（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

高溫合金和鈦合金由于性能優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，但由于其切削加工性較差，在一定程度上限制了其應(yīng)用。

鉬鈦鋯合金和鎳基合金是廣泛使用的高溫合金，具有耐高溫、蠕變強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低和熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)[1]。由于鉬鈦鋯合金中含有少量Ti和Zr元素，合金被強(qiáng)化和韌化，延展率和線性膨脹系數(shù)均變小，加工出的零件表面質(zhì)量差且刀具磨損嚴(yán)重[2]。

鎳基合金由于其良好的抗拉性能、耐腐蝕性能和抗氧化性能已廣泛應(yīng)用于各種高溫部件，如燃燒室機(jī)匣等部件[3]。但由于其高溫強(qiáng)度優(yōu)異、導(dǎo)熱性差、加工硬化等現(xiàn)象嚴(yán)重，在加工過程中不僅刀具磨損嚴(yán)重，而且工件表面質(zhì)量較差[4]。

鈦合金因比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)異性能[5]，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件的制造以及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、壓氣機(jī)段、排氣裝置等零件的制造。但由于其比熱小，機(jī)械加工時(shí)溫度上升很快，急劇加速了刀具的磨損，使用壽命降低，而且容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象[6]。

電火花加工是利用工具電極與工件之間的脈沖放電加工材料的，加工過程中工具電極和工件不直接接觸，幾乎不產(chǎn)生切削力。由于電火花加工不受工件硬度和強(qiáng)度等影響，可以加工任何導(dǎo)電金屬材料。鑒于上述優(yōu)異性能，電火花加工技術(shù)在鈦合金和高溫合金加工中的研究有重要意義。

本文從電火花成形加工、電火花線切割、微細(xì)電火花加工、電火花銑削、電火花表面強(qiáng)化和其他電火花加工方式6個(gè)方面綜述了其在高溫合金和鈦合金加工中的研究新進(jìn)展。

高溫合金和鈦合金的電火花成形加工

電火花成形加工是利用火花放電腐蝕金屬的原理，用工具電極對(duì)工件進(jìn)行復(fù)制加工的工藝方法。由于材料的可加工性主要取決于材料的熱學(xué)性，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，而對(duì)材料的機(jī)械性能沒有要求。電火花成形加工技術(shù)成為解決高溫合金和鈦合金加工問題的有效方法。但由于鈦合金與高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，在電火花加工過程中金屬還沒完全熔化就被拋出和凝固，造成加工狀態(tài)不穩(wěn)定，易出現(xiàn)積炭拉弧現(xiàn)象，使加工效率變低、電極損耗變大導(dǎo)致表面質(zhì)量差。國(guó)內(nèi)外各學(xué)者對(duì)電火花加工高溫合金和鈦合金時(shí)的表面質(zhì)量、材料去除率和工具損耗率等開展了諸多研究。

1 電極材料研究

強(qiáng)華等[7]用銅鎢合金電極對(duì)TC4工件進(jìn)行了電火花加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著峰值電流的增大和脈沖間隔的減小，加工速度變大；電極損耗隨峰值電流和脈沖脈間的增大而增大并且隨脈寬的減少而增大。精規(guī)準(zhǔn)加工時(shí)，脈寬宜選用 ti=10～30μs，脈沖間隔宜選用 t0=20～50μs，峰值電流Is=1～3A。Kumar等[8]在數(shù)控電火花加工機(jī)床上分別用銅、銅鉻合金和銅鎢合金作為工具電極浸液加工了3種不同等級(jí)的鈦合金材料，即鈦合金、Ti-5Al-2.5Sn鈦合金和Ti-6Al-4V鈦合金。使用田口法進(jìn)行試驗(yàn)，確定了表面粗糙度最小的最佳組合參數(shù)，并設(shè)計(jì)和訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)。其研究表明，峰值電流是影響最大的因素，其他依次是脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖間隔時(shí)間和工件材料，高放電能量引起的表面缺陷包括裂縫、凹坑、重鑄層、微孔隙、針眼、殘余應(yīng)力和碎屑。朱穎謀等[9]用φ5mm的石墨棒狀電極加工鉬鈦鋯高溫合金，采用浸液加工，并使用DOE方法設(shè)計(jì)了析因試驗(yàn)和響應(yīng)曲面試驗(yàn)。分析得出，材料去除率受峰值電流的影響最為明顯，并和脈寬與占空比成一定交互關(guān)系。而電極相對(duì)損耗率受峰值電流的影響不明顯，但受脈寬和占空比影響較大。

2 工作液研究

Priyadarshini等[10]使用銅電極正極性加工Ti-6Al-4V合金， 采用1∶1配比的石蠟油與30火花機(jī)專用油作為工作液，基于田口法設(shè)計(jì)了L25試驗(yàn)來研究用銅電極電火花加工鈦合金時(shí)的材料去除率、刀具磨損率和表面粗糙度值，并采用灰關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化了電火花加工的參數(shù)，使其達(dá)到預(yù)期的加工效果，最后得出獲得最大材料去除率、最小工具損耗率和表面粗糙度值的最優(yōu)電火花加工參數(shù)為電流10A，脈寬10μs，占空比 9，電壓 8V。此時(shí)，加工效率為1.324mm3/min，電極損耗為0.3271mg/min，加工表面粗糙度為0.986μm。薛榮媛等[11]為了解決鈦合金在蒸餾水介質(zhì)中加工表面較差和以煤油為介質(zhì)時(shí)加工效率低的問題，提出了利用乳化劑將煤油和蒸餾水超聲振動(dòng)后形成水包油型乳化液作為加工介質(zhì)的方法。分別以蒸餾水、煤油、水包油型乳化液3種介質(zhì)對(duì)TC4進(jìn)行加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水包油型乳化液的加工效率低于蒸餾水而高于煤油，如圖1所示。其加工表面的粗糙度值比在蒸餾水中減小了約20%，表面微裂紋比蒸餾水中少，表面平整度高，加工表面的電鏡照片如圖2所示[11]。奚艷瑩等[12]提出一種基于密度平衡的水包油型工作液，該工作液以去離子水為主要成分，內(nèi)部分散煤油液滴，煤油液滴中包含粉末顆粒，煤油液滴與粉末顆粒的平均密度與去離子水近似，故可在去離子水中懸浮。該新型工作液綠色化程度、安全性高，可有效結(jié)合去離子水、煤油與混粉的優(yōu)勢(shì)，并避免其缺點(diǎn)。

圖1 不同工作液加工效率對(duì)比Fig.1 Contrast of processing efficiency of different fluids

圖2 表面微裂紋對(duì)比Fig.2 Contrast of surface crack

3 電火花鉆孔加工

電火花鉆孔是電火花成形加工的一種，已廣泛應(yīng)用于電火花線切割加工用的穿絲孔、模具的通氣孔、柴油機(jī)噴嘴小孔和渦輪葉片冷卻孔等孔的加工。楊立光等[13]對(duì)電火花加工鎳基高溫合金大深徑比盲孔進(jìn)行了研究。此類孔主要應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的盤軸類零件上，具有關(guān)鍵作用。試驗(yàn)采用黃銅多孔柱電極進(jìn)行粗加工，以提高加工效率，然后采用紫銅管狀電極進(jìn)行中精加工，配以沖液和專用導(dǎo)向器以提高加工精度，可加工深徑比＞45、孔徑為φ5mm的深盲孔。Yilmaz等[14]在電火花鉆孔機(jī)床上開發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化智能系統(tǒng)，用于在航天合金IN718和Ti64上進(jìn)行電火花鉆孔作業(yè)，用銅和黃銅兩種電極加工出尺寸在φ0.4～φ3mm之間的11個(gè)不同尺寸的小孔。在電火花加工輸入和輸出數(shù)據(jù)之間創(chuàng)建了自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）模型，通過將優(yōu)化函數(shù)和ANFIS模型整合成交互的可視化的功能界面，從而有效節(jié)約時(shí)間成本來規(guī)劃和預(yù)測(cè)電火花鉆孔加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)。王力等[15]以數(shù)控電火花成形機(jī)床為平臺(tái)，工具電極采用直徑φ16mm的紫銅，以航空煤油為工作介質(zhì)，對(duì)深度為3mm的TC4進(jìn)行盲孔加工，并對(duì)比例正負(fù)極性加工的差異。其研究表明，占空比一定時(shí)，增加峰值電流對(duì)兩種極性加工都能提高材料去除率；負(fù)極性加工能獲得較低的電極相對(duì)損耗；增大峰值電流和脈寬，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)還發(fā)現(xiàn)，加工表面皆有TiC生成，是電火花加工TC4時(shí)材料去除率低的原因之一。郭永豐等[16]在電火花成形加工機(jī)床上采用煤油中旋轉(zhuǎn)電極內(nèi)沖液電火花成形加工方法，在高溫合金IN718上加工出φ0.5mm氣模冷卻孔。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來分析峰值電流Ip、脈寬τon、占空比ψ和沖液壓強(qiáng)p對(duì)材料去除率和電極損耗的影響，如圖3所示[16]。得出最優(yōu)的加工參數(shù)是峰值電流 8A、脈寬130μs、占空比0.35、沖液壓強(qiáng)5MPa?？琢罾俚萚17]對(duì)鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行了多孔質(zhì)電極電火花加工。使用由毫米級(jí)粒徑的紫銅粒經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的圓柱多孔質(zhì)的成形電極，采用內(nèi)分布式?jīng)_液方式加工，并與采用抬刀方式的實(shí)體電極加工的材料去除率與電極相對(duì)損耗率進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示[17]。

圖3 各因素對(duì)材料去除率的影響Fig.3 Effect of parameters on the material removal rate

圖4 多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極的加工性能對(duì)比Fig.4 Comparison of processing performance of porous electrode and solid electrode

多孔質(zhì)電極適于大電流、粗加工下的零件加工，實(shí)體電極適用于中、精加工，二者可互相配合達(dá)到較高的加工效率。

4 工藝優(yōu)化

電火花加工的工藝優(yōu)化以提高加工效率、降低電極損耗、降低加工表面粗糙度值、減小重鑄層厚度為目標(biāo)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

Vijay等[18]使用田口法對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金的電火花加工的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了加工效率高、電極損耗小、表面粗糙度值低的放電參數(shù)。通過對(duì)加工表面觀察發(fā)現(xiàn)，表面微缺陷隨脈沖寬度的增大而增多。

Kliuev等[19]對(duì)inconel 718的電火花鉆孔與成形加工技術(shù)進(jìn)行了研究，獲得的最大加工效率為77mm3/min，相對(duì)電極損耗降低到20%，重鑄層厚度降低到8μm?；疑锟诜?、自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)等方法被應(yīng)用于加工效果的預(yù)測(cè)，并在加工工藝參數(shù)優(yōu)化中起到重要作用。

近期研究在高溫合金與鈦合金的成形加工和鉆孔加工方面取得了諸多成果，工具電極材料、工作液多樣化，并且獲得了較好的加工效果。高溫合金與鈦合金的電火花鉆孔加工發(fā)展迅速，但在加工高溫合金與鈦合金時(shí)，加工表面往往存在微裂紋、重鑄層、微孔隙、針眼、殘余應(yīng)力等表面缺陷，有待進(jìn)一步研究解決，可通過進(jìn)一步拓寬工具電極的取材范圍、開發(fā)新的工作液等途徑，以獲得更高的加工效率、更好的加工表面質(zhì)量和更低的工具電極損耗。機(jī)床伺服系統(tǒng)參數(shù)、進(jìn)給速度、抬刀頻率、回退速度、回退長(zhǎng)度等加工參數(shù)對(duì)加工效果都有重要影響，并且與放電參數(shù)之間存在耦合作用，需與放電參數(shù)綜合起來進(jìn)行研究。

高溫合金和鈦合金的電火花線切割加工

電火花線切割加工原理同電火花成形加工一樣，但不需要復(fù)雜的成形電極，而是利用移動(dòng)的鉬絲或銅絲等細(xì)金屬絲作為工具電極，工件按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，從而使工件切割成形。電火花線切割是適合復(fù)雜和不規(guī)則形狀難加工導(dǎo)電元件的高精度加工的方法。近年來，電火花線切割已經(jīng)成為非傳統(tǒng)加工的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空航天等行業(yè)[20]。Devarasiddappa等[21]建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)Inconel 825合金的線切割加工表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為93.62%。模型計(jì)算顯示，脈沖寬度對(duì)加工表面粗糙度影響占76.12%，伺服參考電壓影響為7.18%，脈沖間隔的影響為5.3%。Sharma等[22]研究了線切割絲直徑對(duì)線切割加工Inconel706合金的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)絲相對(duì)于粗絲加工出的表面重鑄層厚小，加工速度更快，加工表面硬度變化小，還對(duì)Inconel706合金的線切割加工參數(shù)進(jìn)行了研究[23]，發(fā)現(xiàn)在小脈沖寬度和高伺服電壓加工時(shí)，加工表面粗糙度值小且沒有微裂紋和微缺陷存在；大脈沖寬度低伺服電壓加工時(shí)，加工表面重鑄層厚度增加。Raj等[24]基于支持向量機(jī)對(duì)鈦合金線切割加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳放電參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)脈沖寬度和脈沖間隔是最大影響參數(shù)。Antar等[25]使用ZnCu50和高鋅黃銅鍍層的銅絲對(duì)Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金進(jìn)行線切割加工，加工效率提升了70%，加工表面質(zhì)量提升，重鑄層厚度下降。Garg等[26]以四軸數(shù)控電火花切割機(jī)床為平臺(tái)，選用直徑為φ0.25mm的擴(kuò)散銅絲，以去離子水為介質(zhì)加工Ti6-2-4-2工件。采用中心組合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，基于線性回歸分析方法，分析了各加工參數(shù)對(duì)平均切割速度和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)一般情況下，平均切削速度隨著脈寬的增大而增大，隨著脈間和火花間隙電壓的增大而減小。同時(shí)設(shè)計(jì)了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，從而優(yōu)化參數(shù)獲得最小的表面粗糙度和最大平均切削速度。朱穎謀等[27]對(duì)厚度20mm的鉬鈦鋯高溫合金進(jìn)行了電火花線切割加工試驗(yàn)，通過進(jìn)行25-1析因試驗(yàn)分析了影響加工效率發(fā)熱顯著因素有脈寬、占空比和峰值電流。通過進(jìn)行全因子試驗(yàn)（見圖5[27]）進(jìn)一步設(shè)計(jì)了中心復(fù)合響應(yīng)曲面試驗(yàn)，得到最優(yōu)放電參數(shù)為脈寬2.0μs、占空比 0.7、峰值電流 12A。此時(shí)，表面粗糙度的平均值能控制在1.6μm 以下。

圖5 全因子試驗(yàn)主效應(yīng)和交互效應(yīng)Fig.5 Main effect and interactive effect of full factorial experiment

導(dǎo)電金屬均能使用電火花線切割加工，但由于高溫合金和鈦合金的材料特殊性，其加工效率均較一般金屬慢。多目標(biāo)優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化方法的應(yīng)用，明確了各加工參數(shù)對(duì)加工效率、加工表面質(zhì)量、重鑄層厚度等方面的影響。表面鍍層電極絲、擴(kuò)散銅絲等新型電極絲的應(yīng)用，都獲得了較好的加工效果，可采用更多復(fù)合材質(zhì)電極絲或合金電極絲進(jìn)行研究。然而電火花線切割工作液研究相對(duì)較少，需更多研究。此外，目前主流的電火花線切割加工設(shè)備均為針對(duì)鋼等一般金屬加工提供的加工參數(shù)選用區(qū)間，因此試驗(yàn)的參數(shù)取值區(qū)間受限，可通過定制、研發(fā)等手段解決試驗(yàn)平臺(tái)問題，以獲得更適合于高溫合金和鈦合金加工的放電參數(shù)。

鈦合金電火花表面強(qiáng)化加工

鈦合金的硬度比較低，摩擦因數(shù)較大，耐磨性能比較差，導(dǎo)熱系數(shù)小，不宜導(dǎo)熱，因此很容易與對(duì)磨料發(fā)生粘著磨損和微動(dòng)磨損，導(dǎo)致零件的磨損失效。因此，為提升鈦合金表面耐磨性，對(duì)其進(jìn)行表面改性和強(qiáng)化處理就顯得尤為重要。電火花表面強(qiáng)化一般以空氣為極間介質(zhì)，在工具電極和工件電極之間接上直流或交流電源。當(dāng)加工高溫合金和鈦合金時(shí)，會(huì)產(chǎn)生達(dá)1000℃的高溫，能夠使任何強(qiáng)化介質(zhì)與鈦合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。與電鍍、拋光、熱噴涂、DVD、CVD等其他表面處理工藝相比，電火花表面強(qiáng)化較經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單，效果也好。吳公一等[28]采用電火花堆焊機(jī)為平臺(tái)，選取Zr、WC為電極材料，對(duì)TA2材料進(jìn)行電火花沉積表面強(qiáng)化。在其表面制備出連續(xù)均勻的Zr/WC復(fù)合涂層。分析表明Zr/WC復(fù)合涂層的表面顯微硬度值約為基體的4倍，沉積層的表面相對(duì)耐磨性比基體增加了3.1倍，基體的表面性能已成功改變。徐安陽(yáng)等[29]針對(duì)功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工鈦合金材料加工表面的孔、微裂紋等問題，通過功能電極原位合成TiN涂層的方法進(jìn)行表面修整，其原理圖如圖6所示。采用紫銅為功能電極，分別進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)和原位合成TiN涂層試驗(yàn)，通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明TiN涂層致密且連續(xù)，厚度在400μm以上，且硬度達(dá)到基體的5.7倍。其表面放電蝕坑大而淺，微觀表面較為平整。

近來，混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化被認(rèn)為是一種新型的表面處理技術(shù)。其加工介質(zhì)為氣液固三相流混合物。通過脈沖電路的充放電產(chǎn)生高能量電流，使正負(fù)極間的加工介質(zhì)被擊穿，產(chǎn)生火花放電使電極材料、強(qiáng)化粉末和工件材料等在高溫高壓下熔化、氣化，相互熔滲、擴(kuò)散。通過物理化學(xué)反應(yīng)，在集體表面重新合金化和相變硬化，以進(jìn)行基體的表面改性。潘康等[30]采用強(qiáng)化介質(zhì)為B4C的霧狀去離子水，對(duì)TC4材料進(jìn)行了表面改性，分別用石墨電極和紫銅電極對(duì)TC4材料表面進(jìn)行了電火花強(qiáng)化，不同強(qiáng)化層強(qiáng)化表面的磨損量如表1所示[30]，然后對(duì)已加工表面又進(jìn)行了復(fù)合強(qiáng)化。研究發(fā)現(xiàn)，采用混粉準(zhǔn)干式放電后的復(fù)合強(qiáng)化層的相對(duì)磨損率是基體材料的27%左右，采用紫銅電極所得的強(qiáng)化層較石墨電極所得的相對(duì)平整。Oliveira等[31]在去離子水中添加氯化鈣作為工作液對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行電火花表面處理，放電參數(shù)選擇電流30A、脈寬 100μs、脈間 50μs，成功在工具表面生成了厚度均勻的CaTiO3強(qiáng)化層。

采用堆焊機(jī)進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化加工、電火花誘導(dǎo)燒蝕加工、混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化、B4C的霧狀去離子水電火花表面強(qiáng)化等工藝方法的出現(xiàn)，豐富了電火花表面強(qiáng)化加工的工藝方法。目前，對(duì)鈦合金的電火花表面強(qiáng)化的研究已經(jīng)取得了良好的效果，但對(duì)電火花沉積強(qiáng)化的機(jī)理仍然認(rèn)識(shí)不足，且電火花沉積的表面仍會(huì)存在殘留應(yīng)力，雖然改變加工參數(shù)能控制應(yīng)力，但是不能完全消除，強(qiáng)化層的均勻性與一致性也有待進(jìn)一步提高。因此需加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)化機(jī)理的研究，并且進(jìn)一步拓寬應(yīng)用范圍，提高表面處理的效率。還可以嘗試更多的強(qiáng)化粉末、更多的復(fù)合材質(zhì)電極進(jìn)行強(qiáng)化加工，以獲得不同性能的強(qiáng)化層。

圖6 功能電極原位合成TiN涂層原理Fig.6 Principle of forming TiN coating in-situ synthesis with functional electrode

高溫合金和鈦合金的微細(xì)電火花加工

微細(xì)電火花加工技術(shù)具有電極制造簡(jiǎn)單、作用力小、控制性好、宏觀切削力小和可加工硬質(zhì)材料等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)已成為微細(xì)機(jī)械制造領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于微細(xì)軸、孔和三維形貌等微細(xì)制造領(lǐng)域。Moses等[32]分別在Ti-6Al-4V和黃銅材料上加工一系列小孔和微型槽，并對(duì)兩者加工質(zhì)量特性進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃銅上的通孔和槽比Ti-6Al-4V上的平滑很多，觀察Ti-6Al-4V工件的顯微特征發(fā)現(xiàn)其表面附著有很多碎屑，且在加工槽時(shí)，Ti-6Al-4V工件上的槽底部會(huì)有錐度，而黃銅工件卻沒有，如7所示[32]。最后通過方差分析確定了加工Ti-6Al-4V材料的最優(yōu)參數(shù)，即電流5A、電壓200V、脈沖寬度200μs、占空比70%。這個(gè)參數(shù)組合能使電極損耗減少15%，材料去除率提高12%，表面質(zhì)量改善19%。Kuriachen等[33]以直徑為0.4mm的碳化鎢為工具電極，對(duì)Ti-6Al-4V材料進(jìn)行了微細(xì)電火花放電試驗(yàn)。以電壓和電容作為變量，測(cè)量放電時(shí)的火花半徑，由此進(jìn)行了基于4個(gè)中心點(diǎn)運(yùn)行的三級(jí)全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，與電壓相比，電容對(duì)火花半徑的影響更為顯著。此外，建立了回歸分析數(shù)學(xué)模型，分析了電容和電壓與火花半徑的關(guān)聯(lián)性，并驗(yàn)證了其正確性，從而可以以開發(fā)的模型方程進(jìn)行數(shù)值仿真，成功預(yù)測(cè)RC放電電路的火花半徑。Prihandana等[34]研究了采用電介質(zhì)溶液中懸浮二硫化鉬粉末，微細(xì)電火花加工Inconel718材料以獲得高質(zhì)量微細(xì)孔的方法。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用顆粒大小為50nm的二硫化鉬粉末，且在溶液中濃度為5g/L時(shí)，能在Inconel718材料上加工出高質(zhì)量微細(xì)孔，獲得最大材料去除率的粉末濃度為10g/L，但當(dāng)電容較低（220pF）時(shí)，只需5g/L的濃度。Saedon等[35]結(jié)合田口法與灰色理論對(duì)鈦合金線切割加工進(jìn)行了分析，給出了加工效率高、加工表面粗糙度值低的放電參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。Plaza等[36]分別使用直徑300μm的鎢銅電極和石墨電極對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行微細(xì)打孔加工，在孔深0.5mm時(shí)，銅鎢電極的相對(duì)損耗為25%；孔深5.5mm時(shí)，上升到50%，而石墨電極在孔深0.5mm時(shí)相對(duì)電極損耗就已達(dá)400%。Sivaprakasam等[37]對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行微細(xì)電火花線切割加工研究，使用的電極絲直徑為 φ70μm，在電壓 100V、電容10nF、進(jìn)給速度15μm/s時(shí)，加工的材料去除率為0.01802mm3/min、切縫寬度為101.5μm、加工表面粗糙度為0.789μm。

微細(xì)電火花加工作為重要的微細(xì)加工技術(shù)，在微細(xì)加工領(lǐng)域具有重要作用，并且微細(xì)電火花加工在電火花加工中占的比例越來越高。微細(xì)電火花加工發(fā)展趨向于更高的加工精度、更好的加工表面質(zhì)量、更高的加工效率和更低的工具電極損耗，通過電參數(shù)與電容值的優(yōu)化、混粉、特殊材料工具電極等手段對(duì)加工進(jìn)行改進(jìn)。

圖7 黃銅與Ti-6AI-4V上加工微型槽比較Fig.7 Comparison of micro grooves between brass and Ti-6AI-4V

表1 TC4和不同強(qiáng)化層強(qiáng)化表面的磨損量

圖8 電火花銑削放電過程Fig.8 EDM milling discharge process

鈦合金的電火花銑削加工

電火花銑削加工技術(shù)與傳統(tǒng)的電火花成形加工相比，省去了傳統(tǒng)的成形電極的設(shè)計(jì)和制造過程，大幅降低了電火花加工的工藝流程，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。其電極材料一般選擇銅鎢和純鎢材料，電極形狀通常采用柱狀，主要由中空柱狀和實(shí)心柱狀兩種形式。郭成波等[38]采用中空?qǐng)A柱電極對(duì)TC4材料進(jìn)行電火花銑削加工，加工極性為正極性，如圖8所示[38]。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)加工效率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)影響加工效率的主要參數(shù)為脈間和沖液壓力。建立加工效率預(yù)測(cè)公式對(duì)加工所能達(dá)到的最大的加工效率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Zhang等[39]研究了電火花銑削鈦合金的加工表面質(zhì)量，在工具電極上附加超聲振動(dòng)，并在工作液中添加12g/L的SiC粉末，研究發(fā)現(xiàn)粉末的添加使加工表面粗糙度由0.5μm降低到0.2μm，超聲振動(dòng)的附加則使重鑄層厚度減少了20～30μm，加工表面缺陷也明顯減少。

Wang等[40]對(duì)Inconel718合金進(jìn)行高電流密度電火花銑削加工，在高效沖刷和強(qiáng)電流密度作用下，獲得的最高加工效率為1506202mm/min，相對(duì)電極損耗則只有1.73%，但同時(shí)微缺陷與白化層沿晶界擴(kuò)展到了金屬基體內(nèi)部。該方法僅適用于粗加工，并且加工變質(zhì)層較厚，為獲得好的加工表面質(zhì)量，后續(xù)加工的材料去除量較大。Lin等[41]基于灰色田口法對(duì)微細(xì)電火花銑削Inconel718合金進(jìn)行了優(yōu)化，分析了放電參數(shù)及放電間隙對(duì)電極損耗、加工效率、加工精度的影響。Ali 等[42]對(duì)鈦合金混粉電火花銑削加工的表面粗糙度進(jìn)行了研究，在SiC粉末含量為16.8g/L時(shí)，加工表面粗糙度最優(yōu)為0.75μm，粉末含量是對(duì)加工表面粗糙度的最大影響因素。Ali等[43]則對(duì)鈦合金混粉電火花銑削加工的加工效率進(jìn)行了研究，使用碳化鎢作為工具電極，并在工作液中混入SiC粉末，在SiC粉末含量為24.75g/L時(shí)加工效率最高為7.308g/min，SiC粉末含量對(duì)加工效率有顯著影響。Kuriachen等[44]對(duì)Ti-6Al-4V材料進(jìn)行了微細(xì)電火花銑削加工，采用曲面響應(yīng)法進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)，對(duì)不同加工參數(shù)條件下的銑削加工進(jìn)行了方差分析，發(fā)現(xiàn)獲得最大材料去除率的加工參數(shù)為電壓115V，電容0.4μF，電極旋轉(zhuǎn)速度1000r/min，進(jìn)給速度18mm/min。同時(shí)建立了數(shù)學(xué)模型用于預(yù)測(cè)加工Ti-6Al-4V時(shí)的材料去除率，獲得了明顯的效果。常偉杰等[45]對(duì)超聲振動(dòng)輔助電火花銑削技術(shù)進(jìn)行了研究，并基于Fluent平臺(tái)進(jìn)行了流場(chǎng)與蝕除顆粒分布場(chǎng)的仿真研究。工具電極上附加超聲振動(dòng)，可使工作液的壓力分布更富梯度化、流速變化加強(qiáng)、加工碎屑的分布更加均勻，有利于加工碎屑的排除，提高加工效率。

相對(duì)于電火花加工與電火花線切割加工，近期高溫合金與鈦合金的電火花銑削加工文獻(xiàn)較少，主要集中于加工參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)主要為加工效率、加工表面質(zhì)量、加工精度等?；旆垭娀鸹ㄣ娤骷庸ず凸ぞ唠姌O附加超聲振動(dòng)可以獲得更好的加工表面質(zhì)量，而高電流密度電火花銑削加工則側(cè)重于材料的高速蝕除。近期科研人員在高溫合金與鈦合金的電火花加工與電火花線切割加工方面獲得了諸多研究成果，而電火花銑削加工的加工原理與電火花加工、電火花線切割加工相同，可將電火花加工與線切割加工的相關(guān)研究成果進(jìn)一步引入到電火花銑削加工中來，從而促進(jìn)高溫合金與鈦合金電火花銑削加工的發(fā)展。

其他電火花加工方式

隨著電火花加工的發(fā)展，出現(xiàn)了電弧加工、短電弧加工、電火花燒蝕加工等新的加工工藝與方法，進(jìn)一步豐富了高溫合金與鈦合金的加工工藝與方法。

Wang等[46]對(duì)Ti6-Al-4V高速電火花銑削與電弧加工進(jìn)行了研究，同時(shí)采用了一個(gè)獨(dú)立的脈沖電源和一個(gè)獨(dú)立的直流電源，使用中空石墨管作為工具電極并接電源負(fù)極。加工中電弧可被有效斷開，獲得的最大加工效率為21493mm3/min，相對(duì)電極損耗則為1.7%。電弧加工可獲得極高的加工效率，但加工表面粗糙度較差，加工精度也較差，加工變質(zhì)層較深，可用于高溫合金與鈦合金的粗加工[47-49]。劉宏勝等[50]對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行了短電弧加工，有效提高了加工表面質(zhì)量并降低了重鑄層厚度，但加工表面質(zhì)量依然較差，試驗(yàn)獲得的重鑄層厚度最小為38μm。其他相關(guān)研究也獲得了同樣的結(jié)論[51-52]。王祥志等[53]對(duì)電火花誘導(dǎo)燒蝕加工進(jìn)行了研究，通過向電火花加工間隙供給高壓氧氣，使火花放電引燃鈦合金金屬，從而對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，加工效率較高。該加工技術(shù)會(huì)在加工工件表面形成氧化層和厚度較大的重鑄層、熱影響層，加工表面質(zhì)量相對(duì)較差?？傮w來說電弧加工、短電弧加工、電火花燒蝕加工適用于高溫合金和鈦合金的粗加工，需進(jìn)一步的研究以改善加工表面質(zhì)量，從而擴(kuò)展其在高溫合金和鈦合金加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

電火花加工與電解加工對(duì)比

電火花加工技術(shù)的加工精度較高，一般加工間隙為20μm到幾百μm之間，加工表面粗糙度最優(yōu)可達(dá)到0.4μm以下，但加工表面有變質(zhì)層、微裂紋等問題，而加工效率相對(duì)較低。電解加工技術(shù)的加工效率高，加工表面質(zhì)量好，不存在變質(zhì)層和微裂紋，但加工間隙一般為0.1～1mm，所以加工精度低于電火花加工。電火花加工的工具電極存在損耗，故工具電極的制造成本較高，而電解加工的陰極不存在損耗，但其工裝較為復(fù)雜。電火花加工技術(shù)與電解加工技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，又各有缺陷。

合肥工業(yè)大學(xué)特種加工研究所在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的電解加工方面做了大量研究工作，并且取得了很多成果，主要包括仿真研究[54-55]、加工工藝研究[56]、高頻脈沖電源研究以及機(jī)床裝備研究等。陳遠(yuǎn)龍等[54]基于COMSOL平臺(tái)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的電解加工過程進(jìn)行了多物理場(chǎng)耦合仿真，對(duì)不同加工電壓和進(jìn)液流量對(duì)法向平衡間隙的影響進(jìn)行了研究，還對(duì)占空比、加工電壓、入口壓力和極間間隙對(duì)極間溫度的影響進(jìn)行了仿真分析[56]，并開展了加工試驗(yàn)。

結(jié)束語

本文從電火花成形加工、電火花線切割加工、微細(xì)電火花加工、電火花銑削、電火花表面強(qiáng)化和其他電火花加工方式6個(gè)方面總結(jié)了一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高溫合金和鈦合金方面的研究，并獲得以下結(jié)論：

（1）高溫合金和鈦合金電火花加工、電火花鉆孔、電火花線切割方面，研究者們借助于曲面響應(yīng)法、田口法、中心組合設(shè)計(jì)、方差分析、線性回歸分析法、灰關(guān)聯(lián)分析法等研究方法，優(yōu)化了高溫合金和鈦合金的加工參數(shù)，以獲得高加工效率、高加工表面質(zhì)量和低電極損耗。通過建立數(shù)學(xué)模型、自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）模型和多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)等預(yù)測(cè)加工指標(biāo)的變化，并對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。電火花加工的工作液、電極材料趨向于多樣化，混粉準(zhǔn)干式電火花、水包油型工作液、多孔質(zhì)電極等新型加工方法取得了良好的加工效果。

（2）高溫合金和鈦合金電火花加工、電火花鉆孔、電火花線切割等傳統(tǒng)電火花加工技術(shù)兩方面發(fā)展，一方面以高加工效率、高加工表面質(zhì)量和低電極損耗為目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)綜合優(yōu)化；另一方面尋求突破加工效率的極限，以高電流密集放電加工，降低了加工質(zhì)量和電極損耗方面的要求。

（3）在鈦合金電火花表面強(qiáng)化方面不斷探尋新的工藝方法與技術(shù)，采用堆焊機(jī)進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化加工、電火花誘導(dǎo)燒蝕加工、混粉準(zhǔn)干式電火花表面強(qiáng)化、B4C的霧狀去離子水電火花表面強(qiáng)化等新方法不斷涌現(xiàn)，并獲得了較好的強(qiáng)化效果。

（4）高溫合金和鈦合金微細(xì)電火花加工以更高的加工精度、更好的加工表面質(zhì)量、更高的加工效率和更低的工具電極損耗為目標(biāo)，探尋工藝方法的多樣化。

（5）高溫合金和鈦合金電弧加工、短電弧加工、電火花燒蝕加工等新的加工工藝與方法不斷涌現(xiàn)，新的加工方法獲得了極高的加工效率，但在加工質(zhì)量方面有待提高。

電火花加工高溫合金和鈦合金有其明顯的優(yōu)勢(shì)，加工方法、工作液、工具電極材料多樣化發(fā)展，未來可與電解加工等加工方式相結(jié)合以克服加工表面重鑄層、表面裂紋等問題，進(jìn)一步發(fā)揮其在高溫合金和鈦合金加工方面的優(yōu)勢(shì)。

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