電極材料及極性對短電弧銑削鎳基高溫合金影響的研究*＊

許 燕 何巍楊 周建平 孫延龍

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊830047)

伴隨著工業水平的提高以及重大技術裝備的發展，具有高紅硬性、高強度、高韌性、高耐磨等特性的新型材料也隨之出現，人們對機械零部件等的加工性能也有了更高的要求，短電弧銑削加工應運而生［1－2］。

短電弧銑削加工雖然已經成功滿足航空航天、高鐵、船舶、核電等高端制造領域對難加工、復雜結構金屬材料的高效加工，以及能源機械、農牧機械、石油鉆采機械、工程機械發展的重大需求，但是在加工特性方面仍然存在一些還有待于進一步分析與探究的問題［3］。比如，雖然加工效率較其他特種放電加工有所提高，但是加工后表面質量還不夠高，工具電極還有一定的損耗，加工時是否存在極性效應等［4－5］。

本文針對短電弧銑削加工工具電極材料以及極性效應進行實驗探究，為后續加工以及短電弧銑削加工機理的分析起到參考推進作用。

1 短電弧銑削加工工具電極材料的選取

短電弧銑削加工時，工具電極材料的選取直接關系到加工后工件表面質量是否能有所提高以及工具電極損耗是否能夠降低，并且對加工時的穩定性也有所影響［6］。因此短電弧銑削加工時工具電極材料應滿足高熔點、高強度、小的熱膨脹系數、較好的導電導熱等性能［7－8］。

1.1 不同電極材料加工對試件表面質量的影響

短電弧銑削加工中常規的工具電極材料有石墨、銅等電極，石墨相對其他常規電極材料而言電極損耗較小，但是強度不夠，加工時容易發生斷刀現象，而銅電極雖然滿足高導電率、高強度要求，但是加工后的損耗卻相當嚴重，為了使工具電極不僅具有好的導電率、足夠的強度以及較小的電極損耗，本文選取了鎢銅合金材料作為工具電極材料。鎢銅合金綜合了鎢和銅的優點(如表1)，具有密度大、強度高、耐電弧燒蝕、耐高溫、加工時導電導熱性能好。

表1 鎢、銅的物理性能

為了驗證鎢銅合金是否適合短電弧銑削加工，本文選取了直徑18 mm，長115 mm的中空圓柱形電極，分別以銅、石墨、鎢銅作為工具電極材料進行短電弧銑削加工。加工時采用新疆大學自主設計研發的短電弧銑削機床，電源采用CHANT數字脈沖調頻電源，加工試件為35 mm×30 mm×10 mm的長方形鎳基高溫合金(GH4169)，實際現場加工如圖1所示。

試驗中放電參數U=25 V，K=500 Hz，D=50%，非電參數(加工極性、工作介質壓力、電極轉速等)保持一致，通過改變工具電極材料，宏觀觀察加工后各試件的表面質量，如圖2所示。

從圖2可以看出，采用3種不同工具電極材料分別加工鎳基高溫合金后的試件表面質量有明顯的差別。鎢銅作為工具電極加工后試件的表面質量要好于常規的銅、石墨電極加工后的試件表面質量。這是因為鎢銅合金材料本身具有良好的導電性以及足夠的強度，使加工時放電更加均勻，加工性能更好，且加工時的穩定性也較銅和石墨有較大的改善。

1.2 不同電極材料加工后損耗對比分析

在短電弧銑削加工中，工具電極材料的物理性能對加工后電極相對損耗也有顯著的影響。因此有必要通過短電弧銑削加工實驗分析出各種常用電極材料的優缺點，從而選出在加工時性能表現較好的一種電極材料。加工后工具電極宏觀形貌如圖3所示。

由圖3可以得出，采用不同工具電極材料加工后，電極宏觀形貌有明顯的區別。相對于鎢銅合金電極，銅、石墨電極損耗要大很多。這是因為短電弧銑削加工是利用工具電極與工件電極之間產生的受激發短電弧群組來達到熔融蝕除工件材料的目的。銅電極有較好的導電率，能產生更多有效的電弧，但是熔沸點較低，電極之間產生的熱效應在蝕除工件材料的同時，也造成工具電極會有一定的損耗。而石墨電極不僅有高導電率，且熔沸點也較高，相比銅電極，電極的損耗有明顯的降低，但不足的是機械強度不夠高，加工速率過大時，會造成斷刀現象。鎢銅合金材料則綜合了鎢與銅的特性，從而具有優良的綜合特性。從圖2、圖3也可以看出在鎢銅合金作為電極材料加工時，不僅可以獲得較好的試件表面質量，也能使工具電極損耗保持在較低的范圍內。

綜上所述，工具電極的損耗對試件的表面質量以及加工精度都有一定的影響，短電弧銑削加工要盡可能降低工具電極損耗的同時提高加工表面質量。通過對比試驗可以初步得出，鎢銅合金材料能滿足加工要求，且加工性能較常規的紫銅、石墨電極材料均有較大提高。

2 短電弧銑削加工極性效應

短電弧銑削加工主要是利用極間短電弧放電產生的瞬時高溫高能量來熔融蝕除工件材料，與此同時，工具電極也有一定的損耗，但是兩者的損耗程度有很大的差別。正常加工時，工件電極接脈沖電源正極，工具電極接脈沖電源負極，即正極性加工。在此條件下加工時，負極電子雖然質量相比正極離子較小，但是短時間獲得的速度卻要比正離子大很多，因此電子轟擊在工件電極產生的能量比正極離子轟擊在工具電極上產生的能量大，相應工件的蝕除量也要遠遠大于工具電極的蝕除量，如果采用負極性加工，則與之相反，工具電極的損耗顯著變大，而工件電極的蝕除量明顯降低。所以在短電弧銑削加工時，一般情況采用正極性加工。

為了進一步研究在短電弧銑削加工過程中是否存在極性效應及其作用規律，本文設計了單因素實驗，在電參數(脈沖電壓、脈沖頻率、占空比)，非電參數(工作介質壓力、電極轉速、進給速率)一定的條件下，改變加工的極性，來觀察短電弧銑削加工后的異同點，也為以后相關實驗的進行提供加工極性選擇的參考。

2.1 正、負極性工具電極損耗對比試驗

前文實驗表明，加工時要想獲得好的加工表面質量，又要使電極損耗在極小的范圍內，相比常規工具電極材料，采用鎢銅合金作為工具電極的材料是最優的選擇。但是本實驗要選擇即能保證較好的導電率，又能明確顯示出損耗量的工具電極，則石墨電極相對而言更適合此次試驗的需求。

實驗中的自變量因素分別取5組不同的數值，工作介質壓力保持在0.5 MPa，電極轉速為800 r/min，進給速率為100 mm/min，先進行正極性加工，之后再進行負極性加工。實驗結果如表2所示。

由表2可以得出，在相同實驗條件下，負極性加工時相對電極損耗比正極性加工時相對電極損耗要大，這是因為負極性加工時，工件電極產生的電子以極高的速度轟擊工具電極，將動能轉化成熱能，形成瞬時的高溫，從而導致工具電極的損耗，相比正極性加工，正離子轟擊工具電極的動能較小，轉化的熱能也較小，工具電極的損耗也因之較小。加工后的工具電極損耗形貌(如圖4)也可以體現出這一點，負極性加工時，工具電極的損耗主要體現在軸向損耗，而正極性加工只是工具電極底部外圓端面損耗比較嚴重，軸向的損耗經過試驗后的測量可知幾乎可以忽略不計。

表2 正、負極性加工后工具電極損耗對比

2.2 正、負極性加工效率對比試驗

通過實驗得知，極性效應不僅體現在工具電極損耗程度上的不一樣，在加工效率方面也有所區別。加工后的實驗結果如表3所示。

表3 正、負極性加工效率對比

由表3可知，采用正極性加工時，加工效率比采用負極性加工有顯著提升。一方面是由于負極性加工時工具電極損耗嚴重，不能形成穩定性加工，往往在試件還沒有加工完成，工具電極的損耗已經致使短電弧銑削加工的放電極間間隙大于產生電弧的最大距離，而導致加工中斷。由負極性加工后工件的宏觀形貌(如圖5)也可以看出，隨著加工電參數的增大，極間轉化的能量也隨之增大，在相應提高加工效率的同時，工具電極的損耗也越來越大，單道實驗的有效加工長度逐漸變小，且加工有效寬度也隨工具電極的損耗逐漸變窄，如圖5所示。

另一方面，正極性加工時，負電子以較大的動能轟擊工件，以致能量大部分集中作用在工件上，因此相比負極性加工，在加工效率方面有顯著提升。由圖6正極性單道實驗結果也可以看出，由于工具電極損耗較小，工件加工后的有效長度、寬度變化很小，綜合加工性能均有所提升，能滿足加工要求。

3 結語

短電弧銑削加工時，工具電極材料對工件表面粗糙度、加工精度、加工效率等均有較大的影響，因此本文首先設計了一組簡單的單因素實驗，即在保持各加工參數不變的條件下，改變電極材料，從而選出加工效果較好的工具電極材料。結果表明，鎢銅合金電極材料具有高導電率、高強度、耐磨損，加工穩定性好等良好的綜合性能，從而提高短電弧加工時的穩定性，且降低了工具電極自身的損耗。

其次，本文從理論層面分析了短電弧銑削加工過程中極性效應的產生，并通過正、負極性條件下的單因素單道實驗進行驗證。結果表明，在同等加工條件下，采用正極性加工會比采用負極性加工在加工效率方面會有很大提升，且工具電極自身損耗較之有明顯降低。