去離子水沖液振動(dòng)輔助電火花加工TC4 極性研究

趙 智，翟付綱，龍 金，宋 濤，閆步云，余祖元

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024 ）

鈦合金具有高的耐熱性、耐腐蝕性和比強(qiáng)度，在高溫下的強(qiáng)度保持性好，因此被大量應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)和軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的鈦合金含量分別約占其重量的30%和40%[2]。鈦合金在強(qiáng)度方面的優(yōu)異性能使其很難用傳統(tǒng)加工方式加工。電火花加工瞬時(shí)放電產(chǎn)生高溫，使材料熔化、汽化，其加工性能不受材料強(qiáng)度影響，幾乎可加工所有的導(dǎo)電材料，在鈦合金加工中得到廣泛應(yīng)用[3]。加工極性（正極性：工件接正極）是電火花加工的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)材料去除率、電極損耗率以及表面加工質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生影響[4]。一些學(xué)者認(rèn)為電火花加工中存在加工極性問題的原因是轟擊理論[1，5-6]，即在極間電壓擊穿級(jí)間介質(zhì)形成放電通道時(shí)，放電通道中的正離子轟擊負(fù)極、電子轟擊正極，以蝕除材料。但是正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，在短脈寬時(shí)（小于30 μs），正離子不易獲得較高的速度，對(duì)負(fù)極材料的蝕除能力較弱。因此在不同的放電脈寬下，正、負(fù)極性加工效果出現(xiàn)了差異。但是這種理論目前仍未得到可靠證明。

Xia 等[7]通過(guò)測(cè)量單次電加工時(shí)的電極與工件溫度變化以及材料去除量來(lái)探究放電能量在兩極的分配情況，發(fā)現(xiàn)正極得到的能量大于負(fù)極。Mohd等[8]同樣通過(guò)上述方法對(duì)微細(xì)電火花加工中的能量分配情況進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)微細(xì)電火花加工時(shí)正極得到的能量仍然大于負(fù)極。Zhao[9]通過(guò)測(cè)量不同極性單次脈沖放電在工件上產(chǎn)生的放電凹坑大小，得出正極蝕除量大于負(fù)極的結(jié)論。雖然上述研究論證了電火花放電加工中正極總是獲得比負(fù)極多的能量，然而在實(shí)際加工中確實(shí)存在大脈寬時(shí)負(fù)極性加工的材料去除率優(yōu)于正極性加工的情況。能量分配理論不足以說(shuō)明電火花加工中的極性效應(yīng)問題。

Xia 等[8]和Zhao[9]還對(duì)加工中與加工后的工件加工表面進(jìn)行了研究，認(rèn)為以煤油為介質(zhì)進(jìn)行正極性加工時(shí)，在大脈沖下工件表面產(chǎn)生碳覆層，導(dǎo)致正極性加工的材料去除率降低。Holsten 等[10]對(duì)TC4 的極性效應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為鈦合金加工應(yīng)使用正極性加工，因?yàn)楣ぜ谪?fù)極性加工時(shí)產(chǎn)生的TiC 覆層保護(hù)了工件，導(dǎo)致負(fù)極性加工的效率極低。鄭鑄等[11]和陳文安等[12]認(rèn)為在水中加工TC4 應(yīng)使用負(fù)極性加工，因?yàn)樵谡龢O性加工時(shí)鈦合金表面會(huì)產(chǎn)生藍(lán)紫膜并影響加工效率。

在電火花修整葉片邊緣參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究中，選擇振動(dòng)輔助與去離子水沖液的加工方式，以獲得高的材料去除率與較低的工具電極損耗，但在選擇加工極性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈寬為3、4、5 μs 時(shí)，正極性加工的材料去除率大于負(fù)極性加工的，電極損耗率也比負(fù)極性加工的低。值得注意的是，與陳文安等[12]的研究相似，電極表面在負(fù)極性加工過(guò)程中出現(xiàn)明顯的黑色覆層，但與其相反，本團(tuán)隊(duì)研究環(huán)境條件下的負(fù)極性加工的工具電極損耗率達(dá)50%以上，正極性加工的則更小（20%）。

為確定去離子水沖液和振動(dòng)輔助加工時(shí)正、負(fù)極性加工的各自適用脈寬范圍，同時(shí)研究不同加工極性在材料去除率與工具電極損耗方面產(chǎn)生的差異原因，本文設(shè)計(jì)了TC4 薄片切斷實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用團(tuán)隊(duì)自主研制的三軸立式振動(dòng)輔助電火花加工機(jī)床。該機(jī)床由高精度伺服控制平臺(tái)、晶體管脈沖電源、放電狀態(tài)檢測(cè)模塊、去離子水發(fā)生裝置、振動(dòng)裝置和大理石床身組成（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

切斷實(shí)驗(yàn)采用了不間斷沖液和對(duì)工具電極施加振動(dòng)的加工方法，增大電極與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促使電蝕產(chǎn)物排出。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)將振動(dòng)頻率設(shè)定為900 Hz[13-14]、振動(dòng)幅值為2.5 μm，具體加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

工件是尺寸為29 mm×29 mm×0.5 mm 的鈦合金（TC4）薄片，電極是尺寸為29 mm×29 mm×10 mm的黃銅（H59）。切斷加工時(shí)，黃銅電極沿著Z 軸進(jìn)給，加工面積為2 mm×29 mm。圖2 是切斷示意圖。

圖2 切斷示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素分析法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，保持表1 所示的加工參數(shù)不變，以10 μs 為間隔逐步增大脈寬，在相同脈寬條件下分別進(jìn)行正、負(fù)極性加工實(shí)驗(yàn)并記錄加工時(shí)間。使用測(cè)量精度為0.001 g 的電子天平分別對(duì)加工前、后的工件和電極進(jìn)行稱重并記錄（測(cè)量前對(duì)電極與工件進(jìn)行超聲波清洗并烘干）。每個(gè)條件下進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)式（1）和式（2）得到正、負(fù)極性加工的工具電極損耗率和材料去除率：

式中：ΔMe為電極加工前后的質(zhì)量差；ΔMW為工件加工前后的質(zhì)量差；ρe為電極密度；ρW為工件密度；t為加工時(shí)間。

加工時(shí)，使用濾膜收集工件和電極的蝕除顆粒；再將濾膜置于裝有丙酮溶液的小燒杯中進(jìn)行超聲波清洗，使顆粒與濾膜分離并去除雜質(zhì)；待燒杯中的丙酮溶液揮發(fā)后，得到顆粒；此時(shí)所得顆粒粘結(jié)成團(tuán)不利于測(cè)量，使用超聲波振動(dòng)器將其分離。

采用掃描電鏡（SEM）測(cè)量不同脈寬條件下正、負(fù)極性加工產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物的尺寸；分別對(duì)正、負(fù)極性加工后的電極表面、工件表面和蝕除產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析（EDS）；使用非接觸式激光測(cè)量?jī)x測(cè)量正、負(fù)極性加工后的電極表面粗糙度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 是正、負(fù)極性加工材料去除率隨著脈寬變化的曲線。當(dāng)脈寬由20 μs 增大到60 μs 時(shí)，正極性加工的材料去除率緩慢增大，并在脈寬60 μs 時(shí)達(dá)到3.6 mm3/min，約為負(fù)極性加工時(shí)的3 倍；當(dāng)脈寬超過(guò)60 μs 后，正極性加工的材料去除率迅速下降，在脈寬100 μs 時(shí)低于負(fù)極性加工的材料去除率；當(dāng)脈寬為110 μs 時(shí)，正極性加工出現(xiàn)頻繁短路，已無(wú)法完成切斷實(shí)驗(yàn)。相較較而言，負(fù)極性加工的材料去除率受脈寬的影響不大，材料去除率保持在1.1～1.5 mm3/min 之間。

圖3 正、負(fù)極性加工材料去除率對(duì)比

正、負(fù)極性加工的工具電極損耗情況見圖4。隨著脈寬的增大，負(fù)極性加工的工具電極損耗整體呈增大的趨勢(shì)并維持在51.8%以上，約是正極性加工的2 倍。由圖4 明顯看出，負(fù)極性加工的電極損耗率波動(dòng)很大；正極性加工的電極損耗率受脈寬的影響不大，保持在19.42%～22.75%之間。

圖4 正、負(fù)極性加工電極損耗率對(duì)比

下文將從極間能量分配、放電加工后電極與工件加工表面成分的變化情況兩個(gè)方面對(duì)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.2 極間能量分配

在電火花加工中，總放電能量主要分為三部分，一部分能量用來(lái)?yè)舸┙橘|(zhì)形成放電通道，消耗在級(jí)間介質(zhì)中；另一部分能量分配給工具電極；還有一部分能量分配給工件，而工件所得部分能量在熱傳導(dǎo)（從工件加工部分傳導(dǎo)到非加工部分）、蝕除材料和熱對(duì)流以及熱輻射中消耗[7]。準(zhǔn)確測(cè)量每一部分能量并不現(xiàn)實(shí)，因而本實(shí)驗(yàn)只關(guān)注用于蝕除材料的部分能量。電火花加工利用火花放電時(shí)產(chǎn)生的熱量熔化、汽化并拋出材料。放電凹坑的體積大小是熔化拋出與汽化蝕除的材料體積的總和，故通常通過(guò)測(cè)量工件表面放電凹坑的尺寸來(lái)量化蝕除能量大小。然而在實(shí)際加工中，放電通道的形成位置不確定，放電凹坑又互相重疊，不易得到準(zhǔn)確的放電凹坑尺寸。本實(shí)驗(yàn)得到的TC4 蝕除物呈圓球狀，易測(cè)得其尺寸，并且蝕除產(chǎn)物尺寸隨著放電能量的增大而增大（后文有詳細(xì)說(shuō)明），因此可用蝕除產(chǎn)物的尺寸來(lái)側(cè)面反映蝕除能量大小。

2.2.1 正、負(fù)極性加工的放電能量

圖5、圖6 分別是脈寬為60、100 μs 時(shí)的正、負(fù)極性加工放電波形圖。當(dāng)脈寬為60 μs 時(shí)，正、負(fù)極性加工的維持電壓約為22 V、放電電流約為1.5 A、單次脈沖放電時(shí)間約為50 μs；當(dāng)脈寬為100 μs時(shí)，正、負(fù)極性加工的維持電壓與放電電流大小與脈寬60 μs 時(shí)相同，但放電時(shí)間增大至60 μs。

圖5 脈寬60 μs 時(shí)正（左）、負(fù)（右）極性加工放電波形

圖6 脈寬100 μs 時(shí)正（左）、負(fù)（右）極性加工放電波形

將火花放電時(shí)的維持電壓與放電電流近似為矩形波，根據(jù)式（3）計(jì)算正、負(fù)極性加工時(shí)的單次放電能量。計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，在相同脈寬下，正、負(fù)極性加工的放電能量相差不大，由此可認(rèn)為，相同脈寬下的正極性加工放電能量與負(fù)極性加工的相同；隨著脈寬的增大，放電能量也在增大。

圖7 不同脈寬時(shí)的正、負(fù)極性加工放電能量

式中：W 為單次放電能量；U 為維持電壓；I 為放電電流；Ton為維持時(shí)間。

2.2.2 正、負(fù)極性加工的放電能量

正、負(fù)極性加工的放電能量相同，通過(guò)比較正極性加工時(shí)工件蝕除顆粒（工件為正極）和負(fù)極性加工時(shí)工件蝕除顆粒尺寸（工件為負(fù)極），可得放電能量在兩極的分配情況。圖8 是脈寬為40、100 μs時(shí)正、負(fù)極性加工蝕除顆粒的尺寸對(duì)比。

圖8 不同脈寬下正、負(fù)極性加工蝕除顆粒尺寸對(duì)比

分別對(duì)脈寬40、60、100 μs 時(shí)的顆粒尺寸進(jìn)行測(cè)量，要求在樣品的3 個(gè)不同位置拍攝照片、每張圖片中至少有18 個(gè)有效顆粒。測(cè)量后取平均值以保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。經(jīng)能譜分析，圖8 中標(biāo)注的亮白色物質(zhì)含有較多的銅、鋅元素，可判斷是黃銅電極的蝕除物，故不將其計(jì)入測(cè)量。正、負(fù)極性加工的工件蝕除物尺寸曲線見圖9。

圖9 工件蝕除物尺寸

根據(jù)圖9，比較顆粒物尺寸發(fā)現(xiàn)，無(wú)論脈寬如何變化，正極性加工時(shí)蝕除物的尺寸總是大于負(fù)極性加工的，故在去離子水中使用黃銅電極加工TC4 材料時(shí)，正極性加工的蝕除能量總是比負(fù)極性的大；正極性加工時(shí)的正極（TC4）獲得了較多的蝕除能量，負(fù)極性時(shí)獲得了較少的蝕除能量（黃銅電極），故認(rèn)為正極性加工的材料去除率高、電極損耗??；負(fù)極性加工時(shí)的正極（黃銅電極）獲得了大部分的放電能量，負(fù)極（TC4）獲得了較少的能量，導(dǎo)致材料去除率小、電極損耗大；隨著脈寬的增大，正極性加工的蝕除物尺寸不斷增大，負(fù)極性加工的蝕除物尺寸變化很小，這說(shuō)明此條件下，正極得到更多放電能量，而負(fù)極得到的能量變化不大，這會(huì)導(dǎo)致負(fù)極性加工的材料去除率（TC4 為負(fù)極）和正極性加工時(shí)的電極損耗率（黃銅為負(fù)極）隨著脈寬變化不大。當(dāng)正極性加工的蝕除物尺寸不斷增大，極間排屑變得困難，從而頻繁發(fā)生短路等不正常放電狀態(tài)，材料去除率開始快速下降。當(dāng)脈寬增大到100 μs 時(shí)，正極性加工的蝕除物尺寸已達(dá)到26.1 μm；繼續(xù)增大脈寬至110 μs 時(shí)，加工過(guò)程中持續(xù)發(fā)生短路，正極性加工則無(wú)法完成切斷實(shí)驗(yàn)；在脈寬110 μs 時(shí)，負(fù)極性加工依然具有較穩(wěn)定的加工效率。

2.3 電極與工件表面成分變化

2.3.1 電極加工表面成分變化

本實(shí)驗(yàn)中，正、負(fù)極性加工后的黃銅電極表面有明顯區(qū)別。如圖10 所示，負(fù)極性加工的電極表面出現(xiàn)一層黑色的膜且經(jīng)超聲波清洗后仍未被去除。由于實(shí)驗(yàn)使用去離子水為加工介質(zhì)，無(wú)大量碳元素介入，可判斷該物質(zhì)不是碳黑膜。使用能譜分析儀對(duì)該加工表面進(jìn)行成分分析的結(jié)果見圖11。

圖10 正、負(fù)極性加工后的電極表面

圖11 能譜分析結(jié)果

再對(duì)電極黑色部分的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取平均值?？芍踉恿空急燃s為49.6%、鈦原子量占比約為20%，此外還有較少的銅、鋁元素，由此判斷這層黑色的膜是鈦的氧化物。鈦的氧化物屬于半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性差且熔點(diǎn)較高（TiO2的熔點(diǎn)為1850 ℃，黃銅的熔點(diǎn)為1083 ℃）。在鄭鑄、陳文安等學(xué)者的實(shí)驗(yàn)條件下[11-12]，工具電極上的氧化鈦可保護(hù)電極，減小電極損耗。但是本實(shí)驗(yàn)條件下，負(fù)極性加工的工具電極損耗率在50%～84%之間且電極損耗曲線波動(dòng)大，說(shuō)明損耗情況不穩(wěn)定。為探究其中原因，本文以掃描電子顯微鏡（SEM）觀察負(fù)極性加工后黃銅電極加工表面情況。

如圖12 所示，黑色氧化鈦在電極表面的覆層并不均勻，電極加工表面的某些位置重復(fù)產(chǎn)生氧化鈦層，并且有明顯的層次感，有些位置并未出現(xiàn)氧化鈦覆層或者只有很少的氧化鈦。在沖液和電極振動(dòng)輔助的加工方式下，極間電場(chǎng)和流場(chǎng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致黃銅電極表面產(chǎn)生的氧化鈦覆層不均勻。在電火花加工過(guò)程中，氧化鈦覆層位置的電極損耗小，而未產(chǎn)生氧化鈦覆層位置的損耗大。隨著加工的進(jìn)行，電極加工表面情況不斷惡化并出現(xiàn)峰谷狀的形貌。分別對(duì)正、負(fù)極性加工后的電極加工表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，負(fù)極性加工后的電極表面粗糙度（Ra4.62 μm）是正極性加工（Ra1.9 μm）的兩倍以上。不規(guī)則的加工表面使加工過(guò)程中的排屑困難且易發(fā)產(chǎn)生二次放電，增大電極損耗。

圖12 氧化鈦覆層形貌

如圖13 所示，在負(fù)極性加工的蝕除物中存在一些形狀不規(guī)則的顆粒。能譜測(cè)試結(jié)果顯示，這些顆粒主體部分為鈦的氧化物，底層的亮白色物質(zhì)含有較多來(lái)自黃銅電極的鋅、銅元素，推測(cè)其為加工中脫落的氧化鈦覆層。在加工過(guò)程中，由于氧化鈦覆層熔點(diǎn)比黃銅高，電導(dǎo)率更小，其所在部位的損耗小于電極裸露部分。氧化鈦覆層相對(duì)于電極裸露部分越來(lái)越凸出，在一定溫度條件下，覆層會(huì)帶著部分熔融的黃銅基體脫落。覆層脫落的不確定性導(dǎo)致負(fù)極性加工時(shí)的電極損耗不穩(wěn)定，因此負(fù)極性加工的電極損耗曲線波動(dòng)較大（圖4）。

圖13 脫落的氧化鈦覆層

2.3.2 鈦合金TC4 加工表面成分變化

對(duì)切斷后的TC4 斷面取多個(gè)區(qū)域進(jìn)行成分分析后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是正極性加工還是負(fù)極性加工均產(chǎn)生了鈦的氧化物，氧原子含量均約為40%，無(wú)明顯差別。這說(shuō)明TC4 加工表面在加工過(guò)程中的氧化不是造成正、負(fù)極性加工性能差異的原因。

電火花加工中工件的氧化一般是因?yàn)榧庸み^(guò)程中產(chǎn)生了電解反應(yīng)或是加工介質(zhì)分解產(chǎn)生的氧在高溫下將工件氧化。漏電流是指由于放電介質(zhì)中不可避免地存在載流子，而載流子在加工介質(zhì)未被擊穿前受極間電場(chǎng)作用運(yùn)動(dòng)，形成漏電流，導(dǎo)致電解反應(yīng)的產(chǎn)生[15]。去離子水的電阻率大于18，載流子較少，不易產(chǎn)生電解反應(yīng)。在其他電導(dǎo)率較高的介質(zhì)中進(jìn)行電火花加工，會(huì)產(chǎn)生如圖14 所示的漏電流放電波形。對(duì)比觀察圖5 和圖6 所示的放電波形，則未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生明顯的漏電流。此外，電解反應(yīng)發(fā)生后，正極性加工時(shí)工件表面的氧化程度應(yīng)大于負(fù)極性加工，但本實(shí)驗(yàn)在正、負(fù)極性加工后的TC4 氧化程度相差不大，故認(rèn)為電火花加工時(shí)的電解反應(yīng)不是本實(shí)驗(yàn)中工件氧化的原因。

圖14 存在漏電流時(shí)的放電波形[15-16]

電火花加工時(shí)放電通道內(nèi)的瞬時(shí)溫度能達(dá)到幾千度甚至上萬(wàn)度，水在2000 ℃時(shí)開始分解為氧氣和氫氣，故認(rèn)為鈦合金在高溫下被氧氣氧化，并使正、負(fù)極性加工時(shí)鈦合金氧化程度相差不大。

3 結(jié)論

本文針對(duì)黃銅（H59）在去離子水中振動(dòng)輔助切斷鈦合金（TC4）時(shí)的極性選擇問題進(jìn)行了研究，并從兩極能量分配和加工過(guò)程中工具電極與工件表面的成分變化兩個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）在脈寬小于100 μs 時(shí)，正極性加工的材料去除率大于負(fù)極性加工，電極體積相對(duì)損耗小于負(fù)極性加工。當(dāng)脈寬大于100 μs 時(shí)，正極性加工極不穩(wěn)定，不能完成實(shí)驗(yàn)加工，應(yīng)選擇負(fù)極性加工。

（2）在去離子水沖液和電極輔助振動(dòng)的加工條件下，無(wú)論脈寬如何變化，正極獲得的蝕除能量總是大于負(fù)極，這是正極性加工具有高的材料去除率和低的電極損耗率的原因；隨著脈寬的增大，正極得到了更多蝕除能量，負(fù)極蝕除能量變化不大，這是正極性加工電極損耗與負(fù)極性加工材料去除率隨著脈寬變化不大的原因。

（3）在負(fù)極性加工時(shí)，黃銅電極表面產(chǎn)生了黑色氧化鈦覆層。不均勻的覆層并沒有起到保護(hù)電極的作用，反而造成電極加工表面質(zhì)量惡化。覆層脫落的不確定性導(dǎo)致負(fù)極性加工時(shí)的電極損耗不穩(wěn)定，電極損耗曲線波動(dòng)很大，不利于成形加工時(shí)的損耗補(bǔ)償。

（4）在正、負(fù)極性加工時(shí)，鈦合金斷面均被去離子水分解產(chǎn)生的氧氣氧化，二者條件下的氧化程度相差不大。鈦合金在加工過(guò)程中的氧化不是造成正、負(fù)極性加工性能差異的主要原因。