徐海華，康小明

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

鈦鋁合金電火花加工工藝參數(shù)影響實驗

徐海華，康小明

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

為研究鈦鋁合金電火花加工工藝參數(shù)對材料去除率的影響，通過四因子二水平的全因子析因實驗，確定了材料去除率的顯著影響因子為電極極性、脈寬、占空比和峰值電流。通過最陡上升路徑法，找到了材料去除率最大值對應的參數(shù)范圍，并以此為基礎設計中心復合響應曲面實驗，得到了材料去除率的擬合公式，計算出材料去除率理論最大值及其對應的加工參數(shù)。實驗驗證了材料去除率擬合公式的正確性，并給出材料去除率擬合公式適用的參數(shù)范圍。

鈦鋁合金；電火花加工；工藝參數(shù)；DOE實驗

鈦鋁合金具有密度低、耐熱性好、比強度高、比剛度高的優(yōu)點及很好的抗氧化能力和抗高溫蠕變性能，是綜合性能極好的輕質高溫合金[1]，可替代質量較大的鎳基、鐵基合金應用于航空領域[2]，且目前已應用于制造航空發(fā)動機的壓縮機殼體、燃燒室和噴嘴等零件中[3]。研究表明，鈦鋁合金在高溫下具有高強度、低導熱性和強化學反應性的特點[4]，卻在室溫下表現(xiàn)為脆性，且延展性低、耐磨性和變形加工性能差，難以對其進行機械加工[5]。例如，鈦鋁合金切削加工特點是短切屑接觸，應力高且溫度梯度較陡，故會造成刀具磨損嚴重而縮短刀具使用壽命[6]。

電火花加工通過放電蝕除材料，可實現(xiàn)難切削材料的加工，且加工過程中電極與工件不直接接觸，與被加工材料的機械性能無關，因此是加工鈦鋁合金的一種可行方法[7]。雖然鈦鋁合金具有高溫性能好、密度低等優(yōu)點，但其熔點高、導熱性差，這會降低電火花加工性能，不易獲得高的材料去除率（material removal rate，MRR）。 因此，本文利用 DOE試驗設計法，對鈦鋁合金電火花加工工藝參數(shù)進行了研究，通過全因子析因實驗研究顯著因子對MRR的影響，并根據(jù)實驗結果設計響應曲面實驗，獲取使MRR最大的一組電火花加工參數(shù)，從而計算得到電火花加工鈦鋁合金的MRR擬合公式，并確定了該模型參數(shù)的適用范圍。

1 鈦鋁合金加工工藝實驗

1.1 實驗條件

實驗設備為六軸聯(lián)動電火花成形加工機床（圖1）。電極為直徑10 mm的圓柱形棒狀石墨電極，型號為ISO-63。工件材料為含有Ti3Al、TiAl二種成分的鈦鋁合金，經(jīng)X射線熒光光譜分析測得其成分見表1。實驗對鈦鋁合金工件進行深度為1 mm的盲孔加工，以考查電火花加工的材料去除率。

表1 鈦鋁合金工件材料成分表

圖1 實驗設備

1.2 全因子析因實驗

電火花加工效率的影響因素眾多，峰值電流、脈寬、占空比決定了電火花加工的單次放電總能量，伺服電壓、電極極性等電參數(shù)，以及沖液條件、抬刀高度、抬刀間隔等運動參數(shù)也會對電火花加工產(chǎn)生影響。在滿足穩(wěn)定加工的條件下，對電參數(shù)進行分析研究，結合機床硬件及篩選實驗可發(fā)現(xiàn)，脈寬 Ton、占空比 D、峰值電流 Ip、電極極性是對 MRR有顯著影響的參數(shù)。本文結合篩選實驗結果，通過全因子析因實驗分析各參數(shù)對MRR的影響。首先，確定了所選因子的參數(shù)范圍；然后，利用Minitab軟件進行DOE試驗設計，設計了四因子二水平外加六個中心點（正、負極性分別三個中心點）的全因子析因實驗，其參數(shù)見表2。

表2 全因子析因實驗參數(shù)表

由標準化效應的Pareto圖可見，對MRR影響顯著的因子有：電極極性、脈寬、占空比、峰值電流及二階交互效應脈寬與占空比、極性與脈寬、脈寬與峰值電流（圖2）。

圖2 標準化效應的Pareto圖

通過Minitab軟件生成的全因子析因實驗主效應圖見圖3?？梢?，電極負極性加工時的MRR遠大于正極性加工時的，且MRR在所選參數(shù)范圍內(nèi)基本都隨著脈寬、占空比、峰值電流的增加而增大。為研究各參數(shù)對MRR的影響并求得最優(yōu)參數(shù)組合，需進一步設計中心復合響應曲面實驗進行分析。

圖3 全因子析因實驗主效應

1.3 最優(yōu)區(qū)域選擇實驗

鑒于表2所示參數(shù)的高、低水平值不一定處于最優(yōu)區(qū)域，故需通過最陡上升路徑實驗找到最優(yōu)區(qū)域，其方法是沿響應最大增量方向逐步進行實驗，直到實驗響應值不再增加。

因為電極負極性加工的MRR遠大于正極性加工，故選用電極負極性進行脈寬、占空比、峰值電流的三因子二水平另加三個中心點的全因子析因實驗，得出線性回歸方程；在此基礎上，以最陡上升路徑法尋找拐點，即可得到最優(yōu)區(qū)域。實驗結果表明，當脈寬為70 μs、占空比為24%、峰值電流為30 A時，MRR不再增加，初步說明最優(yōu)參數(shù)在這些拐點參數(shù)附近，故以此為基礎進行三因子的中心復合響應曲面實驗。

1.4 中心復合響應曲面實驗

中心復合響應曲面實驗是在全因子實驗基礎上進行擴展完成的一種實驗方法，在整個實驗參數(shù)范圍內(nèi)具有較高的預測精度。由于本實驗所用設備的脈寬、脈間不是連續(xù)可調(diào)，為得到機床可用脈寬、脈間參數(shù)，中心復合設計中的Alpha值取2。中心復合響應曲面實驗設計及結果見表3。

表3 中心復合響應曲面實驗設計及結果

2 實驗結果與分析

由響應曲面實驗分析得出的MRR曲面見圖4，MRR等值線見圖5?？梢?，當峰值電流為30 A時，MRR隨著占空比、脈寬的增加呈先增大、再減小的趨勢；當占空比為24%時，MRR隨著峰值電流、脈寬的增加呈先增大、再減小的趨勢；當脈寬取70 μs時，MRR隨著峰值電流、占空比的增加呈先增大、再減小的趨勢。在峰值電流、占空比、脈寬所選參數(shù)范圍內(nèi)，固定其中一個參數(shù)，MRR隨著另外二個參數(shù)變化的規(guī)律與上述情況均相同，故可認為在選定參數(shù)范圍內(nèi)存在MRR的最大值。

圖4 MRR曲面圖

當峰值電流、脈寬一定時，占空比增大，能量密度增加，導致MRR增大；當占空比超過臨界值時，由于脈間減小產(chǎn)生不充分消電離的情況，使放電狀態(tài)變差，MRR降低。當占空比、脈寬一定時，峰值電流增大，能量密度增加，導致MRR增大；當峰值電流超過臨界值時，蝕除產(chǎn)物不能迅速排出，使放電狀態(tài)變差，MRR降低。當峰值電流、占空比一定時，脈寬變化對MRR影響不大，但由于交互作用，MRR也呈先增大、再減小的趨勢。

對實驗進行方差分析，得到MRR擬合公式為：

式中：T 為脈寬，μs；D 為占空比，%；I為峰值電流，A。

圖5 MRR等值線圖

對該擬合公式求偏導，可得出MRR極大值為35.331 mm3/min，此時脈寬為62.929 μs、占空比為20.9%、峰值電流為39.495 A?？紤]到機床的實際可選參數(shù)，最終確定的最優(yōu)參數(shù)組合為：脈寬60 μs、占空比21.05%、峰值電流40 A。

3 模型驗證實驗及參數(shù)適用范圍

3.1 驗證實驗

為驗證MRR擬合公式的準確性，設計了單因子驗證實驗，實驗參數(shù)如下：脈寬為60 μs，占空比為 21%，峰值電流分別為 32、36、40、44、48 A。 將實驗結果與通過式（1）計算得到的理論值進行對比，發(fā)現(xiàn)相對誤差不超過4%（表4），由此可證明式（1）對MRR的擬合度較高。

3.2 模型參數(shù)適用范圍

本文提出的MRR模型是由響應曲面實驗結果通過Minitab軟件擬合得到，該擬合結果在脈寬為50~70 μs、占空比 20%~24%、峰值電流 30~50 A 的參數(shù)范圍內(nèi)較準確。由于未充分消電離、能量密度過大而導致的放電狀態(tài)惡化現(xiàn)象，會大大降低MRR，并使擬合結果與實驗結果產(chǎn)生較大偏差。此外，放電狀態(tài)惡化還會導致工件積瘤現(xiàn)象發(fā)生，降低工件表面質量的同時，使電極損耗增大。

表4 單因子驗證實驗結果

4 結束語

本文通過全因子析因實驗得出影響鈦鋁合金電火花加工的顯著因素有：脈寬、占空比、峰值電流和電極極性，并分析了上述因子的變化規(guī)律。以電極負極性加工并通過最陡上升路徑法找到最優(yōu)參數(shù)區(qū)域，進一步通過中心復合響應曲面實驗，詳細分析了脈寬、占空比、峰值電流對MRR的影響規(guī)律，擬合得到了MRR的計算公式，并給出了MRR的最優(yōu)值及其對應的加工參數(shù)。通過單因子實驗驗證了MRR擬合公式的準確性，給出了擬合公式適用的加工參數(shù)范圍。

[1]KIM Y W.Ordered intermetallic alloys,part III:gamma titanium aluminides[J].Journal of the Minerals，1994，46（7）：30-39.

[2]Colvin G，Cianci M，Kleyn B，et al.Manufacture of XD gamma titanium aluminide airfoils via investment casting and machining[J]. Microstructure/Property Relationships in Titanium Aluminides and Alloys，1991：361-369.

[3]CLIFTON D，MOUNT A R，JARDINE D J，et al.Electrochemical machining of gamma titanium aluminide intermetallics[J].Journal of Materials Processing Technology，2001，108（3）：338-348.

[4]RAHMAN M，SAN W Y，ZAREENA A R.Machinability of titanium alloys[J].JSME International Journal Series C，2003，46（1）：107-115.

[5]AUST E，NIEMANN H R.Machining of γ‐TiAl[J].Advanced Engineering Materials，1999，1（1）：53-57.

[6]ASPINWALL D K，DEWES R C，MANTLE A L.The machining of γ-TiAI intermetallic alloys[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：99-104.

[7]KLOCKE F，HOLSTEN M，HENSGEN L，et al.Experimental investigations on sinking-EDM of seal slots in gamma-TiAl[J].Procedia CIRP，2014，24：92-96.

Influence Experiment on EDM Processing Parameters of Titanium Aluminum Alloy

XU Haihua，KANG Xiaoming
（ School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China ）

In order to study the effect of EDM processing parameters on the material removal rate of TiAl alloy，a full factorial experiment was designed.The significant discharge parameters which influence the material removal rate were determined as electrode polarity，pulse duration，duty cycle and peak current.The range of the discharge parameters corresponding to the maximum material removal rate was found by the steepest path method.Based on these methods，a central composite response surface experiment was designed to obtain the formula of the material removal rate.The maximum material removal rate according to the formula was calculated，and the corresponding processing parameters were achieved.Furthermore，the validity of the material removal rate formula was verified and the range of the discharge parameters applicable to the formula was also given.

Ti-Al alloy；EDM；processing parameters；DOE experiment

TG661

A

1009－279X（2017）05－0053-04

2017-07-25

徐海華，男，1993年生，碩士研究生。