徐安陽，劉仁體，劉志東

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

能量逐次遞減電火花放電誘導(dǎo)燒蝕修整加工研究

徐安陽，劉仁體，劉志東

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

針對電火花誘導(dǎo)燒蝕加工在獲得高蝕除效率的同時(shí)對加工表面形成的不利影響，提出了能量逐次遞減燒蝕修整加工的方法。采用等差數(shù)列的方法減小加工參數(shù)進(jìn)行燒蝕加工，結(jié)果表明：按等差數(shù)列選取加工參數(shù)的燒蝕深度呈近似等比例降低趨勢，表面質(zhì)量獲得較大的提高。實(shí)驗(yàn)中，在獲得加工表面粗糙度值為Ra3.083 μm的同時(shí)，得到485.5 mm3/min的平均加工效率，是同等加工表面質(zhì)量電火花車削（3.22 mm3/min）的150倍。實(shí)現(xiàn)了在保障獲得較好表面質(zhì)量的同時(shí)，保持較高蝕除效率的目的。

燒蝕加工；鈦合金；加工效率；表面質(zhì)量

電火花加工技術(shù)作為特種加工的重要方法，因不受工件材料強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能的限制、無宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，已成為鈦合金加工的重要手段。但電火花加工效率低，一直制約著電火花加工技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。為此，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對電火花加工技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。國枝正典等采用水作為工作液，同時(shí)向放電區(qū)域通入氧氣進(jìn)行電火花加工，在增大放電頻率的同時(shí)提高了材料蝕除率［3］；還使用氣體介質(zhì)代替液體介質(zhì)進(jìn)行電火花加工，在用氧氣作為氣體介質(zhì)時(shí)，由于材料的強(qiáng)烈氧化，加工速度得到大幅提高［4］；在對氧氣中的三維放電銑削加工進(jìn)行的研究中，獲得的材料蝕除率高達(dá)122 mm3/min［5-6］。張勤河等進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助氣體介質(zhì)電火花加工研究，能在一定程度上提高材料去除率［7-9］。

針對電火花放電加工效率低的問題，劉志東提出了電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的新方法，在電火花加工中引入金屬燃燒的化學(xué)能，依靠燃燒消耗和燃燒熱的熔化作用，能使加工效率獲得十?dāng)?shù)倍的提高［10-13］。針對燒蝕作用產(chǎn)生的巨大燒蝕坑對表面質(zhì)量和加工精度的影響，本文提出了能量逐次遞減燒蝕修整的加工方法。

1 燒蝕加工修整的必要性

1.1 燒蝕加工系統(tǒng)

功能電極能量逐次遞減修整加工系統(tǒng)見圖1。功能電極束由外部的中空銅管和內(nèi)部的眾多細(xì)銅管組成，形成直達(dá)加工區(qū)域的工作液通道和氧氣通道。調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床主軸帶動(dòng)功能電極向工件進(jìn)給，并做車削運(yùn)動(dòng)。

圖1 能量逐次遞減修整加工系統(tǒng)

1.2 燒蝕加工效率分析

為研究燒蝕加工對工件表面質(zhì)量的影響，采用表1所列參數(shù)進(jìn)行燒蝕加工和內(nèi)噴液常規(guī)電火花加工對比實(shí)驗(yàn)。工件材料為鈦合金TC4，并與電源正極相連，工件直徑為60 mm。結(jié)果表明，燒蝕加工效率高達(dá)871 mm3/min，約為常規(guī)電火花加工效率的10.6倍；燒蝕加工的表面粗糙度值過大，超出了量程，常規(guī)電火花加工表面粗糙度為Ra4.87 μm。因此，雖然氧氣與鈦合金材料的燃燒蝕除極大地提高了效率，但加工表面質(zhì)量被破壞。

表1 對比實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.3 燒蝕加工表面形貌分析

如圖2所示，燒蝕加工表面布滿較深的燒蝕坑、槽，并被黑色燃燒生成物所覆蓋；而常規(guī)電火花加工表面的放電蝕坑較均勻（圖3）。因此，燒蝕加工在獲得高效率的同時(shí)，形成了較大的燒蝕坑，對加工表面質(zhì)量有不利影響，需進(jìn)行修整。

圖2 燒蝕車削加工表面

圖3 常規(guī)電火花車削加工表面

1.4 表面微觀形貌

功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕車削加工生成的表面微觀形貌見圖4?？煽闯?，大量燒蝕坑沿一定方向延伸，且被重凝物覆蓋，表面存在較多的微孔和重凝堆積物。

圖4 燒蝕加工表面微觀形貌

圖4所示表面的能譜圖見圖5?？煽闯?，燒蝕加工表面的氧元素原子百分比高達(dá)66.02%，說明氧氣與表面材料發(fā)生了劇烈的氧化燃燒反應(yīng)，生成的金屬氧化物重凝在加工表面。這些缺陷都將嚴(yán)重影響燒蝕加工表面的質(zhì)量。因此，有必要對燒蝕加工表面進(jìn)行修整，以提高表面質(zhì)量。

圖5 燒蝕加工表面能譜圖

1.5 燒蝕坑分析

如圖6所示，燒蝕坑較大，呈圓弧形，表面氧化層呈破碎式覆蓋于工件表面，對工件表面起到的保護(hù)作用有限，故燒蝕反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行。燒蝕坑嚴(yán)重影響了加工表面質(zhì)量。

圖6 燒蝕加工形成的燒蝕坑

在相同電參數(shù)條件下，燒蝕坑和電火花放電蝕坑的對比見圖7?？煽闯?，燒蝕反應(yīng)產(chǎn)生的燒蝕深度H是燒蝕坑深度h1和氧化層厚度h2之和。

圖7 燒蝕坑示意圖

2 能量逐次遞減修整加工原理

由前期研究可知，燒蝕加工的效率和表面粗糙度值隨著電火花放電的脈沖寬度、平均電流及氣液壓力比的增加呈線性增大趨勢，隨著工件轉(zhuǎn)速的增加呈線性減小趨勢。因此，若要提升蝕除效率，就需提高放電蝕除能量和燃燒蝕除能量，增大燒蝕坑和放電蝕坑的體積；相反，若要獲得較高的加工表面質(zhì)量，就需降低加工能量，減小燒蝕坑和放電蝕坑的體積。為兼顧蝕除效率和加工表面質(zhì)量，提出了能量逐次遞減修整的新方法。

功能電極能量逐次遞減燒蝕修整加工原理見圖8。在燒蝕加工的最終階段，根據(jù)加工余量選取對應(yīng)的加工能量（電參數(shù)和非電參數(shù)）。隨著加工余量的減少，逐次降低加工能量，減小燒蝕深度，提高加工表面質(zhì)量，從而獲得所需精度的加工表面。為避免燒蝕坑影響目標(biāo)表面，在燒蝕最大深度與目標(biāo)表面之間應(yīng)有足夠的安全厚度δ，使用特定能量加工后的余量M為燒蝕深度H和安全厚度δ之和，這里選取δ=H。能量逐次遞減修整加工過程如下：

首先，由于燒蝕加工表面粗糙度值與平均電流I、脈沖寬度ton、氧氣壓力Pg與水壓力Pl之比η成正比，與工件轉(zhuǎn)速n成反比，且都呈線性變化，所以按等差數(shù)列的方式選擇加工參數(shù)，生成的表面粗糙度值也呈均勻變化趨勢。因此，采用這種等差遞減的方式選取加工參數(shù)進(jìn)行燒蝕加工試驗(yàn)，測量燒蝕深度和變質(zhì)層厚度。

其次，根據(jù)加工余量的大小確定最大允許的燒蝕深度和變質(zhì)層厚度，選取對應(yīng)的加工能量，并確定加工參數(shù)。如圖8所示，以工件初始加工表面作為0號面，其與目標(biāo)表面的間距為加工總余量M總。為確保最終加工表面不被破壞，用第1組參數(shù)加工后的工件余量不能小于燒蝕深度H和安全厚度δ之和，即M1≥δ+H=2H。當(dāng)工件余量≥M1時(shí)，可用第1組參數(shù)進(jìn)行加工；當(dāng)工件余量＜M1即加工表面處于1號面和2號面之間時(shí)，如繼續(xù)用第1組參數(shù)就有可能影響最終加工表面，故需降低加工能量，用第2組參數(shù)進(jìn)行加工，產(chǎn)生較小的燒蝕深度，此時(shí)所需的安全厚度也降低，從而使工件余量M2減小。兩組加工余量的差值即為用第2組參數(shù)加工去除的加工量L2，即：

圖8 能量逐次遞減修整原理示意圖

同理可獲得其他幾組參數(shù)的加工余量和加工量。隨著加工能量的降低，燒蝕坑逐漸變小，氧化層也逐漸變薄，表面質(zhì)量逐漸提高。經(jīng)多次修整可獲得高質(zhì)量的加工表面。

3 能量逐次遞減修整加工試驗(yàn)及分析

選取表2所列參數(shù)，逐次降低影響燒蝕加工表面質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究燒蝕加工效率、表面質(zhì)量及燒蝕深度與加工能量的關(guān)系。不同加工參數(shù)下所得的工件表面形貌見圖9?？煽闯?，隨著加工能量的降低，表面質(zhì)量逐漸改善。

3.1 加工效率與表面質(zhì)量的分析

根據(jù)表3所列實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制燒蝕加工效率和表面粗糙度隨加工能量的變化曲線。由圖10可見，燒蝕加工效率和表面粗糙度值都隨著加工能量的減小呈下降趨勢。在用第1組參數(shù)加工時(shí)，燒蝕加工效率為871 mm3/min；在用第6組參數(shù)加工時(shí)，加工效率僅為3.22 mm3/min。當(dāng)用第1組參數(shù)加工時(shí)，表面粗糙度無法測量；當(dāng)用第2組～第6組參數(shù)加工時(shí)，表面粗糙度值從Ra9.23 μm降至Ra2.75 μm。由此可知，采用能量逐次遞減的方法對燒蝕加工表面進(jìn)行修整是可行的。

表2 能量逐次遞減燒蝕修整加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖9 不同參數(shù)下加工表面形貌對比

表3 能量逐次遞減燒蝕修整加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 加工能量與加工效率、表面粗糙度的關(guān)系

3.2 燒蝕深度與加工余量的分析

能量逐次遞減燒蝕修整加工表面的截面微觀形貌見圖11。可看出，隨著燒蝕加工能量的降低，燒蝕坑深度變淺，由殘余燒蝕坑組成的波浪形表面不平度逐漸改善。利用圖11所示的燒蝕加工截面微觀形貌可測量燒蝕深度H和變質(zhì)層厚度Tt，燒蝕深度以最深的燒蝕坑底部與最高表面之間的距離為準(zhǔn)，變質(zhì)層厚度為燒蝕坑底部與熱影響層底部的距離，測量方法見圖12。實(shí)驗(yàn)測得的6組加工參數(shù)下的燒蝕深度和變質(zhì)層厚度見表3。

圖11 不同能量下的燒蝕加工截面形貌對比

在能量逐次遞減燒蝕修整加工中，加工余量為燒蝕深度與安全余量之和，即M=H+δ=2H。而每一組的加工深度為上一組的加工余量減去本組的加工余量，即由式（1）計(jì)算得到。由表3還可知，按等差數(shù)列遞減方式選取加工參數(shù)進(jìn)行燒蝕加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，獲得的燒蝕深度呈等比例遞減的變化趨勢，本次燒蝕深度約為上次的1/2。因此，可根據(jù)該比例關(guān)系確定修整的次數(shù)，本實(shí)驗(yàn)選擇修整6次。

圖12 燒蝕深度及變質(zhì)層厚度測量圖

3.3 燒蝕加工變質(zhì)層的影響

由表3所示數(shù)據(jù)可得燒蝕深度和表面變質(zhì)層厚度隨加工能量的變化關(guān)系。由圖13可看出，隨著加工能量的減小，燒蝕深度和變質(zhì)層厚度同時(shí)降低，且燒蝕深度變化更大。

在氧氣壓力變小、特別是小能量電火花加工時(shí)很難誘發(fā)產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，此時(shí)燒蝕加工轉(zhuǎn)變?yōu)樾∧芰侩娀鸹庸?，其變質(zhì)層與電火花加工一致。由表3可知，以最小能量加工的變質(zhì)層厚度為0.07 mm，與相同條件下功能電極常規(guī)電火花加工相同。此外，在修整加工開始時(shí)，加工表面的燒蝕深度約為同組變質(zhì)層厚度的近10倍，說明燒蝕深度對表面的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變質(zhì)層，因此，燒蝕坑和氧化層的影響起決定性作用，功能電極能量逐次遞減修整加工以修整燒蝕坑和氧化層為主。

圖13 加工能量與燒蝕深度、變質(zhì)層厚度的關(guān)系

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

如表2所示，按等差數(shù)列選取加工參數(shù)進(jìn)行能量逐次遞減修整加工實(shí)驗(yàn)。工件材料為鈦合金TC4，燒蝕加工蝕除總深度為5 mm。各組加工數(shù)據(jù)見表4，加工獲得的工件表面見圖14。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的加工過程穩(wěn)定連續(xù)。由圖14可看出，燒蝕修整加工表面光滑平整，表面粗糙度值為Ra3.083 μm。由于加工中的大部分工件材料通過大能量高效燒蝕去除，故平均加工效率較高，可達(dá)485.5 mm3/min，是同等加工表面質(zhì)量電火花車削加工效率的150倍。因此，通過能量逐次遞減燒蝕修整加工，能在保持較高蝕除效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較好表面質(zhì)量的目的。

表4 能量逐次遞減修整實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖14 修整加工表面

5 結(jié)論

本文提出了能量逐次遞減燒蝕修整加工方法，分析了其原理。在燒蝕修整驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，獲得表面粗糙度值為Ra3.083 μm的加工表面，同時(shí)得到485.5 mm3/min的平均加工效率，是同等加工表面電參考文獻(xiàn)：

火花車削加工效率的150倍。實(shí)現(xiàn)了在獲得高質(zhì)量表面的同時(shí)，保持較高加工效率的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

［1］ 余承業(yè).航空制造工程手冊：特種加工［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1993.

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Study on the Energy Successive Decreasing EDM-induced Ablation Finishing Process

Xu Anyang，Liu Renti，Liu Zhidong
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

To solve the poor surface obtained in the process of high efficiency ablation machining，the process of the energy successive decreasing EDM-induced ablation finishing machining is presented.The ablation finishing machining was carried out with machining parameters of arithmetic sequence.The results show that the ablation depth showed approximately proportional decrease according to the arithmetic sequence parameters，the surface quality got significantly improved.In the experiment，the average machining efficiency of Ra3.083 μm surface obtained is 485.5 mm3/min，which is 150 times of the same surface quality obtained by EDM （3.22 mm3/min），achieving the purpose of high material removal rate at the same time of getting better surface quality.

ablation；titanium alloy；processing efficiency；surface quality

TG661

A

1009－279X（2015）06－0010-05

2015-08-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51175256，51205197）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2011732）；航空基金資助項(xiàng)目（2011ZE52060）

徐安陽，男，1981年生，博士研究生。