孔令蕾，蔣 毅，平雪良，趙萬生，李 其

（1.江南大學機械工程學院/江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇無錫214122；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

鎳基高溫合金具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，在航空發(fā)動機、燃氣輪機及核反應堆等工業(yè)領域有著越來越廣泛的應用[1]。但由于鎳基高溫合金的低熱傳導性，使其在傳統(tǒng)機械加工中產(chǎn)生的大量熱量難以散失，易造成刀具的磨損和損傷，加工效率極低，故被視為典型的難加工材料[2-3]。

盡管電火花加工對材料的適應性較好，被廣泛應用于航空航天、國防、模具制造等領域的難加工材料和復雜形狀零件的制造，但電火花加工鎳基高溫合金仍較困難[4]。王飛等[5]針對鎳基高溫合金IN718，采用電弧加工的方式，將高壓脈沖電源和低壓大功率直流電源進行組合，外加沖液及機械動力斷弧機制，獲得了很高的材料去除率。趙萬生等[6]提出的集束電極法，實現(xiàn)了電極快速制備和多孔內(nèi)沖液加工，進而在鎳基高溫合金加工中采用了石墨電極、多孔內(nèi)沖液及大電流放電的加工策略，同樣以電弧加工的方式獲得了極高的材料去除率[7]。

多孔質電極是一種由粒徑較大的紫銅顆粒經(jīng)高溫燒結而成的多孔材料電極[8]，可利用由顆粒間的孔隙形成的流道在放電加工過程中實現(xiàn)分布式、三維全向的內(nèi)沖液，有利于發(fā)揮與集束電極相似的多孔內(nèi)沖液優(yōu)勢。為此，本文針對鎳基高溫合金GH4169進行了多孔質電極電火花加工性能的實驗研究。由于受機床最大電流的限制，采用了相對于文獻[5]和文獻[7]較小的電流，獲得了材料去除率、工具電極相對損耗隨峰值電流、沖液流量、脈沖寬度的變化規(guī)律，并與實體電極進行了對比和分析。

1 實驗裝置與實驗參數(shù)

多孔質電極電火花加工采用的工具電極由毫米級粒徑的紫銅顆粒經(jīng)高溫燒結制成。先將球形紫銅顆粒裝入石墨模具中，振實、壓緊后置于真空爐內(nèi)，在真空度為-0.1 MPa下進行高溫燒結，紫銅顆粒之間會在高溫下形成具有連接作用的燒結頸（圖1a），再按模具內(nèi)腔形狀燒結成成形電極體。為了對多孔質電極電火花加工鎳基合金的基本性能進行研究，采用了圓柱形模具內(nèi)腔，制成圓柱形多孔質成形電極（圖1b）。

圖1 多孔質電極及顆粒間燒結頸

在燒結溫度為1078℃、保溫時間為120 min時，紫銅顆粒間的燒結頸粗壯，顆粒間的結合足夠緊密。電火花放電實驗結果顯示，在多孔質電極損耗近5層紫銅顆粒的情況下，仍未發(fā)生顆粒的脫落；同時，顆粒間仍能保持通暢的流道，滿足分布式?jīng)_液的要求（圖2）。

圖2 加工前后電極損耗

電火花加工實驗在數(shù)控電火花成形機床上進行。工件材料為鎳基高溫合金GH4169，加工液為煤油，多孔質電極夾持裝置及其沖液情況見圖3。

圖3 實驗裝置及多孔質電極分布式全向內(nèi)沖液

實驗分別采用了實體電極和多孔質電極，電極外徑為30 mm，加工深度為-6 mm，采用正極性加工（工件接正極）。實驗采用的其他加工參數(shù)見表1。

表1 電火花加工實驗參數(shù)

2 實驗結果及討論

2.1 加工方式對材料去除率的影響

分別采用多孔質電極和實體電極進行加工對比實驗，選用峰值電流64 A、脈沖寬度42 μs、脈沖間隔100 μs、固定沖液流量86 L/h。兩種電極在不同加工方式下的材料去除率對比見圖4。

圖4 不同加工方式對材料去除率的影響

由圖4可看出，在放電參數(shù)相同且均采用抬刀方式加工的情況下，施加沖液的材料去除率比不施加沖液更高。該結果顯示，雖然一般抬刀有改善極間狀態(tài)的作用，但僅采用抬刀方式加工，還不足以將極間狀態(tài)維護至理想的程度，極間狀態(tài)仍有改善空間。因此，當加入沖液進一步強化對極間狀態(tài)的改善作用后，材料去除率得到了提升。

多孔質電極在沖液不抬刀條件下的材料去除率為56.1 mm3/min；而采用既沖液、又抬刀方式加工后，其材料去除率下降至52.3 mm3/min。該結果顯示，在采用沖液加工后，抬刀對放電過程穩(wěn)定性的維護作用并未得到充分發(fā)揮，反而因抬刀時間的損失降低了材料去除率，表明在本實驗所采用的電參數(shù)下，沖液能在很大程度上代替抬刀的作用。進一步將多孔質電極沖液不抬刀加工與實體電極抬刀加工進行對比后發(fā)現(xiàn)，沖液加工的材料去除率比實體抬刀加工提高了22%。

上述分析結果顯示，多孔質電極采用分布式內(nèi)沖液后，能通過沖液改善極間狀態(tài)，提高材料去除率，且沖液對維護放電穩(wěn)定性的作用大于抬刀，因此，多孔質電極能采用不抬刀方式加工。

而在上述放電加工參數(shù)下，采用實體電極進行不抬刀方式加工時，其加工速度極慢，電極損耗較大，不僅在加工中心區(qū)域出現(xiàn)了嚴重的積碳，且電極端部發(fā)生了變形（圖5）。這是由于僅采用液槽內(nèi)工作液自然流動時的排屑效果較差，實體電極在較大面積成形加工中產(chǎn)生的放電蝕除產(chǎn)物無法及時排出，極間狀態(tài)發(fā)生惡化所致，因此，實體電極必須采用抬刀方式加工。

圖5 實體電極不抬刀加工時出現(xiàn)碳柱

2.2 電流對加工性能的影響

在固定脈沖寬度為42 μs時，改變峰值電流對材料去除率（MRR）和電極相對損耗率（TWR）的影響見圖6。多孔質電極以沖液不抬刀方式加工，固定沖液流量86 L/h，實體電極以抬刀方式加工。

由圖6a可看出，隨著峰值電流的增加，多孔質電極和實體電極的材料去除率均呈上升趨勢。同時可看到，多孔質電極在小電流加工條件下的材料去除率較低；而當峰值電流超過45 A后，多孔質電極的材料去除率高于實體電極。

由于實驗采用的脈沖寬度較小，在小電流加工時，加工屑整體尺寸較小，故此時實體電極能在抬刀作用下獲得較好的排屑條件；而多孔質電極分布式內(nèi)沖液對極間狀態(tài)的改善作用卻無法得到充分發(fā)揮，且還會因電極底面粗糙度值較大，易產(chǎn)生大量側向放電而影響加工效率。

而在大電流加工時，蝕除顆粒增大，實體電極僅采用抬刀加工已無法將放電過程的穩(wěn)定性維護至理想程度，而采用多孔質電極卻可充分發(fā)揮分布式內(nèi)沖液的作用，獲得較高的材料去除率（圖4）。該結果也說明多孔質電極較適于大電流、粗加工條件下的零件加工，而實體電極可用于中、精加工，二者在粗、精加工上可起到互補的作用，相互配合可達到較高的加工效率。

由圖6a還可看出，多孔質電極材料去除率的曲線斜率比實體電極更大，說明隨著峰值電流的增加，多孔質電極材料去除率的增速大于實體電極，且隨著電流的增加，二者之差有增大趨勢。受機床所能提供的最大電流為64 A的限制，目前無法獲得多孔質電極在更高峰值電流下的材料去除率數(shù)據(jù)，但可預期其在現(xiàn)有基礎上將得到進一步提高。

圖6 多孔質電極與實體電極的加工性能對比

由圖6b可看出，隨著峰值電流的增加，多孔質電極與實體電極的相對損耗率均逐步減小，且在相同電流值下，多孔質電極的相對損耗率低于實體電極。表明采用分布式?jīng)_液的多孔質電極與實體電極相比，不僅能提高加工效率，也能降低工具電極損耗。此外，實體電極較大的相對損耗率使其在大面積、大深度加工中的工件和電極變形嚴重（圖7）。工件表面中心易出現(xiàn)凹形，且在四周帶有邊緣凸起；而在工具電極表面會形成與工件相對應的中心凸起及四周邊緣凹坑。多孔質電極加工后的工件和電極表面并未出現(xiàn)此類現(xiàn)象，只是因多孔質電極底面平整度低而留有一定量的料芯。

圖7 實體電極加工后的工件及工具變形

2.3 沖液對加工性能的影響

上述實驗均采用固定沖液流量86 L/h，但沖液是多孔質電極相對于實體電極最大的區(qū)別，因此有必要測試沖液對多孔質電極鎳基高溫合金加工性能的影響。采用固定脈寬42 μs、峰值電流64 A，分別施加不同流量的沖液，其材料去除率和電極相對損耗率見圖8。

圖8 沖液對加工性能的影響

由圖8可看出，隨著沖液流量的增加，材料去除率下降，電極相對損耗率上升。可見，雖然沖液具有排出加工屑、改善極間狀態(tài)的作用，但在鎳基高溫合金加工中，沖液流量并非越大越好。由于采用了較小的脈寬和并非很大的電流，蝕除產(chǎn)物顆?？傮w較小，在較小的沖液流量作用下就足以降低至較合適的濃度；增大流量后，反而使極間蝕除產(chǎn)物濃度過低，影響了單位時間內(nèi)的有效放電次數(shù)，這是導致材料去除率降低的主要原因。

這一解釋也可從電極相對損耗率隨沖液流量增加而上升中得到印證，即極間蝕除產(chǎn)物濃度過低，影響了蝕除產(chǎn)物對工具電極的反粘保護作用。

2.4 脈沖寬度對加工性能的影響

為進一步探索多孔質電極在不同脈沖寬度下對鎳基高溫合金加工性能的影響，在脈間100 μs、峰值電流64 A、固定沖液流量86 L/h的條件下，通過改變脈沖寬度，得到多孔質電極與實體電極加工的材料去除率和工具相對損耗率隨脈寬的變化規(guī)律（圖9）。其中，多孔質電極以沖液不抬刀方式加工，實體電極以抬刀方式加工。

圖9 脈寬對加工性能的影響

由圖9a可看出，隨著脈沖寬度的增加，多孔質電極與實體電極加工工件的材料去除率呈先上升、后下降的趨勢；多孔質電極在脈寬為42 μs、實體電極在脈寬為75 μs時分別獲得的材料去除率最大；當脈寬高于75 μs時，多孔質電極加工的材料去除率低于實體電極。由圖9b可看出，多孔質電極與實體電極的相對損耗率大致隨著脈寬的增加而增大，但多孔質電極相對損耗率的增長速度極緩慢。

隨著脈寬的增加，多孔質電極的材料去除率下降速度比其相對損耗率的上升速度更快。該結果無法用沖液降低極間蝕除產(chǎn)物的濃度進行解釋，否則電極相對損耗率也應上升較快。通過對加工后的工件表面進行放大觀測，可見其表面粘附有大量蝕除顆粒，甚至在由于多孔質電極底部不平整而形成的并未受到加工的工件上表面臺階上，也有球形蝕除顆粒存在，其最大直徑可超過200 μm（圖10），該尺寸與極間距離已非常接近。因此，對上述實驗結果較合理的解釋是隨著脈寬的增加，蝕除產(chǎn)物顆粒相應增大至難以被沖液排出的程度，且由于鎳基高溫合金導熱性差、不易凝固的特點而更易于反粘在工件和電極表面，導致“二次放電”的概率增加，使材料去除率急劇降低，而電極相對損耗率緩慢上升。

圖10 多孔質電極蝕除顆粒

由于實體電極采用抬刀方式加工，極間距離在抬刀時可遠大于蝕除產(chǎn)物粒徑，使加工蝕除產(chǎn)物較多孔質電極更易被排出加工區(qū)域，也不易反粘于工件和電極表面，使其材料去除率相對于多孔質電極更高，而電極相對損耗率也上升迅速。

3 結論

通過制備符合電火花加工要求的多孔材料電極和搭建的實驗系統(tǒng)，進行了鎳基高溫合金GH4169的多孔質電極電火花加工實驗研究。結果表明，分布式內(nèi)沖液可起到與抬刀相似的改善極間狀態(tài)的作用，但與峰值電流、脈沖寬度所導致的蝕除產(chǎn)物粒徑的關系十分密切。當峰值電流和脈沖寬度較小、蝕除產(chǎn)物粒徑也較小時，蝕除產(chǎn)物易排出加工區(qū)域，沖液的優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮；隨著蝕除產(chǎn)物粒徑增大，沖液的優(yōu)勢相應增大，此時可采用不抬刀方式加工，能獲得較實體電極更高的材料去除率；蝕除產(chǎn)物粒徑的進一步增大會導致其難以被沖出狹窄的極間區(qū)域，并導致其易被反粘于工件表面，從而使材料去除率下降。

[1] 黃乾堯，李漢康.高溫合金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] Ulutan D，Ozel T.Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys:A review [J].International Journal of Machine Tool and Manufacture，2015（1）：250-280.

[3] Guo Y B，Warren A W，Hashimoto F.The basic relationships between residual stress,white layer,and fatigue life of hard turned and ground surfaces in rolling contact[J].CIRP Journal of Manufacture Science Technology，2010，2（2）：129-134.

[4] 張昆，陳濟輪，張曉陽.鎳基高溫合金閉式葉輪高效加工工藝[J].航天制造技術，2012（5）：1-2，13.

[5] 王飛，劉永紅，申泱.鎳基高溫合金Inconel718的超高效電火花電弧復合加工 [J].電加工與模具，2013（6）：32-35.

[6] Zhao Wansheng，Gu Lin，Li Li，et al.Bunched-electrode for electrical discharge machining[C]//Proceedings of the 15th International Symposium on Electromachining.Pittsburgh，2007：41-44.

[7] 趙萬生，顧琳，徐輝.基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工[J].電加工與模具，2012（5）：50-54.

[8] 孔令蕾，蔣毅，趙萬生，等.多孔質電極電火花加工方法及實驗[J].電加工與模具，2014（3）：22-25.