鈦合金TC4不同介質(zhì)放電加工蝕除機(jī)理研究

王懷志,劉志東,田宗軍,王祥志,陳文安

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

鈦合金的比強(qiáng)度高、機(jī)械性能良好,且具有優(yōu)異的耐熱和耐蝕性能,因此,鈦合金得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而,鈦合金的切削加工性較差,屬于典型的難切削材料[1]。電火花加工[2]是利用瞬時(shí)的脈沖放電,伴隨熱和壓力的作用,使工件表面材料熔化、氣化而實(shí)現(xiàn)材料去除的加工方法;它屬于非接觸加工方式,理論上適用于加工任何導(dǎo)電材料,被廣泛用于難切削材料的加工,因此可緩解鈦合金機(jī)械加工難的問題。

電火花加工過程中,工作液與脈沖電源、伺服系統(tǒng)一樣,也是實(shí)現(xiàn)正常電火花加工不可缺少的條件。不同的工作液具有不同的組分和冷卻速率,在電火花加工中工作液的正確選擇十分重要。在常用工作液中,火花油被廣泛應(yīng)用于鈦合金的電火花加工,然而火花油具有易燃性,且在加工過程中會(huì)散發(fā)出有害氣體,危害操作者的健康,因此須尋找一種綠色環(huán)保、安全可靠的工作液。目前開展的關(guān)于鈦合金工作液的研究有很多,1999年,Chen等[3]分別使用火花油及蒸餾水作為工作液進(jìn)行鈦合金TC4放電加工,認(rèn)為由于蒸餾水中加工產(chǎn)生的氧化鈦熔點(diǎn)比火花油中產(chǎn)生的碳化鈦低,因此在相同的加工條件下,使用蒸餾水作為加工液可獲得較高的材料去除率000年,Lin等[4]以超聲波輔助放電加工分別在蒸餾水及火花油中對鈦合金進(jìn)行加工,發(fā)現(xiàn)在蒸餾水中加工鈦合金時(shí),其材料去除率較火花油大很多,但相對電極消耗較火花油小,結(jié)果顯示超聲波輔助放電加工以蒸餾水作為工作液時(shí)具有較高的加工效率。前人通過以蒸餾水和火花油作為工作液對鈦合金進(jìn)行對比加工,表明蒸餾水中的材料去除率較火花油高,為鈦合金電火花加工的工作液研究開辟了新的思路。但所做的一些前期試驗(yàn)工作,對于加工機(jī)理的分析不夠全面和深入。為此,本文對蒸餾水和火花油中加工鈦合金TC4的放電波形、微觀形貌和極性效應(yīng)等分別進(jìn)行分析,系統(tǒng)地對加工機(jī)理進(jìn)行了闡述,為今后鈦合金水基工作液的研究工作奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)裝置:北京某公司生產(chǎn)的NH7125CNC數(shù)控電火花成形機(jī)床。

電極:直徑10mm的實(shí)心紫銅棒。

工件:鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)。

工作液:電火花加工專用火花油;蒸餾水。

稱重量具:FA1004電子秤。

波形采集:UT2000/3000數(shù)字存儲示波器。

拍攝SEM和XRD設(shè)備:日立S3400。

2 機(jī)理分析

2.1 波形對比試驗(yàn)

為了研究鈦合金TC4在火花油和蒸餾水中放電特性的差別,首先進(jìn)行了放電波形的對比試驗(yàn)。鈦合金在蒸餾水中采用正極性(工件接正極,電極接負(fù)極)加工時(shí),工件表面會(huì)產(chǎn)生藍(lán)紫膜;而負(fù)極性(工件接負(fù)極,電極接正極)加工時(shí)沒有藍(lán)紫膜產(chǎn)生。因此,沒有特別說明時(shí),以下均采用負(fù)極性加工方式進(jìn)行對比試驗(yàn)。

在小規(guī)準(zhǔn)下兩種工作液中的加工狀況均較理想 。在脈寬 ton=15μs,脈間 toff=45μs,設(shè)定峰值電流IP=4 A時(shí),蒸餾水中的材料去除率為1.34mm3/min,火花油中為0.85mm3/min,在此規(guī)準(zhǔn)下分別采集放電波形并進(jìn)行分析。

圖1是在火花油和蒸餾水中加工的典型放電波形圖,由于火花油的絕緣性較蒸餾水強(qiáng),即極間電阻大,不難看出火花油中峰值電壓較蒸餾水高。

圖1 典型放電波形圖

圖2是在火花油和蒸餾水中的連續(xù)放電波形圖。通過對比兩種工作液中的加工波形可發(fā)現(xiàn),在火花油介質(zhì)中易出現(xiàn)拉弧和短路現(xiàn)象,而蒸餾水中多為正常放電,加工狀態(tài)穩(wěn)定。分析認(rèn)為:蒸餾水的流動(dòng)性和冷卻性較好,可很好地冷卻放電通道并進(jìn)行消電離,保證放電加工的正常進(jìn)行;且蒸餾水中的脈沖利用率較高,從而可提高材料去除率。而火花油的冷卻性和流動(dòng)性較差,且易析碳,放電加工過程中不能及時(shí)地消電離,易出現(xiàn)拉弧和短路現(xiàn)象;同時(shí)火花油在放電加工過程中產(chǎn)生的膠體粒子和蝕除產(chǎn)物,在極間淤積會(huì)進(jìn)一步惡化極間狀況,故火花油中的材料去除率較低。

圖2 連續(xù)放電波形圖

圖3是加工過程中極間放電熱量流向分布圖。由圖可知:放電加工過程中產(chǎn)生的熱量一部分被兩極材料吸收,另一部分則被工作液吸收。鈦合金TC4的熱導(dǎo)率為7.955 W/(m?k),僅為鐵的1/5,因此相對于普通金屬而言,鈦合金放電加工過程中工件材料吸收的熱量較少,工作液吸收了更多的熱量,極間工作液溫度較高。由于火花油的熱導(dǎo)率為0.12 W/(m?k),較蒸餾水的 0.54 W/(m?k)小很多,且流動(dòng)性較差,熱量不能被及時(shí)地帶出極間。隨著加工的進(jìn)行,極間溫度急劇上升,導(dǎo)致消電離不充分,不易及時(shí)恢復(fù)絕緣狀態(tài),易出現(xiàn)拉弧和短路現(xiàn)象,不利于加工的正常進(jìn)行。而蒸餾水的冷卻性和流動(dòng)性較好,水流可及時(shí)地將蝕除產(chǎn)物排出加工間隙,并帶走大部分的熱量和離子,很好地冷卻放電通道并進(jìn)行消電離,放電加工穩(wěn)定,所以更適合于鈦合金TC4的放電加工。

圖3 極間放電熱量流向分布圖

2.2 表面形貌對比

蒸餾水和火花油具有不同的組分和性能,加工過程中必然表現(xiàn)出不同的加工特點(diǎn),因此,可進(jìn)一步通過對比表面形貌來分析蒸餾水和火花油中蝕除機(jī)理的差異。圖4是蒸餾水和火花油在脈寬15μs、脈間45μs、峰值電流4 A下加工的鈦合金TC4表面形貌SEM照片。

圖4 加工表面SEM圖

從圖4中不難發(fā)現(xiàn),蒸餾水中加工的鈦合金TC4工件表面較平整,但存在少量的顯微裂紋;火花油中加工的鈦合金TC4工件表面較粗糙,表面殘留較多的蝕除產(chǎn)物。分析認(rèn)為:電火花加工過程中,脈沖放電瞬間釋放出大量的熱,使工件表面局部材料熔化、氣化,部分蝕除產(chǎn)物被及時(shí)地拋出極間,而未被排出極間的蝕除產(chǎn)物會(huì)重新冷卻凝固在工件表面上。蒸餾水的流動(dòng)性和冷卻性較好,大部分蝕除產(chǎn)物拋離工件表面后被水流及時(shí)冷卻凝固并帶出極間,降低了熔融產(chǎn)物重凝在工件表面上的幾率,這就使工件表面較平整,在此過程中水流帶走了極間熱量,很好地冷卻了放電通道并進(jìn)行消電離,保證了后續(xù)加工的正常進(jìn)行?；鸹ㄓ偷牧鲃?dòng)性較差,且易析碳,蝕除產(chǎn)物不能被及時(shí)地排出極間,在極間產(chǎn)生淤積,部分蝕除產(chǎn)物重凝附著在工件表面上,形成了較多的重凝物,使加工表面較粗糙,同時(shí)由于極間不能及時(shí)冷卻和進(jìn)行消電離,導(dǎo)致極間加工狀況惡化,易發(fā)生拉弧、二次放電等現(xiàn)象,對工件表面造成損害。電火花脈沖性放電重復(fù)頻率極高,一般每秒鐘高達(dá)幾十萬至數(shù)百萬次,必然使放電區(qū)域內(nèi)材料加熱-冷卻-再加熱的循環(huán)頻率非常高,對于在冷卻性較差的火花油中加工的工件表面影響相對較小,而蒸餾水的冷卻性能較好,在表面熱循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力超過鈦合金TC4材料抗拉強(qiáng)度的情況下,就會(huì)使加工表面產(chǎn)生顯微裂紋,因此在圖4a中可觀察到有少量的顯微裂紋。

蒸餾水和火花油屬于兩種不同類型的工作液,具有不同的組分。蒸餾水的主要組成元素是O和H,而火花油中是C和H,因此進(jìn)行鈦合金TC4放電加工所得到的產(chǎn)物必然有所差異,對于放電加工的影響也是不盡相同的。為了深入研究生成產(chǎn)物的影響 ,將脈寬 15μs、脈間 45μs、峰值電流 4A 下加工的工件表面分別進(jìn)行了XRD測量,工件表面能譜圖見圖5,加工表面主要成分見表1。

圖5 加工表面能譜圖

表1 加工表面主要成分

由表1可看出,蒸餾水中加工的鈦合金TC4表面含有大量的O元素,說明產(chǎn)生了鈦的氧化物;而火花油中加工表面含有大量的C元素,說明產(chǎn)生了鈦的碳化物。由于鈦的碳化物熔點(diǎn)(3150℃)遠(yuǎn)高于鈦的氧化物熔點(diǎn)(1750℃),蒸餾水中工件表面產(chǎn)生的鈦的氧化物更易于蝕除。因此,在相同電規(guī)準(zhǔn)下,蒸餾水較火花油更易于實(shí)現(xiàn)鈦合金TC4材料的蝕除。

3 極性效應(yīng)對材料去除率的影響

電火花加工中存在極性效應(yīng),它對材料去除率有直接的影響。由于兩種工作液性能差異較大,因此在采用不同極性加工時(shí),加工性能呈現(xiàn)出很大的差異。本試驗(yàn)在火花油和蒸餾水中分別采用正、負(fù)極性加工方式進(jìn)行對比,選用的試驗(yàn)電規(guī)準(zhǔn)見表2,結(jié)果見圖6。

表2 極性效應(yīng)試驗(yàn)電規(guī)準(zhǔn)

圖6 極性效應(yīng)對材料去除率的影響

從圖6可看出,火花油作為工作液時(shí),條件1和條件2采用負(fù)極性加工的材料去除率較正極性大,條件3采用正、負(fù)極性加工的材料去除率相當(dāng);蒸餾水作為工作液時(shí),條件1和條件2采用正極性加工的材料去除率較負(fù)極性大,而條件3采用負(fù)極性加工的材料去除率較正極性大。根據(jù)粒子轟擊理論可知,短脈沖加工時(shí),材料蝕除主要是依靠電子的轟擊作用,即正極的蝕除速度大于負(fù)極的蝕除速度,而長脈沖加工時(shí),質(zhì)量和慣性大的正離子對負(fù)極表面的轟擊作用強(qiáng),負(fù)極的蝕除速度較正極大,在蒸餾水中恰好符合該規(guī)律。小規(guī)準(zhǔn)加工時(shí),火花油中加工狀態(tài)較穩(wěn)定,加工狀況對極性效應(yīng)基本不會(huì)產(chǎn)生影響,加工過程中火花油中析出的膠體粒子在極間電場作用下向正極運(yùn)動(dòng),與熔融、氣化的蝕除產(chǎn)物反應(yīng)生成鈦的碳化物,覆蓋在正極表面,正極上覆蓋的膠體粒子及鈦的碳化物起到保護(hù)正極的作用,從而降低了正極材料去除率。正極性加工時(shí),覆蓋效應(yīng)降低了工件材料去除率,而負(fù)極性加工時(shí),覆蓋效應(yīng)主要是起保護(hù)電極的作用。所以小規(guī)準(zhǔn)加工時(shí),負(fù)極性加工的材料去除率較正極性大;隨著加工規(guī)準(zhǔn)增大,火花油中排屑條件惡化,大量的電蝕產(chǎn)物及膠體粒子在放電間隙內(nèi)淤積,甚至聚集結(jié)鏈,不能進(jìn)行正常的火花放電加工,所以大規(guī)準(zhǔn)下正、負(fù)極性加工效率相差不大。

對比圖6a和圖6b不難發(fā)現(xiàn),不論在哪組加工條件下,蒸餾水中加工的材料去除率均比火花油中高,即在相同條件下蒸餾水中的材料去除率比火花油中高。究其原因,主要是因?yàn)檎麴s水的流動(dòng)性和冷卻性比火花油好,及時(shí)地將蝕除產(chǎn)物排出加工區(qū)域,更好地冷卻放電通道并進(jìn)行消電離,使加工過程更穩(wěn)定,保證加工的正常進(jìn)行,有效提高了加工效率。蒸餾水中鈦合金TC4表面生成的鈦的氧化物熔點(diǎn)比火花油中生成的鈦的碳化物熔點(diǎn)低很多,更易于蝕除,因此,蒸餾水中更易于實(shí)現(xiàn)鈦合金TC4材料的蝕除。

4 結(jié)論

本文通過火花油和蒸餾水兩種工作液的對比試驗(yàn),研究了鈦合金TC4的放電蝕除機(jī)理,得出如下結(jié)論:

(1)通過放電波形對比可發(fā)現(xiàn),蒸餾水中加工穩(wěn)定,脈沖利用率較高,而火花油中易出現(xiàn)拉弧、短路和二次放電等不良放電現(xiàn)象。

(2)對比火花油和蒸餾水中加工鈦合金TC4的SEM照片,分析得出:蒸餾水由于冷卻性和流動(dòng)性較好,加工表面較平整;火花油的冷卻性和流動(dòng)性較差,且易析碳,加工表面較粗糙,有大量的蝕除產(chǎn)物堆積。

(3)極性效應(yīng)對比結(jié)果顯示,鈦合金在蒸餾水中加工符合粒子碰撞理論的解釋,即小規(guī)準(zhǔn)時(shí)負(fù)極性較正極性的材料去除率大,大規(guī)準(zhǔn)時(shí)正極性較負(fù)極性的材料去除率大。而火花油中由于存在覆蓋效應(yīng),使小規(guī)準(zhǔn)下負(fù)極性材料的去除率較正極性大,大規(guī)準(zhǔn)下由于加工不能正常進(jìn)行,所以正、負(fù)極性加工效率相當(dāng)。

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