劉仁體，邱明波，徐安陽(yáng)，劉志東，田宗軍

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

電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工方法研究

劉仁體，邱明波，徐安陽(yáng)，劉志東，田宗軍

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

針對(duì)放電誘導(dǎo)燒蝕加工在高效加工的同時(shí)易在工件表面產(chǎn)生巨大燒蝕坑的問(wèn)題，提出了電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工方法。對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行了電火花加工、燒蝕加工、誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究機(jī)械磨削作用對(duì)燒蝕性能的影響。在鈦合金燒蝕加工實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用復(fù)合機(jī)械磨頭進(jìn)行修整能顯著提高加工效率，達(dá)到1107 mm3/min，是同等條件下電火花加工的6.77倍、燒蝕加工的1.27倍。由于存在機(jī)械磨削修整作用，可在線去除燒蝕產(chǎn)物，露出基體材料，工件表面粗糙度優(yōu)于燒蝕加工，甚至優(yōu)于同等電參數(shù)下的電火花加工，達(dá)到了在獲得高效加工的同時(shí)提升表面質(zhì)量的目的。

電火花加工；燒蝕加工；磨削加工；表面質(zhì)量

電火花加工技術(shù)具有不受工件材料強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能限制的特點(diǎn)，是難加工材料的重要加工手段，但較低的加工效率嚴(yán)重制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用［1-2］。針對(duì)電火花加工效率低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。劉永紅等提出了一種超高效電火花電弧復(fù)合加工技術(shù)，在對(duì)鎳基高溫合金Inconel718進(jìn)行的電火花電弧復(fù)合銑削加工中，獲得了高達(dá)13 421 mm3/min的材料去除率［3-4］。趙萬(wàn)生等提出了高速電弧放電加工方法，加工鎳基高溫合金GH4169的材料去除率可達(dá)14 000 mm3/min［5-7］。劉志東提出了電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的新方法，依靠工件材料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能去除材料，能顯著提高加工效率達(dá)數(shù)十倍［8］。徐安陽(yáng)等在電火花燒蝕的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了氣液混合功能電極燒蝕車(chē)削加工系統(tǒng)，氣液混合功能電極能將氧氣與工作液從專(zhuān)用通道通入加工區(qū)域，并均勻地混合在一起，該方法能形成分散均勻的氣泡，避免了氧氣不均勻造成的局部燃爆反應(yīng)［9-11］。在這些高效電火花加工過(guò)程中，大能量高效蝕除與工件表面質(zhì)量和精度之間存在著一定的矛盾，如何在獲得高效加工的同時(shí)得到較好的表面質(zhì)量，已成為高效電火花加工亟需解決的問(wèn)題［12-13］。

本文基于功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕車(chē)削加工系統(tǒng)，提出了復(fù)合機(jī)械磨頭對(duì)工件表面進(jìn)行在線修整的加工方法，以達(dá)到在獲得高效加工的同時(shí)提高燒蝕表面質(zhì)量的目的。

1　加工實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工系統(tǒng)由功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕系統(tǒng)和機(jī)械磨削修整系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)原理及實(shí)物見(jiàn)圖1。工件由電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，機(jī)床主軸帶動(dòng)功能電極向工件作伺服進(jìn)給進(jìn)行燒蝕加工。功能電極由一個(gè)管狀電極內(nèi)填充多個(gè)管狀小電極構(gòu)成。氧氣和水分別從不同的內(nèi)電極通入加工間隙，氧氣與水相互沖刷，使氧氣分散為大小均勻的氣泡，均勻分布在液體中形成氣液混合介質(zhì)；在電火花脈沖電源作用下，氣液混合介質(zhì)被擊穿形成電火花放電，放電能量加熱工件與均勻分布的氧氣氣泡發(fā)生穩(wěn)定的氧化燃燒反應(yīng)，通過(guò)鈦合金材料的消耗及燃燒釋放的巨大化學(xué)能實(shí)現(xiàn)工件材料的蝕除。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

機(jī)械磨削修整系統(tǒng)是一個(gè)基于壓力檢測(cè)的伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)磨頭與工件之間的壓力監(jiān)測(cè)來(lái)調(diào)控旋轉(zhuǎn)磨頭的進(jìn)給速度與燒蝕加工速度的匹配，實(shí)現(xiàn)燒蝕工件表面氧化層和重凝層的磨除修整。

1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用相同的加工參數(shù)，分別對(duì)鈦合金TC4工件進(jìn)行功能電極電火花加工、電火花誘導(dǎo)燒蝕加工和電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工。均采用正極性加工，工件接正極，功能電極接負(fù)極，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)工件加工前后的質(zhì)量進(jìn)行稱重，計(jì)算得到電火花加工、燒蝕加工和燒蝕磨削復(fù)合加工的材料去除率（圖2）?？梢?jiàn)，燒蝕磨削復(fù)合加工的材料去除率最大，為1107 mm3/min，是燒蝕加工材料去除率（875 mm3/min）的1.27倍，是電火花加工材料去除率（163.4 mm3/min）的6.77倍。因此，電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工能達(dá)到提高加工速度，達(dá)到高效加工的目的。

圖2　材料去除率對(duì)比圖

圖3是電火花加工、燒蝕加工和燒蝕磨削復(fù)合加工所獲得的工件表面，分別測(cè)量其表面粗糙度Ra值依次為：6.07、11.41、5.64 μm?？煽闯?，電火花加工表面質(zhì)量較好，呈現(xiàn)鈦合金獨(dú)有的藍(lán)色氧化痕跡；燒蝕加工表面附著厚厚的黑色氧化物，質(zhì)地粗糙，凹凸不平，有明顯的燒蝕熔融產(chǎn)物流動(dòng)的痕跡；燒蝕磨削復(fù)合加工表面的黑色氧化物被大量磨除，工件表面有明顯的磨痕，部分位置呈現(xiàn)鈦合金基體的銀白色光澤，表面質(zhì)量明顯提高。

圖3　加工表面對(duì)比圖

2　復(fù)合加工機(jī)理分析

2.1材料去除率分析

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削復(fù)合加工提高了電火花加工的材料去除率，其對(duì)材料的去除可分為三部分：一是電火花放電對(duì)工件材料的蝕除；二是電火花誘導(dǎo)產(chǎn)生的燒蝕加工通過(guò)金屬燃燒消耗和燃燒熱對(duì)工件材料的蝕除；三是通過(guò)機(jī)械磨削作用去除的工件表面氧化層。其中，燒蝕加工在整個(gè)加工過(guò)程中占主要部分。

2.1.1電火花放電蝕除

在電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削復(fù)合加工過(guò)程中，火花放電不僅起著誘導(dǎo)燒蝕加工的作用，也起著蝕除工件材料的作用，其過(guò)程與普通電火花放電蝕除材料一樣，脈沖電源擊穿氣液混合介質(zhì)產(chǎn)生的帶電粒子轟擊工件表面，融化放電點(diǎn)材料并利用工作介質(zhì)受熱膨脹引起的物理微爆去除工件材料。其在整個(gè)加工過(guò)程中所占的比例較小。

2.1.2金屬燃燒蝕除

（1）金屬燃燒對(duì)工件材料的消耗

燒蝕過(guò)程中，金屬燃燒是一種劇烈的氧化反應(yīng)，均是金屬元素與氧氣之間的氧化反應(yīng)，在燃燒過(guò)程中會(huì)生成金屬氧化物，并消耗大量工件材料。

（2）工件材料受燒蝕熱融化去除

金屬燃燒過(guò)程是放熱過(guò)程，在其燃燒過(guò)程中能釋放出大量的化學(xué)能，這些能量作用于工件，能融化大量的金屬材料。對(duì)1 mol鈦金屬進(jìn)行絕熱燃燒，產(chǎn)生的燃燒熱能使15.2 mol的鈦金屬材料升高至熔點(diǎn)并熔化。可見(jiàn)，燃燒熱對(duì)材料有巨大的去除作用。

2.1.3磨削作用

在電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削復(fù)合加工過(guò)程中，磨削起著去除工件表面氧化層的作用。通過(guò)圖4所示的燒蝕加工和磨削修整后的工件橫截面SEM微觀形貌對(duì)比可知，燒蝕加工工件表面存在著一層結(jié)構(gòu)疏松、厚度約50 μm的氧化層，而在磨削加工工件表面則不存在這樣的氧化層，說(shuō)明燒蝕加工表面氧化層在磨削作用下被去除。

圖4　橫截面SEM對(duì)比圖

通過(guò)燒蝕加工和磨削修整加工的工件表面能譜顯示，燒蝕加工和磨削修整加工的工件表面都存在大量的氧元素，說(shuō)明在燒蝕加工中發(fā)生了劇烈的氧化燃燒反應(yīng)，有大量的燃燒產(chǎn)物生成堆積在工件表面（圖5、圖6）。由表2所示燒蝕加工、磨削修整加工與原始成分對(duì)比可明顯看出，磨削修整后工件表面的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.83%，遠(yuǎn)小于燒蝕加工后的32.69%，這也證明了在復(fù)合加工表面含氧量高的燒蝕產(chǎn)物在磨削過(guò)程中被蝕除。

表2　成分對(duì)比

2.2復(fù)合加工表面分析

圖7是燒蝕加工表面SEM圖?？梢?jiàn)，工件表面布滿了微孔、微坑及微裂紋，大量氧化物和重凝物覆蓋在工件表面，重凝物質(zhì)有流動(dòng)的痕跡。這些現(xiàn)象說(shuō)明在工件表面進(jìn)行了劇烈的氧化燃燒反應(yīng)，釋放出遠(yuǎn)超普通電火花加工的能量，使大量的材料達(dá)到熔點(diǎn)甚至氣化，熔融態(tài)的燒蝕產(chǎn)物經(jīng)工作液冷卻重凝在工件表面。整個(gè)燒蝕過(guò)程包括氣液混合介質(zhì)的擊穿、金屬材料的燃燒和融化、燒蝕產(chǎn)物的排出、重凝和工作液的流動(dòng)汽化。

圖5　燒蝕加工能譜圖

圖6　磨削修整加工能譜圖

圖7　燒蝕加工表面SEM圖

磨削修整表面存在燒蝕表面和修整表面2種形貌。如圖8所示，左右兩側(cè)未經(jīng)修整的燒蝕加工表面與一般燒蝕一樣，堆積著大量的熔融產(chǎn)物，而中間經(jīng)過(guò)磨削修整后的表面，微坑、微孔和微裂紋被消除，凹凸不平的燒蝕表面變得平整，工件表面存在明顯的磨痕，表面質(zhì)量明顯好于左右兩側(cè)。

圖8　磨削修整表面SEM圖

2.3復(fù)合加工放電分析

在電火花加工、燒蝕加工及磨削修整復(fù)合加工過(guò)程中，以500 μs為單位分別截取電火花加工、電火花磨削復(fù)合加工、燒蝕加工、燒蝕磨削修整復(fù)合加工的波形。由圖9a、圖9b可見(jiàn)，電火花加工放電波形較穩(wěn)定，電火花磨削復(fù)合加工的電壓和電流略高于電火花加工，且變化很小，說(shuō)明機(jī)械磨削作用對(duì)電火花加工的影響較小；由圖9c可看出，燒蝕加工存在大量的空載和短路波形，放電情況很差；而磨削修整復(fù)合加工的短路和空載波形明顯少于燒蝕加工，且工作電壓變化較小，加工電流卻有極大的提高（圖9d）。

2.3.1混合工作介質(zhì)對(duì)放電波形的影響

通過(guò)混合介質(zhì)介電理論可知，氧氣氣泡內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度大于水中的電場(chǎng)強(qiáng)度，氣液混合介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度介于兩者之間。因此，以氣液混合介質(zhì)為工作介質(zhì)的燒蝕加工及燒蝕磨削修整復(fù)合加工的介質(zhì)擊穿電壓要高于以工作液為介質(zhì)的電火花加工的擊穿電壓。這一點(diǎn)通過(guò)電火花加工波形（圖9a、圖9b）和燒蝕加工波形（圖9c、圖9d）對(duì)比得到驗(yàn)證。

2.3.2磨削作用對(duì)放電波形的影響

燒蝕磨削修整復(fù)合加工的等效電路見(jiàn)圖10。極間等效電阻R可分為兩部分：工作介質(zhì)電阻R1和氧化層電阻R2。而燒蝕過(guò)程和磨削修整加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，在參數(shù)不變的情況下，氧氣和工作液相互沖刷形成均勻的混合介質(zhì)，其等效電阻可認(rèn)為是固定值；R2作為氧化層電阻與氧化層厚度成正比例關(guān)系，則整個(gè)放電間隙的等效電阻可認(rèn)為R隨著氧化層的變化而變化。通過(guò)對(duì)鈦合金基體、燒蝕加工表面氧化層、燒蝕磨削修整復(fù)合加工工件表面進(jìn)行電阻率檢測(cè)可知，燒蝕加工表面覆蓋著的燒蝕產(chǎn)物電阻率為4.3 Ω·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了TC4基體表面電阻率3個(gè)數(shù)量級(jí)；而磨削修整后的工件表面電阻率僅為0.03 Ω·cm，遠(yuǎn)小于燒蝕加工。這說(shuō)明在燒蝕加工過(guò)程中，鈦合金燃燒會(huì)在工件表面形成厚厚的氧化層，且鈦合金氧化物的導(dǎo)電性差。

在電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工過(guò)程中，由于燒蝕加工在工件表面形成導(dǎo)電性極差的氧化層，隨著燒蝕加工的進(jìn)行，氧化層厚度逐漸增加，極間等效電阻R也隨之變大，從而增大了極間擊穿的難度，阻礙了正常放電的進(jìn)行，導(dǎo)致脈沖利用率低于普通電火花脈沖利用率。峰值電流變小及放電概率的降低導(dǎo)致燒蝕加工平均電流小于電火花加工，這可通過(guò)圖9a和圖9c的對(duì)比得到驗(yàn)證。燒蝕工件經(jīng)磨削修整后，工件表面導(dǎo)電性能差的氧化層和重凝層被磨除，部分工件基體材料裸露出來(lái)，表面電阻率明顯降低，極間等效電阻R也隨著表面氧化層的去除明顯減小，極間擊穿難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燒蝕加工；同時(shí)由于極間電阻的變大，燒蝕加工的峰值電流也隨之變小。整個(gè)加工過(guò)程中，峰值電流變小，而平均電流卻變大，這也反映出放電概率的提升明顯，這一點(diǎn)通過(guò)圖9c和圖9d可明顯看出。

圖9　加工波形對(duì)比圖

圖10　復(fù)合加工等效電路

3　燒蝕磨削修整復(fù)合加工過(guò)程

通過(guò)對(duì)燒蝕磨削修整復(fù)合加工機(jī)理及過(guò)程分析可知，其過(guò)程可分為電火花誘導(dǎo)、高效燒蝕和機(jī)械磨削修整等3個(gè)階段。

3.1電火花誘導(dǎo)階段

如圖11所示，鈦合金工件在加工系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)作用下作自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作液和氧氣通過(guò)功能電極的內(nèi)部通道持續(xù)穩(wěn)定地通入加工間隙，在工件旋轉(zhuǎn)和沖刷力作用下，工作液和氧氣被分散在一起，形成均勻的氣液混合介質(zhì)。脈沖電源接通后，兩極間脈沖電壓擊穿混合介質(zhì)，在工件表面形成放電蝕坑，放電能量加熱放電坑及周邊的工件材料，形成高溫活化區(qū)域，為燒蝕反應(yīng)營(yíng)造了引燃條件。

圖11　電火花誘導(dǎo)階段示意圖

3.2高效燒蝕階段

工件表面受到放電能量加熱，形成達(dá)到燃點(diǎn)的高溫活化區(qū)域，并與通過(guò)功能電極導(dǎo)入的氧氣氣泡接觸后，產(chǎn)生了劇烈的氧化燃燒反應(yīng)（圖12）。燃燒作用在消耗大量金屬材料的同時(shí)，又釋放出巨大的能量，這些能量繼續(xù)加熱燒蝕坑附近更多的鈦合金材料，使其達(dá)到燃點(diǎn)并與氧氣發(fā)生燃燒，實(shí)現(xiàn)燒蝕加工的自主進(jìn)行。在劇烈的燒蝕作用下，大量工件材料被燃燒消耗和高溫蝕除，在工件表面形成了巨大的燒蝕坑，同時(shí)由于燒蝕加工中燃燒熱而形成的熔融產(chǎn)物在氣液混合介質(zhì)的冷卻作用下，凝固在工件表面，形成了具有一定厚度的氧化層。鈦合金氧化層質(zhì)地松散、破碎，與基體結(jié)合性差，便于下一步的機(jī)械磨削加工。

圖12　燒蝕階段示意圖

3.3機(jī)械磨削修整階段

如圖13所示，燒蝕加工在工件表面形成質(zhì)地疏松、凹凸不平的黑色重凝層，在工件旋轉(zhuǎn)作用的帶動(dòng)下逐漸進(jìn)入磨削區(qū)域與旋轉(zhuǎn)的磨頭接觸。磨頭在伺服電機(jī)控制下向前進(jìn)給，金剛石磨粒會(huì)逐漸嵌入黑色氧化層和重凝層。在磨頭自旋轉(zhuǎn)和工件自旋轉(zhuǎn)的作用下，金剛石磨粒將這層質(zhì)地軟化的燒蝕層磨除掉，達(dá)到磨除巨大燒蝕坑、提高燒蝕加工表面質(zhì)量的目的。同時(shí)由于工件表面質(zhì)量的提高，表面電阻率會(huì)明顯降低，導(dǎo)電性能得到提升，極間放電條件得以改善，進(jìn)而使電火花放電誘導(dǎo)脈沖利用率得到提高，引燃更多的燒蝕反應(yīng)，促進(jìn)燒蝕加工的進(jìn)行，進(jìn)一步提高了加工速度。

圖13　磨削修整過(guò)程示意圖

在電火花誘導(dǎo)燒蝕磨削修整復(fù)合加工的3個(gè)階段中，電火花放電為燒蝕產(chǎn)生提供能量，促進(jìn)金屬材料與通入的氧氣燃燒，是進(jìn)行燒蝕加工的前提誘導(dǎo)條件；高效燒蝕階段劇烈的燒蝕反應(yīng)在工件表面生成質(zhì)地疏松的氧化層，為磨削性能較差的金屬材料提供了機(jī)械磨削修整的可能性；而磨削修整過(guò)程將燒蝕氧化層磨除，工件表面氧化層變薄或被完全去除，改善了電火花放電條件，極間等效電阻變小，提高了放電概率，誘導(dǎo)更多燒蝕加工的進(jìn)行，其總體過(guò)程見(jiàn)圖14。上述過(guò)程相輔相成，相互促進(jìn)，在保持燒蝕加工高效性的同時(shí)，提高了燒蝕加工的表面質(zhì)量。

圖14　復(fù)合加工循環(huán)過(guò)程

4　結(jié)論

電火花誘導(dǎo)燒蝕機(jī)械磨削修整方法將高效的電火花燒蝕加工與傳統(tǒng)的機(jī)械磨削加工結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到提高加工效率、改善表面質(zhì)量的效果。

（1）電火花誘導(dǎo)燒蝕機(jī)械磨削修整復(fù)合加工方法的加工效率達(dá)1107 mm3/min，是電火花加工的6.77倍，是燒蝕加工的1.27倍。

（2）電火花誘導(dǎo)燒蝕機(jī)械磨削修整復(fù)合加工方法能在保持甚至提高燒蝕加工效率的基礎(chǔ)上，改善燒蝕加工表面質(zhì)量。

（3）磨削修整作用能去除表面氧化層，提高工件表面導(dǎo)電率，改善極間放電條件，提高燒蝕加工脈沖利用率，促進(jìn)燒蝕加工的進(jìn)行。

（4）復(fù)合加工可分為電火花誘導(dǎo)階段、高效燒蝕階段和機(jī)械磨削修整階段3個(gè)過(guò)程。它們?cè)诩庸み^(guò)程中相輔相成，相互促進(jìn)，在保持燒蝕加工高效性的同時(shí)，提高了燒蝕加工的表面質(zhì)量。

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Study on the Electro-discharge Machining Induced Ablation Added Grinding Finishing Machining

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

The method of electro-discharge machining（EDM）induced ablation added grinding finishing machining was proposed to solve the large craters on surfaces caused by EDM induced ablation.A series of contrast experiments between EDM induced ablation and EDM induced ablation added grinding finishing machining for Ti-6Al-4V was conducted to study the effect of mechanical grinding on ablation machining performance.The process of mechanical grinding can significantly improve the processing efficiency to 1107 mm3/min，6.77 times the same conditions of EDM and 1.27 times of ablation.Owing to mechanical grinding，the regelation layer of the ablation process was removed，the matrix material was exposed，and the quality of the machining surface improved.The purpose of obtaining both better surface quality and high efficiency was then achieved.

EDM；ablation；grinding；surface quality

TG661

A

1009－279X（2016）04－0001-06

2016-02-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205197，51175256）；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013ZE52069）；中央高?；究蒲袑?zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（NQ2014002）

劉仁體，男，1990年生，碩士研究生。