電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工方法研究

劉仁體，邱明波，徐安陽，劉志東，田宗軍

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工方法研究

劉仁體，邱明波，徐安陽，劉志東，田宗軍

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

針對放電誘導燒蝕加工在高效加工的同時易在工件表面產(chǎn)生巨大燒蝕坑的問題，提出了電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工方法。對鈦合金TC4進行了電火花加工、燒蝕加工、誘導燒蝕磨削修整復合加工的對比實驗，研究機械磨削作用對燒蝕性能的影響。在鈦合金燒蝕加工實驗過程中，用復合機械磨頭進行修整能顯著提高加工效率，達到1107 mm3/min，是同等條件下電火花加工的6.77倍、燒蝕加工的1.27倍。由于存在機械磨削修整作用，可在線去除燒蝕產(chǎn)物，露出基體材料，工件表面粗糙度優(yōu)于燒蝕加工，甚至優(yōu)于同等電參數(shù)下的電火花加工，達到了在獲得高效加工的同時提升表面質(zhì)量的目的。

電火花加工；燒蝕加工；磨削加工；表面質(zhì)量

電火花加工技術(shù)具有不受工件材料強度、硬度等機械性能限制的特點，是難加工材料的重要加工手段，但較低的加工效率嚴重制約了該技術(shù)的進一步發(fā)展應用［1-2］。針對電火花加工效率低的問題，國內(nèi)外學者進行了深入研究。劉永紅等提出了一種超高效電火花電弧復合加工技術(shù)，在對鎳基高溫合金Inconel718進行的電火花電弧復合銑削加工中，獲得了高達13 421 mm3/min的材料去除率［3-4］。趙萬生等提出了高速電弧放電加工方法，加工鎳基高溫合金GH4169的材料去除率可達14 000 mm3/min［5-7］。劉志東提出了電火花誘導燒蝕加工的新方法，依靠工件材料燃燒產(chǎn)生的化學能去除材料，能顯著提高加工效率達數(shù)十倍［8］。徐安陽等在電火花燒蝕的基礎上，設計了氣液混合功能電極燒蝕車削加工系統(tǒng)，氣液混合功能電極能將氧氣與工作液從專用通道通入加工區(qū)域，并均勻地混合在一起，該方法能形成分散均勻的氣泡，避免了氧氣不均勻造成的局部燃爆反應［9-11］。在這些高效電火花加工過程中，大能量高效蝕除與工件表面質(zhì)量和精度之間存在著一定的矛盾，如何在獲得高效加工的同時得到較好的表面質(zhì)量，已成為高效電火花加工亟需解決的問題［12-13］。

本文基于功能電極電火花誘導燒蝕車削加工系統(tǒng)，提出了復合機械磨頭對工件表面進行在線修整的加工方法，以達到在獲得高效加工的同時提高燒蝕表面質(zhì)量的目的。

1　加工實驗

1.1實驗裝置

電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工系統(tǒng)由功能電極電火花誘導燒蝕系統(tǒng)和機械磨削修整系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)原理及實物見圖1。工件由電機控制旋轉(zhuǎn)，機床主軸帶動功能電極向工件作伺服進給進行燒蝕加工。功能電極由一個管狀電極內(nèi)填充多個管狀小電極構(gòu)成。氧氣和水分別從不同的內(nèi)電極通入加工間隙，氧氣與水相互沖刷，使氧氣分散為大小均勻的氣泡，均勻分布在液體中形成氣液混合介質(zhì)；在電火花脈沖電源作用下，氣液混合介質(zhì)被擊穿形成電火花放電，放電能量加熱工件與均勻分布的氧氣氣泡發(fā)生穩(wěn)定的氧化燃燒反應，通過鈦合金材料的消耗及燃燒釋放的巨大化學能實現(xiàn)工件材料的蝕除。

圖1　實驗裝置

機械磨削修整系統(tǒng)是一個基于壓力檢測的伺服進給控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對磨頭與工件之間的壓力監(jiān)測來調(diào)控旋轉(zhuǎn)磨頭的進給速度與燒蝕加工速度的匹配，實現(xiàn)燒蝕工件表面氧化層和重凝層的磨除修整。

1.2實驗參數(shù)

實驗采用相同的加工參數(shù)，分別對鈦合金TC4工件進行功能電極電火花加工、電火花誘導燒蝕加工和電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工。均采用正極性加工，工件接正極，功能電極接負極，其他實驗參數(shù)見表1。

表1　實驗參數(shù)

1.3實驗結(jié)果

對工件加工前后的質(zhì)量進行稱重，計算得到電火花加工、燒蝕加工和燒蝕磨削復合加工的材料去除率（圖2）?？梢?，燒蝕磨削復合加工的材料去除率最大，為1107 mm3/min，是燒蝕加工材料去除率（875 mm3/min）的1.27倍，是電火花加工材料去除率（163.4 mm3/min）的6.77倍。因此，電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工能達到提高加工速度，達到高效加工的目的。

圖2　材料去除率對比圖

圖3是電火花加工、燒蝕加工和燒蝕磨削復合加工所獲得的工件表面，分別測量其表面粗糙度Ra值依次為：6.07、11.41、5.64 μm?？煽闯觯娀鸹庸け砻尜|(zhì)量較好，呈現(xiàn)鈦合金獨有的藍色氧化痕跡；燒蝕加工表面附著厚厚的黑色氧化物，質(zhì)地粗糙，凹凸不平，有明顯的燒蝕熔融產(chǎn)物流動的痕跡；燒蝕磨削復合加工表面的黑色氧化物被大量磨除，工件表面有明顯的磨痕，部分位置呈現(xiàn)鈦合金基體的銀白色光澤，表面質(zhì)量明顯提高。

圖3　加工表面對比圖

2　復合加工機理分析

2.1材料去除率分析

由實驗數(shù)據(jù)可知，電火花誘導燒蝕磨削復合加工提高了電火花加工的材料去除率，其對材料的去除可分為三部分：一是電火花放電對工件材料的蝕除；二是電火花誘導產(chǎn)生的燒蝕加工通過金屬燃燒消耗和燃燒熱對工件材料的蝕除；三是通過機械磨削作用去除的工件表面氧化層。其中，燒蝕加工在整個加工過程中占主要部分。

2.1.1電火花放電蝕除

在電火花誘導燒蝕磨削復合加工過程中，火花放電不僅起著誘導燒蝕加工的作用，也起著蝕除工件材料的作用，其過程與普通電火花放電蝕除材料一樣，脈沖電源擊穿氣液混合介質(zhì)產(chǎn)生的帶電粒子轟擊工件表面，融化放電點材料并利用工作介質(zhì)受熱膨脹引起的物理微爆去除工件材料。其在整個加工過程中所占的比例較小。

2.1.2金屬燃燒蝕除

（1）金屬燃燒對工件材料的消耗

燒蝕過程中，金屬燃燒是一種劇烈的氧化反應，均是金屬元素與氧氣之間的氧化反應，在燃燒過程中會生成金屬氧化物，并消耗大量工件材料。

（2）工件材料受燒蝕熱融化去除

金屬燃燒過程是放熱過程，在其燃燒過程中能釋放出大量的化學能，這些能量作用于工件，能融化大量的金屬材料。對1 mol鈦金屬進行絕熱燃燒，產(chǎn)生的燃燒熱能使15.2 mol的鈦金屬材料升高至熔點并熔化?？梢姡紵裏釋Σ牧嫌芯薮蟮娜コ饔?。

2.1.3磨削作用

在電火花誘導燒蝕磨削復合加工過程中，磨削起著去除工件表面氧化層的作用。通過圖4所示的燒蝕加工和磨削修整后的工件橫截面SEM微觀形貌對比可知，燒蝕加工工件表面存在著一層結(jié)構(gòu)疏松、厚度約50 μm的氧化層，而在磨削加工工件表面則不存在這樣的氧化層，說明燒蝕加工表面氧化層在磨削作用下被去除。

圖4　橫截面SEM對比圖

通過燒蝕加工和磨削修整加工的工件表面能譜顯示，燒蝕加工和磨削修整加工的工件表面都存在大量的氧元素，說明在燒蝕加工中發(fā)生了劇烈的氧化燃燒反應，有大量的燃燒產(chǎn)物生成堆積在工件表面（圖5、圖6）。由表2所示燒蝕加工、磨削修整加工與原始成分對比可明顯看出，磨削修整后工件表面的氧元素質(zhì)量分數(shù)為16.83%，遠小于燒蝕加工后的32.69%，這也證明了在復合加工表面含氧量高的燒蝕產(chǎn)物在磨削過程中被蝕除。

表2　成分對比

2.2復合加工表面分析

圖7是燒蝕加工表面SEM圖?？梢姡ぜ砻娌紳M了微孔、微坑及微裂紋，大量氧化物和重凝物覆蓋在工件表面，重凝物質(zhì)有流動的痕跡。這些現(xiàn)象說明在工件表面進行了劇烈的氧化燃燒反應，釋放出遠超普通電火花加工的能量，使大量的材料達到熔點甚至氣化，熔融態(tài)的燒蝕產(chǎn)物經(jīng)工作液冷卻重凝在工件表面。整個燒蝕過程包括氣液混合介質(zhì)的擊穿、金屬材料的燃燒和融化、燒蝕產(chǎn)物的排出、重凝和工作液的流動汽化。

圖5　燒蝕加工能譜圖

圖6　磨削修整加工能譜圖

圖7　燒蝕加工表面SEM圖

磨削修整表面存在燒蝕表面和修整表面2種形貌。如圖8所示，左右兩側(cè)未經(jīng)修整的燒蝕加工表面與一般燒蝕一樣，堆積著大量的熔融產(chǎn)物，而中間經(jīng)過磨削修整后的表面，微坑、微孔和微裂紋被消除，凹凸不平的燒蝕表面變得平整，工件表面存在明顯的磨痕，表面質(zhì)量明顯好于左右兩側(cè)。

圖8　磨削修整表面SEM圖

2.3復合加工放電分析

在電火花加工、燒蝕加工及磨削修整復合加工過程中，以500 μs為單位分別截取電火花加工、電火花磨削復合加工、燒蝕加工、燒蝕磨削修整復合加工的波形。由圖9a、圖9b可見，電火花加工放電波形較穩(wěn)定，電火花磨削復合加工的電壓和電流略高于電火花加工，且變化很小，說明機械磨削作用對電火花加工的影響較??；由圖9c可看出，燒蝕加工存在大量的空載和短路波形，放電情況很差；而磨削修整復合加工的短路和空載波形明顯少于燒蝕加工，且工作電壓變化較小，加工電流卻有極大的提高（圖9d）。

2.3.1混合工作介質(zhì)對放電波形的影響

通過混合介質(zhì)介電理論可知，氧氣氣泡內(nèi)的電場強度大于水中的電場強度，氣液混合介質(zhì)的電場強度介于兩者之間。因此，以氣液混合介質(zhì)為工作介質(zhì)的燒蝕加工及燒蝕磨削修整復合加工的介質(zhì)擊穿電壓要高于以工作液為介質(zhì)的電火花加工的擊穿電壓。這一點通過電火花加工波形（圖9a、圖9b）和燒蝕加工波形（圖9c、圖9d）對比得到驗證。

2.3.2磨削作用對放電波形的影響

燒蝕磨削修整復合加工的等效電路見圖10。極間等效電阻R可分為兩部分：工作介質(zhì)電阻R1和氧化層電阻R2。而燒蝕過程和磨削修整加工對比實驗中，在參數(shù)不變的情況下，氧氣和工作液相互沖刷形成均勻的混合介質(zhì)，其等效電阻可認為是固定值；R2作為氧化層電阻與氧化層厚度成正比例關(guān)系，則整個放電間隙的等效電阻可認為R隨著氧化層的變化而變化。通過對鈦合金基體、燒蝕加工表面氧化層、燒蝕磨削修整復合加工工件表面進行電阻率檢測可知，燒蝕加工表面覆蓋著的燒蝕產(chǎn)物電阻率為4.3 Ω·cm，遠遠超出了TC4基體表面電阻率3個數(shù)量級；而磨削修整后的工件表面電阻率僅為0.03 Ω·cm，遠小于燒蝕加工。這說明在燒蝕加工過程中，鈦合金燃燒會在工件表面形成厚厚的氧化層，且鈦合金氧化物的導電性差。

在電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工過程中，由于燒蝕加工在工件表面形成導電性極差的氧化層，隨著燒蝕加工的進行，氧化層厚度逐漸增加，極間等效電阻R也隨之變大，從而增大了極間擊穿的難度，阻礙了正常放電的進行，導致脈沖利用率低于普通電火花脈沖利用率。峰值電流變小及放電概率的降低導致燒蝕加工平均電流小于電火花加工，這可通過圖9a和圖9c的對比得到驗證。燒蝕工件經(jīng)磨削修整后，工件表面導電性能差的氧化層和重凝層被磨除，部分工件基體材料裸露出來，表面電阻率明顯降低，極間等效電阻R也隨著表面氧化層的去除明顯減小，極間擊穿難度遠遠小于燒蝕加工；同時由于極間電阻的變大，燒蝕加工的峰值電流也隨之變小。整個加工過程中，峰值電流變小，而平均電流卻變大，這也反映出放電概率的提升明顯，這一點通過圖9c和圖9d可明顯看出。

圖9　加工波形對比圖

圖10　復合加工等效電路

3　燒蝕磨削修整復合加工過程

通過對燒蝕磨削修整復合加工機理及過程分析可知，其過程可分為電火花誘導、高效燒蝕和機械磨削修整等3個階段。

3.1電火花誘導階段

如圖11所示，鈦合金工件在加工系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機作用下作自旋轉(zhuǎn)運動，工作液和氧氣通過功能電極的內(nèi)部通道持續(xù)穩(wěn)定地通入加工間隙，在工件旋轉(zhuǎn)和沖刷力作用下，工作液和氧氣被分散在一起，形成均勻的氣液混合介質(zhì)。脈沖電源接通后，兩極間脈沖電壓擊穿混合介質(zhì)，在工件表面形成放電蝕坑，放電能量加熱放電坑及周邊的工件材料，形成高溫活化區(qū)域，為燒蝕反應營造了引燃條件。

圖11　電火花誘導階段示意圖

3.2高效燒蝕階段

工件表面受到放電能量加熱，形成達到燃點的高溫活化區(qū)域，并與通過功能電極導入的氧氣氣泡接觸后，產(chǎn)生了劇烈的氧化燃燒反應（圖12）。燃燒作用在消耗大量金屬材料的同時，又釋放出巨大的能量，這些能量繼續(xù)加熱燒蝕坑附近更多的鈦合金材料，使其達到燃點并與氧氣發(fā)生燃燒，實現(xiàn)燒蝕加工的自主進行。在劇烈的燒蝕作用下，大量工件材料被燃燒消耗和高溫蝕除，在工件表面形成了巨大的燒蝕坑，同時由于燒蝕加工中燃燒熱而形成的熔融產(chǎn)物在氣液混合介質(zhì)的冷卻作用下，凝固在工件表面，形成了具有一定厚度的氧化層。鈦合金氧化層質(zhì)地松散、破碎，與基體結(jié)合性差，便于下一步的機械磨削加工。

圖12　燒蝕階段示意圖

3.3機械磨削修整階段

如圖13所示，燒蝕加工在工件表面形成質(zhì)地疏松、凹凸不平的黑色重凝層，在工件旋轉(zhuǎn)作用的帶動下逐漸進入磨削區(qū)域與旋轉(zhuǎn)的磨頭接觸。磨頭在伺服電機控制下向前進給，金剛石磨粒會逐漸嵌入黑色氧化層和重凝層。在磨頭自旋轉(zhuǎn)和工件自旋轉(zhuǎn)的作用下，金剛石磨粒將這層質(zhì)地軟化的燒蝕層磨除掉，達到磨除巨大燒蝕坑、提高燒蝕加工表面質(zhì)量的目的。同時由于工件表面質(zhì)量的提高，表面電阻率會明顯降低，導電性能得到提升，極間放電條件得以改善，進而使電火花放電誘導脈沖利用率得到提高，引燃更多的燒蝕反應，促進燒蝕加工的進行，進一步提高了加工速度。

圖13　磨削修整過程示意圖

在電火花誘導燒蝕磨削修整復合加工的3個階段中，電火花放電為燒蝕產(chǎn)生提供能量，促進金屬材料與通入的氧氣燃燒，是進行燒蝕加工的前提誘導條件；高效燒蝕階段劇烈的燒蝕反應在工件表面生成質(zhì)地疏松的氧化層，為磨削性能較差的金屬材料提供了機械磨削修整的可能性；而磨削修整過程將燒蝕氧化層磨除，工件表面氧化層變薄或被完全去除，改善了電火花放電條件，極間等效電阻變小，提高了放電概率，誘導更多燒蝕加工的進行，其總體過程見圖14。上述過程相輔相成，相互促進，在保持燒蝕加工高效性的同時，提高了燒蝕加工的表面質(zhì)量。

圖14　復合加工循環(huán)過程

4　結(jié)論

電火花誘導燒蝕機械磨削修整方法將高效的電火花燒蝕加工與傳統(tǒng)的機械磨削加工結(jié)合起來，從而達到提高加工效率、改善表面質(zhì)量的效果。

（1）電火花誘導燒蝕機械磨削修整復合加工方法的加工效率達1107 mm3/min，是電火花加工的6.77倍，是燒蝕加工的1.27倍。

（2）電火花誘導燒蝕機械磨削修整復合加工方法能在保持甚至提高燒蝕加工效率的基礎上，改善燒蝕加工表面質(zhì)量。

（3）磨削修整作用能去除表面氧化層，提高工件表面導電率，改善極間放電條件，提高燒蝕加工脈沖利用率，促進燒蝕加工的進行。

（4）復合加工可分為電火花誘導階段、高效燒蝕階段和機械磨削修整階段3個過程。它們在加工過程中相輔相成，相互促進，在保持燒蝕加工高效性的同時，提高了燒蝕加工的表面質(zhì)量。

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Study on the Electro-discharge Machining Induced Ablation Added Grinding Finishing Machining

Liu Renti，Qiu Mingbo，Xu Anyang，Liu Zhidong，Tian Zongjun
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China）

The method of electro-discharge machining（EDM）induced ablation added grinding finishing machining was proposed to solve the large craters on surfaces caused by EDM induced ablation.A series of contrast experiments between EDM induced ablation and EDM induced ablation added grinding finishing machining for Ti-6Al-4V was conducted to study the effect of mechanical grinding on ablation machining performance.The process of mechanical grinding can significantly improve the processing efficiency to 1107 mm3/min，6.77 times the same conditions of EDM and 1.27 times of ablation.Owing to mechanical grinding，the regelation layer of the ablation process was removed，the matrix material was exposed，and the quality of the machining surface improved.The purpose of obtaining both better surface quality and high efficiency was then achieved.

EDM；ablation；grinding；surface quality

TG661

A

1009－279X（2016）04－0001-06

2016-02-22

國家自然科學基金資助項目（51205197，51175256）；航空科學基金資助項目（2013ZE52069）；中央高?；究蒲袑ｍ椈鹳Y助項目（NQ2014002）

劉仁體，男，1990年生，碩士研究生。