趙 智，翟付綱，龍 金，宋 濤，閆步云，余祖元

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024 ）

鈦合金具有高的耐熱性、耐腐蝕性和比強(qiáng)度，在高溫下的強(qiáng)度保持性好，因此被大量應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域[1]。據(jù)統(tǒng)計，在商用航空發(fā)動機(jī)和軍用航空發(fā)動機(jī)中的鈦合金含量分別約占其重量的30%和40%[2]。鈦合金在強(qiáng)度方面的優(yōu)異性能使其很難用傳統(tǒng)加工方式加工。電火花加工瞬時放電產(chǎn)生高溫，使材料熔化、汽化，其加工性能不受材料強(qiáng)度影響，幾乎可加工所有的導(dǎo)電材料，在鈦合金加工中得到廣泛應(yīng)用[3]。加工極性（正極性：工件接正極）是電火花加工的一個重要參數(shù)，對材料去除率、電極損耗率以及表面加工質(zhì)量均會產(chǎn)生影響[4]。一些學(xué)者認(rèn)為電火花加工中存在加工極性問題的原因是轟擊理論[1，5-6]，即在極間電壓擊穿級間介質(zhì)形成放電通道時，放電通道中的正離子轟擊負(fù)極、電子轟擊正極，以蝕除材料。但是正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，在短脈寬時（小于30 μs），正離子不易獲得較高的速度，對負(fù)極材料的蝕除能力較弱。因此在不同的放電脈寬下，正、負(fù)極性加工效果出現(xiàn)了差異。但是這種理論目前仍未得到可靠證明。

Xia 等[7]通過測量單次電加工時的電極與工件溫度變化以及材料去除量來探究放電能量在兩極的分配情況，發(fā)現(xiàn)正極得到的能量大于負(fù)極。Mohd等[8]同樣通過上述方法對微細(xì)電火花加工中的能量分配情況進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)微細(xì)電火花加工時正極得到的能量仍然大于負(fù)極。Zhao[9]通過測量不同極性單次脈沖放電在工件上產(chǎn)生的放電凹坑大小，得出正極蝕除量大于負(fù)極的結(jié)論。雖然上述研究論證了電火花放電加工中正極總是獲得比負(fù)極多的能量，然而在實(shí)際加工中確實(shí)存在大脈寬時負(fù)極性加工的材料去除率優(yōu)于正極性加工的情況。能量分配理論不足以說明電火花加工中的極性效應(yīng)問題。

Xia 等[8]和Zhao[9]還對加工中與加工后的工件加工表面進(jìn)行了研究，認(rèn)為以煤油為介質(zhì)進(jìn)行正極性加工時，在大脈沖下工件表面產(chǎn)生碳覆層，導(dǎo)致正極性加工的材料去除率降低。Holsten 等[10]對TC4 的極性效應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為鈦合金加工應(yīng)使用正極性加工，因?yàn)楣ぜ谪?fù)極性加工時產(chǎn)生的TiC 覆層保護(hù)了工件，導(dǎo)致負(fù)極性加工的效率極低。鄭鑄等[11]和陳文安等[12]認(rèn)為在水中加工TC4 應(yīng)使用負(fù)極性加工，因?yàn)樵谡龢O性加工時鈦合金表面會產(chǎn)生藍(lán)紫膜并影響加工效率。

在電火花修整葉片邊緣參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究中，選擇振動輔助與去離子水沖液的加工方式，以獲得高的材料去除率與較低的工具電極損耗，但在選擇加工極性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈寬為3、4、5 μs 時，正極性加工的材料去除率大于負(fù)極性加工的，電極損耗率也比負(fù)極性加工的低。值得注意的是，與陳文安等[12]的研究相似，電極表面在負(fù)極性加工過程中出現(xiàn)明顯的黑色覆層，但與其相反，本團(tuán)隊(duì)研究環(huán)境條件下的負(fù)極性加工的工具電極損耗率達(dá)50%以上，正極性加工的則更?。?0%）。

為確定去離子水沖液和振動輔助加工時正、負(fù)極性加工的各自適用脈寬范圍，同時研究不同加工極性在材料去除率與工具電極損耗方面產(chǎn)生的差異原因，本文設(shè)計了TC4 薄片切斷實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用團(tuán)隊(duì)自主研制的三軸立式振動輔助電火花加工機(jī)床。該機(jī)床由高精度伺服控制平臺、晶體管脈沖電源、放電狀態(tài)檢測模塊、去離子水發(fā)生裝置、振動裝置和大理石床身組成（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

切斷實(shí)驗(yàn)采用了不間斷沖液和對工具電極施加振動的加工方法，增大電極與工件之間的相對運(yùn)動，促使電蝕產(chǎn)物排出。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)將振動頻率設(shè)定為900 Hz[13-14]、振動幅值為2.5 μm，具體加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

工件是尺寸為29 mm×29 mm×0.5 mm 的鈦合金（TC4）薄片，電極是尺寸為29 mm×29 mm×10 mm的黃銅（H59）。切斷加工時，黃銅電極沿著Z 軸進(jìn)給，加工面積為2 mm×29 mm。圖2 是切斷示意圖。

圖2 切斷示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

采用單因素分析法設(shè)計實(shí)驗(yàn)，保持表1 所示的加工參數(shù)不變，以10 μs 為間隔逐步增大脈寬，在相同脈寬條件下分別進(jìn)行正、負(fù)極性加工實(shí)驗(yàn)并記錄加工時間。使用測量精度為0.001 g 的電子天平分別對加工前、后的工件和電極進(jìn)行稱重并記錄（測量前對電極與工件進(jìn)行超聲波清洗并烘干）。每個條件下進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)式（1）和式（2）得到正、負(fù)極性加工的工具電極損耗率和材料去除率：

式中：ΔMe為電極加工前后的質(zhì)量差；ΔMW為工件加工前后的質(zhì)量差；ρe為電極密度；ρW為工件密度；t為加工時間。

加工時，使用濾膜收集工件和電極的蝕除顆粒；再將濾膜置于裝有丙酮溶液的小燒杯中進(jìn)行超聲波清洗，使顆粒與濾膜分離并去除雜質(zhì)；待燒杯中的丙酮溶液揮發(fā)后，得到顆粒；此時所得顆粒粘結(jié)成團(tuán)不利于測量，使用超聲波振動器將其分離。

采用掃描電鏡（SEM）測量不同脈寬條件下正、負(fù)極性加工產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物的尺寸；分別對正、負(fù)極性加工后的電極表面、工件表面和蝕除產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析（EDS）；使用非接觸式激光測量儀測量正、負(fù)極性加工后的電極表面粗糙度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 是正、負(fù)極性加工材料去除率隨著脈寬變化的曲線。當(dāng)脈寬由20 μs 增大到60 μs 時，正極性加工的材料去除率緩慢增大，并在脈寬60 μs 時達(dá)到3.6 mm3/min，約為負(fù)極性加工時的3 倍；當(dāng)脈寬超過60 μs 后，正極性加工的材料去除率迅速下降，在脈寬100 μs 時低于負(fù)極性加工的材料去除率；當(dāng)脈寬為110 μs 時，正極性加工出現(xiàn)頻繁短路，已無法完成切斷實(shí)驗(yàn)。相較較而言，負(fù)極性加工的材料去除率受脈寬的影響不大，材料去除率保持在1.1～1.5 mm3/min 之間。

圖3 正、負(fù)極性加工材料去除率對比

正、負(fù)極性加工的工具電極損耗情況見圖4。隨著脈寬的增大，負(fù)極性加工的工具電極損耗整體呈增大的趨勢并維持在51.8%以上，約是正極性加工的2 倍。由圖4 明顯看出，負(fù)極性加工的電極損耗率波動很大；正極性加工的電極損耗率受脈寬的影響不大，保持在19.42%～22.75%之間。

圖4 正、負(fù)極性加工電極損耗率對比

下文將從極間能量分配、放電加工后電極與工件加工表面成分的變化情況兩個方面對以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.2 極間能量分配

在電火花加工中，總放電能量主要分為三部分，一部分能量用來擊穿介質(zhì)形成放電通道，消耗在級間介質(zhì)中；另一部分能量分配給工具電極；還有一部分能量分配給工件，而工件所得部分能量在熱傳導(dǎo)（從工件加工部分傳導(dǎo)到非加工部分）、蝕除材料和熱對流以及熱輻射中消耗[7]。準(zhǔn)確測量每一部分能量并不現(xiàn)實(shí)，因而本實(shí)驗(yàn)只關(guān)注用于蝕除材料的部分能量。電火花加工利用火花放電時產(chǎn)生的熱量熔化、汽化并拋出材料。放電凹坑的體積大小是熔化拋出與汽化蝕除的材料體積的總和，故通常通過測量工件表面放電凹坑的尺寸來量化蝕除能量大小。然而在實(shí)際加工中，放電通道的形成位置不確定，放電凹坑又互相重疊，不易得到準(zhǔn)確的放電凹坑尺寸。本實(shí)驗(yàn)得到的TC4 蝕除物呈圓球狀，易測得其尺寸，并且蝕除產(chǎn)物尺寸隨著放電能量的增大而增大（后文有詳細(xì)說明），因此可用蝕除產(chǎn)物的尺寸來側(cè)面反映蝕除能量大小。

2.2.1 正、負(fù)極性加工的放電能量

圖5、圖6 分別是脈寬為60、100 μs 時的正、負(fù)極性加工放電波形圖。當(dāng)脈寬為60 μs 時，正、負(fù)極性加工的維持電壓約為22 V、放電電流約為1.5 A、單次脈沖放電時間約為50 μs；當(dāng)脈寬為100 μs時，正、負(fù)極性加工的維持電壓與放電電流大小與脈寬60 μs 時相同，但放電時間增大至60 μs。

圖5 脈寬60 μs 時正（左）、負(fù)（右）極性加工放電波形

圖6 脈寬100 μs 時正（左）、負(fù)（右）極性加工放電波形

將火花放電時的維持電壓與放電電流近似為矩形波，根據(jù)式（3）計算正、負(fù)極性加工時的單次放電能量。計算結(jié)果如圖7 所示，在相同脈寬下，正、負(fù)極性加工的放電能量相差不大，由此可認(rèn)為，相同脈寬下的正極性加工放電能量與負(fù)極性加工的相同；隨著脈寬的增大，放電能量也在增大。

圖7 不同脈寬時的正、負(fù)極性加工放電能量

式中：W 為單次放電能量；U 為維持電壓；I 為放電電流；Ton為維持時間。

2.2.2 正、負(fù)極性加工的放電能量

正、負(fù)極性加工的放電能量相同，通過比較正極性加工時工件蝕除顆粒（工件為正極）和負(fù)極性加工時工件蝕除顆粒尺寸（工件為負(fù)極），可得放電能量在兩極的分配情況。圖8 是脈寬為40、100 μs時正、負(fù)極性加工蝕除顆粒的尺寸對比。

圖8 不同脈寬下正、負(fù)極性加工蝕除顆粒尺寸對比

分別對脈寬40、60、100 μs 時的顆粒尺寸進(jìn)行測量，要求在樣品的3 個不同位置拍攝照片、每張圖片中至少有18 個有效顆粒。測量后取平均值以保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。經(jīng)能譜分析，圖8 中標(biāo)注的亮白色物質(zhì)含有較多的銅、鋅元素，可判斷是黃銅電極的蝕除物，故不將其計入測量。正、負(fù)極性加工的工件蝕除物尺寸曲線見圖9。

圖9 工件蝕除物尺寸

根據(jù)圖9，比較顆粒物尺寸發(fā)現(xiàn)，無論脈寬如何變化，正極性加工時蝕除物的尺寸總是大于負(fù)極性加工的，故在去離子水中使用黃銅電極加工TC4 材料時，正極性加工的蝕除能量總是比負(fù)極性的大；正極性加工時的正極（TC4）獲得了較多的蝕除能量，負(fù)極性時獲得了較少的蝕除能量（黃銅電極），故認(rèn)為正極性加工的材料去除率高、電極損耗??；負(fù)極性加工時的正極（黃銅電極）獲得了大部分的放電能量，負(fù)極（TC4）獲得了較少的能量，導(dǎo)致材料去除率小、電極損耗大；隨著脈寬的增大，正極性加工的蝕除物尺寸不斷增大，負(fù)極性加工的蝕除物尺寸變化很小，這說明此條件下，正極得到更多放電能量，而負(fù)極得到的能量變化不大，這會導(dǎo)致負(fù)極性加工的材料去除率（TC4 為負(fù)極）和正極性加工時的電極損耗率（黃銅為負(fù)極）隨著脈寬變化不大。當(dāng)正極性加工的蝕除物尺寸不斷增大，極間排屑變得困難，從而頻繁發(fā)生短路等不正常放電狀態(tài)，材料去除率開始快速下降。當(dāng)脈寬增大到100 μs 時，正極性加工的蝕除物尺寸已達(dá)到26.1 μm；繼續(xù)增大脈寬至110 μs 時，加工過程中持續(xù)發(fā)生短路，正極性加工則無法完成切斷實(shí)驗(yàn)；在脈寬110 μs 時，負(fù)極性加工依然具有較穩(wěn)定的加工效率。

2.3 電極與工件表面成分變化

2.3.1 電極加工表面成分變化

本實(shí)驗(yàn)中，正、負(fù)極性加工后的黃銅電極表面有明顯區(qū)別。如圖10 所示，負(fù)極性加工的電極表面出現(xiàn)一層黑色的膜且經(jīng)超聲波清洗后仍未被去除。由于實(shí)驗(yàn)使用去離子水為加工介質(zhì)，無大量碳元素介入，可判斷該物質(zhì)不是碳黑膜。使用能譜分析儀對該加工表面進(jìn)行成分分析的結(jié)果見圖11。

圖10 正、負(fù)極性加工后的電極表面

圖11 能譜分析結(jié)果

再對電極黑色部分的多個區(qū)域進(jìn)行測量，結(jié)果取平均值。可知，氧原子量占比約為49.6%、鈦原子量占比約為20%，此外還有較少的銅、鋁元素，由此判斷這層黑色的膜是鈦的氧化物。鈦的氧化物屬于半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性差且熔點(diǎn)較高（TiO2的熔點(diǎn)為1850 ℃，黃銅的熔點(diǎn)為1083 ℃）。在鄭鑄、陳文安等學(xué)者的實(shí)驗(yàn)條件下[11-12]，工具電極上的氧化鈦可保護(hù)電極，減小電極損耗。但是本實(shí)驗(yàn)條件下，負(fù)極性加工的工具電極損耗率在50%～84%之間且電極損耗曲線波動大，說明損耗情況不穩(wěn)定。為探究其中原因，本文以掃描電子顯微鏡（SEM）觀察負(fù)極性加工后黃銅電極加工表面情況。

如圖12 所示，黑色氧化鈦在電極表面的覆層并不均勻，電極加工表面的某些位置重復(fù)產(chǎn)生氧化鈦層，并且有明顯的層次感，有些位置并未出現(xiàn)氧化鈦覆層或者只有很少的氧化鈦。在沖液和電極振動輔助的加工方式下，極間電場和流場不穩(wěn)定，導(dǎo)致黃銅電極表面產(chǎn)生的氧化鈦覆層不均勻。在電火花加工過程中，氧化鈦覆層位置的電極損耗小，而未產(chǎn)生氧化鈦覆層位置的損耗大。隨著加工的進(jìn)行，電極加工表面情況不斷惡化并出現(xiàn)峰谷狀的形貌。分別對正、負(fù)極性加工后的電極加工表面進(jìn)行粗糙度測量后發(fā)現(xiàn)，負(fù)極性加工后的電極表面粗糙度（Ra4.62 μm）是正極性加工（Ra1.9 μm）的兩倍以上。不規(guī)則的加工表面使加工過程中的排屑困難且易發(fā)產(chǎn)生二次放電，增大電極損耗。

圖12 氧化鈦覆層形貌

如圖13 所示，在負(fù)極性加工的蝕除物中存在一些形狀不規(guī)則的顆粒。能譜測試結(jié)果顯示，這些顆粒主體部分為鈦的氧化物，底層的亮白色物質(zhì)含有較多來自黃銅電極的鋅、銅元素，推測其為加工中脫落的氧化鈦覆層。在加工過程中，由于氧化鈦覆層熔點(diǎn)比黃銅高，電導(dǎo)率更小，其所在部位的損耗小于電極裸露部分。氧化鈦覆層相對于電極裸露部分越來越凸出，在一定溫度條件下，覆層會帶著部分熔融的黃銅基體脫落。覆層脫落的不確定性導(dǎo)致負(fù)極性加工時的電極損耗不穩(wěn)定，因此負(fù)極性加工的電極損耗曲線波動較大（圖4）。

圖13 脫落的氧化鈦覆層

2.3.2 鈦合金TC4 加工表面成分變化

對切斷后的TC4 斷面取多個區(qū)域進(jìn)行成分分析后發(fā)現(xiàn)，無論是正極性加工還是負(fù)極性加工均產(chǎn)生了鈦的氧化物，氧原子含量均約為40%，無明顯差別。這說明TC4 加工表面在加工過程中的氧化不是造成正、負(fù)極性加工性能差異的原因。

電火花加工中工件的氧化一般是因?yàn)榧庸み^程中產(chǎn)生了電解反應(yīng)或是加工介質(zhì)分解產(chǎn)生的氧在高溫下將工件氧化。漏電流是指由于放電介質(zhì)中不可避免地存在載流子，而載流子在加工介質(zhì)未被擊穿前受極間電場作用運(yùn)動，形成漏電流，導(dǎo)致電解反應(yīng)的產(chǎn)生[15]。去離子水的電阻率大于18，載流子較少，不易產(chǎn)生電解反應(yīng)。在其他電導(dǎo)率較高的介質(zhì)中進(jìn)行電火花加工，會產(chǎn)生如圖14 所示的漏電流放電波形。對比觀察圖5 和圖6 所示的放電波形，則未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生明顯的漏電流。此外，電解反應(yīng)發(fā)生后，正極性加工時工件表面的氧化程度應(yīng)大于負(fù)極性加工，但本實(shí)驗(yàn)在正、負(fù)極性加工后的TC4 氧化程度相差不大，故認(rèn)為電火花加工時的電解反應(yīng)不是本實(shí)驗(yàn)中工件氧化的原因。

圖14 存在漏電流時的放電波形[15-16]

電火花加工時放電通道內(nèi)的瞬時溫度能達(dá)到幾千度甚至上萬度，水在2000 ℃時開始分解為氧氣和氫氣，故認(rèn)為鈦合金在高溫下被氧氣氧化，并使正、負(fù)極性加工時鈦合金氧化程度相差不大。

3 結(jié)論

本文針對黃銅（H59）在去離子水中振動輔助切斷鈦合金（TC4）時的極性選擇問題進(jìn)行了研究，并從兩極能量分配和加工過程中工具電極與工件表面的成分變化兩個方面對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）在脈寬小于100 μs 時，正極性加工的材料去除率大于負(fù)極性加工，電極體積相對損耗小于負(fù)極性加工。當(dāng)脈寬大于100 μs 時，正極性加工極不穩(wěn)定，不能完成實(shí)驗(yàn)加工，應(yīng)選擇負(fù)極性加工。

（2）在去離子水沖液和電極輔助振動的加工條件下，無論脈寬如何變化，正極獲得的蝕除能量總是大于負(fù)極，這是正極性加工具有高的材料去除率和低的電極損耗率的原因；隨著脈寬的增大，正極得到了更多蝕除能量，負(fù)極蝕除能量變化不大，這是正極性加工電極損耗與負(fù)極性加工材料去除率隨著脈寬變化不大的原因。

（3）在負(fù)極性加工時，黃銅電極表面產(chǎn)生了黑色氧化鈦覆層。不均勻的覆層并沒有起到保護(hù)電極的作用，反而造成電極加工表面質(zhì)量惡化。覆層脫落的不確定性導(dǎo)致負(fù)極性加工時的電極損耗不穩(wěn)定，電極損耗曲線波動很大，不利于成形加工時的損耗補(bǔ)償。

（4）在正、負(fù)極性加工時，鈦合金斷面均被去離子水分解產(chǎn)生的氧氣氧化，二者條件下的氧化程度相差不大。鈦合金在加工過程中的氧化不是造成正、負(fù)極性加工性能差異的主要原因。