鎳基高溫合金Inconel 718 的超高效電火花電弧復合加工

王 飛，劉永紅，申 泱，唐澤民，王廣緒，紀仁杰，張彥振

（中國石油大學(華東)機電工程學院，山東東營 257061）

鎳基高溫合金廣泛應用于航空發(fā)動機、燃氣輪機和核反應堆等工業(yè)領域，這主要得益于在高溫下能保持其優(yōu)良的機械特性、化學特性、抗腐蝕性、低熱傳導性、高熔點及抗熱沖擊性等[1]。然而，這些優(yōu)良的特性不利于鎳基高溫合金的加工。在傳統(tǒng)機械加工時，刀具和工件磨損產(chǎn)生的大量熱量，會因鎳基高溫合金的低熱傳導性而不能散失，從而造成刀具的損傷。另外，在溫度低于650 ℃時，鎳基高溫合金的硬度隨著溫度的升高而升高，進一步增加了加工難度。為了延長刀具壽命，專家學者研究出了低溫冷卻法[2]、高壓沖液法[3]、最小量潤滑法[4]等措施，然而，這些措施都提高了加工成本。

電火花加工技術(shù)是一種非接觸加工法，依靠電極與工件之間的放電產(chǎn)生熱量，從而去除工件材料，可避免刀具與工件之間的摩擦。電火花銑削技術(shù)是一種新型的電火花加工技術(shù)，它使用簡單的標準電極，像傳統(tǒng)機械銑削一樣加工工件，從而省略了制造復雜電極的時間。由于普通電火花銑削的材料去除率低下[5-6]，故本文提出了一種超高效電火花電弧復合銑削鎳基高溫合金Inconel 718 的加工方法，構(gòu)建了一種新型大功率電源，主要由高壓脈沖電源和低壓大功率直流電源組成。在沖液和電極旋轉(zhuǎn)的作用下，得到了非連續(xù)電弧，材料去除率可達13 421 mm3/min，相對電極損耗率可達1.71 %。對比研究了復合加工和電火花加工，分析了旋轉(zhuǎn)速度對材料去除率和相對電極損耗率的影響，并利用金相顯微鏡和掃描電鏡對加工表面特性進行了研究。

1 加工機理

電火花電弧復合加工示意圖見圖1。電源由脈沖電源和直流電源組成，兩者通過二極管相互隔離，從而避免了相互影響。沖液系統(tǒng)由內(nèi)沖液和外沖液組成。復合加工放電電流和電壓波形見圖2。正常放電時，間隙電壓下降，穩(wěn)定在30 V 左右。在加工過程中，電極在系統(tǒng)控制下向工件移動，當工件和電極距離足夠近時，高壓脈沖電源會擊穿工作液，等離子通道迅速形成，來自直流電源的電流會同時流過等離子通道，從而形成電弧，由電弧引起的高溫高壓熔化了工件材料。受到工作液和電極旋轉(zhuǎn)的作用，電弧最終破裂，壓力和溫度的突然變化導致熔化的工件材料的拋出，從而實現(xiàn)了工件材料的去除。

圖1 電火花電弧復合加工示意圖

圖2 復合加工放電電流和間隙電壓波形

2 實驗設置

電火花電弧復合加工實驗用機床見圖3?？刂葡到y(tǒng)基于開放式控制系統(tǒng)開發(fā)，主要包括運動控制卡（Turbo PMAC，Delta Tau Data System）、PLC、交流伺服控制系統(tǒng)和工控機，主軸的調(diào)速范圍為0～3000 r/min。高壓脈沖電源的峰值電壓為220 V，直流電源電壓為70 V，峰值電流為700 A。沖液系統(tǒng)包括內(nèi)沖工作液泵和外沖工作液泵。工具電極采用管狀石墨電極，外徑12 mm，內(nèi)徑4 mm。采用水基工作液，由10 %乳化油和90 %去離子水組成。

圖3 電火花電弧復合加工機床

電火花加工和復合加工的對比實驗條件見表1。實驗中，精密電子天平用來測量加工前后電極和工件的質(zhì)量，金相顯微鏡用來觀察加工樣件的金相，掃描電鏡用來研究加工樣件的表面形貌。

表1 電火花加工和復合加工的對比實驗參數(shù)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 電火花加工和復合加工對比實驗

電火花加工和復合加工對材料去除率的影響見圖4。電火花加工的材料去除率為740 mm3/min，而復合加工的材料去除率可達13 421 mm3/min，是普通電火花加工效率的18 倍。造成這種現(xiàn)象的原因是：相比于普通電火花加工，復合加工的電流更大，從而形成了更大能量的單次放電；單次放電所去除的材料遠大于普通電火花加工，從而導致了較高的材料去除率。

電火花加工和復合加工對相對電極損耗率的影響見圖5。普通電火花加工的相對電極損耗率為1.63 %，而復合加工的相對電極損耗率為1.71 %，兩者較接近。這是因為相對于普通電火花加工，復合加工的單次脈沖所提供的能量可同時去除更多的工件材料和電極材料，從而造成了相對電極損耗率與普通電火花加工相近。

圖4 不同加工方法對材料去除率的影響

圖5 不同加工方法對相對電極損耗率的影響

3.2 電極轉(zhuǎn)速對加工特性的影響

電極旋轉(zhuǎn)速度對材料去除率的影響見圖6。當峰值電流為700 A 且保持不變時，隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，材料去除率降低；當轉(zhuǎn)速高于1200 r/min 時，材料去除率在13 000 mm3/min 處上下波動，變化不明顯。造成該現(xiàn)象的原因是：隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，電極旋轉(zhuǎn)對電弧的抑制作用增加，從而抑制了電弧的自由擴展，減小了電弧寬度，從而降低了單次放電的材料去除量，進而降低了材料去除率；當電極轉(zhuǎn)速大于1200 r/min 后，電極旋轉(zhuǎn)對電弧的抑制作用不再變化，從而造成了材料去除率變化不大。

圖6 不同電極旋轉(zhuǎn)速度對材料去除率的影響

電極轉(zhuǎn)速對相對電極損耗率的影響見圖7。隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，相對電極損耗率變化不大，在1.75 %處上下波動。原因是隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，電極旋轉(zhuǎn)對電弧的抑制作用增加，減小了電弧寬度，從而減小了單次電弧放電對工件和電極材料的去除量，使相對電極損耗率變化不大。

圖7 不同電極旋轉(zhuǎn)速度對相對電極損耗率的影響

3.3 表面質(zhì)量研究

圖8 是峰值電流為700 A 時，加工樣件截面的金相圖?？芍厝蹖拥暮穸刃∮?7 μm，熱影響區(qū)不明顯。主要原因是熔化的工件材料迅速被工作液沖走，因此重熔層厚度較小；且由于Inconel 718 的熱傳導系數(shù)小，在放電過程中產(chǎn)生的大量熱量，來不及擴散就被大量的工作液帶走，因此熱影響區(qū)不明顯。

圖8 加工樣件金相圖

圖9 是峰值電流為700 A 時，加工表面掃描電鏡圖。可看到，在等離子通道破裂后，由于沖擊波造成的熔化工件材料震蕩的痕跡。從圖9b 所示的局部放大圖可看出，熔化工件材料在被拋出之后，由于受到工作液的冷卻，從而覆蓋了前次放電坑。

圖9 加工表面掃描電鏡圖

3.4 加工樣件

首先在Solidworks 環(huán)境下建模，然后導入Mastercam 中生成NC 代碼，最后導入機床控制系統(tǒng)進行加工。加工時，采用逐層加工法，峰值電流采用700 A，加工樣件照片見圖10，加工共耗時22 min。

圖10 加工樣件照片

4 結(jié)論

本文提出了一種超高效電火花電弧復合銑削鎳基高溫合金Inconel 718 的加工方法，構(gòu)建了一種新型大功率電源，主要由高壓脈沖電源和低壓大功率直流電源組成。在沖液和電極旋轉(zhuǎn)的作用下，得到了非連續(xù)電弧，材料去除率可達13 421 mm3/min，相對電極損耗率可達1.71 %。復合加工的材料去除率是普通電火花加工的18 倍，而兩者的相對電極損耗率相近。電極旋轉(zhuǎn)對電弧的擴展有抑制作用，隨著轉(zhuǎn)速的增加，材料去除率先降低，當轉(zhuǎn)速高于1200 r/min 時，材料去除率保持不變，而相對電極損耗率不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。在峰值電流為700 A時，得益于有效的沖液，工件的重熔層厚度小于47 μm，且熱影響區(qū)不明顯。

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