吳伏家，王 帥，劉軍強，周 浩

（西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021）

GH4169 高溫合金強度高、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械行業(yè)的一個瓶頸問題。目前針對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[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]將高壓激勵電弧應(yīng)用于銑削加工。王強[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，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的方法，采用極值法和灰色關(guān)聯(lián)度法進行數(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)計與分析

設(shè)計了一種深孔加工專用的電極，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高和刀具磨損嚴(yán)重等問題[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，通過內(nèi)孔可以更加順暢地排出；在工具電極加工過程中，導(dǎo)向條起到自動導(dǎo)向的作用，防止工具電極在加工過程中出現(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 試驗設(shè)備及方案

本次試驗采用的是普通深孔加工機床，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 單工藝試驗參數(shù)取值

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

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

2.2 正交試驗的建立

為探究各參數(shù)對材料去除率和孔表面粗糙度影響規(guī)律的主次順序，進行了3因素4水平的正交試驗，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 試驗結(jié)果分析

3.1 各參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律

運用控制單因素試驗的方法，可以得到不同參數(shù)值對試驗結(jié)果的影響規(guī)律，本次試驗主要從峰值電流、主軸轉(zhuǎn)速和電極進給速度的不同取值來分析對材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律[12–15]，各參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯觯S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)較為緩慢的增長趨勢；當(dāng)電極進給速度在0.3～0.9mm/min時材料去除率線性增長，電極進給速度在0.9～1.2mm/min時，材料去除率開始降低，這是因為當(dāng)電極進給速度過快，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)對表面粗糙度的影響規(guī)律

各參數(shù)對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，隨著峰值電流的增加，表面粗糙度變大，這是因為峰值電流的大小決定放電的脈沖能量，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，工件的表面粗糙度越來越小，這是因為隨著主軸轉(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)電極進給速度在0.3～0.6mm/min變化時，表面粗糙度變大，這是由于放電間隙過大，導(dǎo)致放電狀態(tài)不穩(wěn)定，工件粗糙度變大；當(dāng)電極進給速度在0.6～0.9mm/min變化時，電極進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；電極進給速度在0.9～1.2mm/min變化時，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。

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

3.3 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗采用3因素4水平2指標(biāo)正交試驗，共有16組試驗，對每組試驗的結(jié)果進行測量，其測量結(jié)果如表3所示。

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

運用極差法可以分析不同參數(shù)對試驗工藝效果影響大小的主次順序，影響因素所對應(yīng)的極差值越大，說明該因素對工藝效果的影響程度就越大，其計算結(jié)果如表4和5所示。

根據(jù)表4和表5的結(jié)果進行分析，3個加工參數(shù)對材料去除率的影響順序為峰值電流>主軸轉(zhuǎn)速>電極進給速度，對表面粗糙度的影響順序為峰值電流>電極進給速度>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值由試驗的組數(shù)決定，一共16組試驗，因此k取值為1～16；i表示工藝指標(biāo)，本次試驗有兩個工藝指標(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個指標(biāo)下的第k次試驗；yi（k）表示對應(yīng)的xi（k）量綱歸一化后的值。

（2）計算關(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個指標(biāo)下第k次試驗所對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；yi0為理想序列，這里對于材料去除率yi0取1，對于表面粗糙度，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，通常ρ取0.5。

（3）計算灰色關(guān)聯(lián)度值λ（k）。

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

通過以上計算，可求得基于每組正交試驗的關(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。

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

3.5 加工試驗

在之前試驗的基礎(chǔ)上，重新設(shè)定試驗參數(shù)，分別取峰值電流25A、主軸轉(zhuǎn)速75rad/min、電極進給速度0.45mm/min進行加工試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。測得材料去除率為158.65mm3/min，表面粗糙度為1.9μm，計算出灰色關(guān)聯(lián)度為0.8732，都大于正交試驗表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 試驗結(jié)果Fig.5 Experimental results

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

4 結(jié)論

本研究通過單目標(biāo)試驗法、極值分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法對試驗的加工工藝進行研究，得出以下3個結(jié)論。

（1）通過單目標(biāo)試驗法研究每個試驗參數(shù)對試驗加工指標(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；電極進給加快，工件的加工效率增大，但進給速度過快會造成短路、加工效率降低和工件表面粗糙度增大。

（2）建立正交試驗，通過極值法分析可以得出各參數(shù)對材料去除率的影響順序為峰值電流>主軸轉(zhuǎn)速>電極進給速度，對表面粗糙度影響的順序為峰值電流>電極進給速度>主軸轉(zhuǎn)速。

（3）通過灰色關(guān)聯(lián)度法的分析，計算最佳的試驗參數(shù)組合為峰值電流25A、主軸轉(zhuǎn)速75rad/min、電極進給速度0.45mm/min，通過試驗驗證，測得材料去除率為158.65mm3/min，表面粗糙度為1.9μm，計算出的灰色關(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