鎳基高溫合金多孔質(zhì)電極電火花加工實(shí)驗(yàn)研究

孔令蕾，蔣 毅，平雪良，趙萬(wàn)生，李 其

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院/江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

鎳基高溫合金具有良好的高溫蠕變強(qiáng)度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及核反應(yīng)堆等工業(yè)領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。但由于鎳基高溫合金的低熱傳導(dǎo)性，使其在傳統(tǒng)機(jī)械加工中產(chǎn)生的大量熱量難以散失，易造成刀具的磨損和損傷，加工效率極低，故被視為典型的難加工材料[2-3]。

盡管電火花加工對(duì)材料的適應(yīng)性較好，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、模具制造等領(lǐng)域的難加工材料和復(fù)雜形狀零件的制造，但電火花加工鎳基高溫合金仍較困難[4]。王飛等[5]針對(duì)鎳基高溫合金IN718，采用電弧加工的方式，將高壓脈沖電源和低壓大功率直流電源進(jìn)行組合，外加沖液及機(jī)械動(dòng)力斷弧機(jī)制，獲得了很高的材料去除率。趙萬(wàn)生等[6]提出的集束電極法，實(shí)現(xiàn)了電極快速制備和多孔內(nèi)沖液加工，進(jìn)而在鎳基高溫合金加工中采用了石墨電極、多孔內(nèi)沖液及大電流放電的加工策略，同樣以電弧加工的方式獲得了極高的材料去除率[7]。

多孔質(zhì)電極是一種由粒徑較大的紫銅顆粒經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的多孔材料電極[8]，可利用由顆粒間的孔隙形成的流道在放電加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)分布式、三維全向的內(nèi)沖液，有利于發(fā)揮與集束電極相似的多孔內(nèi)沖液優(yōu)勢(shì)。為此，本文針對(duì)鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行了多孔質(zhì)電極電火花加工性能的實(shí)驗(yàn)研究。由于受機(jī)床最大電流的限制，采用了相對(duì)于文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[7]較小的電流，獲得了材料去除率、工具電極相對(duì)損耗隨峰值電流、沖液流量、脈沖寬度的變化規(guī)律，并與實(shí)體電極進(jìn)行了對(duì)比和分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

多孔質(zhì)電極電火花加工采用的工具電極由毫米級(jí)粒徑的紫銅顆粒經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成。先將球形紫銅顆粒裝入石墨模具中，振實(shí)、壓緊后置于真空爐內(nèi)，在真空度為-0.1 MPa下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，紫銅顆粒之間會(huì)在高溫下形成具有連接作用的燒結(jié)頸（圖1a），再按模具內(nèi)腔形狀燒結(jié)成成形電極體。為了對(duì)多孔質(zhì)電極電火花加工鎳基合金的基本性能進(jìn)行研究，采用了圓柱形模具內(nèi)腔，制成圓柱形多孔質(zhì)成形電極（圖1b）。

圖1 多孔質(zhì)電極及顆粒間燒結(jié)頸

在燒結(jié)溫度為1078℃、保溫時(shí)間為120 min時(shí)，紫銅顆粒間的燒結(jié)頸粗壯，顆粒間的結(jié)合足夠緊密。電火花放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在多孔質(zhì)電極損耗近5層紫銅顆粒的情況下，仍未發(fā)生顆粒的脫落；同時(shí)，顆粒間仍能保持通暢的流道，滿(mǎn)足分布式?jīng)_液的要求（圖2）。

圖2 加工前后電極損耗

電火花加工實(shí)驗(yàn)在數(shù)控電火花成形機(jī)床上進(jìn)行。工件材料為鎳基高溫合金GH4169，加工液為煤油，多孔質(zhì)電極夾持裝置及其沖液情況見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及多孔質(zhì)電極分布式全向內(nèi)沖液

實(shí)驗(yàn)分別采用了實(shí)體電極和多孔質(zhì)電極，電極外徑為30 mm，加工深度為-6 mm，采用正極性加工（工件接正極）。實(shí)驗(yàn)采用的其他加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電火花加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 加工方式對(duì)材料去除率的影響

分別采用多孔質(zhì)電極和實(shí)體電極進(jìn)行加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用峰值電流64 A、脈沖寬度42 μs、脈沖間隔100 μs、固定沖液流量86 L/h。兩種電極在不同加工方式下的材料去除率對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 不同加工方式對(duì)材料去除率的影響

由圖4可看出，在放電參數(shù)相同且均采用抬刀方式加工的情況下，施加沖液的材料去除率比不施加沖液更高。該結(jié)果顯示，雖然一般抬刀有改善極間狀態(tài)的作用，但僅采用抬刀方式加工，還不足以將極間狀態(tài)維護(hù)至理想的程度，極間狀態(tài)仍有改善空間。因此，當(dāng)加入沖液進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)極間狀態(tài)的改善作用后，材料去除率得到了提升。

多孔質(zhì)電極在沖液不抬刀條件下的材料去除率為56.1 mm3/min；而采用既沖液、又抬刀方式加工后，其材料去除率下降至52.3 mm3/min。該結(jié)果顯示，在采用沖液加工后，抬刀對(duì)放電過(guò)程穩(wěn)定性的維護(hù)作用并未得到充分發(fā)揮，反而因抬刀時(shí)間的損失降低了材料去除率，表明在本實(shí)驗(yàn)所采用的電參數(shù)下，沖液能在很大程度上代替抬刀的作用。進(jìn)一步將多孔質(zhì)電極沖液不抬刀加工與實(shí)體電極抬刀加工進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，沖液加工的材料去除率比實(shí)體抬刀加工提高了22%。

上述分析結(jié)果顯示，多孔質(zhì)電極采用分布式內(nèi)沖液后，能通過(guò)沖液改善極間狀態(tài)，提高材料去除率，且沖液對(duì)維護(hù)放電穩(wěn)定性的作用大于抬刀，因此，多孔質(zhì)電極能采用不抬刀方式加工。

而在上述放電加工參數(shù)下，采用實(shí)體電極進(jìn)行不抬刀方式加工時(shí)，其加工速度極慢，電極損耗較大，不僅在加工中心區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的積碳，且電極端部發(fā)生了變形（圖5）。這是由于僅采用液槽內(nèi)工作液自然流動(dòng)時(shí)的排屑效果較差，實(shí)體電極在較大面積成形加工中產(chǎn)生的放電蝕除產(chǎn)物無(wú)法及時(shí)排出，極間狀態(tài)發(fā)生惡化所致，因此，實(shí)體電極必須采用抬刀方式加工。

圖5 實(shí)體電極不抬刀加工時(shí)出現(xiàn)碳柱

2.2 電流對(duì)加工性能的影響

在固定脈沖寬度為42 μs時(shí)，改變峰值電流對(duì)材料去除率（MRR）和電極相對(duì)損耗率（TWR）的影響見(jiàn)圖6。多孔質(zhì)電極以沖液不抬刀方式加工，固定沖液流量86 L/h，實(shí)體電極以抬刀方式加工。

由圖6a可看出，隨著峰值電流的增加，多孔質(zhì)電極和實(shí)體電極的材料去除率均呈上升趨勢(shì)。同時(shí)可看到，多孔質(zhì)電極在小電流加工條件下的材料去除率較低；而當(dāng)峰值電流超過(guò)45 A后，多孔質(zhì)電極的材料去除率高于實(shí)體電極。

由于實(shí)驗(yàn)采用的脈沖寬度較小，在小電流加工時(shí)，加工屑整體尺寸較小，故此時(shí)實(shí)體電極能在抬刀作用下獲得較好的排屑條件；而多孔質(zhì)電極分布式內(nèi)沖液對(duì)極間狀態(tài)的改善作用卻無(wú)法得到充分發(fā)揮，且還會(huì)因電極底面粗糙度值較大，易產(chǎn)生大量側(cè)向放電而影響加工效率。

而在大電流加工時(shí)，蝕除顆粒增大，實(shí)體電極僅采用抬刀加工已無(wú)法將放電過(guò)程的穩(wěn)定性維護(hù)至理想程度，而采用多孔質(zhì)電極卻可充分發(fā)揮分布式內(nèi)沖液的作用，獲得較高的材料去除率（圖4）。該結(jié)果也說(shuō)明多孔質(zhì)電極較適于大電流、粗加工條件下的零件加工，而實(shí)體電極可用于中、精加工，二者在粗、精加工上可起到互補(bǔ)的作用，相互配合可達(dá)到較高的加工效率。

由圖6a還可看出，多孔質(zhì)電極材料去除率的曲線斜率比實(shí)體電極更大，說(shuō)明隨著峰值電流的增加，多孔質(zhì)電極材料去除率的增速大于實(shí)體電極，且隨著電流的增加，二者之差有增大趨勢(shì)。受機(jī)床所能提供的最大電流為64 A的限制，目前無(wú)法獲得多孔質(zhì)電極在更高峰值電流下的材料去除率數(shù)據(jù)，但可預(yù)期其在現(xiàn)有基礎(chǔ)上將得到進(jìn)一步提高。

圖6 多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極的加工性能對(duì)比

由圖6b可看出，隨著峰值電流的增加，多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極的相對(duì)損耗率均逐步減小，且在相同電流值下，多孔質(zhì)電極的相對(duì)損耗率低于實(shí)體電極。表明采用分布式?jīng)_液的多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極相比，不僅能提高加工效率，也能降低工具電極損耗。此外，實(shí)體電極較大的相對(duì)損耗率使其在大面積、大深度加工中的工件和電極變形嚴(yán)重（圖7）。工件表面中心易出現(xiàn)凹形，且在四周帶有邊緣凸起；而在工具電極表面會(huì)形成與工件相對(duì)應(yīng)的中心凸起及四周邊緣凹坑。多孔質(zhì)電極加工后的工件和電極表面并未出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象，只是因多孔質(zhì)電極底面平整度低而留有一定量的料芯。

圖7 實(shí)體電極加工后的工件及工具變形

2.3 沖液對(duì)加工性能的影響

上述實(shí)驗(yàn)均采用固定沖液流量86 L/h，但沖液是多孔質(zhì)電極相對(duì)于實(shí)體電極最大的區(qū)別，因此有必要測(cè)試沖液對(duì)多孔質(zhì)電極鎳基高溫合金加工性能的影響。采用固定脈寬42 μs、峰值電流64 A，分別施加不同流量的沖液，其材料去除率和電極相對(duì)損耗率見(jiàn)圖8。

圖8 沖液對(duì)加工性能的影響

由圖8可看出，隨著沖液流量的增加，材料去除率下降，電極相對(duì)損耗率上升?？梢?jiàn)，雖然沖液具有排出加工屑、改善極間狀態(tài)的作用，但在鎳基高溫合金加工中，沖液流量并非越大越好。由于采用了較小的脈寬和并非很大的電流，蝕除產(chǎn)物顆?？傮w較小，在較小的沖液流量作用下就足以降低至較合適的濃度；增大流量后，反而使極間蝕除產(chǎn)物濃度過(guò)低，影響了單位時(shí)間內(nèi)的有效放電次數(shù)，這是導(dǎo)致材料去除率降低的主要原因。

這一解釋也可從電極相對(duì)損耗率隨沖液流量增加而上升中得到印證，即極間蝕除產(chǎn)物濃度過(guò)低，影響了蝕除產(chǎn)物對(duì)工具電極的反粘保護(hù)作用。

2.4 脈沖寬度對(duì)加工性能的影響

為進(jìn)一步探索多孔質(zhì)電極在不同脈沖寬度下對(duì)鎳基高溫合金加工性能的影響，在脈間100 μs、峰值電流64 A、固定沖液流量86 L/h的條件下，通過(guò)改變脈沖寬度，得到多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極加工的材料去除率和工具相對(duì)損耗率隨脈寬的變化規(guī)律（圖9）。其中，多孔質(zhì)電極以沖液不抬刀方式加工，實(shí)體電極以抬刀方式加工。

圖9 脈寬對(duì)加工性能的影響

由圖9a可看出，隨著脈沖寬度的增加，多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極加工工件的材料去除率呈先上升、后下降的趨勢(shì)；多孔質(zhì)電極在脈寬為42 μs、實(shí)體電極在脈寬為75 μs時(shí)分別獲得的材料去除率最大；當(dāng)脈寬高于75 μs時(shí)，多孔質(zhì)電極加工的材料去除率低于實(shí)體電極。由圖9b可看出，多孔質(zhì)電極與實(shí)體電極的相對(duì)損耗率大致隨著脈寬的增加而增大，但多孔質(zhì)電極相對(duì)損耗率的增長(zhǎng)速度極緩慢。

隨著脈寬的增加，多孔質(zhì)電極的材料去除率下降速度比其相對(duì)損耗率的上升速度更快。該結(jié)果無(wú)法用沖液降低極間蝕除產(chǎn)物的濃度進(jìn)行解釋?zhuān)駝t電極相對(duì)損耗率也應(yīng)上升較快。通過(guò)對(duì)加工后的工件表面進(jìn)行放大觀測(cè)，可見(jiàn)其表面粘附有大量蝕除顆粒，甚至在由于多孔質(zhì)電極底部不平整而形成的并未受到加工的工件上表面臺(tái)階上，也有球形蝕除顆粒存在，其最大直徑可超過(guò)200 μm（圖10），該尺寸與極間距離已非常接近。因此，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果較合理的解釋是隨著脈寬的增加，蝕除產(chǎn)物顆粒相應(yīng)增大至難以被沖液排出的程度，且由于鎳基高溫合金導(dǎo)熱性差、不易凝固的特點(diǎn)而更易于反粘在工件和電極表面，導(dǎo)致“二次放電”的概率增加，使材料去除率急劇降低，而電極相對(duì)損耗率緩慢上升。

圖10 多孔質(zhì)電極蝕除顆粒

由于實(shí)體電極采用抬刀方式加工，極間距離在抬刀時(shí)可遠(yuǎn)大于蝕除產(chǎn)物粒徑，使加工蝕除產(chǎn)物較多孔質(zhì)電極更易被排出加工區(qū)域，也不易反粘于工件和電極表面，使其材料去除率相對(duì)于多孔質(zhì)電極更高，而電極相對(duì)損耗率也上升迅速。

3 結(jié)論

通過(guò)制備符合電火花加工要求的多孔材料電極和搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了鎳基高溫合金GH4169的多孔質(zhì)電極電火花加工實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，分布式內(nèi)沖液可起到與抬刀相似的改善極間狀態(tài)的作用，但與峰值電流、脈沖寬度所導(dǎo)致的蝕除產(chǎn)物粒徑的關(guān)系十分密切。當(dāng)峰值電流和脈沖寬度較小、蝕除產(chǎn)物粒徑也較小時(shí)，蝕除產(chǎn)物易排出加工區(qū)域，沖液的優(yōu)勢(shì)無(wú)法得到充分發(fā)揮；隨著蝕除產(chǎn)物粒徑增大，沖液的優(yōu)勢(shì)相應(yīng)增大，此時(shí)可采用不抬刀方式加工，能獲得較實(shí)體電極更高的材料去除率；蝕除產(chǎn)物粒徑的進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致其難以被沖出狹窄的極間區(qū)域，并導(dǎo)致其易被反粘于工件表面，從而使材料去除率下降。

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