絕緣墊片材料為橡膠，材料數(shù)據(jù)見表2。設(shè)置掃頻范圍為20～25 kHz，設(shè)定阻尼臨界衰減分數(shù)為0.01，在網(wǎng)格劃分好之后進行分析計算； 選用諧振頻率為28 kHz 的超聲振動主軸， 在夾持直徑為3 mm 的圓柱紫銅電極后，電極伸出長度為65 mm，諧振頻率約變?yōu)?3 kHz； 進一步提取附近諧振頻率依次為20.656、23.482、23.706、23.800 kHz 的四階振型進行分析。 超聲振動主軸各階模態(tài)見圖4。

表2 超聲主軸參數(shù)

圖4 超聲振動主軸各階模態(tài)

模態(tài)仿真結(jié)果表明：第3 階模態(tài)變形均勻且位移符合預期，其頻率為23.480 kHz，與23 kHz 相當接近，誤差約為2%。 通過諧響應分析得到，當超聲主軸諧振頻率為23.139 kHz 時， 振幅為2.312 μm，應力分布較為合理，滿足實驗要求。

3.2 超聲振動主軸性能測試

為驗證仿真結(jié)果的準確性，通過振幅測量儀和阻抗分析儀完成對超聲主軸的性能測試。 表3 是超聲主軸的性能參數(shù)。 當功率檔位到達60%后，超聲振動主軸的發(fā)熱量會急劇上升，此時難以用于實際加工，故本文不做統(tǒng)計。

表3 超聲振動主軸性能參數(shù)表

4 混粉顆粒循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計及仿真

4.1 混粉顆粒循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證混粉顆粒能在極間流場均勻分布，對混粉顆粒循環(huán)系統(tǒng)進行了設(shè)計及仿真。 該循環(huán)系統(tǒng)主要由油箱、輸油管道及循環(huán)泵三部分組成（圖5）。

圖5 顆粒循環(huán)系統(tǒng)示意圖

開展超聲振動輔助混粉電火花加工實驗時發(fā)現(xiàn)，由于機床內(nèi)置油箱容量太大，向電火花工作液摻雜粉末顆粒時會造成大量浪費，設(shè)計了一個底部有定位槽及螺紋孔且方便工件定位和裝夾的透明亞克力油箱。 由于循環(huán)泵的性能直接影響混粉顆粒循環(huán)裝置的實際效果，選用了性能參數(shù)如表4 所示的循環(huán)泵。

表4 循環(huán)泵選型及性能參數(shù)

4.2 電介質(zhì)槽內(nèi)流場仿真

在設(shè)計完成混粉顆粒循環(huán)系統(tǒng)后，需對整體系統(tǒng)進行仿真驗證，并分析極間流場分布情況，以便對各部分進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 本小節(jié)利用Fluent 流體力學計算軟件對油箱內(nèi)的流場進行了仿真分析。

利用Fluent 軟件導入流場域模型后，通過網(wǎng)格處理模塊Mesh 進行網(wǎng)格劃分。 將流場域材料設(shè)置為電火花加工工作液、密度設(shè)置為780 kg/m3、動力粘度為2.4×10-3kg/（m·s）； 將邊界條件均設(shè)置為速度入口邊界， 雖然實際出水口和入水口的速度相同，但是將實際出水口的速度設(shè)置為反方向，以實現(xiàn)速度出口的效果。 經(jīng)軟件處理后得到的工件上表面及中截面的流場速度分布情況見圖6。其中，基準面1 為TiN 陶瓷工件的上表面，基準面2 為長度方向上的中截面，基準面3 為寬度方向上的中截面。

圖6 電介質(zhì)槽流場速度云圖

流場仿真結(jié)果表明：循環(huán)泵使電解質(zhì)槽內(nèi)電火花加工工作液流速加快，使混粉顆粒在電解質(zhì)槽內(nèi)的分布更加均勻；工件表面流速平穩(wěn)，也有利于加速排出加工過程中產(chǎn)生的蝕除碎屑，并提高極間放電環(huán)境的穩(wěn)定性。 因此，本文設(shè)計的混粉顆粒循環(huán)系統(tǒng)能滿足使用要求。

5 實驗驗證

為探究混粉因素與超聲振動在不同參數(shù)條件下對放電加工工件表面質(zhì)量的影響，本文通過對比實驗分析了超聲振動輔助混粉電火花加工 （UVPMEDM）、混粉電火花加工（PMEDM）、超聲振動輔助電火花加工（UV-EDM） 及普通電火花加工（EDM）等四種方式的加工性能差異。 不同電火花加工的對比實驗方案如表5 所列， 其中峰值電流為5.6 A、基準電壓為56 V。

表5 不同電火花加工對比實驗方案

圖7 所示的對比實驗結(jié)果表明：普通電火花加工的材料去除率為0.347 mm3/min、超聲振動輔助電火花加工的材料去除率為0.469 mm3/min、混粉電火花加工的材料去除率為0.374 mm3/min、超聲振動輔助混粉電火花加工的材料去除率為0.516 mm3/min。可見，超聲振動輔助混粉電火花加工的材料去除率與普通電火花加工的相比提升了約49%，與混粉電火花加工的相比提升了約38%，與超聲振動輔助電火花加工的相比提升了約10%。

圖7 不同加工方式的加工性能對比

此外，經(jīng)普通電火花加工后，工件表面粗糙度為4.852 μm；經(jīng)超聲振動輔助電火花加工后，工件表面粗糙度為3.975 μm； 經(jīng)混粉電火花加工后，工件表面粗糙度為2.58 μm； 經(jīng)超聲振動輔助混粉電火花加工后，工件表面粗糙度為2.342 μm。可知，超聲振動輔助混粉電火花加工的工件表面粗糙度值與普通電火花加工相比降低了約50%，與混粉電火花加工相比降低了約9%， 與超聲振動輔助電火花加工相比降低了約41%。

6 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)機械加工氮化鈦（TiN）時存在的刀具損耗現(xiàn)象以及常規(guī)電火花加工陶瓷材料效率低的問題，提出了一種針對TiN 陶瓷材料的超聲振動輔助混粉電火花加工（UV-PMEDM）的方法，并搭建實驗平臺驗證其可行性，得出以下結(jié)論：

（1）為研究混粉因素結(jié)合超聲振動輔助在電火花加工中的應用效果，搭建了針對TiN 陶瓷的電火花加工平臺，完成了超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿的設(shè)計及選用?；贏BAQUS 軟件對超聲振動主軸做了振型和振幅的分析，并測試了超聲振動主軸的性能測試，得到了不同功率條件下的振幅和諧振頻率數(shù)據(jù)。 測試結(jié)果表明：所設(shè)計的超聲振動主軸能滿足UV-PMEDM 加工的性能要求。

（2）設(shè)計了混粉顆粒循環(huán)裝置，并利用該裝置在設(shè)計的亞克力電介質(zhì)槽內(nèi)進行了驗證實驗。 利用Fluent 軟件進行流場仿真，結(jié)果表明：該混粉顆粒循環(huán)裝置能實現(xiàn)混粉顆粒在電介質(zhì)槽內(nèi)的均勻分布，滿足極間流場均勻分布的實驗要求。

（3）開展了超聲振動輔助混粉電火花加工、混粉電火花加工、超聲振動輔助電火花加工以及普通電火花加工等四種不同的TiN 陶瓷電火花加工方式的對比實驗。 結(jié)果表明：超聲振動輔助混粉電火花加工能顯著改善TiN 陶瓷加工表面質(zhì)量并提高材料去除率。