李國松,周碧勝,周建平,馬森雄
(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830047)
GH4099是典型時效強(qiáng)化鎳基高溫合金,具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、組織穩(wěn)定性能及抗氧化耐腐蝕性能[1]。目前,航空航天發(fā)動機(jī)的材料多半為鎳基高溫合金,GH4099還應(yīng)用于擋板、加強(qiáng)筋、飛行器固定件及葉片等部件中[2-3]。由于該類零部件外形復(fù)雜,既具有高強(qiáng)度又具有高硬度,被認(rèn)為是難切削的材料之一,而鎳基合金傳統(tǒng)機(jī)械加工又面臨切削力較大、切削溫度較高、刀具磨損比較嚴(yán)重等多種難題。
短電弧加工是一種低壓、大電流電弧加工方法,具有電弧柱內(nèi)部溫度較高、去除效率高、重鑄層和熱影響層范圍可控等優(yōu)點,已成為一種有效去除難加工材料的重要方法[4-6]。LIU等[7]提出直流短電弧銑削Ti6Al4V,相比采用脈沖電源其加工性能得到顯著改善,MRR超過了15 100 mm3/min。ZHOU 等[8]發(fā)現(xiàn)直流SEAM中石墨電極加工工件的熱影響層厚度最高,其次是銅、Q235鋼和鈦電極。王翔等人[9]通過直流SEAM加工45鋼,發(fā)現(xiàn)增大電壓,MRR提高,增大電極轉(zhuǎn)速,工件表面質(zhì)量提高。張立等人[10]發(fā)現(xiàn)極間電化學(xué)生成的氧化膜對電極損耗有一定的補償,增大進(jìn)給速度,工具電極損耗有所減少。CHEN 等[11]采用石墨加工鎳基高溫合金GH4169,發(fā)現(xiàn)負(fù)極性加工可以獲得較高的MRR和較低的TWR,而正極性加工可以獲得更好的表面質(zhì)量。汪兵兵等[12]通過調(diào)整電源參數(shù),發(fā)現(xiàn)占空比越大,表面粗糙度值越大,低電壓下TWR較大。張晟晟等[13]通過仿真與試驗分析,發(fā)現(xiàn)沖液壓力影響極間蝕除顆粒的分布情況,增大沖液壓力能夠改善工件的表面質(zhì)量。
在直流短電弧銑削加工過程中,影響工件加工效率與加工質(zhì)量的因素較多,本文作者通過單因素試驗探究了輸入電壓、主軸轉(zhuǎn)速以及沖液壓力對鎳基高溫合金(GH4099)的MRR、TWR、表面質(zhì)量和金相組織的影響規(guī)律,確定短電弧銑削加工時各加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律,為短電弧高效高質(zhì)量加工GH4099提供必要的理論數(shù)據(jù)支撐。在高效去除的前提下,尋求最優(yōu)的加工參數(shù),以提高工件加工效率和表面質(zhì)量。
試驗室工具電極采用管狀石墨,連接電源負(fù)極,工件材料采用GH4099高溫合金,連接電源正極。試驗變量為:輸入電壓、沖液壓力以及主軸轉(zhuǎn)速,以此為基礎(chǔ)探究直流短電弧銑削GH4099的材料去除率、電極相對損耗率、工件表面質(zhì)量以及金相組織。
(1)試驗設(shè)備:試驗室用四軸短電弧數(shù)控銑削機(jī)床。
(2)工件材料:采用長40 mm、寬40 mm、厚度10 mm的GH4099板塊。
(3)工具電極:采用外徑18 mm、內(nèi)徑8 mm的管狀石墨電極。
(4)檢測設(shè)備:DEWE soft SIRIUS多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高精密電子天平、超景深顯微鏡(VHX-S650E)、掃描電子顯微鏡(SEM、SU8010)、金相顯微鏡。
在直流短電弧銑削加工過程中影響工件加工效率與加工質(zhì)量的因素較多,分別對輸入電壓、沖液壓力以及主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素試驗,探究不同加工參數(shù)對短電弧銑削鎳基合金GH4099的加工特性。以鎳基合金GH4099板件為工件陽極,空心管狀石墨電極為工具陰極,采用正極性加工方式(工件接正極,工具接負(fù)極),銑削深度6 mm,銑削速度60 mm/min,通過單因素試驗對比分析輸入電壓、沖液壓力以及主軸轉(zhuǎn)速對直流短電弧銑削GH4099的材料去除率、相對電極損耗率、工件表面微觀形貌和金相組織的影響規(guī)律。其中材料去除率(MRR)和工具電極損耗率(TWR)計算如式(1)和(2)所示:
(1)
(2)
式中:W1為GH4099工件加工前質(zhì)量,g;W2為GH4099工件加工后質(zhì)量,g;t為加工時間,min;ρ為鎳基合金GH4099密度,8.47 g/cm3;V1為電極加工前質(zhì)量,g;V2為電極加工后質(zhì)量,g。詳細(xì)試驗參數(shù)如表1所示。
表1 試驗參數(shù)
保持銑削深度6 mm、進(jìn)給速度60 mm/min不變,通過單因素試驗探究不同輸入電壓、主軸轉(zhuǎn)速以及沖液壓力對短電弧銑削加工GH4099的MRR、TWR、工件表面微觀形貌和金相組織的影響規(guī)律。
輸入電壓對MRR和TWR的影響曲線如圖1(a)所示。由于采用15 V電壓加工時,放電能量不足導(dǎo)致電極撞刀斷裂,因此無法計算δMRR和δTWR。從圖中分析可得,直流短電弧加工時,MRR隨著輸入電壓的增大先增大后減小,這是由于升高電壓,加工極間放電能量較大,因此MRR較大;但當(dāng)電壓過高時,由于極間排屑能力較差,大量蝕除產(chǎn)物堆積在工件表面,造成MRR減小。TWR隨著輸入電壓的增大先減小后增大,這是由于低電壓加工時,極間放電能量不足導(dǎo)致電極與工件接觸的概率較高,易發(fā)生短路與碰撞的情況;但在高電壓加工時,由于放電能量較大,材料去除率增大,冷卻后的金屬熔滴在高速沖液下向外飛濺碰撞工具電極,又會導(dǎo)致電極損耗變大。
圖1 不同參數(shù)下的MRR和TWR曲線
主軸轉(zhuǎn)速對MRR和TWR的影響曲線如圖1(b)所示。可知:隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,MRR逐漸減小,TWR逐漸增大。工具電極的轉(zhuǎn)速隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大,導(dǎo)致單位時間內(nèi)電極相對工件的位移變大,加工時極間放電通道極易被機(jī)械斷弧。因此在其他參數(shù)不變的情況下,增大主軸轉(zhuǎn)速,極間單次放電能量變小,電極和工件材料表面機(jī)械碰撞磨損的概率增加,導(dǎo)致MRR隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而變小,最大值為6 350 mm3/min;TWR隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而變大,最大值達(dá)到1.26%。
沖液壓力對MRR和TWR的影響曲線如圖1(c)所示??芍弘S著沖液壓力的增大,MRR先變大后變??;而TWR卻是先變小后變大。在直流短電弧加工中,由于放電間隙非常小,當(dāng)沖液壓力小于0.3 MPa時,廢屑未能盡早排出,從而導(dǎo)致加工過程二次放電現(xiàn)象頻發(fā),更易出現(xiàn)短路情況。為了深入分析沖液壓力對銑削加工時的放電過程的影響規(guī)律,利用DEWE soft SIRIUS多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄了0.3 MPa和0.4 MPa沖液壓力下的極間放電波形,如圖2和圖3所示。通過對比分析,0.3 MPa沖液壓力下的電流均值較高,電流最高可達(dá)900 A,由此可知,此時的放電通道能量較高且放電相對穩(wěn)定。而0.4 MPa時的最高電流僅為600 A,且電流均值相對較低,這是因為高速沖液壓力過大會破壞極間穩(wěn)定的放電通道,以至于不穩(wěn)定放電現(xiàn)象變多,電流均值因此變低,極間放電能量減小,材料去除率降低,因此電極與工件的機(jī)械碰撞磨損的概率變大。因此,短電弧銑削GH4099沖液壓力宜采用0.3 MPa進(jìn)行加工。
圖2 沖液壓力為0.3 MPa時的加工波形
圖3 沖液壓力為0.4 MPa時的加工波形
為進(jìn)一步探討直流短電弧銑削GH4099的表面質(zhì)量,將試驗加工工件電火花線切割成塊,再通過超景深顯微鏡(VHX-S650E)及掃描電子顯微鏡(SEM、SU8010)觀測工件表面微觀形貌。
2.2.1 輸入電壓對工件微觀形貌的影響
在直流短電弧銑削加工中,影響材料去除和工件表面質(zhì)量的主要參數(shù)即為輸入電壓,它對工件表面微觀形貌的影響如圖4所示。可知:輸入電壓為20 V(圖4(a1))和35 V(圖4(b1))時的工件表面波峰波谷極差分別為573.14 μm和1 039.90 μm,增大輸入電壓工件表面極差變大,工件表面質(zhì)量變差。在掃描電鏡(SEM)下,輸入電壓為20 V(圖4(a2))時,工件表面較為光滑平整,且微孔、凹坑和球狀體等缺陷也較少;輸入電壓為35 V(圖4(b2))時,工件表面不規(guī)則沖蝕孔洞較大,且周圍分布有微裂紋和微孔以及大量球狀體,工件表面質(zhì)量相對較差。這是由于增大電壓,放電能量變大,熔融材料相應(yīng)變多,金屬廢屑熔融爆裂產(chǎn)生電蝕凹坑的寬度及深度范圍也因此變大,若沖液不及時,熔融廢屑冷卻附著于工件表面,MRR因此變小,工件表面質(zhì)量變差。
圖4 輸入電壓對工件微觀形貌的影響
2.2.2 沖液壓力對工件微觀形貌的影響
沖液壓力對工件表面微觀形貌的影響如圖5所示,可知:沖液壓力為0.1 MPa(圖5(a1))和沖液壓力0.4 MPa(圖5(b1))時的工件表面波峰波谷極差分別為764.94 μm和598.82 μm。蝕除顆粒在高速沖液的作用下被及時沖出加工間隙,避免了熔滴附著于工件表面,因此增大沖液壓力能夠有效改善極間工作環(huán)境,提高工件表面質(zhì)量。對比圖5(a2)和圖5(b2),當(dāng)沖液壓力為0.1 MPa時,工件表面帶有較大的球狀體、微裂紋以及微孔群,這是因為沖液壓力過小,導(dǎo)致未及時排出的蝕除產(chǎn)物冷卻附著在工件表面。沖液壓力增大至0.4 MPa時,熔融材料被迅速帶離加工間隙,僅有較少部分落于工件表面,因此工件表面幾乎沒有微裂紋,球狀體也相對較小。同時,增大沖液壓力,也會加速極間氣泡的破裂速度,產(chǎn)生劇烈的沖擊力將熔融材料噴向工件表面,形成較多的沖蝕孔洞。這說明增大沖液壓力會減少工件表面的微裂紋和球狀體的數(shù)量,但沖液壓力過大又會產(chǎn)生較多的沖蝕孔洞。
圖5 沖液壓力對工件微觀形貌的影響
2.2.3 主軸轉(zhuǎn)速對工件微觀形貌的影響
直流短電弧銑削加工時,電極旋轉(zhuǎn)有利于放電通道機(jī)械斷弧,促進(jìn)極間介質(zhì)的消電離,使放電加工穩(wěn)定進(jìn)行,提高工件的表面質(zhì)量。主軸轉(zhuǎn)速對工件表面微觀質(zhì)量的影響如圖6所示。主軸帶動電極旋轉(zhuǎn),放電間隙電弧因此被機(jī)械拉斷,在持續(xù)放電過程中又產(chǎn)生新的電弧,并均勻分布于工件上,避免了連續(xù)放電導(dǎo)致的燒灼現(xiàn)象。由圖6(a1)和圖6(b1)可以看出:當(dāng)電極轉(zhuǎn)速為600 r/min和1 500 r/min時,工件表面波峰波谷極差分別為1 230.82 μm和363.18 μm,增大電極轉(zhuǎn)速工件表面峰谷極差減小,表面質(zhì)量有所提高。電極轉(zhuǎn)動能夠帶動蝕除顆粒的拋出,避免熔融液滴附著于工件表面,有效改善極間環(huán)境,提高工件的表面質(zhì)量。對比工件表面形貌SEM圖6(a2)和圖6(b2)可得:相比轉(zhuǎn)速為600 r/min的工件表面,轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時的更加光滑平整,且微孔、微裂紋和凹坑等缺陷較少,因此提高電極轉(zhuǎn)速可以有效改善工件表面質(zhì)量。
圖6 主軸轉(zhuǎn)速對工件微觀形貌的影響
短電弧銑削加工時,極間放電產(chǎn)生的能量熔融去除GH4099工件表面材料,在釋放大部分熱量后,還有部分余熱進(jìn)入工件內(nèi)部,導(dǎo)致其內(nèi)部金相組織和基體發(fā)生變化。圖7(a)和圖7(b)分別顯示了直流正極性(輸入電壓20 V和30 V)SEAM后GH4099橫截面的金相組織,可以觀察到明顯的再鑄層、熱影響層和基體,不同加工條件下斷面特征差異較大。輸入電壓20 V顯示出與表面緊密附著的淺再鑄層,熱影響層深度變化程度低,對應(yīng)的深度分布均勻;輸入電壓30 V的熱影響層變化較為明顯且深度不均,范圍在100~120 μm之間,這是由于增大電壓,極間放電能量較大,材料蝕除后的熱影響層范圍因此較深。
圖7 不同電壓下GH4099加工后的金相組織
文中針對不同參數(shù)的輸入電壓、沖液壓力和主軸轉(zhuǎn)速對短電弧銑削鎳基合金GH4099的加工性能影響進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明:
(1)隨著輸入電壓和沖液壓力的增大,材料去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,相對電極損耗率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,材料去除率呈現(xiàn)減小的趨勢,相對電極損耗率呈現(xiàn)增大的趨勢。
(2)適當(dāng)提高沖液壓力,能夠降低加工中的短路現(xiàn)象,減少工件表面的微裂紋和球狀體的數(shù)量,有利于提高工件表面完整性,但沖液壓力過大又會產(chǎn)生較多的沖蝕孔洞,降低工件表面質(zhì)量。
(3)增大主軸轉(zhuǎn)速,工件表面更加光滑平整,且微孔、微裂紋和凹坑等缺陷較少,可以有效改善工件表面質(zhì)量,但轉(zhuǎn)速過大,電極損耗也相應(yīng)變大,因此在精加工時可適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速,但也不宜過大。試驗發(fā)現(xiàn):輸入電壓25 V、沖液壓力0.2 MPa和主軸轉(zhuǎn)速600 r/min時材料去除率最大,為6 350 mm3/min。
(4)通過分析金相組織,發(fā)現(xiàn):輸入電壓30 V比20 V的熱影響層更明顯且深度不均,范圍在100~120 μm。