周宗杰 王立忠② 周建平 許 燕 劉 凱

(①新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；②西安交通大學(xué)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

鈦合金Ti-6Al-4V具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等良好的機(jī)械性能特點(diǎn)，被廣泛用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件和火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件[1]。然而在銑削加工中，由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，產(chǎn)生的熱不易傳出，導(dǎo)致在切削變形區(qū)和切削刃附近較小范圍內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，大幅度縮短刀具壽命，造成加工效率低、成本極高等問題[2]。因此，放電加工作為一種難加工導(dǎo)電材料零件的有效加工方法，在微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制等技術(shù)的推動下，其制造水平得到了迅速發(fā)展。

短電弧銑削加工是在一定比例和壓力氣液混合物介質(zhì)的作用下，利用電極間短電弧放電所產(chǎn)生的瞬時高溫來蝕除導(dǎo)電金屬的加工方法，采用低壓高電流源在水-空氣混合介質(zhì)或空氣中產(chǎn)生連續(xù)電弧快速去除導(dǎo)電金屬材料[3]。短電弧銑削加工前期已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但大部分采用脈沖電源，由于輸出功率的限制導(dǎo)致總體上加工效率偏低[4-6]，因此，本文采用黃銅作為電極材料研究工藝參數(shù)對直流短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

短電弧放電加工是一個多物理場耦合作用下的局部非平衡熱力學(xué)過程，其本質(zhì)是通過加在工具電極和工件電極上短距離范圍內(nèi)的電壓擊穿，形成短距離通道內(nèi)的電弧放電，電弧通道內(nèi)產(chǎn)生的高密度熱能使零件局部待加工區(qū)域熔化，熔體在高壓氣流吹除力、熱爆力等的共同作用下被蝕除。其加工原理圖如圖1所示，主要包括數(shù)控機(jī)床、電源、空氣壓縮機(jī)、水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)。

如圖2a所示,工作時，隨著電極間間隙減小，電極間的電場強(qiáng)度急劇增大，氣液混合介質(zhì)中含有一定數(shù)量的導(dǎo)電微粒(如金屬微細(xì)顆粒、液體中的導(dǎo)電離子等)，在電場作用下，導(dǎo)電微粒在電場強(qiáng)度下也將起到“橋接”作用，致使電極之間的電子、導(dǎo)電離子在電場作用下向兩極運(yùn)動，電子在高速向陽極運(yùn)動時撞擊水氣兩相混合介質(zhì)中分子或中性原子，產(chǎn)生碰撞電離，形成更多的帶負(fù)電的電子和帶正電正離子，導(dǎo)致帶電粒子雪崩式激增，可在幾微秒內(nèi)產(chǎn)生極高溫度。在高溫作用下電弧周圍形成氣化、融化和熱影響區(qū)。電弧通道內(nèi)產(chǎn)生的高密度熱能使零件局部待加工區(qū)域熔化，熔體在高壓氣流吹除力、熱爆力等的共同作用下被帶離放電工作區(qū)域。圖2b為短電弧現(xiàn)場加工圖片。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：短電弧數(shù)控銑床，大功率脈沖電源，金相顯微鏡，金相試樣磨床，拋光機(jī)。

(2)工件材料：Ti-6Al-4V；其機(jī)械性能列于表1。

表1 Ti-6Al-4V的機(jī)械特性參數(shù)

(3)工具電極：使用黃銅管狀電極，內(nèi)徑為6 mm，外徑為18 mm；電極和工件材料在室溫下的熱物理性質(zhì)列于表2。

表2 室溫下電極和工件材料的熱物理性質(zhì)

(4)測試設(shè)備：精度為0.1 mg的精密天平，DEWESoft Siriusi多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，顯微硬度測試儀(HXD-100tb)，掃描電鏡(MERLIN Compact)，超景深顯微鏡(VHX-6000)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為探究黃銅電極材料對短電弧加工鈦合金Ti-6Al-4V的影響規(guī)律，本文中以不同輸入電壓、介質(zhì)壓力和主軸轉(zhuǎn)速為變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)如表3所示。通過提取加工峰值電流(Ip)、單次電弧放電時間、材料去除率(MRR)和電極損耗率(TWR)等數(shù)據(jù)，并對加工工件的表面微觀形貌、截面形貌、化學(xué)成分及顯微硬度進(jìn)行研究。通過高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究直流短電弧的能量大小和電流變化機(jī)理。

表3 直流短電弧銑削Ti-6Al-4V實(shí)驗(yàn)方案

MRR、TWR、SEC的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中：Mwi和Mwj分別指加工前后工件的質(zhì)量,g;ρw指工件的密度,g/cm3;t為加工時間,min;Mei和Mej指加工前后工具的質(zhì)量,g;V指加工時電源輸出的電壓,V;I指通過間隙的電流,A;SEC為蝕除單位體積材料所消耗的能量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工藝參數(shù)影響規(guī)律

電壓變化對直流短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V的影響規(guī)律如圖3所示。由于電壓的升高，材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Sa)增加，而能耗(SEC)和電極損耗(TWR)降低，這主要是因?yàn)殡S著輸入電壓的升高，電極和工件之間電場強(qiáng)度增加使得放電通道更加容易建立并形成多點(diǎn)同時放電，導(dǎo)致單位時間內(nèi)電弧能量密度增加，同時極大程度的降低了由于低電壓時能量不夠而引起的瞬態(tài)機(jī)械磨損甚至短路、撞刀等現(xiàn)象，所以電極損耗(TWR)和能耗(SEC)也隨之降低，其最小值分別為113.2 kJ/cm3和42.77 μm。放電間隙的電弧能量升高可以很大程度地提高加工速度，這也是MRR增加的重要原因；而電弧的能量密度增加使得單次放電的凹坑尺寸增加，所以Sa也會增加。

圖4為工作介質(zhì)壓力變化對于短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V的加工影響規(guī)律。從圖中可以看出，材料去除率(MRR)在壓力為0.3 MPa時達(dá)到最大值2 906 mm3/min，這是由于介質(zhì)壓力太小時，不能夠及時沖走放電間隙的蝕除物而影響加工效率；介質(zhì)壓力過大時由于“流體斷弧”現(xiàn)象促進(jìn)電弧的熄滅，不利于電弧的穩(wěn)定放電[7]。“流體斷弧”現(xiàn)象導(dǎo)致單次放電峰值電流較小，電弧能量密度降低，單次蝕除材料體積減小，加工速度變慢，這也同時使得能耗(SEC)隨介質(zhì)壓力的增加而升高，電極損耗(TWR)和表面粗糙度(Sa)降低。

主軸轉(zhuǎn)速對短電弧銑削鈦合金的加工影響規(guī)律如圖5所示。電極隨主軸轉(zhuǎn)速升高而增加，引起單位時間內(nèi)電極相對工件的位移增加而促進(jìn)電弧的“拉斷”，導(dǎo)致電弧單次放電能量較小[8]。因此在相同加工速度下，主軸轉(zhuǎn)速會不同程度增加電極和工件材料表面的瞬態(tài)接觸和機(jī)械磨損的概率，這也導(dǎo)致材料去除率(MRR)、能耗(SEC)和表面粗糙度(Sa)隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低，而電極損耗(TWR)呈上升趨勢，最大值達(dá)到79.7%。

2.2 放電波形和電弧形態(tài)

圖6為短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V過程中的輸出電壓、電流波形，從圖中可以看出峰值電流達(dá)到了1 101 A，同時電源電壓也在放電點(diǎn)呈現(xiàn)出一定的壓降，符合放電加工的間隙伏安特性。從放大圖中可知其放電持續(xù)時間為41.78 ms，而電流的變化是由于放電點(diǎn)的數(shù)量變化而引起的。整體放電密度較低，峰值電流之間的間隙時間遠(yuǎn)大于電弧的消電離時間，這表明加工速度還可適度提高。

圖7為短電弧銑削Ti-6Al-4V過程中通過高速攝像儀捕獲的電弧形態(tài)圖片，從圖中可以看出電弧隨著電極的旋轉(zhuǎn)同步運(yùn)動，放電間隙的蝕除物隨電極旋轉(zhuǎn)和工作介質(zhì)的沖刷下被拋出加工區(qū)域，同時對工件表面進(jìn)行冷卻。這也充分說明維持電弧的穩(wěn)定燃燒需要多個工藝參數(shù)間的相互匹配，只有找到各參數(shù)間對應(yīng)的相互影響規(guī)律才能提高加工效率。

2.3 尺寸精度

圖8為提取短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V (30 V、0.3 MPa、1 500 r/min)工件的不同位置截面輪廓。從圖中的電極形貌可以看出加工后的電極損耗主要為端面和邊角損耗，所以在加工的過程中加工輪廓會會隨著電極損耗的變化發(fā)生尺寸變形如圖工件照片所示。通過將工件的不同位置截面輪廓數(shù)據(jù)提取并生成三維圖，在相同高度下測量不同位置的寬度分別為17 681.4 μm和15 706 μm，尺寸差為1 974.7 μm，而這將在后一步的精加工處理中進(jìn)行加工。

2.4 微觀形貌及硬度

圖9為通過超景深顯微鏡拍攝的短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V (30 V、0.3 MPa、1 500 r/min)工件的表面三維形貌。從圖中工件照片可以看出表面有加工過程中明顯的電弧移動帶來的蝕除物堆積的痕跡，表面粗糙度Sa和最高峰值高度分別為42.77 μm和493.7 μm。偏斜度Ssk為0.84 μm，說明表面高度分布相對于平均面偏上，這是由于黃銅的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都低于鈦合金，加工過程中未及時排出的融化電極材料由于工作也冷卻再次凝固在表面而成。

圖10和圖11分別為Ti-6Al-4V工件表面的微觀形貌和再鑄層能譜，從圖10中可知在工件表面存在不同程度的微裂紋、球形熔滴和再鑄層。其中微裂紋是由于未能及時排出的蝕除物在工作介質(zhì)的快速冷卻下覆蓋在工件表面，因溫度的急劇變化而產(chǎn)生的集中應(yīng)力超過材料的屈服極限應(yīng)力時所形成。球形熔滴是由于熔池中的液滴受到自身表面張力和重力的作用下落在再鑄層上。再鑄層是由于兩極之間熔化后的金屬材料未能及時排出而再次凝固在工件表面產(chǎn)生。

通過對再鑄層進(jìn)行能譜分析如圖11所示，可以看出在熔滴中和再鑄層的主要元素成分為C、Cu、O、Ti等金屬元素，這主要是因?yàn)樵诟邷叵?，C、O和Cu、Ti容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成銅的氧化物以及鈦的氧化物和碳化物附著在工件表面，導(dǎo)致電極材料和工作介質(zhì)中的主要元素發(fā)生遷移和滲透至再鑄層或熱影響層，而這種元素的遷移量或者滲透的深度是由電極自身的損耗量和極間的化學(xué)反應(yīng)成度決定的。

圖12和圖13分別為Ti-6Al-4V工件的截面微觀形貌和硬度測試圖。從圖12中可以看出工件的熱影響區(qū)范圍是24.3～41.4 μm，這是因?yàn)殁伜辖鸬臒醾鲗?dǎo)率較差，短電弧加工過程中高溫的累積使得工件表面及以下部分基體材料發(fā)生微觀組織變化而產(chǎn)生，使得材料的表面性能發(fā)生變化，需要在后續(xù)加工中進(jìn)行再處理。

為了研究短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V后工件截面微觀硬度的變化，對工件截面進(jìn)行硬度測試如圖13所示，由圖可知再鑄層的硬度相對較高，最大值達(dá)到了696 HV，這主要是由于再鑄層表面含有大量硬度高且脆的鈦的氧化物和碳化物導(dǎo)致；隨著距離表面高度增加，硬度逐漸降低并穩(wěn)定在基體硬度。

3 結(jié)語

本文主要基于黃銅電極材料研究工藝參數(shù)對短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V的影響規(guī)律，并對其放電波形和材料蝕除機(jī)理進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在電壓30 V、工作介質(zhì)壓力0.3 MPa、主軸轉(zhuǎn)速600 r/min時，直流短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V材料去除率 (MRR)可達(dá)到2 906 mm3/min，但電極損耗較大。

(2)直流短電弧銑削過程中電弧隨電極旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動，放電過程需要各工藝參數(shù)的相互匹配才能維持電弧的穩(wěn)定。

(3)由于黃銅電極損耗的影響，工件不同位置的截面加工尺寸差值為1 974.7 μm。

(4)工件熱影響區(qū)范圍是24.3～41.4 μm，再鑄層硬度最高為696 HV。