趙玉田，邵云鵬，祝錫晶，成 全

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

1 引言

電火花加工是基于工具電極與工件之間脈沖性火花放電產(chǎn)生的高溫高壓蝕除工件材料的一種加工技術(shù)。由于放電過程是在工具電極和工件之間的間隙中發(fā)生，因此不存在接觸應(yīng)力，精度優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械加工，適用于高精度要求的復(fù)雜曲面加工；由于電火花加工材料去除方式是以高溫熔化和氣化為主，因此適用于各種難加工的導(dǎo)電材料。

TC4鈦合金耐高溫和低溫，溫度適應(yīng)區(qū)間較寬，密度約為合金鋼的1/2，比強(qiáng)度約為合金鋼的1.3倍，抗腐蝕能強(qiáng)。由于其具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)性能，被用于航空發(fā)動機(jī)、潛艇和航母零部件的制造。但其較小的彈性模量導(dǎo)致機(jī)械加工時容易產(chǎn)生應(yīng)力形變和周期性振動，影響加工精度；TC4合金的導(dǎo)熱性能較差，機(jī)械加工時切削區(qū)產(chǎn)生的高溫加速了刀具磨損，降低了加工精度。而電火花加工能有效克服機(jī)械加工TC4合金遇到的問題。為了提高電火花加工效率、獲得更好的表面質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。在工作液中添加導(dǎo)電的粉末顆粒有效提高了材料去除率，降低了表面粗糙度Ra值[1]，文獻(xiàn)[2]研究了粉末分布對加工液電場的影響。其作用機(jī)理是：導(dǎo)電粉末增大了極間間隙，有利于加工屑的排除，改善了放電環(huán)境，使放電點(diǎn)分布均勻，有效避免了集中放電引起的拉弧，提高了脈沖利用率[3-4]。但在大面積加工時，粉末顆粒容易在加工面中心位置沉積，加工的穩(wěn)定性變差。引入超聲有效解決了這一問題[5]，超聲振動產(chǎn)生的微射流[6]起到了局部攪拌作用，加速了工作液的循環(huán)。文獻(xiàn)[7]把超聲加載在工件上進(jìn)行混粉電火花加工TC4合金試驗(yàn)，加工效率和表面質(zhì)量均有提升。但是工件超聲振動局限于尺寸和質(zhì)量較小的工件，工件幾何形狀要求規(guī)則。因此把超聲加載在工具電極上適用范圍更廣。但現(xiàn)階段超聲復(fù)合電火花加工裝置都是直接把電極固定在變幅桿輸出端，因而電極尺寸、形狀受換能器工作頻帶寬度的限制，只能加載尺寸較小的電極。而更換不同直徑電極時固有頻率的變化會破壞超聲諧振系統(tǒng)的穩(wěn)定性；加工過程中隨著電極的損耗，固有頻率的減小也會破壞諧振系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致輸出阻抗增大。為了解決上述問題，應(yīng)用ANSYS15.0設(shè)計了可調(diào)整頻率的組合式電極夾具，與變幅桿連接，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的調(diào)整。設(shè)計實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用響應(yīng)曲面法對去除率MRR、表面粗糙度Ra值進(jìn)行多指標(biāo)優(yōu)化，得出了最優(yōu)加工參數(shù)，用重復(fù)試驗(yàn)檢驗(yàn)了最優(yōu)參數(shù)組合的可靠性，為實(shí)際加工提供了參考依據(jù)。

2 裝置設(shè)計

在EDM350/60NC電火花機(jī)床上加載超聲振動裝置。在現(xiàn)有20000Hz超聲波發(fā)生器、換能器和相配套變幅桿的基礎(chǔ)上配置工具電極夾具，如圖1所示。

圖1 工具電極超聲混粉電火花加工裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Tool Electrode Ultrasonic Mixing PowderEDM Processing Device

電極夾具與變幅桿通過螺栓連接，工具電極通過螺紋緊固在夾具小端并用螺母鎖緊，如圖2所示。

圖2 復(fù)合式夾具示意圖Fig.2 Composite Fixture Schematic

夾具裝夾電極以后的諧振頻率必須與現(xiàn)有的換能器、變幅桿相匹配。有兩種情況會改變振動系統(tǒng)的整體諧振性能[8]，一是更換不同尺寸的電極以后，由于工具電極長度和質(zhì)量發(fā)生變化勢必會引起固有頻率的變化；二是加工過程中隨著電極損耗、變短，固有頻率發(fā)生變化，諧振系統(tǒng)的失衡會導(dǎo)致電極阻抗增大、發(fā)熱、直至斷裂。因而，夾具設(shè)計成三段，中間置入調(diào)整墊圈調(diào)整諧振頻率，使超聲裝置固有頻率符合諧振頻率要求。夾具材料選用7075鋁合金，其楊氏模量為71.7GPa，泊松比為0.33，密度為2.77×103（kg·m-）3，電極由直徑8mm圓柱形黃銅制成，楊氏模量為110GPa，泊松比為0.34，密度為8.3×10（3kg·m-）3，通過ANSYS15.0有限元分析確定了夾具的最優(yōu)尺寸：大端直徑D1=36mm，小端直徑D2=18mm，圓柱段L1=20mm，L2=15mm，圓錐段L3=54 mm，電極L4=30 mm，電極總長為50mm。調(diào)整墊圈設(shè)計為4mm厚。通過有限元分析：電極長度每損耗1mm，裝載電極的夾具固有頻率升高390Hz，每加裝一個調(diào)整墊圈，夾具固有頻率降低240Hz，仿真結(jié)果，如圖3所示。裝夾8mm電極以后具有良好諧振頻率的情況，如圖3（a）所示。諧振頻率為19916Hz，和換能器匹配良好，8mm電極損耗2mm以后的模態(tài)分析，如圖3（b）所示。頻率增加到20665Hz，已經(jīng)無法和換能器匹配，超聲裝置無法工作，此時可在夾具中段加裝調(diào)整墊圈以降低頻率，如圖3（c）所示。夾具中段裝入三個調(diào)整墊圈以后，固有頻率降為20031Hz，與換能器諧振頻率基本相符，能夠正常匹配。利用阻抗分析儀PV70A進(jìn)行測試，如圖3（d）所示。阻抗試驗(yàn)測得諧振頻率為19957.9Hz，誤差為0.2%，符合設(shè)計要求。

圖3 模態(tài)分析與阻抗測試Fig.3 Modal Analysis and Test Impedance Measurement

3 試驗(yàn)設(shè)計

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

在EDM450/60NC電火花機(jī)床上加載自行設(shè)計的超聲振動裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)器材：H66MC超聲發(fā)生器，輸出頻率為20000Hz，JB-5C粗糙度測量儀，VHX-600超景深光學(xué)顯微鏡，電子天平，直徑為4mm、6mm、8mm的黃銅電極，顆粒直徑為5μm的鋁粉，工作介質(zhì)為電火花專用油，工件材料為TC4鈦合金，尺寸為（20×10×5）mm。采用負(fù)極性加工。

3.2 試驗(yàn)方案

以電極直徑、鋁粉濃度、脈沖間隔、峰值電流為因素，工件去除率MRR、表面粗糙度值Ra為指標(biāo)，設(shè)計4因素3水平Box-Behnken試驗(yàn)[9]，通過對比混粉電火花和超聲混粉電火花加工結(jié)果，分析超聲在混粉電火花加工過程中的作用；通過響應(yīng)面法建立因素與指標(biāo)之間的二次回歸數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，最后進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果。因素水平編碼表，如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼Tab.1 Experimental Factor Level Encoding

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)Box-Behnken設(shè)計分別做了混粉電火花和超聲混粉電火花對比試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果Tab.2 Design and Test Results

混粉電火花加入超聲提高了加工效率，提升率為29%，這是由于電極的高頻振動加快了極間介質(zhì)的循環(huán)，縮短消電離時間，有效脈沖頻率增加，而且小直徑電極振幅較大，空化微射流[10]蝕作用除較為顯著，熱熔金屬大部分被拋出，如圖4所示。8mm直徑電極加工表面粗糙度Ra值降低明顯，而4mm直徑電極的加工表面粗糙度無明顯變化。這是由于較大面積加工時，加工中心區(qū)域介質(zhì)被超聲波擾動，避免了粉末沉積引起的拉弧放電，試放電點(diǎn)均與分布，因而粗糙度較小。

圖4 普通混粉與超聲混粉結(jié)果對比Fig.4 Comparison of Common Mixed Powder and Ultrasonic Mixed Powder

4 結(jié)果分析

4.1 響應(yīng)曲面分析

響應(yīng)曲面法RSM是基于最小二乘擬合二次回歸模型優(yōu)化參數(shù)的一種分析方法，具有連續(xù)性、可預(yù)測性、試驗(yàn)組合少的特點(diǎn)。利用Box-Behnken試驗(yàn)的四個因素作為變量，粗糙度Ra值、去除率RMM作為響應(yīng)建立回歸方程：

式中：y—響應(yīng)；xi—因素；β0—常數(shù)；βi—一次項(xiàng)系數(shù)；βii—二次項(xiàng)系數(shù)；βij—交互項(xiàng)系數(shù)；ε—誤差。采用Design-Expert8.06對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)，如表3所示。剔除部分不顯著交互項(xiàng)得到超聲混粉電火花加工TC4合金去除率MRR和粗糙度值Ra的數(shù)學(xué)模型：

表3 方差分析Tab.3 Variance Analysis

由表3可知該模型MRR、Ra概率P值均小于0.05，表明模型顯著，可以有效預(yù)測各因素對指標(biāo)的影響規(guī)律。從圖5（a）得出超聲振動使鋁粉均與分布減小沉積，改善了放電環(huán)境，高濃度時并沒有影響去除率；圖5（b）顯示脈沖間隔對去除率影響較小，是由于超聲振動加快了排屑效率，縮短消電離時間，因而脈沖利用率增大。鋁粉濃度較小時粗糙度Ra值隨峰值電流的變化規(guī)律，如圖5（c）所示。可以看出電流較大時粗糙度值增大，把鋁粉濃度固定在較大值，粗糙度值并沒有隨著電流增大，如圖5（d）所示。因此加載超聲可以在較大電流加工時獲得較小的粗糙度值。

圖5 響應(yīng)曲面Fig.5 Response Surface

4.2 多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化

采用Design-Expert 8.06優(yōu)化超聲混粉電火花加工參數(shù)：電極直徑 4mm，鋁粉濃度 15.3（g·L-）1，脈沖間隔 39μs，峰值電流20A，預(yù)測結(jié)果為：去除率186.79×10-（3mm·3min-）1，粗糙度Ra值3μm。采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)檢驗(yàn)，如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)Tab.4 Experimental Verification

試驗(yàn)結(jié)果表明：更換不同直徑電極進(jìn)行試驗(yàn)時，組合式夾具能起較好的調(diào)整作用，諧振系統(tǒng)工作穩(wěn)定。加工試驗(yàn)優(yōu)化以后超聲混粉電火花加工效率、表面質(zhì)量均比普通混粉電火花加工有所提高，如圖6所示。超景深顯微鏡下普通混粉與參數(shù)優(yōu)化以后的超聲混粉電火花加工表面形貌對比。

圖6 表面形貌對比Fig.6 Surface Topography Comparison

5 結(jié)論

（1）采用ANSYS15.0設(shè)計了可調(diào)整頻率的組合式電極夾具，解決了加工過程中更換電極、電極損耗引起的頻率不匹配問題。

（2）在電火花機(jī)床上加載了自行設(shè)計的超聲振動裝置進(jìn)行試驗(yàn)，裝夾不同尺寸電極時，組合式夾具調(diào)整頻率性能良好，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。

（3）通過Box-Behnken試驗(yàn)建立了回歸模型，采用響應(yīng)曲面法優(yōu)化加工參數(shù)，應(yīng)用最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行了三次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)預(yù)測模型的可靠性。試驗(yàn)表明：超聲混粉電火花比普通混粉電火花加工效率提高了29%，表面粗糙度Ra值降低了22%。超聲混粉電火花加工在一定范圍內(nèi)解決了加工效率與表面質(zhì)量之間的矛盾，可在較大電流加工中獲得較好的表面質(zhì)量。