吳伏家，王 帥，劉軍強(qiáng)，周 浩

（西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021）

GH4169 高溫合金強(qiáng)度高、硬度大，是典型的一種難加工材料，其材料本身的深孔加工一直都是機(jī)械行業(yè)的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。目前針對(duì)GH4169高溫合金深孔加工主要采用的是傳統(tǒng)鉆削加工，該方式存在刀具磨損嚴(yán)重、切削熱大和切削效率低等缺點(diǎn)[1]，混合等離子體加工屬于放電加工方式的一種，可以加工一切金屬材料和非金屬導(dǎo)電材料。朱光[2]將高壓激勵(lì)電弧應(yīng)用于銑削加工。王強(qiáng)[3]將電弧加工用于深孔加工中，為難加工材料提供了一種新思路、新方法。李淑玉等[4]在研究電火花加工鎳基高溫合金GH4169時(shí)，提出峰值電流、脈寬、脈間、間隙電壓等參數(shù)是重要控制因素。劉嬌[5]和袁方[6]分別把等離子體加工技術(shù)應(yīng)用于深孔臺(tái)階和深孔套料加工中。目前把混合等離子體加工方法用于GH4169高溫合金深孔加工中的研究較少，為了提高GH4169高溫合金深孔加工的效率和表面質(zhì)量，本研究采用控制單因素和正交試驗(yàn)的方法，采用極值法和灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出不同參數(shù)的影響序列和最佳參數(shù)值[7–9]。

1 工具電極的設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)了一種深孔加工專(zhuān)用的電極，主要用于各種難加工導(dǎo)電材料的深孔加工，解決傳統(tǒng)深孔加工中切削熱過(guò)高和刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[10–11]。結(jié)構(gòu)特征主要包括電極前半段、電極后半段、外部絕緣層、導(dǎo)向條、切削液通道、容屑槽、排屑內(nèi)孔、連接螺紋等。電極整體外側(cè)均勻分布4條切削液通道，用于從電極外部給電極內(nèi)部供給切削液。電極前段的容屑槽用于容納加工碎屑，通過(guò)內(nèi)孔可以更加順暢地排出；在工具電極加工過(guò)程中，導(dǎo)向條起到自動(dòng)導(dǎo)向的作用，防止工具電極在加工過(guò)程中出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象；螺紋段用于電極和刀桿的連接；在電極外側(cè)涂有一層致密絕緣層，防止工具電極在加工過(guò)程中出現(xiàn)漏電的現(xiàn)象，造成能量損失和破壞孔表面質(zhì)量。采用等離子體加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)難加工材料的深孔加工，將傳統(tǒng)深孔加工方法與特種加工方法相結(jié)合，以獲得具有一定尺寸的圓形深孔零件，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電極整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of electrode

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

本次試驗(yàn)采用的是普通深孔加工機(jī)床，DXK–30V/3000A–S直流脈沖電源（脈沖頻率為50Hz），被加工工件材料為GH4169高溫合金，其尺寸為φ48mm×520mm；工具電極為銅鎢合金電極，直徑為φ20mm；工作液為乳化液，設(shè)置目標(biāo)加工深度為100mm，孔徑為φ20mm。設(shè)定的加工參數(shù)有峰值電流、主軸轉(zhuǎn)速和電極進(jìn)給速度，工藝效果衡量標(biāo)準(zhǔn)為工件材料去除率和孔的表面粗糙度。單位時(shí)間內(nèi)材料的去除體積為材料去除率，其混合等離子體深孔加工整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 混合等離子體深孔加工結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of mixed plasma deep hole machining structure

2.1 單工藝試驗(yàn)參數(shù)取值

在研究峰值電流對(duì)工藝效果的影響時(shí)，取主軸轉(zhuǎn)速為50rad/min，電極進(jìn)給速度為0.83mm/min；當(dāng)研究主軸轉(zhuǎn)速對(duì)工藝效果的影響時(shí)，取峰值電流為20A，電極進(jìn)給速度為0.83mm/min；當(dāng)研究電極進(jìn)給速度對(duì)工藝效果的影響時(shí)，取峰值電流為20A，主軸轉(zhuǎn)速為50rad/min，單工藝試驗(yàn)參數(shù)的取值如表1所示。

表1 單工藝試驗(yàn)參數(shù)取值Table 1 Parameter values of single process test

2.2 正交試驗(yàn)的建立

為探究各參數(shù)對(duì)材料去除率和孔表面粗糙度影響規(guī)律的主次順序，進(jìn)行了3因素4水平的正交試驗(yàn)，各水平的參數(shù)值如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 各參數(shù)對(duì)材料去除率的影響規(guī)律

運(yùn)用控制單因素試驗(yàn)的方法，可以得到不同參數(shù)值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律，本次試驗(yàn)主要從峰值電流、主軸轉(zhuǎn)速和電極進(jìn)給速度的不同取值來(lái)分析對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律[12–15]，各參數(shù)對(duì)材料去除率的影響規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯?，隨著峰值電流和主軸轉(zhuǎn)速的提高，工件的材料去除率也慢慢變大，在峰值電流為15～20A，主軸轉(zhuǎn)速在100～150rad/min，材料去除率呈現(xiàn)較為緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)電極進(jìn)給速度在0.3～0.9mm/min時(shí)材料去除率線(xiàn)性增長(zhǎng)，電極進(jìn)給速度在0.9～1.2mm/min時(shí)，材料去除率開(kāi)始降低，這是因?yàn)楫?dāng)電極進(jìn)給速度過(guò)快，電極與工件接觸發(fā)生短路導(dǎo)致材料去除率降低。

圖3 各參數(shù)對(duì)材料去除率影響規(guī)律Fig.3 Influence of each parameter on material removal rate

3.2 各參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律

各參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律如圖4所示。可以看出，當(dāng)峰值電流取值為10～30A時(shí)，隨著峰值電流的增加，表面粗糙度變大，這是因?yàn)榉逯惦娏鞯拇笮Q定放電的脈沖能量，脈沖能量越大，表面粗糙度就越高[16–17]。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在50～250rad/min變化時(shí)，工件的表面粗糙度越來(lái)越小，這是因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速的提高，電極和工件放電的次數(shù)增多，且均勻性更好，因此表面質(zhì)量提高。當(dāng)電極進(jìn)給速度在0.3～0.6mm/min變化時(shí)，表面粗糙度變大，這是由于放電間隙過(guò)大，導(dǎo)致放電狀態(tài)不穩(wěn)定，工件粗糙度變大；當(dāng)電極進(jìn)給速度在0.6～0.9mm/min變化時(shí)，電極進(jìn)給速度和工件蝕除基本保持一致，放電間隙穩(wěn)定，工件表面粗糙度降低；電極進(jìn)給速度在0.9～1.2mm/min變化時(shí)，由于電極的損耗，放電狀態(tài)和均勻性都降低[18]，因此表面粗糙度又呈現(xiàn)出增高的趨勢(shì)。

圖4 各參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of each parameter on surface roughness

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)采用3因素4水平2指標(biāo)正交試驗(yàn)，共有16組試驗(yàn)，對(duì)每組試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)及結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment and results

運(yùn)用極差法可以分析不同參數(shù)對(duì)試驗(yàn)工藝效果影響大小的主次順序，影響因素所對(duì)應(yīng)的極差值越大，說(shuō)明該因素對(duì)工藝效果的影響程度就越大，其計(jì)算結(jié)果如表4和5所示。

根據(jù)表4和表5的結(jié)果進(jìn)行分析，3個(gè)加工參數(shù)對(duì)材料去除率的影響順序?yàn)榉逯惦娏?主軸轉(zhuǎn)速>電極進(jìn)給速度，對(duì)表面粗糙度的影響順序?yàn)榉逯惦娏?電極進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速。

表4 材料去除率的極差分析Table 4 Range analysis of material removal rate

表5 表面粗糙度的極差分析Table 5 Range analysis of surface roughness

3.4 基于正交試驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化

（1）工藝指標(biāo)的量綱歸一化。

式中，k值由試驗(yàn)的組數(shù)決定，一共16組試驗(yàn)，因此k取值為1～16；i表示工藝指標(biāo)，本次試驗(yàn)有兩個(gè)工藝指標(biāo)，i取1和2，其中1表示材料去除效率，2表示加工后孔的表面粗糙度；xi（k）表示第i個(gè)指標(biāo)下的第k次試驗(yàn)；yi（k）表示對(duì)應(yīng)的xi（k）量綱歸一化后的值。

（2）計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù)ri（k），灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)表示歸一化處理后的數(shù)據(jù)列和理想序列的關(guān)系。

式中，ri（k）為第i個(gè)指標(biāo)下第k次試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；yi0為理想序列，這里對(duì)于材料去除率yi0取1，對(duì)于表面粗糙度，yi0取0；ρ為分辨系數(shù)，在 （0，1）內(nèi)取值，若ρ越小，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)差異越大，區(qū)分能力越強(qiáng)，通常ρ取0.5。

（3）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度值λ（k）。

式中，λ（k）為第k次試驗(yàn)的灰色關(guān)聯(lián)度值，在這里m=2。

通過(guò)以上計(jì)算，可求得基于每組正交試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)度值和參數(shù)在各水平下的平均關(guān)聯(lián)度值，如表6和7所示。

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度的方法對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，可以得出理論最優(yōu)的一組試驗(yàn)參數(shù)值，分別為峰值電流在水平2時(shí)灰色關(guān)聯(lián)度值最大，故取值25A；主軸轉(zhuǎn)速在水平1時(shí)灰色關(guān)聯(lián)度值最大，取值75rad/min；電極進(jìn)給速度在水平1時(shí)灰色關(guān)聯(lián)度值最大，取值0.45mm/min。

3.5 加工試驗(yàn)

在之前試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，分別取峰值電流25A、主軸轉(zhuǎn)速75rad/min、電極進(jìn)給速度0.45mm/min進(jìn)行加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。測(cè)得材料去除率為158.65mm3/min，表面粗糙度為1.9μm，計(jì)算出灰色關(guān)聯(lián)度為0.8732，都大于正交試驗(yàn)表6中的灰色關(guān)聯(lián)度值，因此，此參數(shù)組合為最佳的一組。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results

表6 每組正交試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)度值Table 6 Correlation degree value of each group of orthogonal experiments

4 結(jié)論

本研究通過(guò)單目標(biāo)試驗(yàn)法、極值分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)試驗(yàn)的加工工藝進(jìn)行研究，得出以下3個(gè)結(jié)論。

（1）通過(guò)單目標(biāo)試驗(yàn)法研究每個(gè)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)加工指標(biāo)的影響規(guī)律，隨著峰值電流的增大，工件材料的去除率也會(huì)變大，工件的表面粗糙度升高；主軸轉(zhuǎn)速升高，材料去除率增加，表面粗糙度降低；電極進(jìn)給加快，工件的加工效率增大，但進(jìn)給速度過(guò)快會(huì)造成短路、加工效率降低和工件表面粗糙度增大。

（2）建立正交試驗(yàn)，通過(guò)極值法分析可以得出各參數(shù)對(duì)材料去除率的影響順序?yàn)榉逯惦娏?主軸轉(zhuǎn)速>電極進(jìn)給速度，對(duì)表面粗糙度影響的順序?yàn)榉逯惦娏?電極進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速。

（3）通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法的分析，計(jì)算最佳的試驗(yàn)參數(shù)組合為峰值電流25A、主軸轉(zhuǎn)速75rad/min、電極進(jìn)給速度0.45mm/min，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)得材料去除率為158.65mm3/min，表面粗糙度為1.9μm，計(jì)算出的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.8732，證明了灰色關(guān)聯(lián)度分析的正確性。

表7 各參數(shù)在各水平下的平均關(guān)聯(lián)度值Table 7 Average correlation degree value of each parameter at each level