電參數(shù)對(duì)鈦合金放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的影響研究

尹純晶，劉志東，凌加健，邱明波，田宗軍

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

電參數(shù)對(duì)鈦合金放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的影響研究

尹純晶，劉志東，凌加健，邱明波，田宗軍

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

設(shè)計(jì)了基于放電概率的誘導(dǎo)燒蝕電極伺服控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，設(shè)定其放電概率為80%，并在此基礎(chǔ)上分析了脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流等電參數(shù)對(duì)加工的影響。結(jié)果表明：正極性加工時(shí)，峰值電流對(duì)加工效率的影響最大。通過選取優(yōu)化參數(shù)，與常規(guī)電火花車削對(duì)比表明：放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削的材料加工效率是常規(guī)電火花車削的27倍，電極相對(duì)損耗僅為常規(guī)電火花車削的80%。

電參數(shù)；放電誘導(dǎo)；可控?zé)g；放電概率；加工效率

電火花加工的能量主要來源于脈沖電源，由于用于蝕除材料的能量受到脈沖電源能量的輸出、加工表面質(zhì)量等因素的制約，因此電火花加工的效率較低[1]。放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工是利用被加工金屬基體材料的燃燒能量快速、可控地蝕除材料，實(shí)現(xiàn)了數(shù)幾十倍于常規(guī)電火花加工的效率。由于改變了極間能量輸出手段和放電介質(zhì)類型，因此放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工相對(duì)于常規(guī)電火花加工，具有其自身的特點(diǎn)與優(yōu)勢。

鈦合金屬于難加工金屬材料，根據(jù)其可燃特性，在電火花誘導(dǎo)放電和助燃氧氣作用下，誘導(dǎo)鈦合金與氧氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，釋放出大量的燃燒熱，并作用于基體材料，使其被加熱到熔融狀態(tài)。燃燒產(chǎn)物和熔融金屬在放電及燒蝕的熱、爆炸力及氧氣氣流和工作液等的共同作用下拋離基體，達(dá)到材料可控?zé)g去除的目的。本文對(duì)放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工鈦合金進(jìn)行了試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了基于放電概率檢測的電極伺服控制系統(tǒng)，并分析了電參數(shù)對(duì)加工性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)原理

工件在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，中空管狀電極穿過電極導(dǎo)向塊并以一定的速度繞其軸線旋轉(zhuǎn)，工件和電極分別接脈沖電源正、負(fù)極。試驗(yàn)原理見圖1，向中空電極內(nèi)部通入一定壓力的助燃氧氣，在電火花誘導(dǎo)放電的作用下，通入加工區(qū)域的助燃氧氣與工件發(fā)生燒蝕反應(yīng)，生成燃燒產(chǎn)物并釋放出大量的熱量，金屬材料被燃燒蝕除。在加工過程中，工作液持續(xù)噴射到加工區(qū)域。試驗(yàn)裝置及加工現(xiàn)場照片見圖2和圖3。

圖1 放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工原理圖

圖2 試驗(yàn)裝置

圖3 放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工現(xiàn)場

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

（1）采用單因素法研究基本工藝參數(shù)對(duì)放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削材料加工效率和電極相對(duì)損耗的影響，加工過程中各工藝參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

（2）試驗(yàn)工件為TC4鈦合金環(huán)形圓盤，圓盤外徑為92 mm，厚為15 mm，圓盤內(nèi)徑39 mm的孔為工件安裝孔。誘導(dǎo)燒蝕電極為中空紫銅管，外徑為3 mm，內(nèi)徑為1.5 mm。

2 誘導(dǎo)燒蝕電極伺服進(jìn)給系統(tǒng)

2.1 誘導(dǎo)燒蝕電極伺服進(jìn)給原理

誘導(dǎo)燒蝕電極通過伺服進(jìn)給系統(tǒng)控制其進(jìn)給速度和方向，同時(shí)通過控制工件轉(zhuǎn)速、氧氣流量、壓力，使放電燒蝕加工處于穩(wěn)定、可控的狀態(tài)。加工過程中，由于電極與工件之間的燒蝕狀態(tài)及變化不易直接測量，本試驗(yàn)采用放電概率檢測，從而跟蹤相應(yīng)的電火花放電間隙。放電概率P是指一定時(shí)間內(nèi)有效放電脈沖占全部脈沖數(shù)的比例。在加工過程中，電極伺服進(jìn)給系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的放電概率P0以維持一定的放電間隙，從而控制電極進(jìn)給或回退。

通常，電火花放電狀態(tài)有空載、火花放電、穩(wěn)定電弧放電、不穩(wěn)定電弧放電（電弧前兆）及短路等5種。其中，電弧放電在傳統(tǒng)電火花加工中是不被允許的，它屬于有害放電脈沖，會(huì)造成燒傷性損傷；但在放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工中，電火花放電和電弧放電均能在材料表面形成熱源[2]，在富氧條件下，放電點(diǎn)材料都能被引燃，從而達(dá)到材料自身燃燒蝕除的目的，因此也被列為有效脈沖。加工過程中采集的放電波形見圖4，可看出電弧放電和正常放電的電流值相差不大，且單個(gè)脈沖產(chǎn)生的有效放電電流峰值幾乎不變。因此，可將放電間隙狀態(tài)區(qū)分為空載、有效放電（含正常及電弧放電）、短路等3個(gè)階段（圖5）。

如圖5所示，有效放電時(shí)的脈沖峰值電流為i＾e。

圖4 放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工放電波形

圖5 放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削間隙狀態(tài)

當(dāng)放電間隙過大時(shí)，極間處于開路狀態(tài)，有極小的漏電流，其值接近于0；當(dāng)放電間隙過小時(shí)，極間處于短路狀態(tài)，短路峰值電流為i＾s，一般比i＾

e大20%～40%。因此，可根據(jù)設(shè)定的峰值電流調(diào)節(jié)i＾s的值。假設(shè)ΔT時(shí)間段內(nèi)每個(gè)脈沖產(chǎn)生的均為短路電流，則短路電流的平均值is可反映全部脈沖的個(gè)數(shù)，放電概率P也可間接表示為：

式中：i為ΔT時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際平均電流，包括有效放電電流和短路電流；Ψ為占空比。

為了保持加工過程的穩(wěn)定性，一般定義加工過程中的放電概率P為50%～90%。由于放電概率過高時(shí)，易造成過進(jìn)給，影響加工穩(wěn)定性；而放電概率過低時(shí)，加工間隙過大，會(huì)降低加工速度。因此，本文提出基于放電概率檢測的電極伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)，其信號(hào)檢測和控制流程見圖6。采用霍爾傳感器檢測實(shí)時(shí)電流的大小，通過信號(hào)處理電路積分、放大后，輸出一個(gè)表征誘導(dǎo)燒蝕放電間隙狀態(tài)的放電概率P，然后與設(shè)定的P0比較。信號(hào)處理過程中，積分電路的時(shí)間常數(shù)τ決定了ΔT的值，本控制系統(tǒng)中取τ=10 ms。當(dāng)P＞P0時(shí)，電極回退；當(dāng)P＜P0時(shí)，電極進(jìn)給。因此，電極伺服控制系統(tǒng)是利用不同的放電概率來反映燒蝕間隙狀態(tài)，從而決定電極進(jìn)給或回退。

圖6 誘導(dǎo)燒蝕放電電流檢測及處理流程圖

2.2 誘導(dǎo)燒蝕電極伺服進(jìn)給系統(tǒng)P0的選取

本試驗(yàn)參數(shù)下，為了使放電間隙維持在某一穩(wěn)定狀態(tài)，以進(jìn)一步提高加工的穩(wěn)定性，分別取P0為50%、65%、80%、90%進(jìn)行放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削實(shí)驗(yàn)，P0對(duì)加工效率和電極相對(duì)損耗的影響見圖7。可看出，隨著P0的增加，由于放電空載率降低，能量利用率提高，使燒蝕速度增大，故加工效率隨之變大；當(dāng)P0＞80%并繼續(xù)增加時(shí)，放電誘導(dǎo)中的拉弧放電和短路增多，火花放電效果變差，材料引燃率降低，反而使加工效率降低。因此，較適合的放電概率是80%，此時(shí)P0對(duì)應(yīng)的放電間隙與實(shí)際放電間隙較吻合，從而使放電燒蝕狀態(tài)較穩(wěn)定，材料加工效率較高。

圖7 放電概率對(duì)材料加工效率和電極相對(duì)損耗率的影響

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 加工極性的比較

在不同脈沖寬度下進(jìn)行放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的極性對(duì)比試驗(yàn)。分別采用正極性和負(fù)極性加工，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。可看出，工件接脈沖電源正極（正極性加工）時(shí)，加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)極性加工，且電極相對(duì)損耗較低。其原因主要是因?yàn)榉烹娬T導(dǎo)可控?zé)g車削加工過程中，雖然極間介質(zhì)處于氣液兩相[3]，但氣體介質(zhì)起主導(dǎo)作用[4]，氣體放電加工過程的微觀物理過程主要以電子轟擊為主，不管是長脈沖還是短脈沖，電火花誘導(dǎo)燒蝕的正極性燒蝕量總是高于負(fù)極性燒蝕量，所以采用正極性加工時(shí)的材料加工效率較高。同時(shí)，由于負(fù)極性加工時(shí)誘導(dǎo)燒蝕電極受電子的轟擊作用，導(dǎo)致電極損耗較高[5]。因此，綜合考慮各種因素，放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工適合采用正極性加工，以下相關(guān)電參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)也均采用正極性加工。

圖8 極性對(duì)加工效率和電極相對(duì)損耗的影響

3.2 脈沖寬度對(duì)加工性能的影響

在50、100、300、500、700 μs等5組不同的脈沖寬度下進(jìn)行試驗(yàn)，脈沖寬度對(duì)材料加工效率和電極相對(duì)損耗的影響見圖9。可看出，隨著脈沖寬度的增加，材料加工效率也增加。這是因?yàn)椴牧系募庸ば适軉蝹€(gè)脈沖能量的影響，單個(gè)脈沖能量與脈沖電源的脈沖寬度大小呈正比關(guān)系。當(dāng)脈沖寬度增加時(shí)，單個(gè)脈沖釋放的能量增大，使加工區(qū)域的活化基體增加，導(dǎo)致參與燃燒反應(yīng)的材料也增加。另外，隨著脈沖寬度的增加，電極相對(duì)損耗率保持在較低的水平，且呈下降趨勢。這是由于電火花誘導(dǎo)燒蝕放電加工微觀過程主要是以電子的轟擊為主，所以接脈沖電源負(fù)極的電極相對(duì)損耗較?。煌瑫r(shí)，脈沖寬度的增加引起單個(gè)脈沖釋放的能量增大，隨著氧氣的通入，被加工蝕除的工件材料能在一定程度上補(bǔ)償電極損耗。

圖9 脈沖寬度對(duì)加工效率和電極相對(duì)損耗率的影響

3.3 脈沖間隔對(duì)加工性能的影響

脈沖間隔對(duì)材料加工效率和電極相對(duì)損耗的影響見圖10?？梢姡诿}沖寬度一定的情況下，材料的加工效率隨著脈沖間隔的增加先提高后降低，電極相對(duì)損耗率受脈沖間隔的影響不大。

圖10 脈沖間隔對(duì)加工效率和電極相對(duì)損耗率的影響

在電火花加工過程中，當(dāng)電極材料、脈沖參數(shù)、極間放電介質(zhì)一定時(shí)，工件的加工效率與單個(gè)脈沖能量、放電頻率、有效脈沖利用率成正比，加工效率vw可表示為[6]：

式中：K為與電極材料、脈沖寬度、極間放電介質(zhì)等有關(guān)系的工藝系數(shù)；W為單個(gè)脈沖能量；f為放電頻率；λ為有效脈沖利用率。

由于脈沖間隔的變化不僅會(huì)引起放電頻率f的變化，還會(huì)影響極間介質(zhì)的消電離、電蝕產(chǎn)物的排出和極間熱量傳遞等，從而引起有效脈沖利用率λ的變化。當(dāng)脈沖間隔過小時(shí)，將產(chǎn)生短路，影響加工性能，使加工效率降低；當(dāng)脈沖間隔較小（＜100 μs）時(shí)，有效脈沖利用率對(duì)加工效率的影響較大，放電頻率對(duì)加工效率的影響相對(duì)較小。隨著脈沖間隔的增大，極間消電離更充分，降低了極間短路的發(fā)生，且有利于燃燒產(chǎn)物的排出，從而使有效脈沖利用率增大；同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致放電頻率減小，但有效脈沖利用率的增大對(duì)加工效率的影響更大，因此，放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的材料加工效率隨著脈沖間隔的增加而增大。在試驗(yàn)參數(shù)下，當(dāng)脈沖間隔為100 μs、加工效率達(dá)到最大時(shí)，有效脈沖利用率最高，極間處于穩(wěn)定放電狀態(tài)。當(dāng)脈沖間隔較大（＞100 μs）時(shí)，脈沖間隔已足夠滿足極間介質(zhì)的消電離、電蝕產(chǎn)物的排出和極間熱量的擴(kuò)散，有效脈沖利用率對(duì)加工效率的影響較小，放電頻率對(duì)加工效率的影響更大；隨著脈沖間隔的增大，使放電頻率減小，放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的加工效率隨之降低。

3.4 峰值電流對(duì)加工性能的影響

脈沖峰值電流i＾e是由脈沖電源決定的，表現(xiàn)為間隙火花放電時(shí)脈沖電流的瞬時(shí)最大值，其對(duì)加工性能的影響見圖11。可見，隨著脈沖峰值電流的增大，材料的加工效率增加，電極相對(duì)損耗變化不大，且處于較低水平。

圖11 脈沖峰值電流對(duì)加工效率和電極相對(duì)損耗率的影響

根據(jù)電火花誘導(dǎo)燒蝕理論，電火花誘導(dǎo)燒蝕車削加工的材料加工效率雖然與放電所釋放的能量不成嚴(yán)格的正比關(guān)系，但具有一定的相關(guān)性，即在其他條件不變的情況下，電火花誘導(dǎo)放電釋放的能量越多，燒蝕速度越快。

本試驗(yàn)所用的脈沖電源，其單個(gè)脈沖電源能量正比于脈沖峰值電流和電流脈沖寬度，即單個(gè)脈沖能量W為：

式中：k為工藝參數(shù)；i＾e為脈沖峰值電流，A；te為電流脈沖寬度。

由式（3）可知，隨著脈沖峰值電流的增大，單個(gè)脈沖釋放的能量增加，使材料的蝕除速度提高，放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的加工效率就更高。

4 加工實(shí)例

通過上述分析，選取一組優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)電火花燒蝕車削和常規(guī)電火花車削的加工效率、電極相對(duì)損耗率及表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)參數(shù)見表2，試驗(yàn)結(jié)果見圖12和圖13。

表2 優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)

圖12 兩種加工方式下材料加工效率和電極相對(duì)損耗率

圖13 兩種加工方式下的工件表面

由圖12可看出，放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的材料加工效率是常規(guī)電火花車削的27倍，電極相對(duì)損耗率僅為常規(guī)電火花車削的80%。由圖13可看出，電火花車削表面密布有大小不等的放電坑，表面微區(qū)為波浪狀形貌，由于放電能量僅由脈沖電源提供，放電坑較淺；而燒蝕車削表面由于鈦合金材料劇烈燃燒形成較多的燒蝕坑，且附著了較多重熔顆粒。因此，放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工能極大地提高鈦合金的加工效率，并降低電極相對(duì)損耗，但表面質(zhì)量不高，適用于對(duì)難加工金屬材料的粗加工。

5 結(jié)論

（1）放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工極大地提高了鈦合金的加工速度，適合采用正極性加工。

（2）放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的材料加工效率隨著放電能量的增加而增大，受峰值電流的影響最大。本試驗(yàn)參數(shù)下，當(dāng)放電概率為80%時(shí)，加工最穩(wěn)定。

（3）放電誘導(dǎo)可控?zé)g車削加工的工件表面質(zhì)量不同于電火花車削，表面有較多的燒蝕坑和重熔顆粒，適合鈦合金等難加工金屬材料的粗加工。

[1] 劉志東.放電誘導(dǎo)可控?zé)g高效加工典型工藝方法[J].電加工與模具，2012（1）：1-5.

[2] 趙萬生，劉晉春.電火花加工中電弧放電的起因[J].電加工，1988（1）：8-12.

[3] 陳龍海，劉志東，邱明波，等.TC4鈦合金電火花誘導(dǎo)可控?zé)g復(fù)合車削技術(shù)研究 [J].航空學(xué)報(bào)，2013（11）：2626-2634.

[4] 李立青，趙萬生，狄士春，等.氣體放電加工基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（2）：203-207.

[5] 李立青，王振龍，趙萬生.氣體放電加工機(jī)理分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（3）：259-362.

[6] 趙萬生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

The Influence of Electrical Parameters on Controllable Spark-induced Combustion Turning on Titanium Alloy

Yin Chunjing，Liu Zhidong，Ling Jiajian，Qiu Mingbo，Tian Zongjun
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A servo control system for inducing combustion electrode based on discharge probability which is setted to 80%through the optimization experiment，is designed.Then the machining influence of electrical parameters including pulse width，pulse interval and peak current，is analyzied.The result shows that the peak current has the greatest impact on machining efficiency under the condition of positive polarity machining.Then the controllable spark-induced combustion turning is compared with conventional EDM turning by the optimization parameter selection.The results show that the material machining efficiency increases 27 times than conventional EDM turning and the electrode relative loss is reduced 80%compared with conventional EDM turning.

electrical parameters；spark-induced；controllable combustion；discharge probability；machining efficiency

TG661

A

1009－279X（2014）03－0043-05

2013-09-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51175256，51205197）；航空基金資助項(xiàng)目（2011ZE52060）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2011732）

尹純晶，女，1989年生，碩士研究生。