徐海華，康小明

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

鈦鋁合金電火花加工工藝參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)

徐海華，康小明

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

為研究鈦鋁合金電火花加工工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響，通過四因子二水平的全因子析因?qū)嶒?yàn)，確定了材料去除率的顯著影響因子為電極極性、脈寬、占空比和峰值電流。通過最陡上升路徑法，找到了材料去除率最大值對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，得到了材料去除率的擬合公式，計(jì)算出材料去除率理論最大值及其對(duì)應(yīng)的加工參數(shù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了材料去除率擬合公式的正確性，并給出材料去除率擬合公式適用的參數(shù)范圍。

鈦鋁合金；電火花加工；工藝參數(shù)；DOE實(shí)驗(yàn)

鈦鋁合金具有密度低、耐熱性好、比強(qiáng)度高、比剛度高的優(yōu)點(diǎn)及很好的抗氧化能力和抗高溫蠕變性能，是綜合性能極好的輕質(zhì)高溫合金[1]，可替代質(zhì)量較大的鎳基、鐵基合金應(yīng)用于航空領(lǐng)域[2]，且目前已應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)殼體、燃燒室和噴嘴等零件中[3]。研究表明，鈦鋁合金在高溫下具有高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱性和強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)性的特點(diǎn)[4]，卻在室溫下表現(xiàn)為脆性，且延展性低、耐磨性和變形加工性能差，難以對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工[5]。例如，鈦鋁合金切削加工特點(diǎn)是短切屑接觸，應(yīng)力高且溫度梯度較陡，故會(huì)造成刀具磨損嚴(yán)重而縮短刀具使用壽命[6]。

電火花加工通過放電蝕除材料，可實(shí)現(xiàn)難切削材料的加工，且加工過程中電極與工件不直接接觸，與被加工材料的機(jī)械性能無關(guān)，因此是加工鈦鋁合金的一種可行方法[7]。雖然鈦鋁合金具有高溫性能好、密度低等優(yōu)點(diǎn)，但其熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差，這會(huì)降低電火花加工性能，不易獲得高的材料去除率（material removal rate，MRR）。 因此，本文利用 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)鈦鋁合金電火花加工工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，通過全因子析因?qū)嶒?yàn)研究顯著因子對(duì)MRR的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，獲取使MRR最大的一組電火花加工參數(shù)，從而計(jì)算得到電火花加工鈦鋁合金的MRR擬合公式，并確定了該模型參數(shù)的適用范圍。

1 鈦鋁合金加工工藝實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為六軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床（圖1）。電極為直徑10 mm的圓柱形棒狀石墨電極，型號(hào)為ISO-63。工件材料為含有Ti3Al、TiAl二種成分的鈦鋁合金，經(jīng)X射線熒光光譜分析測得其成分見表1。實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦鋁合金工件進(jìn)行深度為1 mm的盲孔加工，以考查電火花加工的材料去除率。

表1 鈦鋁合金工件材料成分表

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 全因子析因?qū)嶒?yàn)

電火花加工效率的影響因素眾多，峰值電流、脈寬、占空比決定了電火花加工的單次放電總能量，伺服電壓、電極極性等電參數(shù)，以及沖液條件、抬刀高度、抬刀間隔等運(yùn)動(dòng)參數(shù)也會(huì)對(duì)電火花加工產(chǎn)生影響。在滿足穩(wěn)定加工的條件下，對(duì)電參數(shù)進(jìn)行分析研究，結(jié)合機(jī)床硬件及篩選實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，脈寬 Ton、占空比 D、峰值電流 Ip、電極極性是對(duì) MRR有顯著影響的參數(shù)。本文結(jié)合篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過全因子析因?qū)嶒?yàn)分析各參數(shù)對(duì)MRR的影響。首先，確定了所選因子的參數(shù)范圍；然后，利用Minitab軟件進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了四因子二水平外加六個(gè)中心點(diǎn)（正、負(fù)極性分別三個(gè)中心點(diǎn)）的全因子析因?qū)嶒?yàn)，其參數(shù)見表2。

表2 全因子析因?qū)嶒?yàn)參數(shù)表

由標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖可見，對(duì)MRR影響顯著的因子有：電極極性、脈寬、占空比、峰值電流及二階交互效應(yīng)脈寬與占空比、極性與脈寬、脈寬與峰值電流（圖2）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖

通過Minitab軟件生成的全因子析因?qū)嶒?yàn)主效應(yīng)圖見圖3?？梢?，電極負(fù)極性加工時(shí)的MRR遠(yuǎn)大于正極性加工時(shí)的，且MRR在所選參數(shù)范圍內(nèi)基本都隨著脈寬、占空比、峰值電流的增加而增大。為研究各參數(shù)對(duì)MRR的影響并求得最優(yōu)參數(shù)組合，需進(jìn)一步設(shè)計(jì)中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

圖3 全因子析因?qū)嶒?yàn)主效應(yīng)

1.3 最優(yōu)區(qū)域選擇實(shí)驗(yàn)

鑒于表2所示參數(shù)的高、低水平值不一定處于最優(yōu)區(qū)域，故需通過最陡上升路徑實(shí)驗(yàn)找到最優(yōu)區(qū)域，其方法是沿響應(yīng)最大增量方向逐步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到實(shí)驗(yàn)響應(yīng)值不再增加。

因?yàn)殡姌O負(fù)極性加工的MRR遠(yuǎn)大于正極性加工，故選用電極負(fù)極性進(jìn)行脈寬、占空比、峰值電流的三因子二水平另加三個(gè)中心點(diǎn)的全因子析因?qū)嶒?yàn)，得出線性回歸方程；在此基礎(chǔ)上，以最陡上升路徑法尋找拐點(diǎn)，即可得到最優(yōu)區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)脈寬為70 μs、占空比為24%、峰值電流為30 A時(shí)，MRR不再增加，初步說明最優(yōu)參數(shù)在這些拐點(diǎn)參數(shù)附近，故以此為基礎(chǔ)進(jìn)行三因子的中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)。

1.4 中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)

中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)是在全因子實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展完成的一種實(shí)驗(yàn)方法，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)具有較高的預(yù)測精度。由于本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備的脈寬、脈間不是連續(xù)可調(diào)，為得到機(jī)床可用脈寬、脈間參數(shù)，中心復(fù)合設(shè)計(jì)中的Alpha值取2。中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

表3 中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)分析得出的MRR曲面見圖4，MRR等值線見圖5?？梢?，當(dāng)峰值電流為30 A時(shí)，MRR隨著占空比、脈寬的增加呈先增大、再減小的趨勢；當(dāng)占空比為24%時(shí)，MRR隨著峰值電流、脈寬的增加呈先增大、再減小的趨勢；當(dāng)脈寬取70 μs時(shí)，MRR隨著峰值電流、占空比的增加呈先增大、再減小的趨勢。在峰值電流、占空比、脈寬所選參數(shù)范圍內(nèi)，固定其中一個(gè)參數(shù)，MRR隨著另外二個(gè)參數(shù)變化的規(guī)律與上述情況均相同，故可認(rèn)為在選定參數(shù)范圍內(nèi)存在MRR的最大值。

圖4 MRR曲面圖

當(dāng)峰值電流、脈寬一定時(shí)，占空比增大，能量密度增加，導(dǎo)致MRR增大；當(dāng)占空比超過臨界值時(shí)，由于脈間減小產(chǎn)生不充分消電離的情況，使放電狀態(tài)變差，MRR降低。當(dāng)占空比、脈寬一定時(shí)，峰值電流增大，能量密度增加，導(dǎo)致MRR增大；當(dāng)峰值電流超過臨界值時(shí)，蝕除產(chǎn)物不能迅速排出，使放電狀態(tài)變差，MRR降低。當(dāng)峰值電流、占空比一定時(shí)，脈寬變化對(duì)MRR影響不大，但由于交互作用，MRR也呈先增大、再減小的趨勢。

對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方差分析，得到MRR擬合公式為：

式中：T 為脈寬，μs；D 為占空比，%；I為峰值電流，A。

圖5 MRR等值線圖

對(duì)該擬合公式求偏導(dǎo)，可得出MRR極大值為35.331 mm3/min，此時(shí)脈寬為62.929 μs、占空比為20.9%、峰值電流為39.495 A。考慮到機(jī)床的實(shí)際可選參數(shù)，最終確定的最優(yōu)參數(shù)組合為：脈寬60 μs、占空比21.05%、峰值電流40 A。

3 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及參數(shù)適用范圍

3.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證MRR擬合公式的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了單因子驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：脈寬為60 μs，占空比為 21%，峰值電流分別為 32、36、40、44、48 A。 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通過式（1）計(jì)算得到的理論值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差不超過4%（表4），由此可證明式（1）對(duì)MRR的擬合度較高。

3.2 模型參數(shù)適用范圍

本文提出的MRR模型是由響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過Minitab軟件擬合得到，該擬合結(jié)果在脈寬為50~70 μs、占空比 20%~24%、峰值電流 30~50 A 的參數(shù)范圍內(nèi)較準(zhǔn)確。由于未充分消電離、能量密度過大而導(dǎo)致的放電狀態(tài)惡化現(xiàn)象，會(huì)大大降低MRR，并使擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。此外，放電狀態(tài)惡化還會(huì)導(dǎo)致工件積瘤現(xiàn)象發(fā)生，降低工件表面質(zhì)量的同時(shí)，使電極損耗增大。

表4 單因子驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過全因子析因?qū)嶒?yàn)得出影響鈦鋁合金電火花加工的顯著因素有：脈寬、占空比、峰值電流和電極極性，并分析了上述因子的變化規(guī)律。以電極負(fù)極性加工并通過最陡上升路徑法找到最優(yōu)參數(shù)區(qū)域，進(jìn)一步通過中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析了脈寬、占空比、峰值電流對(duì)MRR的影響規(guī)律，擬合得到了MRR的計(jì)算公式，并給出了MRR的最優(yōu)值及其對(duì)應(yīng)的加工參數(shù)。通過單因子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MRR擬合公式的準(zhǔn)確性，給出了擬合公式適用的加工參數(shù)范圍。

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Influence Experiment on EDM Processing Parameters of Titanium Aluminum Alloy

XU Haihua，KANG Xiaoming
（ School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China ）

In order to study the effect of EDM processing parameters on the material removal rate of TiAl alloy，a full factorial experiment was designed.The significant discharge parameters which influence the material removal rate were determined as electrode polarity，pulse duration，duty cycle and peak current.The range of the discharge parameters corresponding to the maximum material removal rate was found by the steepest path method.Based on these methods，a central composite response surface experiment was designed to obtain the formula of the material removal rate.The maximum material removal rate according to the formula was calculated，and the corresponding processing parameters were achieved.Furthermore，the validity of the material removal rate formula was verified and the range of the discharge parameters applicable to the formula was also given.

Ti-Al alloy；EDM；processing parameters；DOE experiment

TG661

A

1009－279X（2017）05－0053-04

2017-07-25

徐海華，男，1993年生，碩士研究生。