直流短電弧銑削加工GH4099的影響研究

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)

0 前言

GH4099是典型時(shí)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(dòng)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(diǎn)，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(bǔ)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(yàn)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(yàn)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(shí)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。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)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。

1.2 試驗(yàn)方案

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(yàn)，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(yàn)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(jì)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(shí)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(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

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(yàn)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。

2.1 MRR和TWR分析

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(shí)，放電能量不足導(dǎo)致電極撞刀斷裂，因此無法計(jì)算δMRR和δTWR。從圖中分析可得，直流短電弧加工時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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?？芍弘S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(shí)間內(nèi)電極相對工件的位移變大，加工時(shí)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。可知：隨著沖液壓力的增大，MRR先變大后變小；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(shí)，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(shí)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(shí)的放電通道能量較高且放電相對穩(wěn)定。而0.4 MPa時(shí)的最高電流僅為600 A，且電流均值相對較低，這是因?yàn)楦咚贈_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(shí)的加工波形

圖3 沖液壓力為0.4 MPa時(shí)的加工波形

2.2 工件表面質(zhì)量微觀分析

為進(jìn)一步探討直流短電弧銑削GH4099的表面質(zhì)量，將試驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，工件表面帶有較大的球狀體、微裂紋以及微孔群，這是因?yàn)闆_液壓力過小，導(dǎo)致未及時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(dòng)能夠帶動(dòng)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(shí)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

2.3 金相組織分析

短電弧銑削加工時(shí)，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

3 結(jié)語

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(yàn)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(shí)可適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速，但也不宜過大。試驗(yàn)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(shí)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。