不同工具電極材料對(duì)短電弧銑削加工GH4169的影響研究

李雪芝，周建平，王恪典，許 燕

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049）

不同工具電極材料對(duì)短電弧銑削加工GH4169的影響研究

李雪芝1，周建平1，王恪典2，許 燕1

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049）

在短電弧銑削過(guò)程中，電極材料直接影響工件表面質(zhì)量、電極損耗及尺寸精度等。選取石墨、紫銅、碳鋼、鋁4種工具電極材料，在同一電參數(shù)下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析4種電極材料對(duì)鎳基高溫合金GH4169工件的影響規(guī)律，包括表面宏觀質(zhì)量、極間電壓-電流波形、電極放電性能、表面形貌、化學(xué)成分、顯微硬度等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨電極材料更適合短電弧銑削加工。

短電弧銑削加工技術(shù)；GH4169；電極損耗；微觀組織

鎳基高溫合金GH4169是典型的難加工材料，它內(nèi)含大量高熔點(diǎn)的合金元素及其碳化物、氮化物（如WC、Nb等），在一定的溫度范圍內(nèi)能保持相當(dāng)高的強(qiáng)度和硬度，且導(dǎo)熱率較低，所以GH4169的切削加工性較差，主要表現(xiàn)在切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈及排屑困難等方面[1-2]。短電弧銑削加工技術(shù)為這種超硬難加工材料提供了一種新的加工手段，其特點(diǎn)是采用非接觸式的極間短電弧放電方式，加工效率高、噪聲小、無(wú)污染，是一種專門(mén)用于硬面材料高效加工的新型實(shí)用技術(shù)，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、航空、航天、石油、化工、水利發(fā)電等行業(yè)[3-4]。

短電弧銑削加工采用工件作陽(yáng)極（正極）、工具電極作陰極（負(fù)極）的放電加工方式。一般認(rèn)為，二極都存在電極損耗，且損耗速度隨著脈寬的增加而增大，但在小脈寬加工條件下，損耗也較大。這是因?yàn)樵诖竺}寬加工條件下，正離子與電子相比具有較大的質(zhì)量，正離子經(jīng)充分加速后帶有很大的動(dòng)能，進(jìn)而轟向負(fù)極，使負(fù)極得到的能量遠(yuǎn)大于正極，導(dǎo)致負(fù)極損耗大于正極；而在小脈寬加工條件下，由于電子質(zhì)量小，在加速時(shí)間極短的條件下也能獲得較大的能量，而正離子在未經(jīng)充分加速的情況下就結(jié)束了一次加工，所以正極損耗大于負(fù)極。一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，粗加工宜選擇大脈寬，而精加工宜選擇小脈寬。在短電弧銑削加工過(guò)程中，工具電極損耗量與工件被去除量的比值約為5%。初步研究證明，工具電極損耗與電極材料、幾何形狀、初始放電間隙、電流強(qiáng)度等工藝條件有一定的關(guān)系。因此，合理選擇工具電極材料，可提高工件的加工表面質(zhì)量，減少電極損耗，這也一直是短電弧加工技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本實(shí)驗(yàn)分別在數(shù)控加工中心、金相實(shí)驗(yàn)室和材料機(jī)械性能測(cè)試室進(jìn)行，所用儀器設(shè)備主要包括：數(shù)控短電弧銑床、新型脈沖電源、線切割機(jī)床、金相鑲嵌機(jī)、金相試樣磨拋機(jī)；MJ21正置顯微鏡、HXD-100TB顯微硬度計(jì)；SUPRATM55VP掃描電鏡、PicoScope5204示波器等。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 短電弧銑削加工示意圖

短電弧銑削加工是指在一定比例的氣液混合工作介質(zhì)作用下，利用工件、工具電極間產(chǎn)生的受激發(fā)短電弧放電群組來(lái)蝕除難加工導(dǎo)電材料的一種電切削加工方法。其材料去除機(jī)理類似于傳統(tǒng)電火花加工，主要基于熱侵蝕作用。如圖2所示，當(dāng)工具與工件之間的距離最短時(shí)，電介質(zhì)被擊穿并形成等離子體通道，產(chǎn)生的熱量由通道轉(zhuǎn)移至刀具和工件表面，并在工件表面形成近似圓形的平面熱源，加工材料受局部高溫被熔化甚至氣化，產(chǎn)生的電弧使高溫材料從工件表面噴射出去，去離子效應(yīng)誘導(dǎo)下一個(gè)電弧的出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一連串的電弧，大量材料被蝕除，從而獲得所需的形狀和尺寸。

圖2 材料蝕除機(jī)理模型

產(chǎn)生電弧時(shí)，放電通道和工件基體材料之間將形成三個(gè)區(qū)域：氣化區(qū)、熔化區(qū)和熱影響區(qū)（圖3）。三個(gè)區(qū)域的材料每單位體積內(nèi)的熱吸收能力連續(xù)降低，且不論工具、工件之間介質(zhì)的消電離作用，隨著熔化區(qū)體積的減少，氣化區(qū)和熱影響區(qū)的體積增大，從而提高短電弧銑削加工的效率。

圖3 單脈沖放電痕局部放大圖

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

短電弧銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響工件表面質(zhì)量的因素眾多。本實(shí)驗(yàn)選取的主要工藝因素見(jiàn)表1，工件、工具材料的熱物理性能見(jiàn)表2。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

表2 電極材料的物理特性

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 加工表面宏觀分析

在短電弧銑削加工過(guò)程中，通過(guò)改變電極材料，宏觀觀察工件、工具表面質(zhì)量的影響程度，并分析其原因。由表3可知，電極相對(duì)損耗排序?yàn)椋菏?紫銅<碳鋼<鋁，工件表面質(zhì)量排序?yàn)椋轰X<碳鋼<石墨<紫銅。這是因?yàn)椋簩?duì)于鋁電極來(lái)說(shuō)，加工后的工件形狀近似一個(gè)三角形，由于鋁電極具有較低的熔點(diǎn)，因此其相對(duì)損耗最大。碳鋼電極的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)高于紫銅電極，若作為工具電極材料，加工性能較好，但銑削過(guò)程中的穩(wěn)定性差，不能達(dá)到電極低損耗的效果。而石墨的電阻率約為紫銅的三倍，說(shuō)明在相同的放電條件下，石墨可產(chǎn)生更多的熱量；且石墨的導(dǎo)熱系數(shù)約為紫銅的1/3，說(shuō)明石墨的熱傳導(dǎo)能力不如紫銅好。因此，傳輸放電通道和大氣中產(chǎn)生的熱量之前，石墨需要更多的時(shí)間來(lái)耗散自身產(chǎn)生的熱量。此外，紫銅的熔點(diǎn)低于石墨，所以石墨需要更多的熱量達(dá)到它的熔點(diǎn)，這就意味著在同一熱源下，石墨電極表面需吸收更多的熱量。

表3 電極材料對(duì)表面質(zhì)量的影響

2.2 極間電壓-電流波形分析

短電弧銑削加工所需的能量由CHATN數(shù)字調(diào)頻脈沖電源提供，而單脈沖下的放電總能量可通過(guò)Pico Scope5204示波器測(cè)量工具、工件的極間電壓-電流波形獲得。在整個(gè)短電弧加工中，電流隨著加工條件的變化而變化。單脈沖放電總能量W可表示為：

式中：U為放電電壓；Ip為放電電流；τon為脈沖時(shí)間。

圖4是采用不同材料的電極加工GH4169時(shí)的波形變化情況。其中，通道u代表采集的電壓波形，通道i代表采集的電流波形。將石墨、紫銅、碳鋼、鋁作為工具電極時(shí)，其峰值電流分別在586.8、503.6、398.6、528.2 A附近波動(dòng)。這是因?yàn)椋哼@4種電極的電壓-電流波形與其自身的熱物理性能密切相關(guān)。由表2可知，鋁的熔、沸點(diǎn)較低，當(dāng)電流急速升高時(shí)，鋁電極已被熔化，放電電流不再持續(xù)增大；而石墨電極的熔、沸點(diǎn)較高，故可承受大電流。

圖4 不同材料的電極加工GH4169時(shí)的放電波形

2.3 電極損耗分析

由于石墨電極同時(shí)兼有金屬與非金屬的特性，且具有良好的熱、電導(dǎo)率和較高的高溫強(qiáng)度，因而在加工過(guò)程中電極損耗較低。由表4可見(jiàn)，石墨電極的損耗為負(fù)數(shù)，這是由于石墨電極發(fā)生損耗后，會(huì)有很大一部分的工件材料粘附在電極表面而形成一層附層，自動(dòng)、間接地補(bǔ)償了電極在加工過(guò)程中的損耗，同時(shí)增加了電極質(zhì)量。

表4 4種電極損耗分析

若采用鋁電極，由于鋁材料的熔點(diǎn)較低，電極損耗量將大于工件的蝕除量，導(dǎo)致工件還未加工完成，工具電極損耗已十分嚴(yán)重甚至無(wú)法繼續(xù)加工。碳鋼電極雖能完成整個(gè)加工過(guò)程，但電極相對(duì)損耗較嚴(yán)重，且加工后的工件表面會(huì)出現(xiàn)黃色物質(zhì)，這是由于鐵元素沉積在工件表面發(fā)生氧化而形成的氧化鐵黃（Fe2O3·H2O）。此外，選擇鋁、碳鋼電極時(shí)需較大的進(jìn)給率，且電極的質(zhì)量、長(zhǎng)度損耗都較大，故二者均不宜選作SEAM加工中的工具電極。

2.4 表面形貌分析

采用SUPRATM55VP掃描電鏡拍攝GH4169工件經(jīng)石墨、紫銅電極加工后的表面形貌。由圖5可看出，二者均存在熔滴、凹坑、裂縫、再鑄層[5]等微觀組織成分。這些組織成分存在很大程度上的不均勻性，其成因可解釋為：①工件表面材料氣化后，受到周?chē)ぷ鹘橘|(zhì)的冷卻作用而形成球形熔滴；②未被拋出的蝕除材料重新凝固在工件表面而形成不規(guī)則熔滴；③ 單一脈沖放電時(shí)，電弧將放電點(diǎn)處的材料蝕除后形成凹坑；④工件表面材料在熔融過(guò)程中產(chǎn)生氣體析出而形成微小氣孔；⑤熱影響區(qū)組織與基體組織之間的溫度有大幅變化，直接導(dǎo)致交界處應(yīng)力變化不均勻而形成微裂紋。此外，工件表面還出現(xiàn)了尾狀放電痕跡，研究表明，等離子體無(wú)論在磁場(chǎng)的洛倫茲力作用下還是在高速流動(dòng)的氣、液混合體動(dòng)力作用下，電弧都會(huì)向受力方向偏移而形成尾狀放電痕跡[6-7]。

從圖6可看出，無(wú)論是石墨電極還是紫銅電極，加工出的工件橫截面都存在裂紋與金屬再鑄層。同時(shí)還可看出，石墨作為電極材料更合適些。

2.5 化學(xué)成分分析

圖5 經(jīng)石墨、紫銅電極加工后的工件表面形貌

圖6 橫截面微觀形貌

短電弧銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的、非平衡的物理冶金過(guò)程，該過(guò)程的大部分復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)都在很短的時(shí)間內(nèi)集中于短電弧熔池這一局部高溫區(qū)域內(nèi)。通過(guò)EDS分析工件表層元素的變化情況，由圖7可知，當(dāng)采用石墨電極時(shí)，C元素在工件表層含量較高，越靠近工件芯部含量越低，在材料基體處含量最低；當(dāng)采用紫銅電極時(shí)，C、O、Cu元素含量變化均較大，且由工件表層到工件芯部含量逐漸降低。

2.6 顯微硬度分析

圖7 工件表層的化學(xué)成分

綜上分析，選取石墨作為工具電極更合適些。采用HXD-1000TB視頻數(shù)顯維氏硬度儀測(cè)量工件的顯微硬度，工作流程如下：在工件表面加載100 g的力，持續(xù)時(shí)間15 s，距離加工表面每隔60 μm依次向工件芯部測(cè)量硬度值。由圖8可看出，隨著與工件表面的距離增大，硬度值逐漸降低；在距離工件表面約195 μm處，硬度值最低。這是因?yàn)椋杭庸ぬ幍墓ぜ霈F(xiàn)回火層，導(dǎo)致該處的硬度值低于他處。此外，在短電弧銑削加工中，工件材料受局部高溫而被蝕除，但存在一部分合金中的MC或M（C，N）相在高溫下熔解成細(xì)小顆粒狀，分布于晶界上，進(jìn)一步阻止了晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)密地分布于加工表面，提高了工件表面的顯微硬度值。

圖8 工件表面顯微硬度

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分別選取鋁、碳鋼、紫銅及石墨作為工具電極的材料，在同一電參數(shù)下，分析了短電弧銑削加工鎳基高溫合金GH4169工件的影響規(guī)律，主要體現(xiàn)在宏觀加工表面、極間電壓-電流波形、電極放電性能、表面形貌、化學(xué)成分及顯微硬度等方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出石墨更適合作為短電弧銑削加工的工具電極材料。

[1] 郭新貴，汪德才，李從心.高速切削技術(shù)及其在模具工業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2002（9）：31-33.

[2] 付秀麗.高速切削航空鋁合金變性理論及加工表面形成特征研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[3] 盧江，梁楚華，周碧勝.基于短電弧切削加工技術(shù)高效性特點(diǎn)的研究[J].電加工與模具，2011（2）：57-60.

[4] 梁楚華，周建平，朱志堅(jiān)，等.短電弧加工技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2007（12）：92-93.

[5] 周建平，周碧勝，梁楚華.短電弧加工工件表面質(zhì)量的分析與研究 [C]//第14屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.蘇州，2011：321-324.

[6] 閆換新，冉宇瑤，趙萬(wàn)生，等.電火花加工間隙流場(chǎng)的研究及仿真[J].中國(guó)機(jī)械工程，2001，12（8）：858-860.

[7] 徐明剛.超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工技術(shù)及機(jī)理研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

Study on the Effect of Different Tool Electrode Materials on Short Arc Milling GH4169

LI Xuezhi1，ZHOU Jianping1，WANG Kedian2，XU Yan1
（1.School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China；2.School of Mechanical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

During short arc milling，the electrode material directly affects the workpiece surface quality，electrode wear and dimensional accuracy.The electrode materials of graphite，copper，carbon steel and aluminum were selected，and the influence of four kinds of electrode materials on the nickelbased super-alloy GH4169 was analyzed under the same electrical parameters，including surface macroscopic quality，inter-pole voltage-current waveform，electrode discharge performance，surface morphology，chemical composition，micro-hardness，etc.The results found that graphite electrode materials is more suitable for short arc milling.

short arc milling technology；GH4169；electrode loss；micro structure

TG661

A

1009－279X（2017）03－0031-05

2017-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51365053）；2016自治區(qū)研究生創(chuàng)新研究項(xiàng)目（XJGRI2016004）

李雪芝，女，1989年生，博士研究生。