霍金星，尹瀛月，馬玉財，張建華，劉 勇

（1.山東大學機械工程學院，高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南250061；2.山東大學機械工程學院，機械工程國家級實驗教學示范中心，山東濟南250061；3.山東大學（威海），力學與機電裝備聯(lián)合工程技術研究中心，山東威海264209）

鎳基合金Hastelloy X因較高的熱穩(wěn)定性與良好的耐腐蝕性廣泛應用于航空工業(yè)中。相比于鑄造、切削等傳統(tǒng)成形Hastelloy X的工藝，激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）技術在制造具有精確和復雜結構的組件方面具有獨特優(yōu)勢。然而，采用SLM技術成形小孔時生產(chǎn)效率高，但成形精度低、孔口尺寸精度差、內(nèi)壁表面粗糙度值大，內(nèi)壁表面質(zhì)量決定了結構質(zhì)量與性能，需要進行后續(xù)精加工[1]。采用電火花加工小孔圓度與精度好，但孔內(nèi)壁會產(chǎn)生重熔層、微裂紋、熱影響區(qū)等影響加工效果；電液束加工的小孔深徑比高，但加工設備與工藝復雜，加工效率相對低。復合加工方法的出現(xiàn)在一定程度上提高了加工材料的表面質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外學者在電解復合加工鎳基高溫合金小孔方面取得了眾多突破性成果。Ghoshal等[2]進行了超聲輔助射流電解小孔的研究，得出超聲振動有利于提高鉆孔效率的結論，且小孔錐度隨著超聲振動脈寬的增加而減小。尹瀛月等[3]通過試驗探究了NaNO3溶液中成膜電位對GH3536鈍化膜性能的影響，在理論上為電解磨削加工GH3536合金奠定了基礎?；艚鹦堑萚4]通過單因素試驗，探究了脈沖電壓、進給速度、超聲振幅對GH3536板材孔內(nèi)壁表面粗糙度與平均錐度的影響規(guī)律。馬玉財?shù)萚5]在上述基礎上，利用正交試驗方法研究超聲輔助電解磨削GH625微小孔的技術規(guī)律，得到了最小平均錐度0.036°、最佳表面粗糙度Ra0.499μm的小孔。Zhu等[6]研究了0Cr18Ni9不銹鋼板電解磨削復合加工中電加工參數(shù)、進給速度、陰極磨頭轉速、陰極磨頭目數(shù)等對表面質(zhì)量的影響，得到了最佳表面粗糙度Ra0.31μm的不銹鋼表面。Kong等[7]運用超聲輔助電解磨削加工GH3030微孔，利用單因素試驗法研究電參數(shù)、電極轉速、進給速度等加工參數(shù)對于表面粗糙度的影響，最終獲得表面粗糙度Ra0.14μm的微孔，但未系統(tǒng)分析各超聲振動因素和電加工因素與表面質(zhì)量的相互響應關系。

本研究采用超聲波輔助電解磨削的復合加工方法，通過單因素試驗法，研究了磨頭目數(shù)、主軸軸向超聲振幅、主軸轉速對SLM成形Hastelloy X高溫合金超聲輔助電解磨削的影響，隨后采用響應曲面法優(yōu)化和分析各個參數(shù)間的相互作用，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，以獲得更好的表面質(zhì)量。

1 試驗加工部分

1.1 SLM成形Hastelloy X合金的制備

激光選區(qū)熔化件的制備采用SLM125成形機，成形基材為尺寸48 mm×48 mm×10 mm的GH3536方形試件，打印前利用水磨砂紙細磨拋光，并用無水乙醇擦拭、清洗，去除試件表面污漬。燒結粉末為Hastelloy X鎳基合金粉末，平均粒徑小于50μm，掃描電鏡下形狀為規(guī)則的圓球狀，粒子表面光滑，粒子間無粘連現(xiàn)象，粉末流動性較好，如圖1所示。每次試驗前先對粉末進行烘干處理，防止粉末間粘結，影響最終成形質(zhì)量。合金粉末與方形試件的化學成分見表1。

表1 Hastelloy X及GH3536的化學成分

圖1 Hastelloy X鎳基合金粉末電鏡圖

激光選區(qū)熔化試驗打印工藝參數(shù)為：激光功率165 W、掃描速度1000 mm/s、掃描間距0.1 mm、層厚30μm，棋盤式掃描路徑，逐層掃描打印48 mm×24 mm×44 mm的Hastelloy X打印件，最終得到的打印件如圖2所示。宏觀分析Hastelloy X成形件表面平整、無凹坑與裂紋，成形質(zhì)量較好，符合后續(xù)加工試驗要求。

圖2 Hastelloy X鎳基合金SLM成形樣件

1.2 超聲振動輔助電解磨削試驗

超聲振動輔助電解磨削試驗材料為制備的Hastelloy X高溫合金試件，采用電火花線切割加工成厚度為1.2 mm的板件。電解磨削試驗前，采用管電極電解直徑為（950±30）μm的通孔。磨削刀具（陰極）選用整體球頭電極，磨粒為金剛石，鍍層為鎳，具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和較長的加工壽命。磨頭的基本參數(shù)見表2，SEM形貌見圖3。

圖3 磨頭SEM形貌

表2 磨頭參數(shù)

電解液為超聲振動電解磨削加工中重要的影響因素，采用不同的電解液加工相同材質(zhì)的工件會有不同效果。在實際電解磨削加工中，為了抑制雜散腐蝕，一般使用鈍性電解液，粗加工采用高濃度電解液，反之則采用低濃度[4]。表3是試驗采用的工藝方案，超聲振動電解磨削復合加工試驗采用質(zhì)量分數(shù)10%的NaNO3溶液，溫度為35℃，該條件下Hastelloy X鎳基合金更易形成穩(wěn)定的鈍化膜[8-9]，提高加工精度與表面質(zhì)量。

表3 工藝參數(shù)

2 試驗結果分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 總體方案

基于多次電解磨削試驗探究[4]，初步確定了磨頭目數(shù)、超聲振幅、主軸轉速是影響超聲振動輔助電解磨削擴孔內(nèi)壁表面粗糙度的主要因素，為了得到較高的孔內(nèi)壁表面質(zhì)量，需要對試驗的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。固定峰值電壓4 V、進給速度0.5 mm/min不變，通過改變磨頭目數(shù)、超聲振幅、主軸轉速進行試驗，采用光學輪廓儀測量孔內(nèi)壁表面粗糙度，各個表面粗糙度結果采用五點測量法選取平均值進行分析以提高試驗有效性和可靠性。

2.1.2 磨頭目數(shù)對孔壁質(zhì)量的影響

在超聲振動輔助電解磨削過程中，磨頭磨粒直接作用于小孔表面，對小孔加工質(zhì)量與加工效率有很大的影響，選擇合適的磨頭目數(shù)尤為重要。圖4是在不同磨頭目數(shù)下孔內(nèi)壁的表面粗糙度，其中峰值電壓為4 V、進給速度為0.5 mm/min、超聲振幅為4μm、主軸轉速為10 000 r/min，磨頭目數(shù)分別為600、800、1000、1200、1500目?？梢?，小孔內(nèi)壁表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在磨頭目數(shù)達到1200目時，表面粗糙度達到最小值Ra0.34μm。

圖4 磨頭目數(shù)對小孔內(nèi)壁表面粗糙度的影響

圖5是磨頭目數(shù)為1500目時孔內(nèi)壁的表面形貌，表面質(zhì)量有所下降，這是由于金剛石磨粒在鍍層外尺寸較小，加工時陰極與陽極間隙減少，雖然這種條件可得到較為光滑的表面，但由于此時電解液流動性較差，加工穩(wěn)定性變差，極易發(fā)生點蝕及短路現(xiàn)象，從而導致加工表面質(zhì)量下降。保留800、1000、1200目進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖5 1500目磨頭下的內(nèi)孔表面形貌

2.1.3 超聲振幅對孔壁質(zhì)量的影響

圖6是在不同超聲振幅下孔內(nèi)壁的表面粗糙度，其中峰值電壓為4 V、進給速度為0.5 mm/min、磨頭目數(shù)為1200目、主軸轉速為10 000 r/min，超聲振幅驅動幅度分別為2、4、6、8μm?？梢?，隨著超聲振幅增加，小孔內(nèi)壁表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在超聲振幅為0.4μm時，達到最小值Ra0.3μm。保留超聲振幅2、4、6μm進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖6 超聲振幅對小孔內(nèi)壁表面粗糙度的影響

2.1.4 主軸轉速對孔壁質(zhì)量的影響

圖7是不同主軸轉速下孔內(nèi)壁的表面粗糙度，其中維持峰值電壓為4 V、進給速度為0.5 mm/min、磨頭目數(shù)為1200目、超聲振幅為4μm，主軸轉速分別為8000、10 000、12 000、14 000、16 000 r/min。可見，隨著主軸轉速增加，小孔內(nèi)壁表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢，在主軸轉速為12 000 r/min時，達到最小值Ra0.26μm。保留主軸轉速10 000、12 000、14 000 r/min進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖7 主軸轉速對小孔內(nèi)壁表面粗糙度的影響

2.2 響應面試驗優(yōu)化

單因素試驗中已對磨頭目數(shù)、超聲振幅及主軸轉速三個參數(shù)初步優(yōu)選，但是僅得到相應參數(shù)下孔內(nèi)壁表面粗糙度的大小，并未得到綜合最優(yōu)值。因此，為探究超聲輔助電解磨削過程中磨頭目數(shù)、超聲振幅、主軸轉速三個因素對表面粗糙度的影響規(guī)律，使用響應面法分析出最優(yōu)解。本文響應曲面法采用Box-Behnken設計，采用多元二次回歸方程對試驗因素（超聲振幅A、磨頭目數(shù)M、主軸轉速n）和響應值（表面粗糙度Ra）進行函數(shù)關系上的擬合，利用Design-Expert軟件，設計的因素水平表見表4。

表4 試驗因素與水平

根據(jù)響應曲面法原則，利用表4的設計進行超聲振動輔助電解磨削擴孔試驗，以各加工因素為自變量，以試驗后的小孔粗糙度為評價指標，得到的試驗結果見表5。

表5 試驗結果

表6是回歸模型的方差分析，可見回歸模型的P值小于0.0001，這說明模型的顯著性高，且模型的失擬項P值為0.1786，大于0.05，說明該模型失擬性不顯著，擬合程度較高。此外，模型的決定系數(shù)R2與校正決定系數(shù)均接近于1。由P值可以判斷，三個試驗因素對小孔內(nèi)壁表面粗糙度都有顯著影響，影響從大到小依次為超聲振幅、磨頭目數(shù)、主軸轉速。

表6 二次多項式模型的方差分析

根據(jù)二階回歸方程模型和響應曲面分析，各銑削參數(shù)間存在交互作用，選擇顯著的交互項制作三維立體響應曲面及其等高線，得到的結果見圖8?？梢妶D8a中曲面彎曲程度和響應值區(qū)間明顯比圖8b、8c大，可知超聲振幅與磨頭目數(shù)之間的交互作用對表面粗糙度的影響大于主軸轉速與超聲振幅、主軸轉速與磨頭目數(shù)的交互作用的影響。

圖9是不同超聲振幅下的小孔內(nèi)壁形貌圖，結合圖8a可知，隨著超聲振幅增大，小孔內(nèi)壁表面粗糙度也增加，這是由于超聲振幅所需去除的鈍化膜及生成物的厚度遠大于機械磨削，磨頭在一個振動周期內(nèi)長時間與工件接觸，發(fā)生短路現(xiàn)象，并持續(xù)以磨削的方式去除材料，導致磨削力增大，加工環(huán)境溫度增高，加速磨料脫落，使加工表面質(zhì)量變差。

圖9 不同振幅下的小孔內(nèi)壁形貌圖

圖10是不同磨頭目數(shù)下的小孔內(nèi)壁形貌圖，結合圖8c可知，隨著磨頭目數(shù)增大，對工件表面鈍化膜的去除越均勻，同時加工間隙也越小，可獲得較高的加工表面質(zhì)量；另一方面，當磨粒目數(shù)過高，金剛石磨粒露出鍍層的尺寸過小，會導致加工間隙過小，加工穩(wěn)定性變差從而易發(fā)生瞬間短路，形成較為明顯的點蝕凹坑，使得加工表面質(zhì)量下降。

圖8 各個因素的交互作用

圖10 不同目數(shù)下的小孔內(nèi)壁形貌圖

2.3 試驗結果驗證

通過Design-Expert軟件對電解磨削試驗參數(shù)進行優(yōu)化設計，得到最佳電解磨削參數(shù):主軸轉速10 836 r/min、磨頭目數(shù)1010、超聲振幅3.316μm，可得表面粗糙度為Ra0.246μm的孔內(nèi)壁表面。

為了驗證響應曲面法試驗優(yōu)化結果的準確性，選取試驗條件為主軸轉速10 836 r/min、磨頭目數(shù)1000、超聲振幅3.3μm進行超聲振動輔助電解磨削試驗，得到孔內(nèi)壁表面粗糙度為Ra0.25μm，優(yōu)化后的預測結果誤差小，說明基于響應曲面法的優(yōu)化試驗可得到更優(yōu)的電解磨削參數(shù)。

3 結論

（1）采用單因素試驗法，得出磨頭目數(shù)、超聲振幅、主軸轉速對超聲振動輔助電解磨削加工表面質(zhì)量影響規(guī)律，初步篩選響應面法試驗的加工參數(shù)。

（2）利用響應面法得知，超聲振幅對內(nèi)孔表面粗糙度影響較大，磨頭目數(shù)次之，主軸轉速的影響較小，證明了響應面法預測電解磨削的可靠性。

（3）通過響應面法試驗參數(shù)優(yōu)化，在主軸轉速10 836 r/min、磨頭目數(shù)1000、超聲振幅3.3μm的條件下，得到最優(yōu)表面粗糙度Ra0.25μm的孔內(nèi)壁表面，提高了Hastelloy X高溫合金件的加工質(zhì)量。