鈦合金微小孔的超聲振動輔助電火花加工試驗研究*

張 鵬 殷 振② 戴晨偉 吳 強 葉秋琴

(①蘇州科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；②蘇州科技大學(xué)蘇州市精密與高效加工技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215009；③蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇 蘇州 215009)

TC4鈦合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性和較高的比強度，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1]。其導(dǎo)熱系數(shù)低、韌性強，傳統(tǒng)的機械鉆削方式難以實現(xiàn)此類零件的微小孔加工[2-3]。

電火花加工(electrical discharge machining， EDM)是一種利用脈沖放電產(chǎn)生熱量去除材料的加工方式，幾乎能加工任何導(dǎo)電材料，并且工具電極不與工件直接接觸，因此不存在宏觀機械力，故適合微小孔的加工[4]。但是隨著制孔深度的增加，加工屑難以及時排出加工區(qū)域，消電離條件也會變差，易產(chǎn)生拉弧、短路等非正常放電現(xiàn)象[5]。因此，亟需尋求更加有效的電火花加工方式以改善鈦合金微小孔的加工性能。國內(nèi)外諸多學(xué)者致力于此，如一些學(xué)者采用削邊電極[7]、深溝槽電極[8]以及螺旋槽電極[9]等非圓柱電極開展了電火花微小孔的研究。相關(guān)研究結(jié)果表明，這些特殊結(jié)構(gòu)的電極增加了容屑空間，可以有效促進加工屑排出，從而提高加工效率。Ferraris E等[10-11]采用側(cè)面涂層電極，減少了電極損耗，并成功加工出直徑0.18 mm，深徑比達60的微小孔，但是當(dāng)電火花加工直徑小于0.2 mm的微小孔時，特殊結(jié)構(gòu)電極以及側(cè)面涂層電極較難制備。

超聲振動輔助電火花微小孔加工[12]因其具有加工效率高、加工范圍廣等優(yōu)點而受到眾多學(xué)者的關(guān)注，其中主要包括電極振動、工件振動以及工作液振動3種形式。Yu Z Y等[13]使用一種超聲振動輔助行星轉(zhuǎn)動電極的加工方式，該方式可以增大排屑空間，提高加工效率，并成功加工出最小直徑達102 μm的微小孔；胡建華等[14]采用工件振動的加工方式，研究了超聲波電源參數(shù)對微小孔加工效率的影響，工件超聲振動能顯著改善極間工作液的循環(huán)條件，并提出超聲激勵電壓的占空比為50%時加工效率最高；Liew P J等[15]使用一種探針式振動器對工作液施加超聲振動，并在工作液中添加納米碳纖維顆粒來增加RB-SiC材料微小孔的電加工性能。

上述超聲振動輔助電火花微小孔加工的研究中，在不同電加工參數(shù)下，對普通電火花和超聲電火花微小孔加工性能的討論還不夠完善，因此將開展TC4鈦合金微小孔的普通電火花加工(conventional electrical discharge machining，CEDM)和超聲電火花加工(ultrasonic electrical discharge machining，UEDM)微小孔的對比實驗，并分析超聲振動幅值與脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流及間隙電壓4個電加工參數(shù)對電火花微小孔加工性能的影響規(guī)律，為TC4鈦合金微小孔的高效高精度加工提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗裝置及條件

超聲振動輔助電火花加工系統(tǒng)如圖1所示。試驗中，以SE-WK008電火花微孔機作為基礎(chǔ)運動平臺，將課題組自行研發(fā)的超聲振動裝置緊固在微孔機的豎直立柱上，同時將工具電極裝夾在超聲振動裝置的變幅桿輸出端。試驗所用超聲振動裝置工作頻率為41 696.8 Hz，通過激光測振儀測得不同超聲電源功率下的變幅桿端部振幅如圖2所示(重復(fù)測4次，結(jié)果取平均值)。超聲振動在工作液中引起空化效應(yīng)和泵吸效應(yīng)，可以改善排屑和消電離條件，提高加工過程的穩(wěn)定性[16]。

試驗所用鎢電極直徑為180±5 μm，外沖液方式，正極性加工，即加工時工件接電火花脈沖電源的正極，工具電極接負(fù)極。試驗用工件材料為TC4鈦合金板，厚度為2 mm，材料參數(shù)見表1?？紤]到電極存在損耗，設(shè)置電極進給行程為2.7 mm，以實現(xiàn)通孔加工。

表1 TC4材料參數(shù)

以材料去除率(material removal rate, MRR)、相對電極損耗率(relative tool wear rate，RTWR)和錐度θ作為電火花加工性能的評價指標(biāo)，分別如式(1)、式(2)和式(3)所示[17]：

(1)

式中：D1為孔入口直徑；D2為孔出口直徑；H為加工深度；t為單孔加工時間。

(2)

式中：r為工具電極半徑；h為電極損耗長度。

(3)

選擇脈沖寬度ti、脈沖間隔t0、峰值電流ie和間隙電壓u0作為自變量，以材料去除率、相對電極損耗率和錐度作為工藝指標(biāo)進行單因素試驗，具體試驗條件及參數(shù)見表2。

表2 試驗條件及參數(shù)

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗重復(fù)做4次，結(jié)果取平均值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 超聲振動幅值對電火花加工性能的影響

不同超聲振動幅值下的材料去除率、相對電極損耗率和錐度的變化規(guī)律如圖3所示。隨著超聲振動幅值的增加，材料去除率MRR先增大后減小，相對電極損耗率RTWR和錐度θ均先減小后增大。

當(dāng)超聲振動幅值A(chǔ)從0 μm(即CEDM方式)增加至8.51 μm時，材料去除率從182 833 μm3/s增加至780 421 μm3/s，錐度θ從2.9°減小至0.56°；隨后，當(dāng)A=13.32 μm時，MRR降低至501 724 μm3/s，錐度θ相應(yīng)增加至1.8°。當(dāng)A=0 μm時，相對電極損耗率RTWR為11.9%；A=5.22 μm時，RTWR達到最低值為5.3%；隨后，RTWR又在A=13.32 μm時增加至10%。這表明給電極施加合適的超聲振動幅值(約4～8 μm)可以有效提高材料去除率、減低相對電極損耗率和孔錐度，從而提高微小孔的電火花加工性能。但是，如果選用的超聲振動幅值數(shù)值過大，反而會導(dǎo)致材料去除率下降，相對電極損耗和孔錐度也會增加。

可以看出，材料去除率、相對電極損耗和錐度曲線都在A=5.22 μm附近出現(xiàn)拐點，這主要是因為此時超聲振動引起的空化效應(yīng)和泵吸效應(yīng)減小了工作液的粘性阻力，改善了排屑和消電離條件，從而提高了加工穩(wěn)定性[15]。當(dāng)A<5.22 μm時，隨著超聲振動幅值的增大，MRR逐漸增加，RTWR和θ值逐漸減?。淮送?，由于電極屬于細(xì)長桿，剛性較差，受到的軸向力過大時會引起撓曲變形，因此電極軸向振動的同時會導(dǎo)致電極端部有輕微的徑向擺動。如果持續(xù)增加超聲振動幅值(A>5.22 μm)，會導(dǎo)致徑向擺動過大[18]，這增加了側(cè)面放電概率，因此RTWR和錐度θ將增加。綜上所述，超聲振動幅值取5.22 μm時加工性能最佳，后續(xù)分析均以此為前提條件。

2.2 電加工參數(shù)對材料去除率的影響

在CEDM和UEDM兩種加工方式下，材料去除率隨各電加工參數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示。整體而言，脈沖寬度ti、脈沖間隔t0、峰值電流ie和間隙電壓u0對材料去除率的影響基本一致。在CEDM方式下，材料去除率隨著電加工參數(shù)數(shù)值增加的幅度并不明顯，基本維持在2.0×105μm3/s左右，甚至在電加工參數(shù)數(shù)值過大時材料去除率略有降低，這是因為過多的加工屑不能及時排出加工區(qū)域，影響了放電間隙的介電強度和放電穩(wěn)定性，導(dǎo)致非正常放電現(xiàn)象增加[19]，加工效率降低。采用UEDM方式時，材料去除率顯著增加，并且當(dāng)電加工參數(shù)為ti=0.8 μs，t0=0.8 μs，ie=6 A，u0=120 V時，材料去除率達到最大值，分別為715 974 μm3/s，589 211 μm3/s，1 053 982 μm3/s以及1 407 713 μm3/s，分別是CEDM方式下材料去除率的4.5倍、3.2倍、4.2倍、5.2倍?；鸹ǚ烹娖陂g的單個脈沖能量W0與脈沖寬度ti、峰值電流ie和間隙電壓u0之間的關(guān)系如式(4)所示[20]。

(4)

式中：i(t)和u(t)為峰值電流；ie和間隙電壓u0隨時間t變化的函數(shù)。

由式(4)可知，單個脈沖能量W0隨著脈沖寬度ti、峰值電流ie和間隙電壓u0增加而增加，導(dǎo)致單次脈沖放電的電蝕產(chǎn)物(加工屑)增加。使用較小的脈沖能量加工時，由于單次脈沖放電產(chǎn)生的加工屑較少，CEDM和UEDM產(chǎn)生的加工屑都可以及時地從放電間隙內(nèi)排出，因此材料去除率的提升效果并不明顯。隨著脈沖能量的增加，加工屑逐漸增多，加工屑將在放電間隙內(nèi)持續(xù)堆積，使排屑條件再次惡化，材料去除率會有所下降，UEDM的超聲空化效應(yīng)在工作液中產(chǎn)生的高壓氣泡發(fā)生破裂，有助于加工屑排出。由圖4b可以看出，當(dāng)t0從0.2 μs增加至0.8 μs時，在兩種加工方式下，材料去除率逐漸增加，并同時在t0=0.8 μs時達到最大值，分別為185 832 μm3/s和589 211 μm3/s，這是由于t0增加可以給排屑和消電離提供更多時間，因此材料去除率增加，但是當(dāng)t0過大時，會導(dǎo)致加工時間變長，材料去除率下降。

2.3 電加工參數(shù)對相對電極損耗率的影響

在CEDM和UEDM兩種加工方式下，相對電極損耗率隨各個電加工參數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯?，隨著脈沖寬度ti和峰值電流ie的增加，相對電極損耗率RTWR大致呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。單個脈沖蝕除量Mo與脈沖寬度ti和峰值電流ie關(guān)系如式(5)所示[20]：

(5)

式中：系數(shù)KM=9.4×10-11。

由圖5 可知，在UEDM方式下，相對電極損耗率分別在ti=0.6 μs和ie=8 A時達到最低值，分別為5.4%和4.8%，是CEDM方式下相對電極損耗率的45%和45.3%，但是在ti=1.0 μs和ie=10 A時相對電極損耗率又增加至8.9%和5.1%。當(dāng)脈沖寬度ti和峰值電流ie增大時(ti=0.6 μs，ie=8 A)，單個脈沖蝕除量M0也增加，因此RTWR降低，但是當(dāng)ti和ie過大時，過多的加工屑來不及排出加工區(qū)域，以致排屑條件惡化，導(dǎo)致RTWR增加[21]。此外，在UEDM方式下，相對電極損耗率RTWR隨脈沖間隔t0和間隙電壓u0增加基本呈持續(xù)減小的趨勢，但是在CEDM方式下，脈沖間隔t0和間隙電壓u0過大時，RTWR會有所增加。在UEDM方式下，RTWR分別在t0=1.0 μs和u0=150 V時達到最低值，分別為6.3%和2.7%，是CEDM方式相對電極損耗率的70.8%和27%。這是因為脈沖間隔t0增加時，使得排屑和消電離更加充分，此時非正常放電現(xiàn)象減少，RTWR相應(yīng)減少。間隙電壓u0增加的同時，會使放電間隙基本呈線性增加[22]，加工屑可以更容易從加工區(qū)域排出，因此RTWR減少。

2.4 電加工參數(shù)對錐度的影響規(guī)律

在電火花微小孔加工過程中，微孔難免會出現(xiàn)倒錐現(xiàn)象，即制孔入口直徑大于出口直徑，常使用錐度θ來表征孔倒錐的程度。影響錐度θ的主要因素有以下幾個方面：電極不均勻損耗、側(cè)面放電以及加工深度。通常認(rèn)為電極不均勻損耗和側(cè)面放電現(xiàn)象越嚴(yán)重，加工深度越深，錐度值越大。

如圖6所示，脈沖寬度ti從0.2 μs增加到1.0 μs，錐度θ持續(xù)增加。在CEDM方式和UEDM方式下，ti=1.0 μs時的錐度分別是ti=0.2 μs時錐度的2倍和2.7倍。在電火花微小孔加工時，脈沖寬度ti增加會使正離子有更多的時間加速并達到負(fù)極(工具電極)，這會造成電極不均勻損耗，導(dǎo)致錐度增加。脈沖間隔t0越大消電離越充分，覆蓋效應(yīng)[18]越不明顯，從而導(dǎo)致電極損耗嚴(yán)重并且損耗不均勻，以致錐度增加。因此，當(dāng)脈沖間隔t0=1.0 μs時，錐度在兩種方式下均增加至8.5°左右。此外，在CEDM方式下，當(dāng)峰值電流ie=4 A時錐度達到最低值0.7°，然而在UEDM方式下，錐度則是在ie=6 A時達到最低值0.28°，是CEDM方式下錐度的40%。這是由于超聲振動改善了排屑和消電離條件，電極損耗降低，從而減小了錐度，這也進一步驗證了超聲振動輔助電火花微小孔加工有利于提高電火花微小孔的加工性能。由圖6d可知，隨著間隙電壓u0增加，錐度基本呈持續(xù)減小的趨勢，值得注意的是，在u0=30 V時，CEDM和UEDM方式下的錐度為分別為7°和9.9°，后者是前者錐度的1.4倍。因為此時放電間隙較小，軸向振動引起了電極端部的徑向擺動，以致側(cè)面放電現(xiàn)象增加，從而導(dǎo)致電極側(cè)面損耗嚴(yán)重，因此在UEDM方式下的錐度較大。隨著間隙電壓增加，側(cè)面放電現(xiàn)象逐漸減少，因此在UEDM方式下，錐度隨著間隙電壓u0增加基本呈持續(xù)減小的趨勢，并且在u0=150 V時達到最低值為0.14°，是此時CEDM方式(θ=0.28°)錐度的50%。

3 結(jié)語

(1)隨著超聲振動幅值增加，材料去除率先增大后減小，相對電極損耗率和錐度均先減小后增大，并且當(dāng)超聲振動幅值為4～8 μm時加工性能最佳。當(dāng)采用下列參數(shù)：脈沖寬度0.6 μs，脈沖間隔0.6 μs，峰值電流6 A，間隙電壓120 V，相較于普通電火花加工，使用超聲電火花(A=5.22 μm)加工時，材料去除率可提高3～5倍，相對電極損耗率和錐度降低了50%～80%。

(2)脈沖寬度和峰值電流主要是通過影響單個脈沖蝕除量進而影響相對電極損耗率的，當(dāng)脈沖寬度和峰值電流過大時，單個脈沖蝕除量增多，過多的加工屑來不及排出加工區(qū)域，導(dǎo)致相對電極損耗率增加；脈沖間隔增加，會使排屑和消電離更充分，非正常放電現(xiàn)象相應(yīng)減少，相對電極損耗率降低。

(3)間隙電壓應(yīng)選擇在90 ～120 V，這是因為當(dāng)間隙電壓過小時，會導(dǎo)致放電間隙過小，不利于排屑和消電離；當(dāng)間隙電壓過大時，放電間隙又會隨之增加，將導(dǎo)致孔徑過大，以致尺寸精度降低。