超彈鎳鈦記憶合金線切割加工工藝及形狀恢復(fù)能力研究

張顥，許金凱，于朋

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

鎳鈦記憶合金作為最具代表性的形狀記憶合金，自身表現(xiàn)出優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)（SME）與超彈性（SE），相比于其他形狀記憶合金還具有耐摩擦性、耐腐蝕性、高阻尼性及生物相容性［1-3］，因此在振動吸收器、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)方面得到了廣泛的應(yīng)用［4-6］。傳統(tǒng)加工中，鎳鈦記憶合金由于自身的高延展性、高韌性、低導(dǎo)熱性及高楊氏模量等特點(diǎn)，進(jìn)行加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，切削刃變形較大，加工表面存在較多毛刺，硬化嚴(yán)重，最終導(dǎo)致加工表面完整性差，加工資源消耗較大［7-8］。因此采用傳統(tǒng)加工方法難以保證鎳鈦記憶合金的表面質(zhì)量。

電火花線切割加工（WEDM）通過在工件及電極絲間隙進(jìn)行脈沖放電，產(chǎn)生高熱量以蝕除工件，該方式電極不與工件接觸，無宏觀應(yīng)力作用［9］，因此適合鎳鈦記憶合金的加工，但同時(shí)該方法具有加工效率低、尺寸精度較低的特點(diǎn)［10］。目前國內(nèi)外學(xué)者對鎳鈦記憶合金線切割加工工藝進(jìn)行了大量研究。Kulkarni等人［11］以鍍鋅黃銅絲為電極進(jìn)行Ni55.74Ti合金的線切割加工，通過響應(yīng)面法研究材料去除率、電極絲損耗和表面粗糙度隨各參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明電壓具有最大影響力，運(yùn)絲速度的增加對表面粗糙度和電極絲損耗的降低具有良好影響，在材料去除率方面意義不大。Soni等人［12］進(jìn)行了線切割加工Ti50Ni49Co1合金加工表面裂紋密度，顯微硬度和XRD分析。研究表明材料去除率較高時(shí)，表面裂紋密度較高，反之較低，同時(shí)表面硬度增加。XRD分析表明高脈沖寬度和低伺服電壓下加工表面晶體尺寸減小。Soni等人［13］通過正交試驗(yàn)進(jìn)行了用于骨釘應(yīng)用的TiNiCo合金的線切割加工，對采用多目標(biāo)灰色分析確定最佳工藝參數(shù)下加工工件的表面形貌，重鑄層厚度，顯微硬度和殘余應(yīng)力進(jìn)行了表征。最終在工件中觀察到平整的加工表面和壓縮殘余應(yīng)力。

從過往的研究工作中可以看出，目前對鎳鈦記憶合金線切割加工效率與表面完整性研究較多，對加工后工件形狀恢復(fù)研究較少，此外加工不同元素含量比例的鎳鈦記憶合金時(shí)，加工效果互不相同，因此本文針對超彈性鎳鈦記憶合金Ni55.9Ti，選取合理工藝參數(shù)進(jìn)行電火花線切割加工效率、表面完整性及工件形狀恢復(fù)能力的單因素試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)得出所選取加工參數(shù)對各指標(biāo)影響規(guī)律，并通過正交試驗(yàn)分析得出各因素影響主次順序及最優(yōu)加工參數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本文試驗(yàn)材料使用規(guī)格 10×20×100（mm）的醫(yī)用超彈鎳鈦記憶合金Ni55.9Ti，材料成分如表1所示。

表1 超彈鎳鈦記憶合金的元素組成及參數(shù)

本試驗(yàn)采用的加工試驗(yàn)機(jī)床為圖1所示中走絲線切割機(jī)床，以直徑0.18 mm鉬絲作為工具電極，DIC-206水溶性切割液作為工作液。采用的檢測設(shè)備為表面粗糙度測量儀、X射線殘余應(yīng)力檢測儀、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)及超景深顯微鏡。

圖1 中走絲線切割機(jī)床

1.2 試驗(yàn)方法

本文針對工件線切割加工效率、表面完整性及工件形狀恢復(fù)能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，以脈沖寬度、峰值電壓、運(yùn)絲速度和脈沖間隔比作為試驗(yàn)參數(shù)，其中脈沖間隔比代表單個(gè)脈沖非放電時(shí)間與放電時(shí)間之比；采用材料去除率作為加工效率測定指標(biāo)；采用表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力與表面形貌作為表面完整性測定指標(biāo)；采用工件變形恢復(fù)偏移量作為形狀恢復(fù)能力測定指標(biāo)。通過進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探究各指標(biāo)隨各參數(shù)變化規(guī)律，并選取加工材料去除率與表面粗糙度作為正交試驗(yàn)研究對象，通過進(jìn)行方差分析法得出各因素對其影響主次順序，確定最優(yōu)加工參數(shù)。由于超彈鎳鈦記憶合金導(dǎo)熱性較差，加工參數(shù)若選取不合理容易出現(xiàn)積碳現(xiàn)象，因此以保證表面不出現(xiàn)積碳，且加工效率合理為前提，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)選取了合理參數(shù)。最終的單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)參數(shù)表分別如表2、表3所示。

表2 單因素試驗(yàn)參數(shù)表

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

試驗(yàn)中為保證單次切割面積相同，將毛坯加工為尺寸10×10×2（mm）的工件以進(jìn)行加工效率與表面完整性測定，將毛坯加工為50×10×1（mm）的工件以進(jìn)行工件變形恢復(fù)偏移量測定，試驗(yàn)中記錄單次切割加工時(shí)間，通過電極絲掃掠面積（單位mm2）與加工時(shí)間（單位min）作比得出加工材料去除率（單位mm2/min）。加工后將工件浸入無水乙醇中，采用超聲波清洗機(jī)清洗工件10 min，清洗后利用表面粗糙度測量儀進(jìn)行表面粗糙度（Ra）測量，測量長度為5.6 mm，并在表面三個(gè)不同位置測量取平均值；采用殘余應(yīng)力測量儀進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測定；采用掃描電鏡進(jìn)行表面形貌觀察及能譜測定；采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法檢驗(yàn)形狀恢復(fù)效果［14］，利用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)將工件彎曲至8%應(yīng)變量，過程如圖2所示。卸除載荷后，采用超景深顯微鏡測量工件相對于平直件偏移距離d，測量示意圖如圖3所示。d值即表征了工件形狀恢復(fù)變形程度。

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖

圖3 變形偏移量測定示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 加工參數(shù)對材料去除率的影響

圖4為各加工參數(shù)對工件材料去除率的影響曲線圖，可以看出材料去除率隨脈沖寬度、峰值電壓、運(yùn)絲速度的增加而增加，隨脈沖間隔比的增加而減小，此外脈沖寬度變化曲線從脈沖寬度15μs時(shí)表現(xiàn)出上升趨勢先快后慢的特點(diǎn)，運(yùn)絲速度曲線整體上升趨勢較慢。這是因?yàn)槊}沖寬度、峰值電壓增大時(shí)，單脈沖放電能量增加，使放電通道熱量增加而蝕除更多材料，導(dǎo)致蝕除速度增加。但放電能量較大時(shí)，大量電蝕物堵塞放電通道而不能及時(shí)排出。因此脈沖寬度較大時(shí)，曲線升幅變小。運(yùn)絲速度增加時(shí)，更多工作液被帶入放電通道，電蝕產(chǎn)物更易被排出，因此材料去除率增加。但由于運(yùn)絲速度上升同時(shí)導(dǎo)致極間放電間隙不穩(wěn)，因此曲線上升趨勢較緩。脈沖間隔比增加時(shí)，單脈沖間隔時(shí)間增加使平均放電能量減小，此外工作液更易將電蝕物帶出放電通道，因此材料去除率隨脈沖間隔比增加而減小。

圖4 各加工參數(shù)對材料去除率的影響曲線

2.1.2 加工參數(shù)對表面粗糙度的影響

圖5為各加工參數(shù)對加工表面粗糙度的影響曲線圖，可以看出表面粗糙度隨脈沖寬度、峰值電壓、運(yùn)絲速度的增加而增加，脈沖間隔比變化時(shí)表面粗糙度沒有明顯變化。線切割加工過程中，工件表面材料被大量熱量蝕除，使加工表面形成大量凹坑及凸起。脈沖寬度、峰值電壓增加時(shí)，放電能量增加使蝕除材料的熱量增加，因此更多材料被蝕除，導(dǎo)致表面凹坑尺寸增加，深度增大；運(yùn)絲速度增加時(shí)，鉬絲振動增加，使極間放電間隙波動，造成加工表面冷凝電蝕物分布不均，因此表面粗糙度增加，但增幅相對較慢；脈沖間隔比增加時(shí)平均放電能量減小，但單脈沖能量幾乎不變，因此生成凹坑深度無明顯變化，導(dǎo)致表面粗糙度隨脈沖間隔比變化不大。圖6為不同脈沖寬度下加工表面輪廓曲線圖，可以看出脈沖寬度較小時(shí)，表面輪廓高度較低，反之輪廓高度較高，這與表面粗糙度隨脈沖寬度的變化相對應(yīng)。

圖5 各加工參數(shù)對表面粗糙度的影響曲線

圖6 不同脈沖寬度條件下工件加工表面輪廓曲線

2.1.3 加工參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響

圖7為各加工參數(shù)對加工表面殘余應(yīng)力的影響曲線圖，可以看出表面殘余應(yīng)力隨脈沖寬度、峰值電壓增加而增加，但隨著運(yùn)絲速度、脈沖間隔比增加而逐漸減小，并且所有工件表面殘余應(yīng)力均為拉伸殘余應(yīng)力。拉伸殘余應(yīng)力是由于線切割加工過程中放電通道的部分電蝕物在工件表面冷凝的過程中發(fā)生皺縮，皺縮過程受基體阻礙而產(chǎn)生。脈沖寬度、峰值電壓增加時(shí)，放電通道產(chǎn)生更多熱量，蝕除大量工件材料，因此冷凝時(shí)受到皺縮阻礙作用的電蝕物增加且冷凝前電蝕物初始溫度更高，從而表面殘余應(yīng)力不斷增加；運(yùn)絲速度增加時(shí)，放電通道中工作液含量增加，流速變大，更多電蝕物被帶離放電通道，脈沖間隔比增加時(shí)，脈沖間斷時(shí)間增大，平均放電能量減小，使電蝕物數(shù)量減小，此外工作液更充分地將電蝕物排出放電通道，因此受到皺縮阻礙作用的冷凝電蝕物減少，且冷凝初始溫度較低。因此運(yùn)絲速度與脈沖間隔比的增加均使表面殘余應(yīng)力減小。

圖7 各加工參數(shù)對表面殘余應(yīng)力的影響曲線

2.1.4 加工參數(shù)對表面形貌的影響

圖8為不同加工參數(shù)下線切割加工工件的表面形貌電鏡圖，可以看出加工表面呈魚鱗狀，并存在熔滴與凸起。脈沖寬度增加使魚鱗狀表面面積增大，表面熔滴數(shù)量增加；峰值電壓增加時(shí)表面熔滴、凸起數(shù)量增加，并形成硬凸邊；運(yùn)絲速度增加時(shí)表面魚鱗狀排布變得不均勻，但脈沖間隔比增加時(shí)表面無明顯變化。線切割加工時(shí)，魚鱗狀表面由于脈沖波形的作用而產(chǎn)生，脈沖寬度的增加使單脈沖放電時(shí)間增加，因此在蝕除材料過程中作用于工件表面的放電蝕除面積增加，導(dǎo)致魚鱗狀表面面積增加。同時(shí)加工過程中大量工件材料從表面被蝕除，電蝕物隨電極絲振動而飛濺、凝固在工件表面，分別形成熔滴與凸起，電蝕物冷凝在魚鱗狀表面邊緣還會形成硬凸邊。脈沖寬度與峰值電壓增加使蝕除能量增大，電蝕物數(shù)量增加，導(dǎo)致熔滴、凸起、硬凸邊增加。運(yùn)絲速度增加時(shí)，電極絲振動增加，使放電間隙出現(xiàn)波動，因此導(dǎo)致魚鱗表面排布不均勻。

2.1.5 加工參數(shù)對工件形狀恢復(fù)的影響

圖9、10分別為不同參數(shù)下工件變形恢復(fù)偏移量測定結(jié)果及其變化曲線圖。從圖9、圖10可以看出，線切割加工工件變形恢復(fù)偏移量均大于拋光工件，脈沖寬度與峰值電壓增加時(shí)，變化曲線總體保持上升趨勢，運(yùn)絲速度與脈沖間隔比增加時(shí)，變化曲線總體保持下降趨勢。線切割加工中，在工作液作用下放電通道的電蝕物發(fā)生冷凝并黏結(jié)在工件表面而形成重鑄層。從圖11中超彈鎳鈦記憶合金拋光工件與線切割加工工件的表面能譜對比分析可知，相對于拋光工件，重鑄層中氧含量與碳含量增加，這說明加工過程中電蝕物與工作液中電離分解出的氧發(fā)生反應(yīng)形成鎳與鈦的氧化物，此外工作液由于電離也分解出游離碳，并隨電蝕物冷凝在工件表面。因此可以得知，重鑄層元素含量與種類相對于基體發(fā)生變化，氧化物與游離碳的增加導(dǎo)致重鑄層超彈性減弱，因此線切割加工工件形狀恢復(fù)能力相對于拋光工件表現(xiàn)較弱。脈沖寬度與峰值電壓增加時(shí)，放電能量增大，更多材料因高熱量被蝕除，隨后冷凝在加工表面使重鑄層增加，因此工件受超彈性減弱作用增大，使變形恢復(fù)偏移量增加；運(yùn)絲速度與脈沖間隔比增加時(shí)，工作液更有效地將電蝕物排出放電通道，使冷凝在工件表面的電蝕物減少，重鑄層厚度逐漸減小，因此對工件超彈性減弱作用減小，最終使形狀恢復(fù)變形量減小。

圖10 加工參數(shù)對工件變形恢復(fù)偏移量的影響曲線

圖11 拋光工件與線切割加工工件表面能譜圖

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

以表3中試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行材料去除率與表面粗糙度的方差分析，最終方差分析結(jié)果如表5、表6所示。為確定各因素對各指標(biāo)顯著性，以0.25為顯著水平，星號的多少表示顯著性的強(qiáng)弱，從F表中得出F0.01（3，3）=29.46，F(xiàn)0.05（3，3）=9.28，F(xiàn)0.25（3，3）=2.36。若F＞F0.01（3，3），則顯著性為***；F＞F0.05（3，3），則顯著性為**；F＞F0.25（3，3），則顯著性為*。F值＜F0.25（3，3）則代表該因素對該水平不顯著。根據(jù)分析結(jié)果，針對于材料去除率，F(xiàn)B＞FA＞F0.01（3，3），F(xiàn)D＞F0.05（3，3），F(xiàn)C＞F0.25（3，3），因此影響主次順序?yàn)椋悍逯惦妷海久}沖寬度＞脈沖間隔比＞運(yùn)絲速度，峰值電壓、脈沖寬度的影響最顯著。針對于加工表面粗糙度，F(xiàn)A＞FB＞F0.01（3，3），F(xiàn)D＜FC＜F0.25（3，3），因此影響主次順序?yàn)椋好}沖寬度＞峰值電壓＞運(yùn)絲速度＞脈沖間隔比，脈沖寬度、峰值電壓對粗糙度影響最顯著。

表4 正交試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果

表5 材料去除率的方差分析結(jié)果

表6 表面粗糙度的方差分析結(jié)果

圖12為各因素對材料去除率、表面粗糙度的變化響應(yīng)關(guān)系圖，從中可以看出，對于材料去除率，最優(yōu)參數(shù)組合為A4B4C2D1，即脈沖寬度25 μs，峰值電壓 120 V，運(yùn)絲速度6.72 m/s，脈沖間隔比為3，還可以看出脈沖寬度、峰值電壓增加時(shí)，材料去除率均增加，但脈沖寬度曲線變化斜率相對更大；脈沖間隔比增加，材料去除率減小；運(yùn)絲速度變化呈波動狀態(tài)。對于表面粗糙度，最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C1D1，即脈沖寬度10μs，峰值電壓60 V，運(yùn)絲速度3.9 m/s，脈沖間隔比為3，圖中脈沖寬度、峰值電壓與運(yùn)絲速度增加時(shí)，表面粗糙度均增加，但脈沖寬度與峰值電壓曲線變化斜率更大，運(yùn)絲速度曲線斜率較小。脈沖間隔比增加時(shí)，曲線呈波動狀態(tài)，各因素對各指標(biāo)的響應(yīng)與單因素分析結(jié)果基本一致。

圖12 各因素對材料去除率、表面粗糙度的變化響應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

對超彈鎳鈦記憶合金Ni55.9Ti進(jìn)行了線切割加工工藝及形狀恢復(fù)能力影響規(guī)律研究。采用脈沖寬度、峰值電壓、運(yùn)絲速度、脈沖間隔比四種因素進(jìn)行了單因素與正交試驗(yàn)，探究各因素對工件材料去除率、表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、表面形貌及工件變形恢復(fù)偏移量的影響規(guī)律。結(jié)論如下：

（1）各加工表面均受拉伸殘余應(yīng)力作用，此外受重鑄層影響，采用線切割加工手段會減弱工件形狀恢復(fù)能力。脈沖寬度、峰值電壓的增加使工件材料去除率、表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力及形狀恢復(fù)變形量增加；運(yùn)絲速度的增加使工件材料去除率、表面粗糙度增加，但影響曲線變化平緩，此外會減小表面殘余應(yīng)力與形狀恢復(fù)變形量；脈沖間隔比增加使工件材料去除率、表面殘余應(yīng)力及形狀恢復(fù)變形量減小，然而不會對表面粗糙度產(chǎn)生明顯影響。

（2）工件加工表面呈魚鱗狀，表面具有大量凹坑，并包含熔滴與凸起、硬凸邊等缺陷，脈沖寬度、峰值電壓、運(yùn)絲速度增加均導(dǎo)致加工表面質(zhì)量變差，但脈沖間隔比發(fā)生改變時(shí)工件表面形貌沒有明顯區(qū)別。

（3）脈沖寬度 25 μs，峰值電壓120 V，運(yùn)絲速度6.72 m/s，脈沖間隔比為3時(shí)材料去除率最大；脈沖寬度10μs，峰值電壓60 V，運(yùn)絲速度3.9 m/s，脈沖間隔比為3時(shí)表面粗糙度最小。材料去除率因素影響主次順序?yàn)榉逯惦妷海久}沖寬度＞脈沖間隔比＞運(yùn)絲速度；表面粗糙度因素影響主次順序?yàn)槊}沖寬度＞峰值電壓＞運(yùn)絲速度＞脈沖間隔比。