鈦合金格柵網(wǎng)板群孔電火花成形加工工藝研究

萬(wàn)符榮，吳強(qiáng)，徐琳俊，倪敏敏，葉新軍

（蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

鈦合金材料的電火花成形加工性能相當(dāng)特殊，其型腔的電加工性能與碳鋼材料不盡相同，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究可知，采用煤油基工作液時(shí)，石墨電極加工的效果相對(duì)紫銅電極要好，可用于型腔加工[1-3]。雖然紫銅電極也可加工，但效果不理想，體現(xiàn)在電極加工端面呈凹形損耗，甚至有局部區(qū)域不蝕除工件、只損耗電極，幾乎無(wú)法用于型腔的精密加工。

本項(xiàng)目為某型艦載戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口格柵網(wǎng)板整板的群孔加工，要求對(duì)鈦合金格柵網(wǎng)板進(jìn)行電火花成形加工斜方孔陣列，正好避免了上述紫銅電極的加工缺陷。因此，本文采用銅基電極，從單片多齒片狀電極加工鈦合金試片入手，分析研究了電參數(shù)與生產(chǎn)率、表面粗糙度、電極損耗的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，采用單回路的單組合電極、兩組組合電極與雙回路的單組合電極、四組組合電極同時(shí)放電加工的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了鈦合金整板加工的工藝參數(shù)。在示范應(yīng)用中，根據(jù)所得工藝參數(shù)成功地對(duì)鈦合金格柵網(wǎng)板整板的近十萬(wàn)個(gè)2.5 mm×2.5 mm的斜方孔進(jìn)行了電火花群孔加工，每孔加工時(shí)間為5.4 s，符合課題要求。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用為國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題專門(mén)研制的鈦合金格柵網(wǎng)板數(shù)控電火花高效加工專用機(jī)床的成果樣機(jī)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備（圖1）。該機(jī)床有XYZ三個(gè)數(shù)控軸，其中Z軸運(yùn)動(dòng)方向與工作臺(tái)面的夾角為60°。主軸下端裝有組合夾具，用于調(diào)整組合電極的位置。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)回路、四組組合電極同時(shí)加工。

圖1 鈦合金格柵網(wǎng)板數(shù)控電火花加工專用機(jī)床

項(xiàng)目要求在約1800 mm×800 mm的鈦合金整板上加工近十萬(wàn)個(gè)2.5 mm×2.5 mm的60°斜方孔，每孔間距為0.55 mm。將這些孔分為144個(gè)相同的區(qū)，每個(gè)區(qū)包含668個(gè)斜方孔。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有實(shí)際指導(dǎo)意義，擬采用由制造鈦合金格柵網(wǎng)板的專用鈦合金板切割成塊的試片作為工件，其材質(zhì)、尺寸與實(shí)際工件完全一致（圖2）；電極采用多齒片狀合金紫銅電極（圖3）。

圖2 專用鈦合金試片

圖3 多齒片狀電極

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，采用單片多齒片狀電極進(jìn)行鈦合金試片斜方通孔加工的可行性實(shí)驗(yàn)；其次，按每個(gè)區(qū)的加工要求制造組合電極，并在一定的加工電流密度下，分析不同的脈沖占空比、脈寬電流比對(duì)加工效率、電極損耗及雙邊放電間隙的影響，以初步確定加工參數(shù)；然后，按項(xiàng)目要求進(jìn)行雙回路四組組合電極加工實(shí)驗(yàn)，得出鈦合金格柵網(wǎng)板加工的典型工藝參數(shù)；最后，將所得工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際鈦合金格柵網(wǎng)板零件的加工。

2 工藝實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 單片多齒片狀電極加工

為了探究合金銅電極加工鈦合金格柵網(wǎng)板的可行性，根據(jù)陣列斜方孔的加工特點(diǎn)，采用多齒片狀合金銅電極對(duì)鈦合金格柵網(wǎng)板試片進(jìn)行變換脈沖參數(shù)的加工實(shí)驗(yàn)。如表1所示，在加工電流分別為5、10、20 A時(shí)，可發(fā)現(xiàn)多齒片狀紫銅電極端部未出現(xiàn)凹形損耗，且由于多齒片狀電極的加工面積遠(yuǎn)大于單齒電極，加工電流可作相應(yīng)增大，使加工效率有較大提高。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)脈寬電流比約為12時(shí)，加工效率最高（圖4）；電極損耗與脈寬電流比成反比（圖5），即增加脈寬或減小電流可降低電極損耗；而脈寬電流比與雙邊間隙成正比，即大電流下窄脈寬也能獲得較小的放電間隙（圖6）。

表1 不同脈沖參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響

圖4 脈寬電流比與加工效率的關(guān)系

圖5 脈寬電流比與電極損耗的關(guān)系

圖6 脈寬電流比與雙邊間隙的關(guān)系

經(jīng)分析得出，在加工電流值相同且選擇合適的脈沖間隔情況下，脈沖占空比小的加工效率比脈沖占空比大的加工效率更高些，而雙邊間隙變化不大；此外，間隙電壓也是一個(gè)不可忽視的參數(shù)，若太小則易造成積碳，太大則會(huì)降低加工效率。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用齒狀單片電極加工，可一次加工一排斜方孔，較僅用單個(gè)2.3 mm×2.3 mm電極的加工效率有明顯提高，由此證明采用多齒片狀電極加工鈦合金板的陣列斜方孔是可行的。

2.2 齒片狀組合電極加工

在整塊格柵網(wǎng)板的實(shí)際加工中，用上述單片片狀電極完全不能滿足用戶對(duì)加工效率及電極損耗的要求，且每排孔的加工位置校對(duì)困難，無(wú)法達(dá)到整板可靠加工的要求。為此，項(xiàng)目組將多片片狀多齒電極合并在一起，組成一個(gè)對(duì)應(yīng)于工件單個(gè)加工區(qū)的組合電極矩陣組，對(duì)鈦合金格柵網(wǎng)板試片進(jìn)行多齒片狀組合電極的加工實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 單回路單組合電極加工

在單回路單組合電極加工實(shí)驗(yàn)中，采用由單片多齒合金電極組合而成的電極矩陣組（圖7），在相同的電流密度條件下進(jìn)行群孔電火花穿透加工。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，加工后的試片見(jiàn)圖8。

表2 單回路單組合電極加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）脈沖占空比（ton/toff）對(duì)加工結(jié)果的影響

鑒于本項(xiàng)目目標(biāo)為雙回路四組組合電極同時(shí)加工，要求加工時(shí)間小于240 min，側(cè)面粗糙度值小于Ra3.2 μm。為方便圖形分析，在繪制如圖9所示的相互關(guān)系曲線時(shí)，按項(xiàng)目指標(biāo)要求，將加工時(shí)間曲線的實(shí)際數(shù)據(jù)除以240作為加工時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（小于1為達(dá)標(biāo)），將表面粗糙度曲線的實(shí)際數(shù)據(jù)除以3.2作為表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)（小于1為達(dá)標(biāo)），以下類同。

圖7 矩陣組合電極

圖8 加工后的試片

圖9 單回路單組合電極加工的脈沖占空比影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加工時(shí)間、電極損耗與占空比成反比，而表面粗糙度、放電間隙與占空比成正比。實(shí)際加工時(shí)，單個(gè)回路的兩個(gè)相同的組合電極同時(shí)加工，故其“加工時(shí)間/240”值應(yīng)低于0.5，“側(cè)面Ra/3.2”值需低于1。綜合考慮上述二個(gè)因素，要求的占空比范圍在0.3～0.36之間，該范圍內(nèi)的雙邊間隙約為0.3 mm，電極損耗在0.1～0.15 mm，即加工25次的電極損耗在4 mm以內(nèi)，可滿足要求。

（2）脈沖寬度與加工電流比（ton/I）對(duì)加工結(jié)果的影響

如圖10所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加工時(shí)間、電極損耗與（ton/I）成反比，而表面粗糙度、放電間隙與（ton/I）成正比。同時(shí)滿足“加工時(shí)間/240”值低于0.5、“側(cè)面Ra/3.2”值低于1的（ton/I）范圍在0.1～0.2之間，該范圍內(nèi)的雙邊間隙約為0.3 mm，電極損耗在0.1～0.15 mm之間。

從上述實(shí)驗(yàn)分析圖可初步得出，在電流密度不變的前提下，滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求的加工參數(shù)范圍可能為：（ton/toff）范圍在0.3～0.36之間，（ton/I）范圍在0.1～0.2之間，大致可確定脈沖寬度、脈沖間隔與加工電流的關(guān)系與數(shù)值。

2.2.2 單回路雙組合電極加工

圖10 單回路單組合電極加工的脈沖寬度與加工電流比對(duì)加工結(jié)果的影響

為增大加工面積、提高加工效率并降低電極損耗，同時(shí)也為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用單回路雙組合電極進(jìn)行群孔電火花穿透加工。按表3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析脈沖占空比（ton/toff）、脈沖寬度與加工電流比（ton/I）對(duì)加工結(jié)果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。可見(jiàn)，該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際加工要求，加工結(jié)果分析圖的曲線變化趨勢(shì)與脈沖參數(shù)的規(guī)律同“單回路單組合電極加工”。進(jìn)一步確認(rèn)得到能滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求的加工參數(shù)范圍為：“脈沖占空比”在0.32～0.36之間，（ton/I）范圍在0.12～0.16之間。

表3 單回路兩組組合電極加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.3 雙回路單組合電極加工

考慮到在加工電流相同的情況下，雙回路加工效率肯定比單回路加工效率低，為此，擬通過(guò)雙回路加工實(shí)驗(yàn)得出具體放電參數(shù)，并確定提高多回路加工的效率因子。

圖11 雙回路單組合電極加工的脈沖占空比影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 雙回路單組合電極加工的脈沖寬度與加工電流比對(duì)加工結(jié)果的影響

采用雙回路單組合電極進(jìn)行群孔電火花穿透加工，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。分析脈沖占空比（ton/toff）、脈沖寬度與加工電流比（ton/I）對(duì)加工結(jié)果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖13、圖14?？梢?jiàn)，雙回路單組合電極加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)與單回路雙組合電極具有一致性，選擇脈沖占空比（ton/toff）在0.27～0.36之間、脈沖寬度與加工電流比（ton/I）在0.13～0.16之間，能滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求，且脈沖占空比的可選范圍有所擴(kuò)大。

圖13 雙回路單組合電極加工的脈沖占空比影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14 雙回路單組合電極加工的脈沖寬度與加工電流比影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 雙回路單組合電極加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.4 雙回路四組組合電極加工

為進(jìn)一步提高加工效率、降低電流密度以期降低電極損耗，采用四組組合電極，分兩個(gè)回路同時(shí)進(jìn)行群孔電火花穿透加工，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。分析脈沖占空比（ton/toff）、脈沖寬度與加工電流比（ton/I）對(duì)加工結(jié)果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖15、圖16。該組實(shí)驗(yàn)條件是與實(shí)際加工一致的全仿真實(shí)驗(yàn)，經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證，加工結(jié)果的規(guī)律都一致，但僅用一檔加工參數(shù)無(wú)法同時(shí)滿足項(xiàng)目的“加工時(shí)間與表面粗糙度”指標(biāo)要求。

圖15 雙回路四組組合電極加工的脈沖占空比影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步分析圖表可知，滿足加工時(shí)間要求的脈沖占空比（ton/toff）為0.45以上，脈沖寬度與加工電流比（ton/I）為0.18以上，比上述三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要大；滿足表面粗糙度要求的脈沖占空比（ton/toff）為0.44以下，脈沖寬度與加工電流比（ton/I）為0.15以下，與上述三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。這可能是由于四組電極同時(shí)加工而造成沖液的一致性有困難所致。

表5 雙回路四組組合電極加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖16 雙回路四組組合電極加工的脈沖寬度與加工電流比影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鑒于以上分析，采用多檔參數(shù)組合、分頁(yè)加工的方法，即主要加工區(qū)采用脈沖占空比（ton/toff）數(shù)值為0.45以上來(lái)提高加工效率，滿足加工時(shí)間的需要；當(dāng)工件基本穿透后，采用的脈沖占空比（ton/toff）數(shù)值為0.4以下來(lái)保證側(cè)面粗糙度的要求。采用修改后的工藝參數(shù)和步驟進(jìn)行群孔電火花穿透加工，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍不盡完美。因此，項(xiàng)目組將主要加工區(qū)的脈沖占空比（ton/toff）數(shù)值保持為0.5，當(dāng)工件基本穿透后，一方面降低（ton/toff）值，同時(shí)增大（ton/I）值，此時(shí)加工結(jié)果完全滿足了項(xiàng)目指標(biāo)要求（圖17）。

表6 雙回路四組組合電極加工實(shí)驗(yàn)優(yōu)化數(shù)據(jù)

圖17 優(yōu)化工藝參數(shù)后加工的鈦合金格柵網(wǎng)板局部照片

表7是采用雙回路四組組合電極加工的數(shù)據(jù)，經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)一致可靠，且全部達(dá)到項(xiàng)目指標(biāo)要求，已成功地在04專項(xiàng)“新一代飛機(jī)鈦合金格柵網(wǎng)板加工機(jī)床”的示范應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

表7 雙回路四組組合電極實(shí)際加工數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）將銅基合金作為電極材料，用來(lái)加工鈦合金格柵網(wǎng)板是可行的，且能保證加工的穩(wěn)定進(jìn)行。

（2）采用多齒片狀銅合金電極進(jìn)行電火花加工鈦合金薄板，在生產(chǎn)效率、表面粗糙度及電極損耗等指標(biāo)的變化趨勢(shì)上與鋼基材料工件加工一致。

（3）雙回路單組合電極的整體加工效率是單回路單組合電極的1.3倍左右。單回路雙組合電極與單回路單組合電極在整體加工效率上沒(méi)有區(qū)別，但多次加工后試片的棱角明顯清晰。因此，降低電流密度對(duì)電極損耗，特別是棱角的損耗是有利的。綜合考慮整體加工效率、電極損耗及加工質(zhì)量，采用雙回路四組合電極的加工方式具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（4）采用雙回路四組組合電極加工時(shí)，應(yīng)采取分頁(yè)多參數(shù)加工方式，才能獲得更好的加工結(jié)果。

（5）經(jīng)過(guò)新一代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的鈦合金格柵網(wǎng)板整板的應(yīng)用加工，其質(zhì)量和效率完全滿足用戶使用要求，在鈦合金板群斜方孔的電火花加工技術(shù)方面取得了突破。

[1] 姜自超，王平.電火花加工工藝參數(shù)的優(yōu)化及其應(yīng)用[J].電加工與模具，2004（6）：57-59.

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[3] 趙偉，任中根.電火花加工鈦合金TC4的放電機(jī)理研究[C]//第11屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.重慶，2005：189-191.