黃銅電極對直流短電弧銑削Ti-6Al-4V的加工實驗探究*

周宗杰 王立忠② 周建平 許 燕 劉 凱

(①新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；②西安交通大學大學機械工程學院，陜西 西安 710049)

鈦合金Ti-6Al-4V具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等良好的機械性能特點，被廣泛用于制作飛機發動機壓氣機部件和火箭、導彈和高速飛機的結構件[1]。然而在銑削加工中，由于鈦合金材料的導熱系數低，產生的熱不易傳出，導致在切削變形區和切削刃附近較小范圍內產生極高的溫度，大幅度縮短刀具壽命，造成加工效率低、成本極高等問題[2]。因此，放電加工作為一種難加工導電材料零件的有效加工方法，在微電子技術、電力電子技術和現代控制等技術的推動下，其制造水平得到了迅速發展。

短電弧銑削加工是在一定比例和壓力氣液混合物介質的作用下，利用電極間短電弧放電所產生的瞬時高溫來蝕除導電金屬的加工方法，采用低壓高電流源在水-空氣混合介質或空氣中產生連續電弧快速去除導電金屬材料[3]。短電弧銑削加工前期已經有了一定的研究基礎，但大部分采用脈沖電源，由于輸出功率的限制導致總體上加工效率偏低[4-6]，因此，本文采用黃銅作為電極材料研究工藝參數對直流短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V進行實驗研究。

1 實驗設置

1.1 實驗原理

短電弧放電加工是一個多物理場耦合作用下的局部非平衡熱力學過程，其本質是通過加在工具電極和工件電極上短距離范圍內的電壓擊穿，形成短距離通道內的電弧放電，電弧通道內產生的高密度熱能使零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蝕除。其加工原理圖如圖1所示，主要包括數控機床、電源、空氣壓縮機、水循環系統、數據采集系統和高速攝像系統。

如圖2a所示,工作時，隨著電極間間隙減小，電極間的電場強度急劇增大，氣液混合介質中含有一定數量的導電微粒(如金屬微細顆粒、液體中的導電離子等)，在電場作用下，導電微粒在電場強度下也將起到“橋接”作用，致使電極之間的電子、導電離子在電場作用下向兩極運動，電子在高速向陽極運動時撞擊水氣兩相混合介質中分子或中性原子，產生碰撞電離，形成更多的帶負電的電子和帶正電正離子，導致帶電粒子雪崩式激增，可在幾微秒內產生極高溫度。在高溫作用下電弧周圍形成氣化、融化和熱影響區。電弧通道內產生的高密度熱能使零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。圖2b為短電弧現場加工圖片。

1.2 實驗條件

實驗設備包括：

(1)實驗設備：短電弧數控銑床，大功率脈沖電源，金相顯微鏡，金相試樣磨床，拋光機。

(2)工件材料：Ti-6Al-4V；其機械性能列于表1。

表1 Ti-6Al-4V的機械特性參數

(3)工具電極：使用黃銅管狀電極，內徑為6 mm，外徑為18 mm；電極和工件材料在室溫下的熱物理性質列于表2。

表2 室溫下電極和工件材料的熱物理性質

(4)測試設備：精度為0.1 mg的精密天平，DEWESoft Siriusi多通道數據采集系統，顯微硬度測試儀(HXD-100tb)，掃描電鏡(MERLIN Compact)，超景深顯微鏡(VHX-6000)。

1.3 實驗設置

為探究黃銅電極材料對短電弧加工鈦合金Ti-6Al-4V的影響規律，本文中以不同輸入電壓、介質壓力和主軸轉速為變量進行實驗，詳細實驗方案參數如表3所示。通過提取加工峰值電流(Ip)、單次電弧放電時間、材料去除率(MRR)和電極損耗率(TWR)等數據，并對加工工件的表面微觀形貌、截面形貌、化學成分及顯微硬度進行研究。通過高速攝像機和數據采集系統研究直流短電弧的能量大小和電流變化機理。

表3 直流短電弧銑削Ti-6Al-4V實驗方案

MRR、TWR、SEC的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中：Mwi和Mwj分別指加工前后工件的質量,g;ρw指工件的密度,g/cm3;t為加工時間,min;Mei和Mej指加工前后工具的質量,g;V指加工時電源輸出的電壓,V;I指通過間隙的電流,A;SEC為蝕除單位體積材料所消耗的能量。

2 實驗結果分析

2.1 工藝參數影響規律

電壓變化對直流短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V的影響規律如圖3所示。由于電壓的升高，材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Sa)增加，而能耗(SEC)和電極損耗(TWR)降低，這主要是因為隨著輸入電壓的升高，電極和工件之間電場強度增加使得放電通道更加容易建立并形成多點同時放電，導致單位時間內電弧能量密度增加，同時極大程度的降低了由于低電壓時能量不夠而引起的瞬態機械磨損甚至短路、撞刀等現象，所以電極損耗(TWR)和能耗(SEC)也隨之降低，其最小值分別為113.2 kJ/cm3和42.77 μm。放電間隙的電弧能量升高可以很大程度地提高加工速度，這也是MRR增加的重要原因；而電弧的能量密度增加使得單次放電的凹坑尺寸增加，所以Sa也會增加。

圖4為工作介質壓力變化對于短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V的加工影響規律。從圖中可以看出，材料去除率(MRR)在壓力為0.3 MPa時達到最大值2 906 mm3/min，這是由于介質壓力太小時，不能夠及時沖走放電間隙的蝕除物而影響加工效率；介質壓力過大時由于“流體斷弧”現象促進電弧的熄滅，不利于電弧的穩定放電[7]。“流體斷弧”現象導致單次放電峰值電流較小，電弧能量密度降低，單次蝕除材料體積減小，加工速度變慢，這也同時使得能耗(SEC)隨介質壓力的增加而升高，電極損耗(TWR)和表面粗糙度(Sa)降低。

主軸轉速對短電弧銑削鈦合金的加工影響規律如圖5所示。電極隨主軸轉速升高而增加，引起單位時間內電極相對工件的位移增加而促進電弧的“拉斷”，導致電弧單次放電能量較小[8]。因此在相同加工速度下，主軸轉速會不同程度增加電極和工件材料表面的瞬態接觸和機械磨損的概率，這也導致材料去除率(MRR)、能耗(SEC)和表面粗糙度(Sa)隨主軸轉速的增加而降低，而電極損耗(TWR)呈上升趨勢，最大值達到79.7%。

2.2 放電波形和電弧形態

圖6為短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V過程中的輸出電壓、電流波形，從圖中可以看出峰值電流達到了1 101 A，同時電源電壓也在放電點呈現出一定的壓降，符合放電加工的間隙伏安特性。從放大圖中可知其放電持續時間為41.78 ms，而電流的變化是由于放電點的數量變化而引起的。整體放電密度較低，峰值電流之間的間隙時間遠大于電弧的消電離時間，這表明加工速度還可適度提高。

圖7為短電弧銑削Ti-6Al-4V過程中通過高速攝像儀捕獲的電弧形態圖片，從圖中可以看出電弧隨著電極的旋轉同步運動，放電間隙的蝕除物隨電極旋轉和工作介質的沖刷下被拋出加工區域，同時對工件表面進行冷卻。這也充分說明維持電弧的穩定燃燒需要多個工藝參數間的相互匹配，只有找到各參數間對應的相互影響規律才能提高加工效率。

2.3 尺寸精度

圖8為提取短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V (30 V、0.3 MPa、1 500 r/min)工件的不同位置截面輪廓。從圖中的電極形貌可以看出加工后的電極損耗主要為端面和邊角損耗，所以在加工的過程中加工輪廓會會隨著電極損耗的變化發生尺寸變形如圖工件照片所示。通過將工件的不同位置截面輪廓數據提取并生成三維圖，在相同高度下測量不同位置的寬度分別為17 681.4 μm和15 706 μm，尺寸差為1 974.7 μm，而這將在后一步的精加工處理中進行加工。

2.4 微觀形貌及硬度

圖9為通過超景深顯微鏡拍攝的短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V (30 V、0.3 MPa、1 500 r/min)工件的表面三維形貌。從圖中工件照片可以看出表面有加工過程中明顯的電弧移動帶來的蝕除物堆積的痕跡，表面粗糙度Sa和最高峰值高度分別為42.77 μm和493.7 μm。偏斜度Ssk為0.84 μm，說明表面高度分布相對于平均面偏上，這是由于黃銅的熔點和沸點都低于鈦合金，加工過程中未及時排出的融化電極材料由于工作也冷卻再次凝固在表面而成。

圖10和圖11分別為Ti-6Al-4V工件表面的微觀形貌和再鑄層能譜，從圖10中可知在工件表面存在不同程度的微裂紋、球形熔滴和再鑄層。其中微裂紋是由于未能及時排出的蝕除物在工作介質的快速冷卻下覆蓋在工件表面，因溫度的急劇變化而產生的集中應力超過材料的屈服極限應力時所形成。球形熔滴是由于熔池中的液滴受到自身表面張力和重力的作用下落在再鑄層上。再鑄層是由于兩極之間熔化后的金屬材料未能及時排出而再次凝固在工件表面產生。

通過對再鑄層進行能譜分析如圖11所示，可以看出在熔滴中和再鑄層的主要元素成分為C、Cu、O、Ti等金屬元素，這主要是因為在高溫下，C、O和Cu、Ti容易發生化學反應生成銅的氧化物以及鈦的氧化物和碳化物附著在工件表面，導致電極材料和工作介質中的主要元素發生遷移和滲透至再鑄層或熱影響層，而這種元素的遷移量或者滲透的深度是由電極自身的損耗量和極間的化學反應成度決定的。

圖12和圖13分別為Ti-6Al-4V工件的截面微觀形貌和硬度測試圖。從圖12中可以看出工件的熱影響區范圍是24.3～41.4 μm，這是因為鈦合金的熱傳導率較差，短電弧加工過程中高溫的累積使得工件表面及以下部分基體材料發生微觀組織變化而產生，使得材料的表面性能發生變化，需要在后續加工中進行再處理。

為了研究短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V后工件截面微觀硬度的變化，對工件截面進行硬度測試如圖13所示，由圖可知再鑄層的硬度相對較高，最大值達到了696 HV，這主要是由于再鑄層表面含有大量硬度高且脆的鈦的氧化物和碳化物導致；隨著距離表面高度增加，硬度逐漸降低并穩定在基體硬度。

3 結語

本文主要基于黃銅電極材料研究工藝參數對短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V的影響規律，并對其放電波形和材料蝕除機理進行探究，實驗結果表明：

(1)在電壓30 V、工作介質壓力0.3 MPa、主軸轉速600 r/min時，直流短電弧銑削鈦合金Ti-6Al-4V材料去除率 (MRR)可達到2 906 mm3/min，但電極損耗較大。

(2)直流短電弧銑削過程中電弧隨電極旋轉而運動，放電過程需要各工藝參數的相互匹配才能維持電弧的穩定。

(3)由于黃銅電極損耗的影響，工件不同位置的截面加工尺寸差值為1 974.7 μm。

(4)工件熱影響區范圍是24.3～41.4 μm，再鑄層硬度最高為696 HV。