王笑影，馬良奇，宋 濤，龍 金，余祖元

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連116024）

葉片作為航空發(fā)動機的核心部件在工作中承受了巨大的載荷和溫度，因此高強度不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等高強度金屬材料在葉片上被大量應用，這些難加工金屬也為葉片的生產制造帶來了巨大的困難[1]?？紤]到電解加工在加工復雜形狀的耐高溫、高強度材料時具有效率高、經濟性高、不產生熱影響層與加工力等特點，國內外常利用該技術通過葉盆陰極和葉背陰極分別相向進給作為葉片加工的主要方法[2-3]。為方便電解液通過，需上述兩個陰極與被加工件之間留有間隙，隨著進排氣邊緣的形成，這些間隙的存在使加工最后階段的流場和電場強度發(fā)生巨大變化，進而導致葉片進排氣邊緣產生與設計不符的形狀與尺寸誤差，嚴重影響了發(fā)動機的性能和壽命[4]。葉片的進排氣邊緣作為葉片主要工作型面，存在厚度小、曲率半徑小、邊緣位置狹窄等問題。Xu等[5]采用三電極進給的方式來改善電解加工中流場的穩(wěn)定性，但效果只局限于葉片的葉盆葉背型面和緣板。Zhu等[6]提出采用交叉結構陰極，將進排氣邊緣處電場強度的最大波動由62.42%降到30.51%，雖然誤差因此減小，但依舊不符合設計要求。目前來看，很難再利用ECM對所產生的誤差進行修整。

電火花加工具有適合加工難切削材料與復雜形狀零件、加工精度高（可達微米級）、加工過程無宏觀力、可實現低表面粗糙度值等特點，特別適合這類難加工薄壁結構零件的生產制造[7]。為解決葉片電解加工后所帶來的誤差問題，本文采用電火花加工對其誤差進行粗、精加工，其中粗加工目的一是減少精加工去除余量，二是盡可能獲得大的材料去除率，縮短加工周期。本文意在通過探究鈦合金和鎳基高溫合金在粗加工時的峰值電流、脈沖寬度、振動幅值、振動頻率對材料去除率、電極相對損耗率的影響，以確定最大材料去除率。由于涉及因素較多，本文還采用正交試驗法進行了多因素優(yōu)化實驗。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

在電火花成形加工過程中，由于相對加工面積過大，電蝕產物不易排出，工具電極和工件頻繁接觸會造成短路。盡管可以繼續(xù)加工，但持續(xù)的短路與拉弧現象會導致加工時間過長、脈沖利用率下降，使工件表面質量變差。針對該問題，國內外在電火花加工中[8-9]采用了施加振動輔助的方法。本文用壓電陶瓷促動器對電極施加振動，從而使電極與工件產生相對運動，促進電火花加工間隙內電蝕產物的排出。

本實驗采用自行研制的振動輔助立式電火花加工機床，結構示意見圖1。該機床包括電火花加工模塊、高精度線性平臺、工件裝夾模塊、工具電極裝夾模塊、高壓沖液模塊、加工槽、振動模塊和伺服控制模塊等。X、Y軸與加工槽剛性連接，壓電陶瓷促動器倒置安裝并在底部加碟簧預緊，以提高其使用壽命。采用的晶體管脈沖電源實現了最大峰值電壓200 V、最大峰值電流40 A、最高脈沖頻率100 kHz的加工電能輸出。

圖1 振動輔助立式電火花加工機床結構簡圖

壓電陶瓷促動器可進行振幅和頻率的設定，其中振幅可在驅動電壓范圍為0～150 V時調節(jié)，并隨著驅動電壓的增加而增大，最大可達5 μm；對應的設備可調的最大振動頻率可由式（1）計算得到：

式中：u為振動驅動電壓；f為振動頻率；c為靜電容量（0.8 μF）。 若最大振幅為 5 μm，則振動驅動電壓需達到150 V，最大頻率可達1944 Hz。

工件見圖2a，為尺寸29 mm×29 mm的鈦合金和鎳基高溫合金薄板，厚度均為0.5 mm；電極見圖2b，為尺寸29 mm×20 mm×10 mm的石墨電極。如圖3所示，將截面積為29 mm×0.5 mm的工件進行長度為2 mm的切斷實驗。

圖3 加工方式結構簡圖

1.2 實驗方案

本實驗采用晶體管脈沖電源，單個脈沖放電所釋放的能量取決于極間放電電壓Ue、放電電流Ie和放電持續(xù)時間ton，單個脈沖放電能量E為：

為提高材料去除率，需增大單個脈沖放電能量，但增大脈沖能量的參數可能與之存在相互制約的關系，需進一步探討利用何種參數才能達到最佳材料去除率。如表1所示，選取峰值電流、脈沖寬度、振幅、振動頻率四個因素，每個因素分別設置四個水平，且所選水平為前期大量試驗得到材料去除率相對較大的數值，設計L16（44）正交試驗。表2是本次正交試驗的加工參數。

表1 因素水平表

表2 試驗加工參數表

2 正交試驗結果和討論

2.1 試驗結果

采用分辨率為0.001 g的電子天平測量分析工件和電極在加工前、后的質量變化ΔMi，依照密度可得到工件和電極的體積變化ΔVi。根據式（3），可計算得到電極相對體積損耗率TWR：

式中：ΔMe為電極加工前、后的質量差；ΔMw為工件加工前、后的質量差；ρe為電極密度；ρw為工件密度。

根據式（3），利用加工時間t可得到材料去除率MRR：

L16（44）正交試驗表中一共有16組試驗，每組試驗進行5次，從而計算出材料去除率和電極相對損耗率的平均值。表3和表4分別是以鈦合金、鎳基高溫合金為工件進行加工時所得到的正交試驗設計方案與結果。

2.2 結果分析

采用方差分析法對正交試驗結果進行分析，可得到四個因素對MRR和TWR的影響程度。由表5可看出，對于鈦合金工件而言，脈沖寬度對試驗結果有顯著性影響，如圖4所示，隨著脈沖寬度增加，材料去除率也增大；而峰值電流、振幅和振動頻率并沒有起到顯著性影響。其中，峰值電流對材料去除率沒有顯著性影響的原因可能是所取水平間隔太小，而受實驗室設備限制，當峰值電流過大時，設備發(fā)熱情況較嚴重，而峰值電流過小，又使加工時間過長。從圖4所示振動頻率的微小趨勢可看出，隨著振動頻率增加，材料去除率先減小、后增大。由極差分析的影響效應并按照顯著性排序，試驗最終選擇B4D4A4C4即脈沖寬度4 μs、振動頻率1000 Hz、峰值電流30 A、振幅2.5 μs作為最優(yōu)參數。

表3 鈦合金正交試驗方案與結果

表4 鎳基高溫合金正交試驗方案與結果

表5 鈦合金材料去除率方差分析表

由表6和圖5可見，對于鎳基高溫合金工件而言，只有脈沖寬度對材料去除率有顯著性影響，與鈦合金工件的情況相同，隨著脈沖寬度的增加，材料去除率明顯增大；而其他三個因素中，峰值電流對材料去除率的影響大于振動頻率和振幅，這三個因素對材料去除率影響不顯著的原因可能是所選水平數間隔太小，振動傳遞效率低。按照此順序可得到最優(yōu)參數組合為B4A3D3C2，即脈沖寬度4 μs、峰值電流 25 A、振動頻率 900 Hz、振幅 1.5 μs。

圖4 鈦合金材料去除率的影響效應

峰值電流與脈沖寬度主要影響單脈沖放電能量，通過示波器可測得放電過程中的峰值電流和極間放電電壓，得出脈沖頻率為50 kHz，并由式（2）計算出正交試驗所用參數的單脈沖放電能量變化。如圖6所示，當脈沖寬度不變，單脈沖放電能量隨著峰值電流的增加而增大；當峰值電流不變，單脈沖放電能量隨著脈沖寬度的增加而增大。從理論上說，放電能量越大，單脈沖放電蝕除工件材料也越多，但并不是放電能量越大越好，蝕除量的增加會使電蝕產物增多，而過大的放電加工面積和較小的放電間隙會導致電蝕產物來不及擴散到外部，使電火花加工穩(wěn)定性變差，破壞了正常的電火花放電，從而降低了有效脈沖利用率[9]。

表6 鎳基高溫合金材料去除率方差分析表

圖5 鎳基高溫合金材料去除率的影響效應

圖6 單脈沖放電能量變化

當振動頻率不變時，隨著放電脈沖寬度增加，脈沖間隔減小，使消電離過程不充分，下一次放電通道形成的位置不能轉移到其他部位，總是在同一位置重復放電導致電弧放電和短路。因此，本文的控制策略是，當發(fā)生電弧放電與短路時，反向快速回退以消除二者的影響。圖7是在峰值電流20 A、脈沖寬度 2 μs、振幅 1 μm、振動頻率 700 Hz 條件下，石墨電極加工鈦合金材料短路與正常放電時的信號采集圖。當發(fā)生短路后回退較多，超過了放電間隙，存在無放電進給，繼而增加了加工時間，造成材料去除率降低。

圖8和圖9分別是加工鈦合金、鎳基高溫合金時的電極相對體積損耗率的影響效應。在加工鈦合金時，脈沖寬度對電極相對體積損耗率的作用顯著，且隨著脈沖寬度的增加，損耗率降低。這是因為脈沖寬度的增大使單脈沖放電能量增加，提高了脈沖利用率，非正常放電減少，電極損耗也隨之減??；但脈沖寬度太大即脈沖間隔太小，會導致放電點集中，易引起拉弧現象，反而降低了加工效率，導致電極損耗增加。在加工鎳基高溫合金時，隨著峰值電流增加，電極相對體積損耗率先增大、后減小，這可能是因為峰值電流增大，使單脈沖放電能量增加，雖然蝕除速度隨之增加，但電蝕產物增多，若不及時排出會造成短路和拉弧，影響正常放電，而電流過大易造成電蝕產物飛濺并堆積到已加工表面的邊緣處，這對之后的精加工不利。

圖7 短路與正常放電的電壓采集信號

圖8 鈦合金電極相對體積損耗率的影響效應

圖9 鎳基高溫合金電極相對體積損耗率的影響效應

3 試驗結果驗證

由2.2小節(jié)試驗結果分析可知，鈦合金加工時以B4D4A4C4作為最優(yōu)參數，為驗證其最優(yōu)特性，本文分別取最優(yōu)參數附近值作為參考。雖然正交試驗結果表明，當振動頻率為1000 Hz時，鈦合金材料去除率最高；但由圖10d可見，驗證試驗結果表明，當振動頻率為900 Hz時，材料去除率達到最大。導致該結果的原因可能是：極差分析法只對同一因素的不同水平取平均值，由于振動頻率非顯著因素，故會帶來誤差。按驗證試驗結果，鈦合金最優(yōu)參數組合為 B4D3A4C4，即脈沖寬度 4 μs、振動頻率 900 Hz、峰值電流30 A、振幅2.5 μm，此時得到的材料去除率為13.13 mm3/min。

圖10 鈦合金材料去除率正交試驗結果驗證

由正交試驗結果分析得知，鎳基高溫合金加工時以B4A3D3C2作為最優(yōu)參數，當振幅為1.5 μm時，材料去除率最高。由圖11c可見，驗證試驗結果得出振幅為1 μm時的材料去除率最高。由圖5也可看出，振幅為1 μm或1.5 μm時，其材料去除率十分接近；由于振幅并非顯著影響因素，故測量過程中存在的誤差可能會對分析結果產生偏差。針對不顯著因素可根據試驗選取最好水平，也可根據某些既定條件選取因素的各具體水平。由于本試驗需獲得最佳材料去除率，故根據驗證試驗結果采取振幅為1 μm作為最優(yōu)結果，而圖11a、圖11b和圖 11d所示驗證情況均符合正交試驗結果。據此，鎳基高溫合金加工的最優(yōu)參數組合為B4A3D3C1，即脈沖寬度4 μs、峰值電流 25 A、振動頻率 900 Hz、振幅 1 μm，此時得到的材料去除率為12.99 mm3/min。

針對振幅對材料去除率的影響不顯著的問題，本文還采用電探法對振幅進行驗證。圖12是不同振動頻率下振動驅動電壓對振幅的影響。可見，當振動驅動電壓增大，振幅確實增大，但當振動頻率分別為800 Hz和700 Hz時，隨著振動驅動電壓的增大，振幅反而減小。圖12還反映出，振幅隨著振動驅動電壓增加出現了不符合設備設定幅度的情況，如當振動頻率為1000 Hz時，振幅從1.3 μm增至 1.9 μm，增幅只有 0.6 μm；當振動頻率為 900 Hz時，振動增幅也只達到1.3 μm。

圖11 鎳基高溫合金正交試驗結果驗證

圖12 不同頻率下振動驅動電壓對振幅的影響

除了振動頻率為900 Hz的情況，其余三個頻率條件下的振幅也遠低于所設定的1～2.5 μm的水平；當振動頻率為900 Hz時，其振幅也遠大于其余三個頻率條件下的振幅；且在振動頻率為900 Hz時，兩種電極材料均達到最優(yōu)參數效果。因此，振幅對材料去除率的影響不顯著的原因可能有：一是設備所調節(jié)的實際振幅水平間隔太小，所得結果無顯著變化；二是振動振幅太小，對排屑不利，故整體材料去除率變化不大，其顯著性也降低。

4 結論

本文針對鈦合金和鎳基高溫合金薄片的電火花加工工藝參數進行了優(yōu)化試驗研究，設計了基于峰值電流、脈沖寬度、振幅、振動頻率的四因素四水平的正交試驗。正交試驗所得最優(yōu)參數均得到后續(xù)試驗驗證，結果表明：脈沖寬度作為顯著性因素符合正交試驗結果，峰值電流也符合正交試驗結果，并修正了振幅和振動頻率的正交試驗最優(yōu)結果。在峰值電壓150 V、脈沖頻率50 kHz和去離子水介質的加工條件下，通過極差分析法和方差分析法得到以下結論：

（1）鈦合金加工的最優(yōu)加工參數組合為：峰值電流 30 A，脈沖寬度 4 μs，振幅 2.5 μm，振動頻率900 Hz，并通過最優(yōu)參數驗證試驗得到材料去除率的最優(yōu)值為13.13 mm3/min。

（2）鎳基高溫合金加工的最優(yōu)加工參數組合為：峰值電流 25 A、脈沖寬度 4 μs、振幅 1 μm、振動頻率900 Hz，并通過最優(yōu)參數驗證試驗得到材料去除率的最優(yōu)值為12.99 mm3/min。

（3）工具電極相對體積損耗率隨著脈沖寬度的增加而明顯減小，所以粗加工時，在保證盡可能大的材料去除率的情況下，采用大脈沖寬度可有效減小電極損耗。

另外，針對振幅與振動頻率對材料去除率的影響不顯著的情況，后續(xù)研究可更換壓電陶瓷促動器，以達到更高的振幅、更寬的振幅調節(jié)范圍，并可改善其裝夾方式，以提高振動傳遞效率。