鎳基高溫合金電火花輔助電弧高效銑削技術

2022-06-08 03:47:48武鑫磊劉永紅亓梁趙蒞龍紀仁杰

航空學報 2022年4期

武鑫磊，劉永紅，亓梁，趙蒞龍，紀仁杰

中國石油大學(華東)機電工程學院，青島 266580

隨著現代工業的迅速發展，高溫合金、鈦合金和金屬基復合材料等多種難加工材料在航空航天、軍事工業、核工業等領域都得到了廣泛應用。以鎳基高溫合金為例，由于其出色的耐高溫、耐腐蝕、高強、高硬等特性，被廣泛應用于航空發動機的機匣、渦輪盤、渦輪葉片、整體葉盤等關鍵零部件上。對鎳基高溫合金常用的加工方法是機械銑削。但正由于其高強高硬的特性，使用傳統機械銑削方法加工時存在著一些困難。一方面，機械銑削切削力較大，使得加工效率較低；另一方面，機械銑削時切削溫度較高，高溫合金在高溫下呈高硬度的特點導致刀具磨損嚴重，加工成本較高。特別是對于一些結構復雜的整體成型零件來說，要求的零件去除率較高，使上述問題變得更加突出。

針對上述問題，國內外學者開展了一系列研究工作。Singh等使用微量潤滑方法對鎳基高溫合金Inconel718進行了銑削試驗研究，結合粒子群優化和細菌覓食優化算法優化了進給速度、切削速度和切削深度等參數，有效減少了刀具磨損。劉均偉分別使用陶瓷刀具和硬質合金刀具，探究了高速切削鎳基高溫合金Inconel718過程中切削速度、切削深度和進給量對加工效果的影響。羅凱使用有限元仿真方法得到了高速銑削高溫合金切削用量的優化方案，并與實際的試驗結果進行了對比分析。?elik等使用新型SiAlON陶瓷和TiN增強復合材料制備了整體銑刀，對鎳基高溫合金Inconel718進行了高速側銑，并研究了刀具的磨損機理。復合材料銑刀的銑削速度達到了585 m/min，該速度約為硬質合金刀具的10倍。Ming等研究了使用SiAlON陶瓷刀具在銑削加工粉末冶金高溫合金FGH96時，工藝參數對切削性能的影響，以及該陶瓷刀具加工時的磨損機理，銑削速度超過了315 m/min。Kursuncu等使用多層納米復合硬質涂層和低溫熱處理改善了硬質合金刀具在銑削Inconel718合金時的切削性能。

盡管高速銑削方法有效地提高了高溫合金的加工效率，但由于其刀具成本較高，并且加工時產生的大量的熱無法避免，在生產實際應用中存在著一定限制。電火花銑削(ED milling, Electrical Discharge milling)方法具有無切削力、不受被加工材料的強度和硬度所限、刀具成本低等優點。一些學者使用電火花銑削方法對高溫合金等難切削材料進行了嘗試。劉志東等人提出了功能電極電火花誘導燒蝕銑削方法，其將工件加工過程中燃燒氧化產生的熱量用于金屬的可控蝕除。徐安陽等發現該方法在加工鎳基高溫合金GH4169時，材料去除率可達112 mm/min。

然而，由于電火花銑削方法能量較低，導致材料去除率較低，無法實現高溫合金等難切削材料的快速去除。許多學者對高效電火花銑削(HSED milling, High Speed Electrical Discharge milling)方法和電弧銑削(Arc milling)方法進行了研究。Zhu等提出了一種超聲輔助高效電火花加工技術，利用超聲振動產生的瞬時超大加速度使得熔融的材料更容易被拋出加工表面，加工W9Mo3Cr4V高速鋼時材料去除率達到8 565 mm/min。Zhao等提出了一種高速電弧加工方法，對電弧放電銑削的加工機理進行了研究，揭示了材料高速蝕除的機理。Farhadi等基于此提出了一種電弧掃描銑削方法，使用多孔石墨電極，有效提高了加工葉盤復雜流道的材料去除率。Jia等針對帶冠整體渦輪盤的高效電火花加工提出了一種電極設計方法。在滿足渦輪盤的主要幾何參數和粗加工的余量要求的前提下，該方法可以盡可能多地去除材料，保證了加工的穩定性。Kou和Han提出了一種基于移動電弧的高速電火花銑削方法，對電弧銑削鈦合金的加工機理及工藝進行了研究。其使用的直流電弧能量較低，盡管材料去除率相比傳統電火花銑削方法有所提高，但較生產實際要求仍有一定差距。Joshi等提出的脈沖磁場輔助干式電火花加工方法，利用脈沖磁場的輔助作用改善了加工工件的表面質量，也在一定程度上提高了材料去除率，但脈沖磁場可能會對控制電路產生干擾。Wang等提出的電弧電火花復合加工方法大幅提高了材料去除率，但其使用的水基乳化工作液在生產過程中會釋放出一些有害氣體。Shen等提出的準干式高效電火花加工方法在一定程度上改善了碎屑的排出，但會在工件表面造成大量的微裂紋，而且加工時還會產生大量的熱。

基于以上原因，開展了使用電火花輔助電弧高效銑削(EDAAM, Electrical Discharge Assisted Arc Milling)技術對鎳基高溫合金GH4169材料進行銑削加工的研究工作。使用工具電極內沖液、外沖氣的沖液方式，研究了峰值電流、擊穿電壓、脈沖寬度等電參數，以及電極轉速、沖氣壓力等非電參數對材料去除率、電極相對損耗率、加工誤差及加工表面質量等的影響，揭示了電火花輔助電弧高效銑削技術的加工工藝規律和工件加工表面的微觀結構特性。

1 試驗設備與參數

1.1 試驗設備

試驗采用的電火花輔助電弧高效銑削數控機床為自行研制，主要由伺服運動模塊、復合沖注模塊和專用脈沖電源構成，原理圖如圖1所示，實物圖和實際的放電加工過程如圖2所示。

伺服運動模塊用來實現正常的方向伺服進給和主軸旋轉功能，并且可以根據間隙電壓自動調節伺服速度和進給回退。復合沖注模塊由工具電極外沖工作介質和內沖工作介質兩部分構成，實現加工過程中工作介質的復合沖注。專用脈沖電源是實現電火花輔助電弧高效銑削功能的重要部分，用以提供放電能量。

圖1 電火花輔助電弧銑削機床原理圖Fig.1 Schematic diagram of EDAAM machine tool

圖2 電火花輔助電弧銑削機床實物圖和加工過程Fig.2 Photograph and actual machining process of EDAAM machine tool

電火花輔助電弧高效銑削技術結合了電火花銑削技術和電弧銑削技術的優點。高壓低能電火花脈沖模塊用于擊穿放電間隙，在工具電極和工件之間形成放電等離子通道，為大能量電弧放電提供能量傳輸通道。低壓高能電弧脈沖模塊用于提供放電能量，在電火花模塊的輔助作用下，實現大能量的精確控制，進而實現高效加工。電火花輔助電弧高效銑削加工過程的脈沖電源典型復合波形圖如圖3所示，其中為極間電壓，為極間電流，為放電時間。波形采集裝置所使用的采集頻率為100 kHz，電火花擊穿模塊的脈沖寬度、脈沖間隔均為100 μs，電弧放電模塊的脈沖寬度、脈沖間隔均為1.5 ms。

圖3(a)所示為電火花輔助電弧高效銑削的空載狀態。在復合波形的脈寬部分，電弧脈寬與擊穿電壓疊加，復合波形呈高壓狀態；在脈間部分，電弧脈間與擊穿電壓復合，僅有擊穿電壓。圖3(b)所示為火花放電狀態。在擊穿延時內，極間電介質被電火花高壓擊穿模塊擊穿，形成等離子通道，而后電壓迅速下降，輔助電弧低壓高能模塊實現放電去除材料。圖3(c)所示為電弧放電狀態。脈寬部分無擊穿延時，極間電壓始終處于較低狀態，脈沖電源提供的全部能量都被用于材料去除；脈間部分僅有擊穿電壓。圖3(d)所示為加工過程中可能出現的短路狀態。該狀態下電流較高、電壓較低，會對工件和工具電極造成燒蝕損傷。這往往是由于進給速度不合適、沖液不及時等原因造成的，應盡力避免。實際加工時，在合適的加工參數下，短路狀態產生的概率較低。

圖3 電火花輔助電弧銑削典型電源波形圖Fig.3 Typical waveform of EDAAM power supply

選定火花放電和電弧放電階段為有效脈沖，將放電概率定為有效脈沖數與總脈沖數的比值。使用波形采集裝置每次定時采集2 000個放電脈沖波形。經測算，放電概率一般在60%左右。適當的進給速度可以有效避免短路與空載，從而使放電概率達到80%以上。

1.2 試驗方法與參數

使用尺寸為外徑10 mm、內徑4 mm的高純石墨電極，作為工具電極；將鎳基高溫合金線切割加工為100 mm×100 mm×5 mm的樣件，作為加工工件。工具電極和工件分別連接在專用脈沖電源的兩極。加工過程采用分層銑削的方法，編寫運動程序，使用工具電極在工件樣件上銑削出80 mm×10 mm×3 mm的凹槽。

在加工前后，對工具電極和工件進行處理后稱重。處理方法包括使用超聲波清洗儀進行表面清潔和使用電熱恒溫干燥箱進行干燥。加工時間使用數控系統中編寫的自動計時軟件進行測量。由于電火花輔助電弧高效銑削技術的固有特點，在加工時在工具電極和工件間存在著加工間隙，同時工具電極還會產生損耗，因此實際尺寸和理論尺寸相比會有誤差，在加工規劃時需要預留一定的加工余量。使用游標卡尺測量工件加工后的實際寬度與理論寬度間差值，計算平均值，得到加工誤差(Machining Error)。為減少隨機誤差，每組試驗重復3次。根據測得的數據，即可計算得到材料去除率(Material Removal Rate,MRR)、電極相對損耗率(Relative Electrode Wear Rate,REWR)和加工誤差3個主要的工藝效果表征參數，材料去除率和電極相對損耗率計算公式分別為

(1)

(2)

式中：為材料去除率；為電極相對損耗率；和分別為加工前后的工件質量；和分別為加工前后的工具電極質量；和分別為工件和工具電極的密度；為加工時間。

使用電火花線切割方法獲得工件被加工部位的橫截面，經過鑲樣、研磨、拋光和腐蝕處理后使用金相顯微鏡觀察重鑄層圖像。使用掃描電子顯微鏡(SEM, Scanning Electron Microscope)獲得加工后工件的表面微觀形貌圖像，使用能量色散譜儀(EDS, Energy-Dispersive Spectroscopy)獲得加工后工件表面的元素分布。

在傳統的電火花加工中，往往采用煤油基或含油的水基工作液作為工作介質，在高溫下會產生烴類副產物，如未經處理會不可避免地產生污染。經過初步試驗，電火花輔助電弧高效銑削技術使用去離子水和空氣作為工作介質也可以實現高效穩定的放電加工。去離子水和空氣來源豐富、成本低廉，其副產物也無污染。特別地，去離子水的冷卻性能比空氣高，使用內沖注去離子水，可以有效冷卻被放電去除的工件碎屑，在工具電極的高速旋轉共同作用下，實現電弧的斷弧、加工間隙的冷卻和工作介質的排出；使用外沖注壓縮空氣，一方面相比于外沖注去離子水，可以形成一定的壓差便于碎屑排出，另一方面可以減少重鑄層厚度，改善加工質量。因此，本文的沖注方式選擇為內沖去離子水、外沖空氣方式。

試驗中使用的主要加工參數如表1所示。在研究某一變量對加工效果的影響時，該變量取表1中對應的數值范圍，其他變量均取表1中的默認值。

表1 使用的主要加工參數Table 1 Main processing parameters used

2 試驗結果與分析

2.1 工藝性能

2.1.1 電弧模塊峰值電流的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術中電弧模塊峰值電流對材料去除率、電極相對損耗率和加工誤差的影響，結果如圖4所示。

圖4 電弧模塊峰值電流對放電加工的影響Fig.4 Influence of arc peak current on EDAAM

材料去除率和加工誤差均隨電弧峰值電流的增大逐漸變大，電極相對損耗率的變化不大。電弧峰值電流的增大，會導致加載在工件和工具電極間的能量變大。既會使放電蝕除的工件材料變多，也會增大對工件材料的熱影響范圍，綜合影響使得材料去除率和加工誤差變大。電極相對損耗率的變化幅度在0.1%左右，變化范圍較小。

2.1.2 電火花模塊擊穿電壓的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術中電火花模塊擊穿電壓對材料去除率、電極相對損耗率和加工誤差的影響，結果如圖5所示。

圖5 電火花模塊擊穿電壓對放電加工的影響Fig.5 Influence of breakdown voltage on EDAAM

擊穿電壓較低時，材料去除率和加工誤差較低，電極相對損耗率較高。這是因為當擊穿電壓低至不足以有效擊穿放電間隙時，會出現頻繁的短路回退現象，甚至過流損傷工件和工具電極。既無法正常放電，影響材料去除率；又會對石墨電極“干磨”，降低電極的使用壽命。特別地，當擊穿電壓為零時，高壓低能電火花模塊不能正常工作，更加劇了短路現象的產生。提高擊穿電壓，短路現象會得到改善。當擊穿電壓提高到一定數值后，放電加工趨于穩定，表現為隨著擊穿電壓的增加，材料去除率先上升后穩定。這也說明了在放電加工周期開始時高壓低能電火花模塊擊穿放電間隙的重要性。當擊穿電壓繼續升高至200 V以上時，各個參數都趨于穩定。合適的擊穿電壓可以產生適當的加工間隙，保證電火花輔助電弧高效銑削放電加工的正常進行，因此并不需要過高的擊穿電壓。擊穿電壓的增加會使得加工間隙變大，進而導致側邊加工材料變多，加工誤差也隨之增加。

2.1.3 電弧模塊脈沖寬度的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術中電弧模塊脈沖寬度對材料去除率、電極相對損耗率和加工誤差的影響，結果如圖6所示。

圖6 電弧模塊脈沖寬度對放電加工的影響Fig.6 Influence of arc pulse width on EDAAM

材料去除率和加工誤差隨著電弧模塊脈沖寬度的增大而增大。在脈沖間隔不變的情況下，脈沖寬度的增大會使占空比增大，進而使電弧模塊產生的能量變多。因此，隨著脈沖寬度的增大，放電能量也隨之變大，相同時間內可以蝕除更多的工件材料，生成更多的熔融顆粒。在工具電極內沖液介質的快速冷卻和沖刷作用下，材料去除率和加工誤差隨之變大。電極相對損耗率基本不受脈沖寬度的影響。

2.1.4 工具電極轉速的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術中工具電極轉速對材料去除率、電極相對損耗率和加工誤差的影響，結果如圖7所示。

圖7 工具電極轉速對放電加工的影響Fig.7 Influence of electrode speed on EDAAM

在電火花輔助電弧高效銑削加工中，工具電極高速旋轉的目的主要有兩個。一是在工具電極的高速旋轉和工作介質的快速冷卻沖刷的綜合作用下，便于加工間隙所產生電弧的斷弧和熔融產物的排出；二是使工具電極的損耗盡量均勻，從而保證加工精度。

從圖7中可以看出，隨著工具電極轉速的增大，材料去除率先略微增大，而后減小。當工具電極轉速∈(1 000, 1 500)r/min時材料去除率的減小幅度較大。在工具電極的高速旋轉下，放電通道會發生相對位移，拉長放電電弧。當電極轉速較低時，斷弧的積極作用較大，同時促進了排屑。當工具電極轉速較高時，頻繁的斷弧可能導致電弧的不充分放電，進而降低了材料去除率和加工誤差。但總體來講，工具電極轉速的影響沒有電弧模塊峰值電流和脈沖寬度的影響大。電極相對損耗率基本不受電極轉速的影響。

2.1.5 沖氣壓力的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術中工具電極外沖氣壓力對材料去除率、電極相對損耗率和加工誤差的影響，結果如圖8所示。

圖8 外沖氣壓力對放電加工的影響Fig.8 Influence of air pressure on EDAAM

材料去除率隨著外沖氣壓力增加略呈下降趨勢，且下降幅度不大。高速壓縮空氣的加入一定程度上促進了工件材料的熔融，但同時帶氣液體的冷卻效果變弱，容易使熔融材料在工件表面再固化，綜合作用使得材料去除率變化不大。加工誤差隨著外沖氣壓力的增大逐漸變小。這是因為高速壓縮氣體沖入加工間隙后，改變了間隙內放電通道的環境，電弧弧柱的單位密度變小，形成的放電坑表面變大、深度變淺，導致熱影響區變薄。電極相對損耗率也隨之變小，這是因為單次放電時電極被蝕除的材料變少，加工過程中熔融的工件材料也更容易粘附在了電極表面，對電極損耗有一定的補償作用。

綜合來看，電火花輔助電弧高效銑削技術采用工具電極內沖液、外沖氣的工作介質沖注方法兼顧了材料去除率和加工效果。在外沖氣體的作用下，可以使加工誤差減小，有利于加工精度的提高。

2.2 微觀特性

2.2.1 樣件重鑄層顯微形貌

對電火花輔助電弧高效銑削加工后的工件，進行處理后在金相顯微鏡下放大200倍觀察樣件截面的重鑄層，如圖9所示。其中，圖9(b)為比例尺，圖9(a)、圖9(c)、圖9(d)、圖9(e)、圖9(f)分別為銑槽的左側上方、右側上方、左側下方、底面、右側下方截面圖。

觀察圖9可以發現，在左右兩側上方均存在著較厚的重鑄層，其厚度分別約為130 μm和250 μm；而左右兩側下方的重鑄層較薄，其厚度分別約為50 μm和100 μm；底面的重鑄層厚度約為40 μm。重鑄層在上方的厚度與下方相比，整體較厚。熔融材料從底面排出時，在液體工作介質沖刷冷卻和氣體工作介質的綜合作用下，容易在上側面產生堆積，導致碎屑黏連在加工表面形成較厚的重鑄層。通過對比還可以看出，右側的重鑄層厚度約為左側相同部位的兩倍。在本試驗中設置的工具電極旋轉方向為順時針，工具電極的高速旋轉會使得工作介質的流場發生偏轉，帶動熔融材料從一側排出。如果要保證兩側重鑄層厚度一致，可以考慮在不同的分步加工階段調整工具電極的旋轉方向。

圖9 樣件重鑄層顯微形貌圖Fig.9 Micrograph of resolidified layer of workpiece sample

2.2.2 樣件表面微觀形貌

對電火花輔助電弧高效銑削加工后的工件，進行處理后使用SEM觀測樣件表面微觀形貌，結果如圖10所示。

圖10 樣件表面微觀形貌圖Fig.10 Micro morphology of workpiece sample surface

圖10(a)所示為放大50倍的表面微觀形貌圖。可以看到，在加工后的工件表面，放電坑尺寸較大，存在多個放電坑疊加在一起的現象。圖10(b)所示為放大100倍的照片，可以看到在工件表面有較多熔融材料，并且黏連在一起。熔融材料在內沖液、外沖氣的工作介質冷卻和沖刷作用下，大部分被排出加工間隙，一部分附在工件表面，形成小顆粒。圖10(c)為放大1 000倍的照片，可以看到在工件表面存在微裂紋和氣孔。在工具電極高速旋轉和液體工作介質的快速冷卻下，等離子放電通道發生斷裂，加工表面產生了應力集中和曲率變化，導致了微裂紋和氣孔的出現。

2.2.3 樣件表面元素分布

對電火花輔助電弧高效銑削加工后的鎳基高溫合金工件，在處理后使用EDS觀測表面元素分布，結果如圖11和表2所示。

基體本身不含O元素，而其加工表面有O元素存在，這說明該加工方法在工件表面引入了O元素，證明在放電過程中發生了氧化反應。此外，Ni、Fe等元素的相對含量都降低了。電火花輔助電弧高效銑削技術導致了鎳基高溫合金工件表面元素含量分布的變化。

圖11 加工后工件表面元素分布Fig.11 Element distribution of workpiece surface after EDAAM

表2 工件表面元素分布質量分數Table 2 Mass fraction of elements on workpiece surface 單位：wt%

2.3 較優參數及樣件加工

綜合以上試驗結果，如需得到最大的材料去除率，可以采用的較優參數如表3中第1組所示。經試驗，使用該組參數加工鎳基高溫合金的材料去除率可達11 523 mm/min，電極相對損耗率為1.5%，但加工表面粗糙度較差，需要進一步修整。在實際加工中，可以根據材料去除率和加工質量要求調節工藝參數。特別地，在材料去除率較高時，要預留一定的加工余量。

表3 EDAAM較優加工參數Table 3 Better processing parameters of EDAAM

使用電火花輔助電弧高速銑削技術，采用適當的加工參數加工鎳基高溫合金GH4169得到的某零件樣件如圖12所示。加工所用工具電極包括外徑為10 mm和8 mm、內徑為4 mm的高純石墨電極。在該樣件的粗加工階段，采用表3中的第1組加工參數進行加工，使用較高的進給速度；在半精加工階段，采用表3中的第2組加工參數進行加工，使用較低的進給速度。