電極材料對GH4169短電弧銑削加工性能影響的實驗研究??

毛俊豪 周建平 許 燕 胡國玉

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊830047)

GH4169合金是含鈮、鉬的時效硬化型鎳基變形高溫高強合金.該合金具有優異的熱穩定性、抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能以及良好的加工性能、焊接性能[1-2].目前GH4169合金已經在宇航發動機、高鐵、船舶、核能工業等高端制造業廣泛應用.但GH4169合金導熱率低、比熱容小、高溫強度高,故在冷加工過程中主要表現為熱應力大、加工效率低、加工精度低及粘刀現象嚴重等特點[3].近些年來,由于GH4169合金應用領域和使用量的增多,如何實現此類合金的高效加工就顯得尤為重要.

SEAM加工是在氣液兩相混合介質作用下利用電極間產生的高能束電弧熱源實現導電硬面材料的高效去除,不受工件材料高強度、韌性、高耐磨性等條件限制,為GH4169的高效去除提供方案[4-5].研究證明,放電加工過程中工具電極材料決定了分配到工件表面的能量進而影響工件材料的高效蝕除.因此,合理選擇工具電極材料可有效提高GH4169的加工性能,進而為SEAM加工工藝理論和方法奠定良好的實驗和理論基礎.

1 實驗設備及加工機理

1.1 實驗設備

依托于數控技術與特種加工研究所、金相實驗室、理化測試中心、材料機械性能測試室,在數控短電弧銑削加工機床上開展GH4169合金SEAM加工性能實驗研究.所用儀器設備主要包括:

(1)數控短電弧銑削加工機床(圖1)、線切割加工機床.

(2)金相鑲嵌機、金相試樣磨拋機、HXD-1000TB視屏顯示維氏顯微硬度儀.

(3)MJ21正置顯微鏡、SUPRATM55VP掃描電子顯微鏡、PS-08超聲波清洗機.

1.2 加工機理

SEAM加工是依賴于電能和熱能進行熱侵蝕加工的新工藝,其基于非接觸式極間不斷產生持續的電弧等離子體高能束熔化或氣化工件表面材料,并在水霧混合介質射流動力作用下完成剝離去除.加工機理如圖2所示.加工過程中,旋轉工具電極逐步靠近工件.隨著極間間隙減小,極間電壓升高導致極間電場強度E急劇增大,導電微粒在電場作用下向兩極高速運動并相互碰撞電離,使帶電粒子雪崩式激增擊穿工作介質形成等離子體通道.電弧通道內產生的高密度熱能通過熱傳導、熱輻射等方式轉移至工件表面,使工件局部待加工區域熔化,熔體在高壓氣流吹除力、熱爆力等的共同作用下被帶離放電工作區域.

2 實驗條件

2.1 實驗材料

GH4169合金具有良好的綜合性能,能夠制造各種形狀復雜的零部件,在承受高載荷、高耐磨的核能、石油工業及擠壓模具中得到廣泛應用[2].實驗選擇鎳基合金GH4169為工件材料,化學成分如表1.試件尺寸為35 mm×25 mm×8 mm.在SEAM加工過程中,電極材料的物理特性對MRR、TWR、工件表面完整性有顯著影響[6-7].選擇石墨和鎢銅作為工具電極材料開展實驗研究.石墨、鎢銅及鎳基合金GH4169熱學物理常數如表2.

材料蝕除率(MRR)一般用單位時間內工件材料電蝕質量考量,即蝕除速度Vm＝m/t,g/min.實驗前后工具和工件電極均經過超聲清洗和烘干處理以保證實驗參數正確可靠.電極相對損耗比(TWR)為工具電極與工件材料質量蝕除速度百分比,計算公式為:θ＝(Vw/Vm)×100%,式中Vw為單位時間內工具電極質量損耗速度,g/min.

表1 GH4169合金化學成分

表2 電極材料熱學物理常數

2.2 工藝參數設置

針對工具電極與SEAM加工性能的相互影響關系,開展不同工具電極條件下電參數對MRR、TWR、表面形貌影響規律實驗.實驗電極尺寸為外徑D:φ18 mm,內徑 d:φ6 mm,長 L:200 mm；吃刀深度 1 mm,主要工藝因素見表3.

表3 短電弧銑削加工試驗條件

3 實驗結果與分析

3.1 MRR分析

SEAM加工過程中工件表面的高能束電弧熱源決定了電極材料的蝕除量.圖3所示為脈沖電壓、占空比、頻率作為變量時不同工具電極加工的MRR變化曲線.由變化曲線圖可看出:當放電參數一定時,鎢銅合金電極的電導率較大使工作介質擊穿電壓下降,放電間隙增大,利于蝕除產物排出極間,減少熔融產物堆積,放電狀態穩定,提高了加工效率.最低能量密度高使兩電極間最低能量密度差值大,有利于工件材料的電蝕加工使MRR增大.

分析圖3a可得,在相同工具電極條件下,脈沖電壓將影響電弧放電通道產生的熱能.電場強度E＝U/d,式中U為脈沖電壓；d為極間間隙.當極間間隙d不變時,電場強度必然隨脈沖電壓增大而增大,放電時極間介質擊穿的幾率就會增大,放電間隙電弧能量密度增大,MRR也就越大.當電壓過大時,由于通道的膨脹有限,勢必造成能量密度過大,短時間內燭除產物迅速增加,讓加工工件來不及冷卻,較多的熔化物殘留在加工表面,電壓對蝕除速率的影響減弱.

占空比越大,單位時間內的脈沖時間越多,相應的電弧等離子體能量增加導致 MRR增加.但是,當MRR達到閾值后,MRR隨著占空比的增加而減小,如圖3b所示.原因如下:占空比增大,單位時間放電持續時間增長,單脈沖放電通道有足夠時間膨脹變寬,故放電通道中放電能量密度減小,電弧能量減弱.電弧能量不足以提供噴射出工件表面熔融材料的熱爆炸力,導致熔體受氣液混合介質冷卻凝固在工件表面,因而MRR會有所下降.

分析可知,MRR受脈沖頻率影響顯著,見圖3c.若占空比、脈沖電壓為定值,脈沖頻率增大時,相同放電時間內脈沖放電密度增大,相應放電能量增大,因而MRR越大.當頻率過大時,脈沖間隙熔融狀態蝕除顆粒增多導致消電離不能正常進行,進而SEAM加工過程不穩定,造成MRR下降.

3.2 TWR分析

圖4為采用不同電參數及電極材料進行SEAM加工GH4169的TWR關系曲線.SEAM加工過程中放電通道高密度能量束蝕除工件材料,因此不可避免存在工具電極的熱蝕現象.在同等加工條件下,銅鎢合金電極兼有銅和鎢的物理特性,高導熱系數使得電極上的熱量快速傳遞到其他部位,電極自身吸收能量減少,迅速降低鎢銅電極表面溫度,電極損耗降低.同時,在放電通道的陰極存在陰極壓降,鎢銅合金電極最低能量密度和表面逸出功高,增大了電子逃逸出陰極表面時所需能量,電子更不易逸出相應減少正離子數目[8],電極損耗相應減少進而降低了TWR.

由圖4a可看出,不同脈沖電壓導致SEAM加工的TWR不同.當脈沖電壓增加,完成脈沖放電幾率增加,放電間隙能量增大,電極受高溫熱源作用損耗變大.由電弧等離子體能量分配理論,陰極獲得的能量比陽極要少[9-10].故當增大電壓時,工具電極將獲得較少的電弧能量,因此TWR較小.隨著脈沖電壓的升高現象更加顯著.

隨著占空比的增加,單位時間內放電幾率增大,電離出電子增加,獲得更多脈沖能量蝕除工件材料的速度較工具電極損耗大,TWR相應降低；但占空比過大時,電子在電場作用下高速向陽極運動撞擊水氣混合介質中分子或中性原子,碰撞電離出更多正離子降低高速負電子轟擊工件表面的幾率,同時正離子獲得更多能量奔向陰極使電極表面獲得更大能量,故TWR增大,變化趨勢如圖4b.

SEAM加工過程中脈沖頻率的增加將導致工件總蝕除量增大,蝕除產物將濺射到工具電極表面形成鍍覆膜降低TWR.隨著熔融產物增多,放電加工電離不徹底使電極出現抗刀現象.電極與工件接觸相互磨損致使損耗增大,故TWR增大,變化趨勢見圖4c.

3.3 表面形貌分析

圖5、6分別為同等條件下石墨電極、鎢銅合金電極SEAM加工工件表面顯微形貌.分析可得,不同的工具電極加工效果不同.兩種電極材料加工的工件表面由于急熱驟冷交互作用都形成了放電凹坑、微裂紋、熔滴等微觀組織.分析圖5可得,采用石墨電極SEAM加工過程中溫度梯度或金屬組織相變產生的熱應力較大,工件表面產生的微裂紋較寬,且溶體尺寸大于鎢銅合金電極加工的,這將影響工件的疲勞強度、耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性等進而影響零件整體使用性能.鎢銅合金電極導電率大,加工過程中放電間隙增大,放電通道較寬有利于形成平整度較好的工件表面,故鎢銅合金作為工具電極時加工表面顯微形貌較好,如圖6所示.

圖7為工件加工表面形貌,分析可得到加工表面由一系列無序的“橢圓形”放電凹坑和熔滴疊加形成,工件整體紋路表現為有序的類波紋狀.隨著脈沖電壓和占空比的增大,圖7c的放電凹坑數量比圖7a、b的少且凹坑的平均深度較深(圖7c工件金相照片上放電凹坑的顏色比圖7a、b深),這是由于占空比和電壓增大,單次脈沖放電有效加工能量增大.大量工件材料融化而未被蝕除凝固在工件表面,形成較深的放電凹坑和較大的不規則熔體,而數量有所減少.

3.4 顯微硬度分析

SEAM加工屬于熱蝕除過程,加工過程使工件表面形成熔融凝固層、淬火層、回火多相組織層,改變表面硬度,影響后續精加工過程.因此,需要對表面硬度進行測量分析.采用HXD-1000TB視屏顯示維氏顯微硬度儀測定工件截面顯微硬度,變化趨勢如圖8.分析可得出,由工件表面向基體硬度值逐漸降低,在0～100 μm硬度值較大,距工件表面170 μm處出現最小值.分析原因如下:根據不同晶粒尺寸材料中的H-P公式:HV∞d-0.5可知[11]:顯微硬度HV與晶粒尺寸成反比,晶粒細化程度高,顯微硬度越大.SEAM加工過程中,在溫度梯度作用下形成細小晶粒分布于晶界下阻礙晶粒進一步長大,形成具有致密晶粒層的凝固層,致使表面顯微硬度高于基體.隨著能量垂直方向的逐級傳遞,次表層受高溫影響達到的溫度也足以引起回火,工件組織受到變質處理產生高溫回火效應形成回火層產生更大的金相組織,所以低于基體顯微硬度.

4 結語

本文圍繞MRR、TWR、工件加工表面形貌、顯微硬度與石墨、鎢銅合金電極材料物理特性的相互影響關系開展SEAM加工性能實驗研究.實驗表明:

(1)采用石墨、鎢銅合金作為工具電極進行SEAM加工實驗時,鎢銅合金電極加工效果較好,更適合GH4169的SEAM加工.

(2)實驗研究發現相同放電參數下鎢銅合金電極SEAM加工MRR可比石墨電極加工的提高22%,TWR低于石墨電極且最小值小于1%.

(3)采用鎢銅合金電極加工工件表面裂紋寬度、不規則熔體較小.并且表面顯微硬度由工件表面向基體逐漸降低,在距工件表面170 μm處出現回火層硬度達到最小值.