車江濤，祝錫晶，王建青，孔文軍

(中北大學(xué)山西省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

鈦合金材料因其高強(qiáng)度、高耐蝕性、高耐熱性的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、生物、醫(yī)療器械的諸多領(lǐng)域。但是其強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差、易變形的特點(diǎn)導(dǎo)致其很難用常規(guī)的機(jī)械方法進(jìn)行加工，成為一種典型的難加工材料［1－2］。

電火花加工是一種依靠工具電極和材料電極之間的脈沖放電釋放的能量來蝕除材料的特種加工方法［3］。電火花加工的主要特點(diǎn)是，工具電極與材料電極不接觸，不存在顯著的宏觀作用力，因此不需要工具一定比材料硬度高，同時(shí)，非接觸加工不會(huì)在材料表面形成劃痕，可以提高材料的加工精度［4－5］。因此，電火花加工成為鈦合金材料加工的一種重要方法。以下的實(shí)驗(yàn)是通過電火花對鈦合金進(jìn)行加工，運(yùn)用正交試驗(yàn)法探尋最優(yōu)參數(shù)組。該方法為實(shí)際鈦合金的加工提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究目的

圖1 放電凹坑斷面幾何形狀

衡量一種加工方法的兩個(gè)重要參數(shù)是加工速度和表面成形質(zhì)量。電火花每次脈沖放電會(huì)在材料表面形成一個(gè)小凹坑，許多小凹坑的疊加就形成了材料的最終加工表面，凹坑形狀如圖1所示［6］。電參數(shù)中的峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔會(huì)對凹坑的深度H和寬度D起到?jīng)Q定作用。但是，根據(jù)能量分配原則，在材料祛除的過程中，電極也在損耗，不規(guī)則的電極表面直接影響著材料的加工精度、加工速度和加工質(zhì)量，因此有必要研究電參數(shù)中的峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔及加工時(shí)間對加工速度和電極損耗的影響，研究結(jié)果對鈦合金的加工起到一定的指導(dǎo)作用［7］。

2 實(shí)驗(yàn)條件和內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

機(jī)床:EDM-60NC電火花成型機(jī)床;

工件:TC4鈦合金;

工具電極:φ20紫銅柱狀電極;

加工極性:正極性加工;

工作液:電火花成型機(jī)專用煤油;

測量工具:FAl004電子天平。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究峰值電流 (A)、脈沖寬度 (μs)、脈沖間隔 (μs)和加工時(shí)間 (min)4個(gè)因素對電火花加工鈦合金時(shí)加工速度和電極損耗的影響，通過FAl004電子天平測量實(shí)驗(yàn)前后電極和材料的質(zhì)量對比，結(jié)合電火花加工機(jī)制，分析其內(nèi)在關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用φ20紫銅柱狀電極，其他參數(shù)參照EDM-60NC電火花成型機(jī)床安裝與使用手冊。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表L9(34)見表1和表2。

表1 正交試驗(yàn)表

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

3 結(jié)果分析

3.1 加工參數(shù)對相對電極損耗的影響

表3是鈦合金電火花加工時(shí)相對電極損耗正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集表。從表中可以直觀地看到，峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔和加工時(shí)間的改變對電極損耗的影響范圍變化并不是很大，從3.42%～4.32%，并且每個(gè)因素的三個(gè)水平對電極損耗的影響差距也不是很大，最大的0.340，最小的0.247，從極差可以清楚地看到，峰值電流和脈沖間隔比脈沖寬度和加工時(shí)間對電極的損耗影響稍微大，從圖1的效應(yīng)曲線中也可以得到證明［8］。

表3 相對電極損耗直觀分析表

圖2是峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔和加工時(shí)間與相對電極損耗的關(guān)系曲線圖。具體影響如下:

(1)峰值電流。從圖中可以直觀看到，相對電極損耗隨著峰值電流先增大后減小，在電流10 A時(shí)達(dá)到峰值。由于極性效應(yīng)，電極損耗應(yīng)該與峰值電流成正性關(guān)系，之所以會(huì)出現(xiàn)峰值，是因?yàn)樵诩庸み^程中，煤油加工液會(huì)被電離分解，銅金屬與碳元素結(jié)合形成金屬固溶體，在銅電極表面形成一層保護(hù)膜，且峰值電流越大，保護(hù)膜越厚，因此，過了峰值電流10 A后，電極損耗開始隨峰值電流的增大而減小。

(2)脈沖寬度。從圖中可以看出，電極損耗對脈沖寬度的增大持續(xù)減小，究其原因:①脈沖寬度增大，單位時(shí)間內(nèi)放電次數(shù)減少，電極損耗減小;②脈沖寬度增大，放電能量增多，使銅電極表面的鍍覆層增厚，對電極起保護(hù)作用。

(3)脈沖間隔。電極損耗先隨脈沖寬度的增大而增大，然后又隨其增大而減小，這是因?yàn)?，剛開始由于極性效應(yīng)，電極損耗會(huì)持續(xù)增大，但到一定階段后，隨著脈沖間隔的持續(xù)增大，由于放電間隙中消電離狀態(tài)良好，一次脈沖放電完成后，會(huì)有更多的元素鍍覆到銅電極表面，來補(bǔ)償損耗的電極，因此電極損耗又開始減小。

(4)加工時(shí)間。在良好的加工環(huán)境下，電極的損耗應(yīng)該與時(shí)間的增長成正性關(guān)系，每次的脈沖放電都會(huì)導(dǎo)致電極的損耗，因此隨著時(shí)間的變長，電極會(huì)不斷減少。

3.2 幾種加工參數(shù)對加工速度的影響

表4是鈦合金電火花加工時(shí)加工速度正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集表。從極差一欄可以清晰地看到，峰值電流和加工時(shí)間比脈沖寬度和脈沖間隔對加工速度的影響大(4.767＞4.753＞2.447＞1.893)，斜率的關(guān)系可以從圖3中得到證實(shí)。

表4 加工速度直觀分析表

圖2 相對電極損耗效應(yīng)曲線圖

圖3是峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔和加工時(shí)間與加工速度的關(guān)系曲線圖。具體影響如下:

(1)峰值電流。峰值電流與能量釋放成正相關(guān)，峰值電流越大，釋放能量越大。在峰值電流較小時(shí)，隨著峰值電流的增大，釋放的能量增多，材料的祛除增大，加工速度與峰值電流成正相關(guān);當(dāng)電流到達(dá)一定值時(shí) (10A)后，峰值電流的增大，單個(gè)脈沖能量很大，加工區(qū)域溫度會(huì)很高，導(dǎo)致鈦合金中的鈦元素易與煤油工作液中電離的碳元素在高溫下發(fā)生了化合反應(yīng)，生成了化合物碳化鈦，鍍覆在鈦合金表面，起到一定補(bǔ)償作用，導(dǎo)致加工速度下降。

圖3 加工速度效應(yīng)曲線圖

(2)脈沖寬度。單個(gè)脈沖能量直接影響加工速度，脈沖寬度越大，釋放能量越多，材料的祛除越多，使加工速度不斷增大。

(3)脈沖間隔。脈沖間隔主要起消電離的作用。剛開始時(shí)，隨著脈沖間隔的增大，蝕除的材料被拋出工件表面，被煤油加工液帶走，所以加工速度隨脈寬的增大而增大;當(dāng)脈寬超過一定階段后，在消電離完成后，還有一部分被蝕除的材料會(huì)沉積在鈦合金材料的表面，使加工速度減小。

(4)加工時(shí)間。隨著加工時(shí)間的增長，加工液中電蝕產(chǎn)物的增多，鈦合金表面保護(hù)層的增多，加工環(huán)境的惡化，都會(huì)導(dǎo)致加工速度持續(xù)下降，此時(shí)需要改善加工液的循環(huán)條件，加大脈沖寬度，以防出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，破壞加工表面，使加工無法正常進(jìn)行。

4 結(jié)論

通過電火花加工鈦合金的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用正交試驗(yàn)法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

①加工參數(shù)對電極損耗的影響程度依次為:峰值電流＞脈沖間隔＞加工時(shí)間＞脈沖寬度，最優(yōu)參數(shù)組為:峰值電流5 A，脈沖寬度10 μs，脈沖間隔10 μs，加工時(shí)間10 min;電極損耗最小3.42%;

②加工參數(shù)對加工速度的影響程度依次為:峰值電流＞加工時(shí)間＞脈沖間隔＞脈沖寬度，最優(yōu)參數(shù)組為:峰值電流10 A，脈沖寬度50 μs，脈沖間隔80 μs，加工時(shí)間 10min;加工速度最快 24.46 mm3/min。

③對于電極損耗和加工速度這兩個(gè)指標(biāo)，所選擇的最優(yōu)組合是不一樣的，因此，在實(shí)際加工過程中，應(yīng)根據(jù)加工的具體要求，特別是重要指標(biāo)，選擇最佳參數(shù)，盡可能滿足加工要求。

［1］王克錫.鈦合金的電火花加工［J］.機(jī)械工人，2004(1):24.

［2］李富長，宋祖銘，楊典軍，等.鈦合金加工工藝技術(shù)研究［J］.新技術(shù)新工藝，2010(5):66 －69.

［3］李明輝.電火花加工理論基礎(chǔ)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1989.

［4］張建華.精密與特種加工技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］王先逵.精密加工技術(shù)實(shí)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［6］姜自超，王平.電火花加工工藝參數(shù)的優(yōu)化及其應(yīng)用［J］.電加工與模具，2004(6):57 －59.

［7］強(qiáng)華，張勇，黃楠，等.電火花加工TC4鈦合金時(shí)電極損耗的探討［J］.新技術(shù)新工藝，2006(10):18－19.

［8］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.