電火花線切割加工鈦合金表面微槽工藝參數(shù)研究

李馳，李一楠

電火花線切割加工鈦合金表面微槽工藝參數(shù)研究

李馳，李一楠*

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

為了研究電火花線切割工藝參數(shù)（脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、極間電壓）對(duì)TC4鈦合金加工的影響規(guī)律，本文通過一組四因素四水平正交試驗(yàn)，以切割速度、加工精度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過極差分析法研究各工藝參數(shù)對(duì)鈦合金加工的影響程度。試驗(yàn)結(jié)果表明：脈沖寬度對(duì)切割速度的影響是最大的，峰值電流對(duì)加工精度的影響是最大的。在脈沖寬度為24 μs、脈沖間隔為30 μs、峰值電流為4 A、極間電壓為8 V的條件下加工溝槽結(jié)構(gòu)，其槽深為250 μm，棱寬為100 μm，槽寬為250 μm。

電火花線切割；鈦合金；正交試驗(yàn)；精度

鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度大、耐腐蝕、生物可相容性等[1-3]特點(diǎn)，在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如航空航天工程、海洋工程、生物醫(yī)療等方面，常被用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、艦船螺旋槳、船用管道系統(tǒng)、生物支架[4-6]等。但由于其低熱導(dǎo)率，鈦合金在傳統(tǒng)機(jī)械切削加工時(shí)有大量的熱量產(chǎn)生，并且這些熱量不能快速地釋放，會(huì)造成刀具表面的溫度過高，加劇了刀具的磨損，不僅會(huì)影響刀具的使用壽命，提高加工成本，而且加工效率低[7-8]。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工，電火花線切割是一種非接觸式加工方法，主要通過正負(fù)兩極之間脈沖放電蝕除材料，具有加工效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，故可以采用電火花線切割對(duì)鈦合金進(jìn)行加工[9]。在電火花線切割工藝中，確定合適的工藝參數(shù)對(duì)于提高鈦合金切割速度以及加工精度具有非常重要的作用和意義。所以本文通過一組正交實(shí)驗(yàn)研究電火花線切割加工工藝參數(shù)對(duì)鈦合金影響規(guī)律，通過極差分析法研究對(duì)切割速度以及加工精度影響程度的因素排列順序，對(duì)后續(xù)提高鈦合金的切割速度和加工精度具有重要意義。

1 加工實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

本次實(shí)驗(yàn)所用工件材料為TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金，其具體化學(xué)成分如表1所示，購(gòu)買自東莞市冠躍金屬材料有限公司。實(shí)驗(yàn)期間所用的化學(xué)試劑如表2所示。

表1 TC4鈦合金的成分

表2 實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)采用泰州市正華數(shù)控機(jī)床廠生產(chǎn)的型號(hào)為DK7745電火花線切割機(jī)床，具體參數(shù)為：工作臺(tái)長(zhǎng)×寬為810 mm×570 mm；工作臺(tái)/軸行程為450 mm×550 mm；最大承載重量為450 kg；最大加工厚度為400 mm；最大錐度為6°/80 mm；最大切割速度為100 mm2/min；表面粗糙度為≤0.0025 mm；其脈沖寬度的取值范圍為8～96 μs，步長(zhǎng)為8 μs，脈沖間隔的范圍寬度為25～～80 μs，步長(zhǎng)為5 μs，電流（功放）的取值范圍在1～6 A，步長(zhǎng)為1 A，極間電壓的取值范圍在5～9檔位，步長(zhǎng)為1檔；采用鉬絲作為電極絲，其直徑為0.18 mm，工作液為線切割乳化液。

1.2 電火花線切割加工原理

電火花線切割的加工過程基本原理簡(jiǎn)化示意如圖1所示[10]，鈦合金作為工件電極連接脈沖電源的正極，鉬絲（0.18 mm）作為工具電極連接脈沖電源的負(fù)極，當(dāng)電源接通時(shí)，正負(fù)兩極之間會(huì)形成火花放電，此時(shí)兩極中心瞬時(shí)溫度會(huì)超過10000℃，導(dǎo)致鈦合金在高溫環(huán)境下被熔化、甚至是氣化。與此同時(shí)，線切割乳化液也會(huì)在高溫下發(fā)生氣化。而乳化液與鈦合金在汽化過程中快速發(fā)生了熱膨脹現(xiàn)象，甚至?xí)殡S部分微型爆炸現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致鈦合金在熔化后被拋出，來實(shí)現(xiàn)鈦合金的電腐蝕去除加工。

1.儲(chǔ)絲筒；2.進(jìn)電塊；3.上導(dǎo)輪；4.脈沖電源；5.工件；6.下導(dǎo)輪；7.電極絲。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

電火花線切割加工是利用鉬絲（負(fù)極）與鈦合金工件（正極）之間的高頻脈沖放電瞬間產(chǎn)生的熱量去除材料，故加工參數(shù)如：脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、極間電壓等會(huì)對(duì)加工穩(wěn)定性、放電間隙的大?。庸ぞ龋┮约凹庸け砻孀罱K形貌產(chǎn)生影響。由于TC4鈦合金屬于難切割材料，在電火花線切割過程中容易發(fā)生排屑困難導(dǎo)致蝕除物堆積，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓴嘟z現(xiàn)象的發(fā)生[11]。為了對(duì)電火花線切割工藝參數(shù)進(jìn)行高效率、準(zhǔn)確、合理的分析選擇，本試驗(yàn)采用四因素四水平的正交試驗(yàn)法[12]，脈沖寬度設(shè)置為16、24、32、40 μs，選擇的脈沖寬度數(shù)值較小，是為了防止在大脈寬的加工條件下，雖然切割速度較快，但是容易引起斷絲，降低加工效率。脈沖間隔設(shè)置為30、35、40、45 μs；電流在3～6 A之間選擇，極間電壓在5～8檔位之間選擇[13]。參考正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)手冊(cè)，繪制出四因素四水平正交試驗(yàn)表，具體參數(shù)如表3所示。

表3 四因素四水平正交試驗(yàn)表

通常情況下，切割速度、加工精度這兩種指標(biāo)會(huì)被用來評(píng)價(jià)電火花線切割加工工藝效果的好壞。其中切割速度的表達(dá)式為：

＝s/＝/（1）

式中：為切割速度，mm2/min；為材料去除的總面積，mm2；為加工時(shí)長(zhǎng)，min；為去除加工的長(zhǎng)度，mm；為去除加工的深度，mm。

線切割加工時(shí)間可以通過控制面板直接獲得，根據(jù)式（1）可計(jì)算切割速度的大小。本實(shí)驗(yàn)以實(shí)際加工的棱寬尺寸作為加工精度指標(biāo)的衡量。

1.4 試驗(yàn)加工

在100×20×5 mm的鈦板上切割3條深度為1 mm且間距為150 μm的溝槽，如圖2所示。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差和測(cè)量誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，相同參數(shù)下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，將3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。具體加工步驟如下：

（1）根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的加工尺寸，規(guī)劃合理的加工路徑，然后使用CAXA軟件繪制成圖形，經(jīng)編譯導(dǎo)入線切割機(jī)床系統(tǒng)中；

（2）接著將鈦合金工件裝夾在夾具上，調(diào)整鉬絲與工件之間的位置，確定好加工起點(diǎn)；

（3）在控制柜面板按照正交試驗(yàn)表中數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，最后運(yùn)行程序，通過程序控制機(jī)床自動(dòng)加工，完成溝槽結(jié)構(gòu)的加工。

圖2 電火花線切割加工示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

電火花線切割各工藝參數(shù)加工試驗(yàn)結(jié)果及分析如表4所示，采用極差分析法分析各電參數(shù)對(duì)加工效果的影響程度大小，并以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)獲取加工參數(shù)的各方面最優(yōu)化組合。溝槽的棱寬尺寸可通過奧林巴斯（OLYMPUS）光學(xué)顯微鏡DSX-510測(cè)量，切割速度可根據(jù)式（1）計(jì)算。

對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用極差分析法[14-15]進(jìn)行分析（極差是每一列上最大值與最小值之差），結(jié)果如表5所示。極差分析法公式為：

表4 四因素四水平正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

表5 四因素四水平正交試驗(yàn)分析表

（1）均值分析：從每個(gè)因素的水平均值分析，來比較每個(gè)因素各水平之間的差異之處，從而判斷最優(yōu)組合。

以加工精度為指標(biāo)，對(duì)于因素A（脈沖寬度），各水平均值分別為106.91、121.02、92.74、92.67 μm，可知因素A的二水平最好，即脈沖寬度在24 μs時(shí)最好；對(duì)于因素B（脈沖間隔），各水平均值分別為109.58、107.36、100.68、95.72 μm，可知因素B的一水平最好，即脈沖間隔在30 μs時(shí)最好；對(duì)于因素C（峰值電流），各水平均值分別為110.13、117.84、88.16、97.20 μm，可知因素C的二水平最好，即峰值電流在4 A時(shí)最好；對(duì)于因素D（極間電壓），各水平均值分別為96.66、97.81、104.33、114.53 μm，可知因素D的四水平最好，即極間電壓在8檔時(shí)最好。根據(jù)上述結(jié)論可知，水平組合A2B1C2D4可實(shí)現(xiàn)鈦合金高精度的加工。

以切割速度為指標(biāo)，對(duì)于因素A（脈沖寬度），各水平均值分別為40.27、34.74、38.85、38.34 mm2/min，可知因素A的一水平最好，即脈沖寬度在16 μs時(shí)最好；對(duì)于因素B（脈沖間隔），各水平均值分別為28.88、36.61、39.81、46.91 mm2/min，可知因素B的四水平最好，即脈沖間隔在45 μs時(shí)最好；對(duì)于因素C（峰值電流），各水平均值分別為37.53、39.38、36.58、38.72 mm2/min，可知因素C的二水平最好，即峰值電流在4 A時(shí)最好；對(duì)于因素D（極間電壓），各水平均值分別為36.27、36.09、40.6、39.24 mm2/min，可知因素D的三水平最好，即極間電壓在7檔時(shí)最好。根據(jù)上述結(jié)論可知，水平組合A1B4C2D3可實(shí)現(xiàn)鈦合金快速的加工。

（2）極差分析：根據(jù)每個(gè)因素的極差值即各因素水平中最大均值與最小均值的差值，反應(yīng)各因素的影響順序。在電火花線切割加工過程中，各加工參數(shù)數(shù)值大小的改變對(duì)最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響的程度是互不相同的，極差值越大，則表明該加工參數(shù)對(duì)工藝效果影響就越大[8]。為得出試驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合，基于表5中的極差分析數(shù)據(jù)繪制出各因素不同水平對(duì)于加工精度和切割速度影響的變化趨勢(shì)圖，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)表5中正交試驗(yàn)分析結(jié)果以及圖3中變化趨勢(shì)可知，以加工精度為指標(biāo)，對(duì)于因素A（脈沖寬度），其極差為28.35；對(duì)于因素B（脈沖間隔），其極差為13.86；對(duì)于因素C（峰值電流），其極差為29.68；對(duì)于因素D（極間電壓），其極差為17.87。根據(jù)上述結(jié)果，可以得出對(duì)加工精度的影響程度由大到小依次為：因素C（峰值電流）＞因素A（脈沖寬度）＞因素D（極間電壓）＞因素B（脈沖間隔），這說明在各電參數(shù)中，峰值電流對(duì)加工精度的影響是最大的，最佳參數(shù)組合為：A2B1C2D4，具體參數(shù)：脈沖寬度為24 μs、脈沖間隔為30 μs、峰值電流為4 A、極間電壓為8檔。

以切割速度為指標(biāo)，對(duì)于因素A（脈沖寬度），其極差為5.53；對(duì)于因素B（脈沖間隔），其極差為18.03；對(duì)于因素C（峰值電流），其極差為2.8；對(duì)于因素D（極間電壓），其極差為4.51。根據(jù)上述結(jié)果，可以得出對(duì)加工參數(shù)對(duì)切割速度影響程度由大到小依次為：脈沖間隔＞脈沖寬度＞極間電壓＞峰值電流，這說明在各電參數(shù)中，脈沖寬度對(duì)切割速度的影響是最大的，最佳參數(shù)組合為：A1B4C2D3，脈沖寬度為16 μs、脈沖間隔為45 μs、峰值電流為4 A、極間電壓為7檔。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)各加工參數(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，在電火花線切割加工工藝中，脈沖寬度不僅影響著工件材料的切割速度，還會(huì)對(duì)加工工件的尺寸精度產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)脈沖寬度采用小數(shù)值時(shí)（脈沖放電時(shí)間短），會(huì)導(dǎo)致脈沖放電能量較弱，對(duì)切割速度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致切割速度變慢、材料蝕除率以及加工效率低下。當(dāng)脈沖寬度增大時(shí)，切割速度變快的同時(shí)，會(huì)對(duì)加工精度造成影響。因此，采用電火花線切割加工亞毫米級(jí)棱槽宏結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇脈沖寬度時(shí)，必須在保證尺寸精度的前提下，同時(shí)切割速度也要合理。一旦脈沖寬度過大，材料蝕除物無法及時(shí)排除，會(huì)造成堆積，造成斷絲，不僅影響加工效率，而且浪費(fèi)材料。

在電火花線切割過程中，脈沖間隔的大小對(duì)切割速度以及加工精度的影響較小。脈沖間隔過小，會(huì)導(dǎo)致消電離的時(shí)間過短，材料蝕除物會(huì)在正負(fù)兩極之間堆積，對(duì)尺寸精度造成影響，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生電弧放電現(xiàn)象，更甚至引起斷絲[16]。脈沖間隔較大時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)的放電頻率會(huì)明顯減低，放電能量隨之減弱，從而對(duì)切割速度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致加工效率降低。

峰值電流不僅影響電火花線切割速度的快慢，而且也會(huì)對(duì)加工的精度產(chǎn)生一定的影響。切割速度方面，會(huì)隨著峰值電流的增大而加快，這是因?yàn)榉逯惦娏鞯脑黾?，提高了放電通道中的熱量，?dǎo)致更多工件材料熔化、氣化，所以切割速度快。但峰值電流不能過大，一旦峰值電流過大，過高的熱量會(huì)導(dǎo)致工件蝕除物的體積變大，在放電加工過程中有可能會(huì)出現(xiàn)蝕除物堆積，排屑不順利，影響放電狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)有可能造成斷絲。

極間電壓是機(jī)床電極絲與被切割工件之間的加工電壓，極間電壓的改變會(huì)對(duì)放電間隙的尺寸造成影響。極間電壓比較低時(shí)，放電間隙會(huì)比較小，不方便材料蝕除物的排出，當(dāng)間隙電壓增大時(shí)，放電間隙也會(huì)隨之在增大，但極間電壓不是越大越好，合理的極間電壓即可以保證加工速度，也能控制放電間隙的大小，從而控制加工精度。

2.2 加工效果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，本文選擇脈沖寬度為24 μs、脈沖間隔為30 μs、峰值電流為4 A、極間電壓為8 V的條件下進(jìn)行電火花線切割加工溝槽結(jié)構(gòu)，不僅可以保證加工精度，而且切割速度較快，又不發(fā)生斷絲現(xiàn)象，其形貌如圖4所示。

圖4 溝槽結(jié)構(gòu)表面形貌圖

鈦合金光板在掃描電子顯微鏡（德國(guó)卡爾蔡司公司型號(hào)為MERLIN Compact）下的形貌如圖4（a）所示，可以觀察到，鈦合金表面比較平整。由于鈦合金在電火花線切割過程中，會(huì)有放電蝕除顆粒粘附在溝槽表面，因此對(duì)溝槽表面進(jìn)行拋光處理，然后在分別使用無水乙醇、丙酮及去離子水對(duì)拋光后的試件進(jìn)行十分鐘的清洗，隨后采用氮?dú)鈦韺?duì)試件進(jìn)行吹干，獲得光滑的溝槽結(jié)構(gòu)。如圖4（b）所示，為電火花線切割加工后的溝槽結(jié)構(gòu)形貌，從圖中可以看出，線切割加工的溝槽結(jié)構(gòu)排列整齊。對(duì)溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大（虛線部份），如圖4（c）所示，測(cè)量可得棱寬尺寸在100 μm左右。如圖4（d）所示為溝槽結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，測(cè)量可知溝槽深度為250 μm加工的溝槽結(jié)構(gòu)一致性好。通過測(cè)量可知，溝槽結(jié)構(gòu)的槽深為250μm，棱寬為100 μm，槽寬為250 μm。

3 結(jié)論

本文通過四因素四水平正交試驗(yàn)，得到電火花線切割工藝參數(shù)對(duì)加工鈦合金的影響規(guī)律如下：

（1）通過極差分析，可以得到對(duì)加工精度影響程度最大的因素是峰值電流，以及對(duì)切割速度影響最大的因素是脈沖寬度。

（2）為保證加工精度，電火花線切割時(shí)選擇的工藝參數(shù)為：脈沖寬度為24 μs、脈沖間隔為30 μs、峰值電流為4 A、極間電壓為8檔。

（3）為保證切割速度，電火花線切割時(shí)選擇的工藝參數(shù)為脈沖寬度為16 μs、脈沖間隔為45 μs、峰值電流為4 A、極間電壓為7檔。

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Research on Process Parameters of Micro-Grooves on Titanium Alloy Surface by Wire EDM

LI Chi，LI Yi'nan

( School of Mechanical & Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, China )

This paper is to study the influence of wire EDM process parameters (pulse width, pulse interval, peak current, inter-electrode voltage) on the processing of TC4 titanium alloy through a set of four-factor four-level orthogonal experiments, with cutting speed and machining accuracy as evaluation indicators. The range analysis method is used.. The test results show that the pulse width has the greatest impact on the cutting speed, and the peak current has the greatest impact on the machining accuracy. The groove structure is processed under the conditions of pulse width of 24 μs, pulse interval of 30 μs, peak current of 4 A, and inter-electrode voltage of 8 V. The groove depth is 250 μm, the edge width is 100 μm, and the groove width is 250 μm. The research in this article provides a reference for the high-precision wire cutting of titanium alloys.

wire EDM；titanium alloy；orthogonal test；accuracy

TG166.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.01.003

1006-0316 (2022) 01-0016-07

2021-05-25

山東省自然科學(xué)基金（ZR2017MEE012，ZR2018MEE017）

李馳（1995－），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻饘俚姆烹娂庸ぃ珽-mail：lclc1225@163.com。*通訊作者：李一楠（1980－），女，山東淄博人，博士后，教授，主要研究方向?yàn)楫惙N材料連接、特種連接技術(shù)，E-mail：liyinan2004@163.com。