汪思鵬，何亞峰,，郭 魂,，魏志宏，徐 波

（ 1. 安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 常州工學(xué)院，江蘇 常州 213032 ）

鈦合金材料具有密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)良性能， 廣泛應(yīng)用于航空航天、 醫(yī)療器械等領(lǐng)域。 相較于其他材料， 采用傳統(tǒng)切削方法加工鈦合金時(shí)易導(dǎo)致刀具的崩刃和磨損， 同時(shí)由于切削力的作用會(huì)使零件產(chǎn)生變形。相比于傳統(tǒng)切削加工，采用電解加工時(shí)工具陰極與工件陽(yáng)極不直接接觸， 具有無(wú)殘余應(yīng)力、無(wú)熱應(yīng)力、無(wú)毛刺、刀具無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是解決鈦合金等難加工金屬材料加工的一種有效手段。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鈦合金的電解加工做了大量研究。

在電解加工中工具陰極的幾何形狀、 加工工藝參數(shù)、電解液類型是影響加工結(jié)果的關(guān)鍵因素。崔振等[1]設(shè)計(jì)了三種具有不同底部出液孔形式的工具陰極，并進(jìn)行多組參數(shù)下的TiB2/7050 鋁基復(fù)合材料電解銑削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在出液孔開孔方式、開孔數(shù)量、開孔面積相同的情況下，提高底部出液孔分布的均勻性可有效提高加工效率。 Liu 等[2]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)在電解加工TB6 鈦合金時(shí)，改變陰極端部的傾斜角度可有效防止刀具后端對(duì)已加工表面的二次加工，從而提高表面質(zhì)量。 在研究工藝參數(shù)對(duì)鈦合金電解加工的影響方面，孫宇博等[3]通過(guò)正交試驗(yàn)研究了電源頻率、占空比、加工間隙對(duì)加工速度和加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明加工間隙和電源頻率是影響電解加工速度的關(guān)鍵因素，降低加工間隙和提高電源頻率有利于降低工件表面粗糙度。 李家寶等[4]通過(guò)進(jìn)行不同電源類型、脈沖電壓、脈沖頻率、占空比下的鈦合金電解加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于直流電源，脈沖電源加工能大大減少TC4 鈦合金葉柵電解加工中的表面點(diǎn)蝕，從而改善加工質(zhì)量。 在電解液方面，孫宇博等[5]研究了不同組分電解液對(duì)鈦合金TC4 工件表面質(zhì)量的影響， 通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaBr 和10%的NaCl 混合電解液中， 加工TC4 試樣可得表面粗糙度Ra1.421 μm的光滑表面，同時(shí)不同組分電解液對(duì)加工工件亞表面層的影響均不大。 楊振文等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，NaCl 電解液作為一種典型的線性電解液活性較強(qiáng)，可有效蝕除TC4 鈦合金的表面鈍化層，促進(jìn)金屬基體穩(wěn)定溶解，但加工復(fù)制精度不高。NaNO3電解液雖然非線性特性好、加工精度高，但對(duì)工件表面鈍化層的蝕除能力相對(duì)較差， 生產(chǎn)效率低。 為解決NaNO3電解液中鈦合金由于表面鈍化難以直接電解加工的問(wèn)題，Camp 等[7-8]提出機(jī)械電化學(xué)銑削復(fù)合加工方法，即采用氮化硅陶瓷刀片作為銑削刃對(duì)鈦合金表面進(jìn)行銑削加工，同時(shí)利用工具陰極對(duì)工件進(jìn)行電解加工，如此結(jié)合了傳統(tǒng)銑削和電解加工的優(yōu)勢(shì)，有效提高了加工效率。

本文提出使用硬質(zhì)合金銑刀作為銑削工具的鈦合金微銑削輔助電解復(fù)合加工方法，設(shè)計(jì)了裝夾雙刃銑刀和工具陰極的復(fù)合加工工具，建立了復(fù)合加工深度輪廓分布的數(shù)學(xué)模型，并開展相關(guān)加工試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓等參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響，以獲得更好的表面質(zhì)量。

1 微銑削輔助電解復(fù)合加工原理

1.1 加工工具設(shè)計(jì)

圖1 是微銑削輔助電解復(fù)合加工工具的結(jié)構(gòu)和實(shí)物，由工具陰極和銑刀兩部分組成，其中工具陰極材料為304 不銹鋼，絕緣座材料為環(huán)氧樹脂，銑刀片材料為硬質(zhì)合金。 工具陰極的加工面由兩個(gè)1/4 圓環(huán)組成，內(nèi)徑和外徑分別為23 mm 和35 mm。 工具陰極表面有寬度為1 mm 的短圓弧通液孔， 加工時(shí)電解液從此處流入加工區(qū)域； 銑刀部分主要由銑刀片和刀座組成，銑刀片與刀座之間用螺釘鎖緊，使用時(shí)先用絕緣座將工具陰極和銑刀隔開后， 再用絕緣螺釘使其固定。在裝夾后，銑刀刀尖高于工具陰極的加工面， 以確保銑刀在銑削時(shí)可有效去除工件表面材料。

圖1 復(fù)合加工工具

1.2 加工原理

圖2 顯示了微銑削輔助電解復(fù)合加工過(guò)程，復(fù)合加工工具保持高速旋轉(zhuǎn)沿加工方向向工件進(jìn)給，銑刀在高速旋轉(zhuǎn)主軸的帶動(dòng)下對(duì)鈦合金工件表面進(jìn)行銑削加工，用以去除工件表面的鈍化層。在NaNO3電解液的作用下， 隨銑刀共同旋轉(zhuǎn)的工具陰極開始對(duì)已去除鈍化層的工件表面進(jìn)行電解加工。 機(jī)械銑削和電解加工在整個(gè)加工過(guò)程中呈周期性交替進(jìn)行，其中：機(jī)械銑削加工深度用HM表示，初始間隙和電解初始加工間隙分別用XE、X0表示。

圖2 鈦合金微銑削輔助電解復(fù)合加工原理

2 微銑削輔助電解復(fù)合加工數(shù)學(xué)模型

在微銑削輔助電解復(fù)合加工過(guò)程中， 材料的去除是由銑削加工和電解加工共同完成的。因此，復(fù)合加工的深度H 可用下式表示：

式中：HM為銑削加工深度；HE為電解加工深度。 對(duì)于電解加工部分，根據(jù)法拉第定律可知，陽(yáng)極工件表面材料的去除速度與電流密度i 成正比[9]，被加工表面上任意一點(diǎn)的加工速度V1可用下式表示：

式中：η 為電流效率；ω 為材料的體積電化學(xué)當(dāng)量；k為電解液的電導(dǎo)率；Δ 為兩極間的加工間隙；UR為電解液的歐姆壓降，此處可認(rèn)為兩極間的加工電壓。

圖3 是復(fù)合加工時(shí)圓環(huán)形工具陰極進(jìn)給的示意，取工具陰極進(jìn)給方向?yàn)閅 軸，工件表面的法向方向?yàn)閄 軸，工具陰極表面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。 則式（2）可改寫為：

圖3 圓環(huán)形工具陰極進(jìn)給的示意圖

對(duì)上式兩邊同時(shí)積分可得：

式中：x 為坐標(biāo)系下的加工間隙。 當(dāng)初始條件t 趨于0 時(shí)，x=x0（電解初始加工間隙），代入式（5）可得C=x02/2。 整理后可得經(jīng)過(guò)t 時(shí)間后加工間隙x 表示為：

由上式可知：在其他條件不變的情況下，電解加工間隙x 隨著加工時(shí)間t 增大而增大。 而在實(shí)際加工中，由于受到工具陰極形狀的影響，被加工區(qū)域處于加工狀態(tài)下的時(shí)間并不都相等。 常用的圓環(huán)形工具陰極在進(jìn)給加工時(shí)， 工件表面上一點(diǎn)處于電解加工狀態(tài)下的有效工作距離如圖3 中實(shí)線表示， 其在對(duì)應(yīng)Z 軸上的分布是不等的。 因此當(dāng)工具陰極以恒定加工速度VC進(jìn)給時(shí)，Z 軸上一點(diǎn)處于電解加工狀態(tài)下的時(shí)間也不相同，其分布特征可用下式表示：

式中：r 和R 分別為圓環(huán)狀工具陰極的內(nèi)外圓半徑。將其代入式（6）可得加工間隙在Z 軸上的分布：

在使用圓環(huán)狀工具陰極進(jìn)行加工時(shí)，由于表面區(qū)域處于加工狀態(tài)下的時(shí)間長(zhǎng)短不同，所得的加工深度也不同。 同時(shí)，考慮到復(fù)合加工過(guò)程中，電解加工的初始加工間隙為銑削加工后的表面與工具陰極表面之間的距離，因此可將電解初始加工間隙X0表示為：

式中：XE為初始間隙。

而最終的復(fù)合加工深度H 可表示為：

綜合式（8）~式（10），可得微銑削輔助電解復(fù)合加工的深度輪廓分布為：

將上述表達(dá)式繪制在XZ 坐標(biāo)系下， 其結(jié)果如圖4 所示。 復(fù)合加工深度在中間位置最淺，趨向兩側(cè)加工深度有著先增大再減小的變化趨勢(shì)，同時(shí)在Z 軸上的分布具有對(duì)稱性。

圖4 復(fù)合加工深度輪廓數(shù)學(xué)模型

3 微銑削輔助電解復(fù)合加工試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖5 是鈦合金微銑削輔助電解復(fù)合加工試驗(yàn)平臺(tái)，主要由數(shù)控加工系統(tǒng)、電解液供給系統(tǒng)、循環(huán)過(guò)濾裝置和加工電源四個(gè)部分組成。 加工時(shí)工件固定在工作平臺(tái)上，復(fù)合加工工具裝夾在旋轉(zhuǎn)主軸上，為確保加工時(shí)主軸處在低溫狀態(tài)不發(fā)生熱變形影響加工精度，在主軸連接主軸冷卻器，旋轉(zhuǎn)主軸配合三軸移動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的三軸數(shù)控加工。 從電解液池流出的電解液經(jīng)過(guò)濾處理后，以預(yù)設(shè)壓力進(jìn)入加工區(qū)域。 加工采用電源為直流穩(wěn)壓電源，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前加工的電流和電壓。

圖5 加工系統(tǒng)裝置

3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用圖5 所示加工裝置對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，在其他條件不變的情況下，通過(guò)改變進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓進(jìn)行單因素試驗(yàn)，加工參數(shù)見表1。 在試驗(yàn)加工前，利用線切割設(shè)備將鈦合金工件制作成65 mm×50 mm×8 mm 的矩形塊，加工時(shí)的刀具沿著Y 軸負(fù)方向進(jìn)刀，待走刀距離達(dá)到60 mm 后，停止加工。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

4 加工結(jié)果與分析

4.1 加工參數(shù)對(duì)復(fù)合加工的影響

4.1.1 電流密度

在鈦合金微銑削輔助電解復(fù)合加工過(guò)程中，電解加工速度與加工表面的電流密度有關(guān)， 電流密度越大表面金屬溶解的速度越快， 電解加工速度也越高。 圖6 是在試驗(yàn)中不同加工參數(shù)下加工區(qū)域的電流密度，其隨著進(jìn)給速度和加工電壓的增大而增大，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大而減小， 其中進(jìn)給速度對(duì)電流密度的影響最大。 當(dāng)進(jìn)給速度為1 mm/min 時(shí)電流密度僅為6.8 A/cm2， 當(dāng)進(jìn)給速度為5 mm/min 時(shí)電流密度增大到18.0 A/cm2，這是由于加工距離相同時(shí)，進(jìn)給速度增大會(huì)導(dǎo)致各個(gè)區(qū)域處于電解加工的時(shí)間減小，從而引起加工深度的減小。在其他條件不變的情況下，電流密度與兩極間的加工間隙成反比，所以電流密度會(huì)隨著進(jìn)給速度增大而增大， 而電流密度隨加工電壓增大而增大， 是由于電流密度與加工電壓成正比。加工中隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，同等時(shí)間內(nèi)工具陰極加工的面積也增大， 而電流密度與作用面積成反比，所以電流密度會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速增大而減小。

圖6 加工參數(shù)對(duì)電流密度的影響

4.1.2 復(fù)合加工深度

圖7 是不同加工參數(shù)下工件的橫截面輪廓曲線， 可見隨著進(jìn)給速度增大， 復(fù)合加工深度逐漸減小，這主要是由于隨著進(jìn)給速度增大，加工區(qū)域處于電解加工的時(shí)間逐漸變短，所以復(fù)合加工深度變小。在電解加工中，加工速度與表面電流密度成正比，而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大電流密度逐漸減小， 所以復(fù)合加工深度也隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小。 其他加工條件不變時(shí)， 電解加工速度與兩極間的加工電壓成正比，所以加工電壓增大會(huì)導(dǎo)致復(fù)合加工深度增大。

圖7 加工參數(shù)對(duì)復(fù)合加工深度的影響

4.1.3 材料去除率

材料去除率為評(píng)價(jià)材料去除速度的指標(biāo)， 表示單位時(shí)間內(nèi)工件加工前后的質(zhì)量差， 通過(guò)計(jì)算分析得到進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓對(duì)材料去除率的影響見圖8。

由圖8 可見，進(jìn)給速度在1~5 mm/min 范圍內(nèi)，材料去除率隨著進(jìn)給速度的增大而增大，這主要是由于隨著進(jìn)給速度增大，平均加工深度逐漸變小，這意味著兩極間的加工間隙也變小，而電解加工速度與加工間隙成反比，所以電解加工速度隨進(jìn)給速度增大而增大，如此工件表面材料的溶解速度越快，材料去除率越高。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在500~2 500 r/min 范圍內(nèi)，隨主軸轉(zhuǎn)速增大，材料去除率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速增大， 加工時(shí)的電流密度逐漸減小，使得加工速度逐漸減小。當(dāng)加工電壓在16~24 V 范圍內(nèi)，材料去除率隨著加工電壓的增大而增大，這是由于其他條件不變的情況下，工件表面的電解加工速度隨著加工電壓增大而增大。從結(jié)果來(lái)看，進(jìn)給速度變化對(duì)材料去除率的影響最大， 加工電壓對(duì)材料去除率影響最小， 在進(jìn)給速度5 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min、加工電壓24 V 的參數(shù)下，得到的材料去除率最高，為0.268 g/min。

4.1.4 輪廓定域性

為分析不同加工參數(shù)對(duì)加工后溝槽精度的影響，采用輪廓定域性作為評(píng)價(jià)加工精度的指標(biāo)，通過(guò)工具陰極外徑與已加工溝槽寬度的比值計(jì)算， 得到進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓對(duì)輪廓定域性的影響見圖9。

如圖可見， 在加工過(guò)程中對(duì)輪廓定域性影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速，其次是進(jìn)給速度，影響最小的是加工電壓。其中，增大進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速均有利于輪廓定域性的提高， 這主要是由于隨著進(jìn)給速度的增大，各個(gè)區(qū)域處于電解加工狀態(tài)下的時(shí)間變短，所以邊緣區(qū)域受雜散腐蝕的影響小。 同樣在主軸轉(zhuǎn)速增大的情況下，電解液在通過(guò)邊緣區(qū)域時(shí)流速增大，有助于減少雜散腐蝕，提高溝槽的加工精度。

4.2 表面形貌

圖10 是在進(jìn)給速度3 mm/min、加工電壓24 V、主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min 的參數(shù)下復(fù)合加工后的鈦合金工件表面， 可以看出該條件下鈦合金工件在微銑削輔助電解復(fù)合加工的作用下表面材料被去除。 加工表面出現(xiàn)黑色外觀，這是由于部分電解產(chǎn)物未及時(shí)排出聚集在表面造成，同時(shí)邊緣處出現(xiàn)雜散腐蝕，這主要是由于電解液流向在此處發(fā)生突變，電解加工不穩(wěn)定。 為對(duì)復(fù)合加工作用下的工件表面做進(jìn)一步分析，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)其表面進(jìn)行觀察，可以看出加工后的表面無(wú)機(jī)械銑削加工痕跡，而是具有電解加工特有的蝕坑結(jié)構(gòu)。 經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比，此參數(shù)下加工效果最好，表面粗糙度可達(dá)Ra1.785 μm。

圖10 加工工件表面形貌

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

改變至進(jìn)給速度3 mm/min、加工電壓24 V、主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min 的參數(shù)條件下，提取圖10b 中虛線所示位置橫截面試驗(yàn)輪廓和理論值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見圖11。 由圖可見，理論曲線和試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)基本一致，在數(shù)值上理論值比試驗(yàn)值偏大，這是由于工具陰極上開有短圓弧通液孔，實(shí)際作用于加工的面積要小于理論值；同時(shí)試驗(yàn)兩側(cè)的尖角現(xiàn)象并不像理論曲線那樣明顯，這是由于在尖角處電解液流動(dòng)的穩(wěn)定性降低，實(shí)際電解加工速度達(dá)不到理論值。

圖11 試驗(yàn)和理論曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文對(duì)鈦合金微銑削輔助電解復(fù)合加工進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓對(duì)復(fù)合加工的影響， 并建立了復(fù)合加工深度輪廓的數(shù)學(xué)模型，得到以下結(jié)論：

（1）在復(fù)合加工過(guò)程中，對(duì)復(fù)合加工深度和材料去除率影響最大的加工參數(shù)是進(jìn)給速度， 對(duì)輪廓定域性影響最大的加工參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速。其中，輪廓定域性隨進(jìn)給速度增大而增大， 復(fù)合加工深度隨進(jìn)給速度增大而減小， 增大主軸轉(zhuǎn)速有助于提高輪廓定域性。

（2）在復(fù)合加工過(guò)程中，電流密度與進(jìn)給速度和加工電壓成正比，與主軸轉(zhuǎn)速成反比，其中進(jìn)給速度變化對(duì)電流密度影響最大， 在進(jìn)給速度3 mm/min、加工電壓24 V、 主軸轉(zhuǎn)速500 r/min 的參數(shù)下能得到最大的電流密度，而在進(jìn)給速度3 mm/min、加工電壓24 V、主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min 下能得到最好的表面質(zhì)量。

（3） 建立了鈦合金微銑削輔助電解復(fù)合加工深度輪廓的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)曲線和理論曲線能較好地吻合。