丁 磊，祝錫晶，張尹哲，肖龍勇

（中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

鈦及鈦合金作為一種重要的金屬，有著重要的應(yīng)用領(lǐng)域，其中TC4鈦合金由于具有密度小、耐腐蝕、高強(qiáng)度和良好的焊接性和韌性，在航天航空和醫(yī)療器材等對(duì)加工精度要求較高的領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天航空行業(yè)，所需加工的零件往往是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法較難實(shí)現(xiàn)，因此電火花加工是一種加工TC4鈦合金主要的手段[1-2]。利用常規(guī)電火花加工時(shí)排屑比較困難，熔融所需的能量較高，表面質(zhì)量差，因此鈦合金的使用存在一定局限性。為了改善對(duì)TC4鈦合金的加工問(wèn)題，提出超聲混粉電火花復(fù)合加工[3-4]。

超聲混粉電火花復(fù)合加工是一種新型的加工方式，是在傳統(tǒng)混粉電火花加工的基礎(chǔ)上，將超聲裝置加裝在電極或工件上，通過(guò)在混粉電火花加工過(guò)程中附加超聲，使兩種加工方式相結(jié)合，以得到更好加工性能?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)超聲混粉電火花復(fù)合加工的研究，主要是在電極上附加超聲。文獻(xiàn)[5]將超聲附加在電極上，通過(guò)電極的超聲振動(dòng)使混粉電火花工作液中的導(dǎo)電磨料沖擊工件表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工效率的提升。文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)超聲混粉電火花研究發(fā)現(xiàn)，電極的超聲振動(dòng)可以促進(jìn)加工間隙中工作液的循環(huán)，進(jìn)而縮短加工時(shí)間。文獻(xiàn)[7]將超聲加載與電極上，進(jìn)行超聲電火花混粉加工，發(fā)現(xiàn)加工可以在小電流下穩(wěn)定進(jìn)行，且對(duì)加工面粗糙度改善明顯。但是，超聲裝置加裝在電極上會(huì)對(duì)到主軸的進(jìn)給精度產(chǎn)生一定影響，因此如果把超聲附加于工件之上，能夠更好的將電火花加工和超聲加工的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮[8]。目前將超聲附加在工件上的方式有兩種，一種是將工件通過(guò)螺栓與變幅桿連接，工件形狀、尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致諧振頻率的改變，因此這種附加超聲方式對(duì)工件具有局限性。第二種方式是將工件附加與變幅桿的末端，這種方式適合較小尺寸且質(zhì)量輕的工件。因此設(shè)計(jì)一種具有通用性的振動(dòng)平臺(tái)顯得十分重要[9]。

利用ANSYS軟件自行設(shè)計(jì)了矩形六面體超聲變幅器作為振動(dòng)平臺(tái)并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，然后通過(guò)FLUENT軟件對(duì)工作液攪拌裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在成型機(jī)床的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)工件附加超聲的混粉電火花加工裝置的制備。分別使用普通混粉電火花加工和工件附加超聲混粉電火花加工對(duì)TC4鈦合金加工同樣深度，對(duì)兩種加工方式的加工效果進(jìn)行對(duì)比，以探究將超聲附加在工件上，在混粉電火花加工過(guò)程中起到的關(guān)鍵作用。

2 裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)參數(shù)

在電火花成型機(jī)床的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套工件附加超聲混粉電火花復(fù)合加工裝置，如圖1所示。加工裝置主要在成型電火花機(jī)床的基礎(chǔ)上，加上了超聲裝置和工作液攪拌裝置這三部分構(gòu)成。

圖1 工件超聲振動(dòng)混粉電火花復(fù)合加工裝置示意圖Fig.1 Workpiece Ultrasonic Vibration Mixed Powder EDM Compound Processing Device

2.1 超聲振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

超聲振動(dòng)平臺(tái)的功能是有較強(qiáng)的負(fù)載能力，可以將超聲傳遞在工件上，因此振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工件超聲振動(dòng)的重要一環(huán)。矩形六面體的特點(diǎn)是有豐富三維耦合振動(dòng)，正是由于它有良好的寬頻帶輻射聲源，所以，可以把矩形六面體當(dāng)成一種振動(dòng)平臺(tái)，用來(lái)負(fù)載不同形狀和尺寸的工件。為了使振動(dòng)平臺(tái)能夠讓工件獲取良好振動(dòng)效果，用ANSYS軟件對(duì)變幅桿、換能器、振動(dòng)平臺(tái)和工件進(jìn)行整體的動(dòng)力學(xué)研究。通過(guò)改變振動(dòng)平臺(tái)的尺寸最終達(dá)到設(shè)計(jì)需要，當(dāng)頻率達(dá)到19863Hz時(shí)，可得到均勻的水平超聲振幅，且與理論值20000Hz誤差很小，滿足實(shí)際要求。然后，對(duì)裝置整體在上述仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行諧響應(yīng)分析，讓變幅桿的大端面加載10μm的簡(jiǎn)諧載荷，諧響應(yīng)分析的總位移云圖，如圖2所示。由圖2可知，在19863Hz的水平載荷激勵(lì)下，振動(dòng)平臺(tái)的末端振幅明顯，可作為負(fù)載工件的區(qū)域，在振動(dòng)平臺(tái)的振幅最小的地方可作為固定工件的螺栓位置。通過(guò)霧化試驗(yàn)，上述仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)和后續(xù)裝置研究的要求。

圖2 整體諧響應(yīng)分析Fig.2 Overall Harmonic Response Analysis

2.2 攪拌裝置的設(shè)計(jì)

混粉電火花加工中，放電狀態(tài)是通過(guò)工作液中所添加導(dǎo)電顆粒而改善的，因此可以提高工件的表面加工質(zhì)量。鋁粉能否均勻懸浮關(guān)系到加工的最終效果，根據(jù)斯托克斯方程：

式中：Vo—粒子沉降速度；ρs—粒子密度；ρf—液體密度；a—粒子半徑；μ—液體粘度。

由此可知當(dāng)粒子種類(lèi)、工作液確定后，粒子的沉降狀態(tài)是可以確定的，為了保證鋁粉能夠在工作液中的保持穩(wěn)定懸浮，必須對(duì)工作液中的鋁粉進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，因此需要在普通成型電火花機(jī)床的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)工作液攪拌裝置進(jìn)行攪拌而產(chǎn)生湍流，防止鋁粉的沉降[10]。

跟據(jù)工作液槽的形狀尺寸，通過(guò)計(jì)算，選擇葉輪直徑為165mm的渦輪式葉輪。利用流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件FLUENT中的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型分別對(duì)離底深度為65mm和135mm的六葉直葉式渦輪結(jié)構(gòu)和六葉45°斜葉式渦輪結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算，得到攪拌器在z方向的工作液流場(chǎng)分布，攪拌器z方向的速度云圖和速度矢量圖分別，如圖3、圖4所示。

圖4 攪拌器z方向速度矢量圖Fig.4 Blender z Speed Vector

通過(guò)對(duì)四種情況渦輪攪拌器速度云圖和速度矢量圖的比較，可以比較清晰的說(shuō)明反應(yīng)流場(chǎng)內(nèi)速度的分布情況，而攪拌裝置中葉輪形狀和葉輪離底高度對(duì)混粉電火花工作液中的鋁粉能否均勻懸浮具有很大影響，最終得到的結(jié)論是：離底高度為135mm的六葉直葉式渦輪結(jié)構(gòu)的攪拌效果是最好的。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件和參數(shù)

試驗(yàn)中選用的機(jī)床型號(hào)為EDM450/60NC，超聲發(fā)生器型號(hào)為H66MC，測(cè)量粗糙度所用的儀器為JB-5C粗糙度測(cè)量?jī)x。工件選擇尺寸為150*5*3mm的TC4鈦合金，將其通過(guò)內(nèi)六角螺栓固定在振動(dòng)平臺(tái)上，電極材料選用為紫銅，直徑為10mm其他試驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test Parameters

3.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，使用兩種加工方式分別對(duì)TC4鈦合金加工0.5mm。為了較為準(zhǔn)確的反應(yīng)超聲在混粉電火花中的作用，首先設(shè)計(jì)四水平四因素正交試驗(yàn)表，通過(guò)極差分析，確定兩種加工方式的最優(yōu)參數(shù)，如表2、表3所示。

表2 普通混粉電火花加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Table of Test Data for Ordinary Mixed Powder EDM

表3 工件超聲混粉電火花加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.3 Table of Test Data for Workpiece Altrasonic Mixing Powder EDM

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

普通混粉電火花加工和超聲混粉電火花加工對(duì)TC4鈦合金加工試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，如圖5、圖6所示。通過(guò)比較兩種加工方式的加工時(shí)間和表面粗糙度，可明顯看出工件上附加超聲在對(duì)混粉電火花的積極效果。

圖5 加工時(shí)間對(duì)比Fig.5 Processing Time Comparison

圖6 粗糙度對(duì)比Fig.6 Roughness Comparison

由圖5可知，在加工速率上，通過(guò)工件附加超聲，能夠?qū)⒓庸r(shí)間減少10%左右，因?yàn)橥ㄟ^(guò)在工件附加超聲，使極間工作間隙中的工作液產(chǎn)生高頻振動(dòng)，進(jìn)而使散布在工作液中的導(dǎo)電性顆粒產(chǎn)生高速擾動(dòng)，使電火花工作液中導(dǎo)電顆粒得到更加均勻的分布，從而使放電效率得到進(jìn)一步提高。同時(shí)在工件附加高配超聲振動(dòng)后，工作液中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，工件的材料去除率會(huì)在氣泡的空化作用下進(jìn)一步提高。根據(jù)圖6所示。在表面粗糙度方面，超聲產(chǎn)生的渦流和泵吸效應(yīng)改善了加工間隙導(dǎo)電粉末的分布，減少了加工過(guò)程中TC4鈦合金加工屑的粘連，進(jìn)而讓放電位置更加隨機(jī)，放電狀態(tài)也得到提升，工件表面質(zhì)量也有一定改善，表面粗糙度減少了15%左右。

4 結(jié)論

（1）借助ANSYS對(duì)矩形六面體振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而確定振動(dòng)平臺(tái)的具體尺寸，可較好實(shí)現(xiàn)超聲在工件上的振動(dòng)。利用FLUENT標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程湍流模型對(duì)攪拌葉進(jìn)行了仿真優(yōu)化，確定離底高度為135mm的六葉直葉式渦輪攪拌器對(duì)混粉電火花中的工作液攪拌效果最好。

（2）設(shè)計(jì)四水平四因素正交試驗(yàn)表，通過(guò)極差分析分別確定了兩種加工方式的最優(yōu)參數(shù)組，對(duì)于加工速度，最優(yōu)參數(shù)為：間隙電壓70V，峰值電流15A，脈沖間隔150μm，脈沖寬度60μm；對(duì)于表面粗糙度，最優(yōu)參數(shù)為：間隙電壓60V，峰值電流2A，脈沖間隔 30μm，脈沖寬度 120μm；

（3）在混粉電火花加工中，將頻率為20KHz的超聲振動(dòng)通過(guò)振動(dòng)平臺(tái)傳遞在工件上，實(shí)現(xiàn)工件附加超聲的混粉電火花加工。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，可知在混粉電火花加工TC4鈦合金的過(guò)程中，對(duì)工件附加超聲，對(duì)加工時(shí)間和表面粗糙度有明顯效果。分析對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，加工時(shí)間較普通混粉電火花加工節(jié)約了10%左右，表面粗糙度減少了15%左右。