汪兵兵　周建平　許　燕　姜　宏

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

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短電弧銑削工具電極材料的放電性能研究*

汪兵兵周建平許燕姜宏

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

鎳基高溫合金(GH4169)高溫下具有較好的熱穩(wěn)定性、屈服強度高、塑性好的特點，并有較好的焊接性能、較高的耐蝕性和抗氧化性能，在-196～700 ℃很寬的溫度范圍內(nèi)組織性能穩(wěn)定。用不同電源放電參數(shù)與不同電極材料進行實驗加工，觀察加工效率、工件表面粗糙度、電極損耗、工件表面完整性、工件表面顯微結構、工件表面化學成分。實驗表明：短電弧加工中，相同加工條件下工具電極的相對質量損耗為鋁>碳鋼>紫銅>石墨；低電壓加工時紫銅電極的損耗率是石墨電極損耗率的7倍，增大加工電壓紫銅電極損耗比石墨電極損耗高15～20倍；短電弧銑削加工后，工件表面存在熔滴、凹坑、裂縫和再鑄層；短電弧銑削加工中，工具電極材料中元素會向工件里滲透，工件上的元素會向工具電極滲透。

短電弧銑削；石墨電極；紫銅電極；GH4169

1　緒論

短電弧加工技術是指在一定壓力的水、氣混合(一般氣壓0.3 MPa、水壓0.1 MPa，混合物是水和防濺液，二者比例是200：1)霧化液作用下，利用陽極工件和陰極工具電極之間產(chǎn)生的電腐蝕來蝕除多余工件材料的一種加工方法，它不受加工材料硬度、強度、韌性等的限制，有效地解決了采用常規(guī)機械方法難于加工這類材料的技術難題[1]，是一種非接觸式的電加工方法。

短電弧加工中，工具電極材料的選擇非常重要，電極材料不僅影響短電弧加工的穩(wěn)定性，還影響到短電弧的加工速度、工具電極的損耗、工件的表面輪廓精度、尺寸精度、工件的表面質量等，因此正確選擇工具電極材料對短電弧加工至關重要。短電弧加工中合理選擇工具電極材料，可以提高加工工件的表面質量。工具電極材料的損耗與多種因素有關，如面積效應、吸附效應、極性材料以及電參數(shù)的選擇等。

2　實驗準備

2.1電極材料

工具電極的作用是輸送加工脈沖，理想狀態(tài)下的工具電極是以其最小的損耗蝕除工件材料。本文主要分析石墨、紫銅、碳鋼、鋁電極對加工高溫合金(GH4169)的影響。表1為各電極材料的物理特性。

表1工具電極材料的物理特性[2]

熱學物理常數(shù)石墨紫銅碳鋼鋁熔點/℃350010831527660.4沸點/℃3900236027352467熱導率/(W/(cm·℃))0.493.8520.335比熱容/(J/(g·℃))1.6750.3940.695傳溫系數(shù)α=λ/CP0.1331.10.061

(1)石墨電極

石墨屬于非金屬，但石墨表現(xiàn)出了金屬與非金屬的物理特性，所以通常被歸為類金屬[3]。石墨因具有金屬與非金屬的特性，所以其具有較高的高溫強度(石墨的升華溫度為3 650 ℃)、小的熱膨脹系數(shù)(僅為銅的1/30)、較好的加工性和良好的熱、電導率[4-6]。特種電加工中的石墨電極因具有結構致密、強度高、導電、易于機械加工等優(yōu)良特性而被廣泛用于冶金、機械、電子、化工、高新技術等許多領域。石墨電極機械加工性能好，容易產(chǎn)生電弧，切削阻抗為銅的1/ 4等特性。石墨的導熱性和導電性是相當高的，其導電性比不銹鋼高4倍，比碳素鋼高2倍，比一般的非金屬高100倍。

(2)紫銅電極

紫銅又名紅銅，在自然界的量非常多。熱導率和傳溫系數(shù)比較大，耐腐蝕性比較高，并且紫銅具有良好的導電性，致密性高、質地柔軟，可塑性強，導電率比較高，熱傳導率高，但是熱膨脹系數(shù)比較大。

(3)鋁電極

鋁是熱的良導體，它的導熱能力比鐵大3倍，鋁的導電性僅次于銀、銅和金，雖然它的導電率只有銅的2/3，但密度只有銅的1/3，所以鋁在供電系統(tǒng)中經(jīng)?？梢砸姷?。鋁的熔點特別的低,短電弧加工中鋁電極容易被高溫所融化。短電弧加工過程中，陰極與陽極之間放電產(chǎn)生的熱量特別大，導致短電弧加工中鋁電極的損耗特別大。

(4)碳鋼電極

雖然碳鋼的熔點與沸點高于紫銅，碳鋼作為短電弧電極材料，加工性能好，但是在實際加工時碳鋼的穩(wěn)定性比較差。碳鋼電極在短電弧加工中，不能實現(xiàn)電極低損耗。短電弧加工中碳鋼電極損耗相對于石墨電極與銅電極要高，電損耗比較嚴重。

2.2實驗參數(shù)

短電弧加工中，影響加工精度的因素眾多。本實驗選取一些主要的影響因素，設定的實驗影響參數(shù)如表2所示。鎳基高溫合金GH4169化學成分如表3所示。

表2加工參數(shù)設置

參數(shù)調節(jié)項參數(shù)設置實驗設備新疆大學自主研制的數(shù)控短電弧銑床電源CHATN數(shù)字調頻脈沖電源電壓峰值U/V25電流/A0～2000電源頻率K/Hz500刀盤轉速/(r/min)75液體壓力/MPa0.1氣體壓力/MPa0.3占空比D/(%)50工件材料鎳基高溫合金GH4169[7]工具電極材料石墨,紫銅,碳鋼,鋁電極直徑/mm18切削深度/mm2工作液水(水和防濺液)、氣混合物

表3GH4169高溫合金成分

元素CMnSiPS質量分數(shù)/(%)0.0310.150.110.0080.004元素MoCuTiAlB質量分數(shù)/(%)2.920.141.110.580.0021元素FeCoCrNbNi質量分數(shù)/(%)17.950.1918.75.152.46

2.3極間電壓電流測量

短電弧加工中，采用Picoscope5204示波器采集電流與電壓信號。實驗中CHATN數(shù)字調頻脈沖電源提供脈沖電，整個短電弧加工中，電流的變化隨著加工條件的不同而變動。如圖1所示，電壓25 V、占空比50%、頻率500 Hz下采用不同電極材料加工鎳基高溫合金(GH4169)時的波形變化情況。

圖1波形變化圖中，通道1為采集到的電壓波形，通道2 為采集到的電流波形。圖1a、b、c、d分別表示采用石墨、紫銅、鋁、碳鋼作為工具電極加工時的電壓與電流波形變化圖。圖1a中峰值電流在586.8 A附件波動；圖1b中峰值電流在503.6 A附件波動；圖1c中峰值電流在398.6 A附件波動；圖1d中峰值電流在528.2 A附件波動。主要是因為鋁的熔沸點極低，所以電流急速升高鋁電極已經(jīng)融化導致電流不能持續(xù)增大；石墨電極的熔沸點比較高可以承受高電流。實驗中發(fā)現(xiàn)鋁電極的損耗最大，碳鋼電極損耗次之，石墨電極與紫銅電極最少。

3　實驗結果與討論

3.1電極損耗

短電弧放電加工是利用陽極工件與陰極工具電極之間電弧產(chǎn)生大量的熱能，熔化、蒸發(fā)和拋出工件材料，達到蝕除工件材料的目的。短電弧加工中會產(chǎn)生大量的能量，大部分的能量被工件電極吸收，其中一部分能量會被沖蝕液所帶走，剩下的能量會被工具電極所吸收，從而不可避免地造成了工具電極的損耗。所以工具電極材料的選取，對電極損耗的影響很大，合理選取工具電極材料非常重要。工具電極損耗分為絕對損耗和相對損耗兩種方法[8]。

實驗中絕對損耗選取單位時間內(nèi)電極蝕除的質量(質量損耗mg)與單位時間內(nèi)電極長度的損耗(長度損耗mh)，即：

式中：g為質量，g;h為長度，mm;t為時間，min。

實驗中相對損耗選取單位時間內(nèi)電極質量損耗與工件質量損耗的比值(相對質量損耗(gg)，即：

式中：mg為工具電極質量損耗，g/min;Mg為工件質量損耗，g/min。

表2所示，不同材料的電極加工鎳基高溫合金(GH4169)后發(fā)現(xiàn)，電極材料的選取對加工工件的損耗至關重要。石墨電極由于其具有金屬與非金屬的特性，良好的熱、電導率和較高的高溫強度(石墨的升華溫度為3 650 ℃)，所以在加工過程中電極的損耗非常低。表2中，石墨電極的損耗為負數(shù)是因為石墨電極損耗后會有很大一部分的工件材料粘附在石墨電極的表面，在電極的表面形成了一層附層間接地自動補償了電極在加工中的損耗，同時增加了電極質量。

3.2加工效率

實驗中發(fā)現(xiàn)，當采用鋁材料作為電極時由于鋁電極的熔點比較低，電極的損耗量大于工件的蝕除量，整個工件還未完全加工完，工具電極損耗嚴重無法繼續(xù)加工。碳鋼電極可以完成整個加工過程，但是加工后碳鋼電極的損耗特別嚴重，而且加工后工件表面會出現(xiàn)黃色物質，這是由于加工過程鐵元素沉積在工件表面氧化形成氧化鐵黃(Fe2O3·H2O)。

表4不同電極加工性能

電極材料電極質量損耗/(g/min)電極長度損耗/(mm/min)工件質量損耗/(g/min)相對質量損耗/(%)進給率/(mm/min)石墨-0.1160.1022.5824.4914.55紫銅0.4660.0711.73826.819.42碳鋼0.7380.3371.61945.5816.03鋁1.1691.1050.681171.6618.41

表4所示，鋁電極與碳鋼電極的進給率比較大，但是電極質量損耗與電極長度損耗都比較大，不宜在短電弧加工中選做電極材料。而石墨電極與紫銅電極在短電弧加工中，電極損耗比較小，相對質量損耗也比較小。

3.3電極的選用要求

通過上面的實驗發(fā)現(xiàn)，在短電弧加工中，正確選擇電極材料是確保加工質量，提高生產(chǎn)率的一個重要因素。所以電極材料應具備以下要求：

(1)良好的導熱與導電性，電極與工件之間產(chǎn)生電離，很快地傳遞到電極與工件加工部位。好的導熱與導電性可以保證短電弧加工中，工具電極能夠快速蝕除工件材料。

(2)熔點高，短電弧加工中，正極與負極放電時能夠產(chǎn)生很高的熱量，工具電極的熔點越高，電極損耗相對越小。

(3)良好的力學性能，能夠保證電極制作容易，降低電極的制作成本。

表5石墨、紫銅電極放電性能

電壓U/V占空比D/(%)頻率K/Hz電極質量損耗/(g/min)電極長度損耗/(mm/min)工件質量損耗/(g/min)相對質量損耗/(%)進給率/(mm/min)粗糙度Ra/μm石墨紫銅石墨紫銅石墨紫銅石墨紫銅石墨紫銅石墨紫銅15151000.0240.0510.0020.0060.2360.21310.3223.961.1871.11110.407.9715501000.0020.1670.0060.0100.5281.2460.3013.403.1435.14015.219.541595100-0.0120.283-0.0080.0261.3904.6350.846.117.78825.75123.1226.542550500-0.1160.4660.1020.0712.5821.7384.5126.8314.5499.42127.5829.672595500-0.1831.225-0.416-0.4904.2914.2064.2729.1424.45019.60826.6025.7725155000.0080.0570.06300.1560.1644.9234.901.1801.2908.838.373595800-0.0732.3170.073-1.1886.5216.4881.1335.7124.47023.76792.8755.4935158000.0030.1020.010-0.0200.2150.4201.3624.291.9453.99614.2015.663550800-0.0610.7220.031-0.2732.6592.3862.3130.2515.37313.00135.1939.81

(4)耐腐蝕性強、容易形成碳化物，降低短電弧加工過程中電極保護要求，降低電極損耗。

結合以上電極選用標準，選取石墨、紫銅電極加工高溫合金(GH4169)。

3.4石墨-紫銅電極放電性能分析

分析了石墨、紫銅、碳鋼、鋁材料作為短電弧加工工具電極，實驗后發(fā)現(xiàn)石墨與紫銅材料為工具電極更好。表5分析了不同放電情況下，石墨-紫銅電極放電性能。

表5表明，當加工頻率較低時，隨著占空比的增加，紫銅電極的放電性能相對于石墨電極好些，這是因為頻率低脈寬大，其能量密度比較低，有利于抑制電極的電氣損耗，再加上紫銅電極本身導電性就比較好，所以更加利于紫銅電極。使得工件質量損耗與進給率上升趨勢要比石墨電極好，相對質量損耗下降趨勢比石墨電極明顯。石墨是一種優(yōu)良的耐高溫材料，在短電弧加工過程中，高溫使其產(chǎn)生損耗的作用非常小。由于石墨的熱傳導率和銅材比較相對較低,因此,用較短的脈寬配之于合適的峰值電流同樣可以得到合適的加工能量。通過表5分析,我們發(fā)現(xiàn)石墨和紫銅作為電極,他們在所使用的參數(shù)的最大差異是組成單脈沖能量的脈沖條件搭配不同[9]。表5所示，短電弧加工時采用石墨電極與紫銅電極加工后工件表面粗糙度值非常大，但是同一加工條件下紫銅電極加工后的工件表面粗糙度值較小，石墨電極雖具有很高的熔沸點，但是紫銅具有很高的熱導率與傳溫系數(shù)，所以紫銅電極放電均勻，表面質量較好。

3.5表面形貌

實驗采用U=25 V,K=500 HZ,D=15%的電參數(shù)，實驗后采用SUPRATM55VP掃描電鏡拍攝加工后工件表面如圖2所示。圖2a為采用石墨電極加工后工件表面形貌；圖2b為采用紫銅電極加工后工件表面形貌。圖2中存在熔滴、凹坑、裂縫、氣孔。熔滴是短電弧加工中正負極放電產(chǎn)生的高溫融化金屬以及氣化的金屬受到周圍冷空氣的作用，冷卻凝結在工件表面形成的產(chǎn)物；凹坑是由于單一脈沖放電時，電弧放電將材料蝕除形成凹狀坑；裂縫是短電弧加工中產(chǎn)生的高溫熱量聚集在工件表面，受到氣、液混合的冷卻，在工件表面產(chǎn)生溫差使工件局部應力集中導致工件表面產(chǎn)生裂縫；氣孔是由于工件在熔融過程產(chǎn)生的氣體被釋放時產(chǎn)生的圓形小孔；圖2中出現(xiàn)了尾狀放電痕跡，研究表明，等離子體無論在磁場的羅倫茲力作用下還是在高速流動氣、液混合體動力作用下,電弧會向受力方向偏移形成尾狀放電痕跡[13]。

3.6化學成分分析

短電弧銑削加工過程中，工件材料、電極材料、電介質之間會發(fā)生復雜的化學反應。采用不同的工具電極加工鎳基高溫合(GH4169)，工件加工后，使用SUPRATM55VP掃描電鏡分析檢測工件上兩個點的化學成分，一個點在加工工件的表層，另一個點在距表層80 μm處，結果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)使用石墨電極時，C元素在工件表上含量較高，越靠近工件心部越低，基體處最低，如圖3a、b所示；而選用紫銅電極時，發(fā)現(xiàn)C、O、Cu元素含量變化比較大，從加工表面到工件心部含量逐漸降低，如圖3c、d所示。

4　結語

要得到最好的表面粗糙度，就要使用短脈寬，低能量，因為這樣在工件表面上形成的蝕坑比較小。如果不能滿足這樣的條件，再好的電極材料也加工不出好的表面粗糙度[3]。

本文主要研究了短電弧銑削加工中不同電極材料對鎳基高溫合金(GH4169的加工效率、電極損耗、工件表面完整性等。結論如下：

(1)實驗中發(fā)現(xiàn)當采用石墨、紫銅、鋁、碳鋼作為電極時，石墨與紫銅更加利于加工鎳基高溫合金(GH4169)。

(2)短電弧加工中，相同加工條件下電極的相對質量損耗為鋁>碳鋼>紫銅>石墨。

(3)實驗發(fā)現(xiàn)低電壓下紫銅電極的損耗比石墨電極損耗高7倍，高電壓下紫銅電極損耗比石墨電極損耗高15～20倍。

(4)采用石墨與紫銅作為電極材料，短電弧銑削加工后工件表面存在熔滴、凹坑、裂縫和再鑄層。

(5)采用石墨作為電極時工件表面的C元素自工件表面向工件心部逐漸降低；采用紫銅作為電極時工件表面的Cu、C、O元素自工件表面向工件心部逐漸降低；石墨電極與紫銅電極表面上具有工件里的元素，例如：Ni、Fe、Cr等。

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(編輯李靜)

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Research for discharge performance of electrode materials by short arc milling

WANG Bingbing, ZHOU Jianping, XU Yan, JIANG Hong

(College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, CHN)

Nickel-based superalloy (GH4169) have wide application in many industries due to their good thermal stability, high yield strength, good plasticity, and has good welding performance, high corrosion resistance and oxidation resistance under high temperature. Observe material removal efficiency, surface roughness of the workpiece, electrode loss, workpiece surface integrity, surface microstructure, chemical composition of the workpiece surface at different power discharge parameters and different electrode materials. Experimental results show: short arc machining, relative mass loss under the same machining condition is aluminum electrode, carbon steel, copper, graphite; the loss rate of the copper electrode is 7 times of graphite electrode loss under low voltage and increasing machining voltage copper electrode loss is 15～20 times of graphite electrode loss. Droplet, curve, crack, recast layer just exist in the workpiece surface after the short arc milling process. The elements in the electrode material will penetrate into the workpiece, and the elements on the workpiece can penetrate into the electrode in the short arc milling process.

short arc machining; graphite electrode; copper electrode; GH41691

中國分類號：TH146A

2015-10-08)

160536

國家自然科學基金項目“鎳基高溫合金短電弧高效切削過程中再鑄層表面完整性及熱變形行為研究”(51365053)