王 力，張國(guó)偉，郭雨龍，邵東向，郭永豐

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

鈦合金Ti-6Al-4V的電火花加工試驗(yàn)研究

王 力，張國(guó)偉，郭雨龍，邵東向，郭永豐

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V進(jìn)行了電火花加工試驗(yàn)研究，以加工極性、脈寬、峰值電流為試驗(yàn)因素，探討其對(duì)TC4鈦合金的材料去除率、電極相對(duì)損耗及工件表面微裂紋的影響規(guī)律。結(jié)果表明：占空比一定、采用正極性或負(fù)極性加工時(shí)，增加峰值電流皆可提高其材料去除率，且負(fù)極性加工影響更為顯著；同時(shí)，負(fù)極性加工可獲得較低的電極相對(duì)損耗。無(wú)論選用何種加工極性，增大峰值電流與脈寬，都會(huì)導(dǎo)致TC4鈦合金加工表面出現(xiàn)顯著的微裂紋，且負(fù)極性加工時(shí)的工件表面微裂紋密度大于正極性加工；同時(shí)，TC4鈦合金加工表面皆有TiC生成，使電火花加工TC4鈦合金時(shí)的材料去除率降低。

TC4鈦合金；材料去除率；電極相對(duì)損耗；微裂紋

TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕及良好的中高溫工作性能等優(yōu)點(diǎn)，目前在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如：TC4鈦合金已用于制造飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、醫(yī)用人工修復(fù)關(guān)節(jié)、航海專用防腐蝕的泵閥等[1-2]。但由于TC4鈦合金存在導(dǎo)熱系數(shù)差、耐磨性差、比熱容小、彈性模量低等特點(diǎn)，屬于難加工材料，傳統(tǒng)機(jī)械加工對(duì)其復(fù)雜零件形狀的制造較困難[3-5]。電火花加工是利用工具電極與工件之間的脈沖放電腐蝕去除工件材料的，可實(shí)現(xiàn)特定形狀尺寸的加工及良好的表面質(zhì)量；且在加工過(guò)程中，工具電極與工件不接觸，其宏觀作用力小，由于加工不受工件硬度及強(qiáng)度等影響，故可加工任何導(dǎo)電金屬材料。因此，電火花加工技術(shù)已逐步用于鈦合金材料的加工領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TC4鈦合金的電火花加工表面質(zhì)量、加工效率等開展了諸多研究。Has?al?k等[6]的研究結(jié)果表明，電火花加工TC4鈦合金的材料去除率、電極相對(duì)損耗及平均白層厚度均隨電流密度和脈寬的增加而增加；而采用長(zhǎng)脈寬會(huì)降低其材料去除率；此外，當(dāng)使用銅電極加工時(shí)，鈦合金白層表面會(huì)出現(xiàn)明顯的微裂紋。強(qiáng)華等[7]對(duì)電火花加工TC4鈦合金的電極相對(duì)損耗進(jìn)行了探討，得出電極相對(duì)損耗與電規(guī)準(zhǔn)及電極材料等因素有關(guān)的結(jié)論；與精加工相比，粗加工具有更小的電極相對(duì)損耗；在相同加工條件下，雖然紫銅電極的電極相對(duì)損耗大于

銅鎢合金電極，但可獲得較高的材料去除率。Pradhan對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，峰值電流和脈寬對(duì)材料去除率及電極相對(duì)損耗的影響最為顯著。本文分別就加工極性、峰值電流（10～34 A）、脈寬（30～160 μs）對(duì)電火花加工TC4鈦合金的材料去除率、電極相對(duì)損耗及工件表面微裂紋的影響規(guī)律進(jìn)行討論。

1 對(duì)材料去除率和電極相對(duì)損耗的影響

1.1 試驗(yàn)裝置及加工條件

試驗(yàn)采用P60A數(shù)控電火花成形機(jī)床作為試驗(yàn)平臺(tái)。采用直徑16 mm的紫銅作為工具電極，對(duì)深度3 mm的TC4鈦合金盲孔進(jìn)行加工。工作介質(zhì)為航空煤油。利用超景深顯微鏡觀測(cè)工件表面微裂紋，同時(shí)采用X射線衍射儀對(duì)工件加工表面進(jìn)行成分分析。試驗(yàn)時(shí)，開路電壓280 V、占空比48%均為常量，加工極性、峰值電流及脈寬等因素選用的水平見表1。

表1 各因素選用的水平

1.2 峰值電流與脈寬對(duì)材料去除率的影響規(guī)律

脈寬為130 μs時(shí)，峰值電流對(duì)TC4鈦合金材料去除率的影響規(guī)律見圖1?？煽闯觯瑹o(wú)論采用正極性還是負(fù)極性加工，峰值電流的增大都能使材料去除率提高，且負(fù)極性加工的材料去除率高于正極性加工。

圖1 峰值電流對(duì)材料去除率的影響規(guī)律

圖2是峰值電流為33.7 A時(shí)，脈寬對(duì)TC4鈦合金材料去除率的影響規(guī)律?？煽闯?，隨著脈寬的增加，正極性加工的材料去除率逐漸下降；而負(fù)極性加工的材料去除率逐漸上升，且高于正極性加工。

圖2 脈寬對(duì)材料去除率的影響規(guī)律

由于增大脈寬時(shí)，單次脈沖放電能量會(huì)增加，此時(shí)放電通道中的正離子有足夠時(shí)間加速，且轟擊負(fù)極表面的離子數(shù)隨時(shí)間的增加而遞增。由于正離子加速產(chǎn)生的慣性大，且在負(fù)極表面的轟擊能力大于電子，因此，在大脈寬條件下，負(fù)極性加工可獲得較高的材料去除率。由圖1、圖2可知，采用負(fù)極性、大的峰值電流及適中的脈寬，可獲得較高的材料去除率。

1.3 峰值電流與脈寬對(duì)電極相對(duì)損耗的影響規(guī)律

脈寬為130 μs時(shí)，峰值電流對(duì)電極相對(duì)損耗的影響規(guī)律見圖3?？煽闯觯捎秘?fù)極性加工時(shí)，峰值電流的增大會(huì)導(dǎo)致電極相對(duì)損耗逐漸增加；電流在10～30 A區(qū)間時(shí)，其電極相對(duì)損耗低于正極性加工。

圖3 峰值電流對(duì)電極相對(duì)損耗的影響規(guī)律

峰值電流為33.7 A時(shí)，脈寬對(duì)電極相對(duì)損耗的影響規(guī)律見圖4?？煽闯?，無(wú)論選用何種加工極性，電極相對(duì)損耗都隨著脈寬的增加而下降；當(dāng)脈寬為130 μs時(shí)，電極相對(duì)損耗趨于平穩(wěn)；負(fù)極性加工獲得的電極相對(duì)損耗更低。在加工過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)，采用負(fù)極性加工時(shí)，煤油熱裂解生成的碳元素吸附于銅電極表面，形成了一層熔點(diǎn)和氣化點(diǎn)較高的碳保護(hù)膜，從而保護(hù)了正極，降低了電極相對(duì)損耗。因此，與正極性加工相比，負(fù)極性加工可獲得較低的電極相對(duì)損耗。

2 對(duì)表面形貌的影響

2.1 脈寬對(duì)工件表面形貌的影響規(guī)律

圖4 脈寬對(duì)電極相對(duì)損耗的影響規(guī)律

采用正極性加工、峰值電流為33.7 A時(shí)，不同脈寬條件下的TC4鈦合金加工表面形貌見圖5?？煽闯?，脈寬較小時(shí)，盲孔底面中心處出現(xiàn)凸起圓臺(tái)；當(dāng)脈寬為130 μs時(shí)，該現(xiàn)象消失。結(jié)果表明，隨著脈寬的增加，盲孔底面趨于平整，且盲孔底面微裂紋密度顯著增加。

從圖6可看出，在負(fù)極性加工條件下，脈寬較小時(shí)，加工表面出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象；隨著脈寬的增加，工件表面趨于平整，且微裂紋密度顯著增加。這是因?yàn)椴捎幂^小的脈寬值進(jìn)行加工時(shí)，由于占空比一定，較小的脈間不利于工件圓心周圍的電蝕物向外排出，導(dǎo)致在中心處放電較多；同時(shí)，工具電極外圓周處及側(cè)面電蝕產(chǎn)物的介入，也會(huì)產(chǎn)生較多的非正常放電，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生內(nèi)凹現(xiàn)象。

圖5 正極性加工時(shí)，脈寬對(duì)TC4鈦合金表面形貌及微裂紋的影響規(guī)律

圖6 負(fù)極性加工時(shí)，脈寬對(duì)TC4鈦合金表面形貌及微裂紋的影響規(guī)律

2.2 峰值電流對(duì)工件表面形貌的影響規(guī)律

采用正極性加工、脈寬為130 μs時(shí)，不同峰值電流條件下的TC4鈦合金加工表面形貌見圖7?？煽闯?，隨著電流的增大，工件表面微裂紋密度逐漸增加。

從圖8可看出，采用負(fù)極性加工、脈寬130 μs時(shí)，工件表面微裂紋密度也隨著峰值電流的增大而顯著增加。

3 X射線衍射分析與金相組織分析

為了分析加工極性、峰值電流及脈寬對(duì)TC4鈦合金加工性能的影響規(guī)律，分別取脈寬63.6 μs、峰值電流28.5 A時(shí)的加工樣件進(jìn)行X射線衍射分析（圖9、圖10）。同時(shí)，分別取脈寬158 μs、峰值電流33.7 A時(shí)的加工樣件進(jìn)行金相組織分析 （圖11、圖12）。

圖7 正極性加工時(shí)，峰值電流對(duì)TC4鈦合金表面形貌及微裂紋的影響規(guī)律

圖8 負(fù)極性加工時(shí)，峰值電流對(duì)TC4鈦合金表面形貌及微裂紋的影響規(guī)律

圖9 脈寬63.6 μs時(shí)的X射線衍射分析結(jié)果

圖10 峰值電流28.5 A時(shí)的X射線衍射分析結(jié)果

由圖9、圖10的X射線衍射分析可知，無(wú)論采用正極性或負(fù)極性加工，電火花加工后鈦合金表面都有TiC生成。這是由于加工過(guò)程中，鈦元素在高溫下與煤油熱裂解生成的碳元素發(fā)生了反應(yīng)。由于TiC的熔點(diǎn)為3160℃，沸點(diǎn)為4820℃，且具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性；而TC4的熔點(diǎn)只有1692℃，所以在電火花加工過(guò)程中生成的TiC，阻礙了其放電蝕除TC4鈦合金，降低了材料去除率。

當(dāng)采用正極性或負(fù)極性加工時(shí)，由于熔融金屬表面與煤油工作液、熔融金屬與金屬基底的熱傳遞

速度不一致，材料在高溫通道快速熔化，又在煤油工作液中急劇冷卻，從而造成熔融金屬上表面與熔融金屬基底接觸面之間存在顯著的溫度梯度。因此，基體表面凝固的金屬不可避免地受到熱應(yīng)力與拉應(yīng)力作用。

在小脈寬或小峰值電流的作用下，由于放電能量較小，熱量在工件表面熱傳遞的影響范圍較小，所以白層與熱影響層厚度較薄，白層由熔融金屬急劇冷卻而形成。因此，熔融金屬急劇冷卻后形成的殘余應(yīng)力較小，工件表面不出現(xiàn)或存在少量裂紋（圖5～圖8中的a、b）。反之，當(dāng)脈寬或峰值電流增加時(shí)，放電能量增大，熱量在工件表面熱傳遞的影響范圍較大，形成較大的白層與熱影響層厚度；放電結(jié)束后，熔融金屬上表層率先冷卻，內(nèi)層材料因冷卻時(shí)造成的體積收縮而滯后于上表層；此外，由于加工過(guò)程中TiC的生成，且其分布不均勻，TiC再次熔化后，隨熔融金屬一起冷卻時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定的溫度梯度，這都會(huì)導(dǎo)致材料表層出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，微裂紋顯著出現(xiàn)（圖5～圖8中的c、d）。

由圖11、圖12所示的金相組織表明，負(fù)極性加工時(shí)的白層厚度大于正極性加工。這是因?yàn)樵谪?fù)極性加工中，由于大脈寬與大電流的作用，正離子的轟擊效應(yīng)帶給工件表面的能量更大，熱能在工件表面熱傳遞的范圍大于正極性加工。因此，負(fù)極性加工會(huì)產(chǎn)生更多的熔融金屬，可獲得較高的白層與熱影響層厚度。放電結(jié)束后，熔融金屬急劇冷卻，造成較大的殘余應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度，微裂紋顯著出現(xiàn)。因此，圖6c與圖6d、圖8c與圖8d中出現(xiàn)大量微裂紋，且其密度分別大于圖5c與圖5d、圖7c與圖7d。

圖11 脈寬158 μs時(shí)的金相組織結(jié)果

圖12 峰值電流33.7 A時(shí)的金相組織結(jié)果

4 結(jié)論

（1）采用正極性或負(fù)極性加工時(shí)，增大峰值電流，均可提高材料去除率，且負(fù)極性效果更顯著。

（2）在占空比一定、峰值電流與脈寬增大時(shí)，負(fù)極性加工可獲得更低的電極相對(duì)損耗。

（3）無(wú)論采用正極性或負(fù)極性加工，在占空比一定時(shí)，脈寬與峰值電流的增大，都會(huì)使TC4鈦合金表面的微裂紋密度隨之增加。負(fù)極性加工時(shí)，白層厚度大于正極性加工，且其工件表面微裂紋密度更顯著。

（4）采用正極性或負(fù)極性加工時(shí)，TC4鈦合金表面均有TiC生成。由于TiC的熔點(diǎn)顯著高于TC4鈦合金，因此，TiC的形成阻礙了電火花加工鈦合金基體，降低了材料去除率。

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Experimental Research on EDM of Ti-6Al-4V Titanium Alloys

Wang Li，Zhang Guowei，Guo Yulong，Shao Dongxiang，Guo Yongfeng
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

EDM experiment research on titanium alloy Ti-6Al-4V is conducted to explore its material removal rate，electrode relative wear and microcrack density.Polarity，pulse duration and peck current are selected as experimental factor.The result shows that the increasement of peck current could improve material removal rate，and it is more dramatically during negative polarity machining; meanwhile，the lower electrode relative wear could be reached if chosing negative polarity.With the increasement of pulse duration and current，the machined surface of TC4 alloy comes out the intensive microcrack，and it is more dramatically when choosing negative machining.At the same time，TiC is emerged on the machined surface，which is leaded to the lower material removal rate.

TC4 titanium alloys；material removal rate；electrode relative wear；microcrack

TG661

A

1009-279X（2014）03-0026-05

2013-12-30

王力，男，1987年生，博士研究生。