鈦合金小孔電火花快速加工試驗(yàn)研究

胡 輝,王續(xù)躍,梁延德,徐文驥

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

鈦合金材料由于其體積質(zhì)量小,比強(qiáng)度高,熔點(diǎn)高,塑性好,雖然強(qiáng)度隨溫度升高而下降,但其在550～600℃仍可保持較高的比強(qiáng)度;與高強(qiáng)合金相比,相同水平可降低重量40%以上,因此在宇航上有巨大的應(yīng)用潛力[1]。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)頭部的單體葉片上有數(shù)百個(gè)散熱小孔,孔徑在(0.5±0.1)mm,錐度精度為±30μm。因此,實(shí)現(xiàn)鈦合金小孔的快速加工且錐度小是很有必要的,但由于其導(dǎo)熱性能差,韌性極高,摩擦系數(shù)大,用傳統(tǒng)的鉆削方法很難加工。電火花加工是利用放電能量去除材料,能加工任何導(dǎo)電材料且不會(huì)使工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力,是一種加工鈦合金小孔的有效方法。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電火花加工鈦合金小孔效率和小孔錐度展開了研究。朱鈺鏵等應(yīng)用超聲復(fù)合和削邊電極等工藝手段進(jìn)行了電火花加工鈦合金深小孔的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在厚度為3.2mm的鈦合金板材上加工小孔,研究結(jié)果表明,采用超聲振動(dòng)和削邊電極工藝手段能有效地改善加工條件,利于產(chǎn)物的排出,能有效地提高加工效率,加工效率從原來(lái)的0.024mm/min提高到0.17mm/min[2]。戴立對(duì)鈦合金電火花加工的機(jī)理進(jìn)行了研究,研究了一些主要因素對(duì)加工效率的影響,提出了提高放電爆炸力的工藝措施以提高加工效率。試驗(yàn)采用3mm厚的鈦合金材料,研究結(jié)果表明,提高放電爆炸力可有效地提高加工效率,平均加工效率為0.6mm/min[3]。Aligiri等采用在線計(jì)算電極損耗再反饋補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了電極損耗的在線補(bǔ)償。研究結(jié)果表明,通過(guò)電極損耗的在線補(bǔ)償措施,孔的錐度提高到32 μm[4]。Pradhan等研究了峰值電流、脈寬、沖液壓力和占空比對(duì)電極損耗、材料去除率和錐度的影響,采用田口法優(yōu)化了加工參數(shù)。研究結(jié)果表明,峰值電流是主要影響因素。當(dāng)峰值電流為1 A、脈寬為10μs、沖液壓力為0.3 kg/cm2、占空比為80%時(shí),工藝輸出都有所改善 ,其中錐度為 37 μm[5]。

目前國(guó)內(nèi)外分別從提高小孔的加工效率和小孔的質(zhì)量?jī)煞矫孢M(jìn)行了研究,提出新的工藝措施和優(yōu)化加工參數(shù)[6-10],但單體葉片上的小孔多達(dá)數(shù)百個(gè)且小孔錐度要求高,因此保證單孔的加工速度且盡可能減小小孔錐度是很有必要的。K1C高速小孔機(jī)是快速加工小孔的專用機(jī)床,材料加工范圍涵蓋面廣,適合批量小孔的加工,但目前還沒(méi)有針對(duì)鈦合金小孔的最優(yōu)加工參數(shù)。如果改變機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)獲得鈦合金的最優(yōu)加工參數(shù),就會(huì)失去機(jī)床的加工通用性,而且選擇不恰當(dāng)?shù)募庸?shù)有可能導(dǎo)致加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)甚至無(wú)法加工,因此試圖通過(guò)數(shù)值分析法來(lái)獲得鈦合金的最優(yōu)加工參數(shù)。針對(duì)K1C高速小孔機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),然后采用灰關(guān)聯(lián)度法分析參數(shù),優(yōu)化組合加工參數(shù),實(shí)現(xiàn)在盡可能保證加工速度的條件下減小小孔的錐度。

1 試驗(yàn)原理

1.1 試驗(yàn)條件

選用K1C高速小孔機(jī),工作液為去離子水,加工極性為負(fù)極性,參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍為:脈寬2～30μs、脈間 2～ 30μs、峰值電流 2～53 A、電容 0～ 4μF。Z軸裝有夾持機(jī)構(gòu)用于夾持電極并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn),電極采用直徑為0.5mm的黃銅管狀電極,加工過(guò)程中,利用高壓泵把去離子水從管狀電極中排出,有效加快蝕除產(chǎn)物的排出。試驗(yàn)采用的工件材料為TC4鈦合金,厚度為2mm。其化學(xué)成分見表1,部分物理量見表2。為了更好地觀測(cè)小孔內(nèi)壁的質(zhì)量,本次試驗(yàn)把工件分為A、B兩部分(圖1),加工時(shí)用夾具固定,電極中心與密合線重合(圖2)。

1.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)文獻(xiàn)查閱可知,加工效率和小孔錐度往往是矛盾的。為了在較高的加工效率下獲得較好的小孔錐度,采用灰關(guān)聯(lián)度分析法?；谊P(guān)聯(lián)度分析法建立在一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,但如果采用全面試驗(yàn)的方法,由于影響因素多,調(diào)節(jié)范圍廣,因而需要做大量的試驗(yàn)。因此設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),通過(guò)將因素?cái)?shù)和水平數(shù)合理搭配,試驗(yàn)次數(shù)少,數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布均勻,結(jié)論的可靠性較高[11]。選用四因素四水平表,通過(guò)文獻(xiàn)[12-15]并結(jié)合機(jī)床條件確定TC4鈦合金加工參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍見表3,通過(guò)方差分析確定脈寬、脈間、峰值電流和電容分別對(duì)加工時(shí)間和小孔錐度的影響因子大小。在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)灰關(guān)聯(lián)度法分析了加工時(shí)間和小孔錐度之間的關(guān)聯(lián)度值,進(jìn)而分析加工因素的因子大小。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 TC4鈦合金部分物理量

表3 試驗(yàn)因素水平表

2 試驗(yàn)與分析

首先,基于正交試驗(yàn)表做了一系列電火花加工TC4鈦合金小孔試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4。從試驗(yàn)結(jié)果可看出,加工時(shí)間和小孔錐度的波動(dòng)范圍較大,且小孔錐度和加工時(shí)間隨因素的變化規(guī)律不一致,部分加工實(shí)物見圖3。另外,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在電極表面黏附著顆粒。分析原因是在電火花加工過(guò)程中,部分蝕除微粒由于其表面能作用會(huì)吸附在電極表面。

表4 正交試驗(yàn)及結(jié)果

圖3 分合式鈦合金小孔加工實(shí)物照片

進(jìn)一步對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果見表5和表6。分析可得加工時(shí)間的影響因子從大至小依次為:峰值電流、電容、脈寬、脈間,影響小孔錐度的影響因子從大至小依次為:峰值電流、電容、脈間、脈寬,該分析結(jié)果與文獻(xiàn)查閱結(jié)果是一致的,加工時(shí)間越短,小孔錐度越大。且從分析結(jié)果可得,同一因素對(duì)不同工藝輸出影響規(guī)律不一致。比如:脈間對(duì)小孔錐度的影響率為8.45%,對(duì)加工時(shí)間卻僅為0.01%。不同因素對(duì)同一工藝輸出的影響規(guī)律也不一致,因此,小孔錐度和加工時(shí)間與影響因素之間的關(guān)系并不一致。為了實(shí)現(xiàn)在盡可能發(fā)揮K1C高速加工的前提下減小小孔錐度,在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)度分析。

表5 小孔錐度的方差分析表

表6 小孔加工時(shí)間方差分析表

灰關(guān)聯(lián)度分析是貧信息系統(tǒng)分析的有效手段,是一種用灰關(guān)聯(lián)度來(lái)描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小、次序的方法?；疑P(guān)聯(lián)分析對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量,非常適合動(dòng)態(tài)歷程分析。其基本思想是:以因素的數(shù)據(jù)列為依據(jù),用數(shù)學(xué)的方法研究因素間的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系,用關(guān)聯(lián)度來(lái)衡量多項(xiàng)指標(biāo)的完成情況。采用灰關(guān)聯(lián)度的相關(guān)理論對(duì)電火花加工鈦合金小孔的分析如下。

(1)灰關(guān)聯(lián)度分析首先要對(duì)數(shù)據(jù)按式(1)進(jìn)行量綱歸一化處理,這樣就能統(tǒng)一單位,為下一步灰關(guān)聯(lián)度的計(jì)算做準(zhǔn)備。

式中:y為試驗(yàn)結(jié)果,量綱歸一化后的結(jié)果見表7。

(2)求灰相關(guān)系數(shù),即量綱歸一化后的數(shù)據(jù)與理想狀態(tài)下數(shù)據(jù)的關(guān)系:

式中:x0為工藝輸出的理想狀態(tài)值,加工時(shí)間和孔徑差的理想狀態(tài)值均為零;ζi為分辨系數(shù)。

(3)根據(jù)式(3)求灰關(guān)聯(lián)度值:

式中:m為工藝輸出個(gè)數(shù),m=2?；谊P(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 小孔加工時(shí)間和小孔錐度之間的灰關(guān)聯(lián)度值

從表 7的結(jié)果可看出,當(dāng)脈寬為 12μs、脈間為20μs、峰值電流為 17 A 、電容為 0.04μF 時(shí) ,加工時(shí)間和小孔錐度的灰關(guān)聯(lián)度值達(dá)到最大0.759。但從各工藝輸出來(lái)看,加工時(shí)間較理想,但小孔錐度與所有數(shù)據(jù)相比屬于偏大的范圍,仍有改善的可能,因此第7組加工參數(shù)組合并不是最優(yōu)的。進(jìn)一步分析各工藝參數(shù)對(duì)灰關(guān)聯(lián)度的平均值,結(jié)果見表8。從表8的分析結(jié)果可知,電容對(duì)關(guān)聯(lián)度值的影響最大。分析原因,是因?yàn)殡娙輰?duì)放電脈沖具有儲(chǔ)能作用。當(dāng)單個(gè)小能量放電脈沖作用于電極和工件時(shí),并不能引起工件和電極間的放電,只有當(dāng)多個(gè)放電脈沖到來(lái),電容儲(chǔ)存了足夠的能量后才放電,但此時(shí)的放電能量相當(dāng)于多個(gè)放電脈沖能量的疊加,材料的去除量也相對(duì)更多,且電容值的增大會(huì)提高放電爆炸力,有利于蝕除產(chǎn)物的排出,電極損耗更小,錐度會(huì)減小,因此相對(duì)于峰值電流,電容對(duì)加工時(shí)間和小孔錐度的綜合影響更大。

表8 各電參數(shù)之間灰關(guān)聯(lián)度各水平平均值

根據(jù)表8分析,得到脈寬、脈間、峰值電流和電容與灰關(guān)聯(lián)度值的關(guān)系曲線見圖4。從圖4可看出,各曲線在某一位置灰關(guān)聯(lián)度值達(dá)到最大值,這就意味著此加工參數(shù)下加工時(shí)間和小孔錐度的關(guān)聯(lián)度達(dá)到最大,最易實(shí)現(xiàn)加工時(shí)間和小孔錐度的同時(shí)優(yōu)化。

圖4 電參數(shù)與灰關(guān)聯(lián)度值關(guān)系曲線圖

由圖4分析可得,曲線最大值轉(zhuǎn)折點(diǎn)為最佳加工參數(shù)組合 ,其大小為:脈寬 12μs,脈間 12μs,峰值電流 13 A,電容 0.16μF 。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用以上多目標(biāo)下的加工工藝參數(shù)優(yōu)化組合結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表9。優(yōu)化后灰關(guān)聯(lián)度為0.8529,加工時(shí)間為34.71 s,孔徑差為25.32μm。與表7中最優(yōu)的第7組相比,即加工效率提高到了3.45mm/min,小孔錐度減小18.51%,達(dá)到25.32μm。由此可得出,優(yōu)化后的組合是這4個(gè)因素4個(gè)組合中的最優(yōu)組合。

表9 電參數(shù)優(yōu)化的加工試驗(yàn)結(jié)果

圖5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)加工小孔的超景深照片

圖5a 是在脈寬 12μs、脈間 20μs、峰值電流 17 A、電容0.04μF條件下加工得到的小孔觀測(cè)圖。其灰關(guān)聯(lián)度值為0.759,達(dá)到正交試驗(yàn)表中16組灰關(guān)聯(lián)度值的最大值。圖5b為優(yōu)化加工組合參數(shù)條件下得到的小孔觀測(cè)圖。可看出,加工時(shí)間和小孔錐度都有所減小。這是因?yàn)殡m然圖5b減小了峰值電流,但增大了電容值,從而導(dǎo)致放電間隙的電壓增大,提高了單位脈沖能量。另外,脈間值的減小也有效地減小了加工時(shí)間,因此整體而言加工時(shí)間呈減小趨勢(shì),但并不明顯。而小孔錐度的減小幅度大可能是因?yàn)殡娙葜档脑龃髮?dǎo)致放電爆炸力提高,蝕除產(chǎn)物在其影響下更易被拋出加工間隙,加工狀態(tài)得到較明顯的改善,電極損耗更小,從而減小了小孔的錐度。

4 結(jié)論

采用K1C高速小孔機(jī)實(shí)現(xiàn)鈦合金小孔的高速加工,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),利用灰關(guān)聯(lián)度法優(yōu)選加工參數(shù),實(shí)現(xiàn)在盡量保持高速加工的條件下減小孔的錐度。對(duì)K1C高速小孔機(jī)加工鈦合金小孔做了一系列工藝試驗(yàn),有關(guān)工藝試驗(yàn)的結(jié)果如下:

(1)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),方差分析得出,影響放電能量的主要因素即為影響加工效率和小孔錐度的主要因素。分析可得,加工效率的影響因子從大至小依次為:峰值電流、電容、脈寬、脈間,影響小孔錐度的影響因子從大至小依次為:峰值電流、電容、脈間、脈寬。

(2)利用灰關(guān)聯(lián)度法優(yōu)選加工參數(shù),分析結(jié)果表明:放電能量的改變對(duì)加工效率和小孔錐度的關(guān)聯(lián)度值大小的影響很大,電容的儲(chǔ)能作用使材料去除量增加,對(duì)加工效率和小孔錐度的綜合影響大。通過(guò)分析得到最優(yōu)的加工參數(shù)為:脈寬12μs,脈間12μs,峰值電流 13 A,電容 0.16μF,并驗(yàn)證鈦合金小孔深度方向的加工效率提高到3.45mm/min,小孔錐度為 25.32μm,減小了 18.51%。

[1]吳承建.金屬材料學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

[2]朱鈺鏵,韋紅雨,趙萬(wàn)生.鈦合金深小孔精微電火花加工工藝研究[J].電加工與模具,2006(3):38-41.

[3]戴立.鈦合金小孔電火花加工試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[4]Aligiri E,Yeo S H,Tan P C.A new tool wear compensation method based on real-time estimation of material removal volume in micro-EDM[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,210(19):2292-2303.

[5]Pradhan B B,Masanta M,Sarkar B R,et al.Investigation of electro-discharge micro-machining of titanium super alloy[J].The International Journal of AdvancedM anufacturing Technology,2009,41(11-12):1094-1106.

[6]鄭濤,遲恩田.鈦合金水中電火花加工的研究[J].航空工藝技術(shù),1986(4):31-36.

[7]崔晶,李勇,熊英,等.基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的電火花微笑孔加工參數(shù)優(yōu)化研究[J].電加工與模具,2006(6):10-14.

[8]劉正勛,陳祥康.深小孔的高速電火花加工工藝[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)(江蘇),1989(5):5-8.

[9]Kumagai S,Sato N,Takeda K.Operation parameter optimization for fabrication of a narrow deep hole in metal by electrical discharge machining using a dielectric-encased wire electrode[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,189(1-3):310-315.

[10]Wang D,Zhao Wansheng,Gu Lin,et al.A study on micro-hole machining of polycrystalline diamond by micro-electrical discharge machining[J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(1):3-11.

[11]李志西.試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[12]郭洪勤,裴景玉.電火花加工微小孔的工藝研究[J].航空航天制造技術(shù),2005(5):19-21,29.

[13]張?jiān)迄i,趙偉,孫廣標(biāo),等.超聲電火花復(fù)合加工鈦合金表面質(zhì)量研究[J].電加工與模具,2009(1):22-25,59.

[14]王續(xù)躍,梁延德,徐文驥,等.小孔分流法電火花加工的分流狀態(tài)研究[J].電加工與模具,2010(4):28-31.

[15]Narender Singh P,Raghukandan K,Pai B C.Optimization by Grey relational analysis of EDM parameters on machining AL-10%SiCp composites[J].Journal of Material Processing Technology,2004,155-156:1658-1661.