王懷志,劉志東,田宗軍,王祥志,陳文安

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

鈦合金的比強度高、機械性能良好,且具有優(yōu)異的耐熱和耐蝕性能,因此,鈦合金得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而,鈦合金的切削加工性較差,屬于典型的難切削材料[1]。電火花加工[2]是利用瞬時的脈沖放電,伴隨熱和壓力的作用,使工件表面材料熔化、氣化而實現(xiàn)材料去除的加工方法;它屬于非接觸加工方式,理論上適用于加工任何導(dǎo)電材料,被廣泛用于難切削材料的加工,因此可緩解鈦合金機械加工難的問題。

電火花加工過程中,工作液與脈沖電源、伺服系統(tǒng)一樣,也是實現(xiàn)正常電火花加工不可缺少的條件。不同的工作液具有不同的組分和冷卻速率,在電火花加工中工作液的正確選擇十分重要。在常用工作液中,火花油被廣泛應(yīng)用于鈦合金的電火花加工,然而火花油具有易燃性,且在加工過程中會散發(fā)出有害氣體,危害操作者的健康,因此須尋找一種綠色環(huán)保、安全可靠的工作液。目前開展的關(guān)于鈦合金工作液的研究有很多,1999年,Chen等[3]分別使用火花油及蒸餾水作為工作液進(jìn)行鈦合金TC4放電加工,認(rèn)為由于蒸餾水中加工產(chǎn)生的氧化鈦熔點比火花油中產(chǎn)生的碳化鈦低,因此在相同的加工條件下,使用蒸餾水作為加工液可獲得較高的材料去除率000年,Lin等[4]以超聲波輔助放電加工分別在蒸餾水及火花油中對鈦合金進(jìn)行加工,發(fā)現(xiàn)在蒸餾水中加工鈦合金時,其材料去除率較火花油大很多,但相對電極消耗較火花油小,結(jié)果顯示超聲波輔助放電加工以蒸餾水作為工作液時具有較高的加工效率。前人通過以蒸餾水和火花油作為工作液對鈦合金進(jìn)行對比加工,表明蒸餾水中的材料去除率較火花油高,為鈦合金電火花加工的工作液研究開辟了新的思路。但所做的一些前期試驗工作,對于加工機理的分析不夠全面和深入。為此,本文對蒸餾水和火花油中加工鈦合金TC4的放電波形、微觀形貌和極性效應(yīng)等分別進(jìn)行分析,系統(tǒng)地對加工機理進(jìn)行了闡述,為今后鈦合金水基工作液的研究工作奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗裝置及條件

試驗裝置:北京某公司生產(chǎn)的NH7125CNC數(shù)控電火花成形機床。

電極:直徑10mm的實心紫銅棒。

工件:鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)。

工作液:電火花加工專用火花油;蒸餾水。

稱重量具:FA1004電子秤。

波形采集:UT2000/3000數(shù)字存儲示波器。

拍攝SEM和XRD設(shè)備:日立S3400。

2 機理分析

2.1 波形對比試驗

為了研究鈦合金TC4在火花油和蒸餾水中放電特性的差別,首先進(jìn)行了放電波形的對比試驗。鈦合金在蒸餾水中采用正極性(工件接正極,電極接負(fù)極)加工時,工件表面會產(chǎn)生藍(lán)紫膜;而負(fù)極性(工件接負(fù)極,電極接正極)加工時沒有藍(lán)紫膜產(chǎn)生。因此,沒有特別說明時,以下均采用負(fù)極性加工方式進(jìn)行對比試驗。

在小規(guī)準(zhǔn)下兩種工作液中的加工狀況均較理想 。在脈寬 ton=15μs,脈間 toff=45μs,設(shè)定峰值電流IP=4 A時,蒸餾水中的材料去除率為1.34mm3/min,火花油中為0.85mm3/min,在此規(guī)準(zhǔn)下分別采集放電波形并進(jìn)行分析。

圖1是在火花油和蒸餾水中加工的典型放電波形圖,由于火花油的絕緣性較蒸餾水強,即極間電阻大,不難看出火花油中峰值電壓較蒸餾水高。

圖1 典型放電波形圖

圖2是在火花油和蒸餾水中的連續(xù)放電波形圖。通過對比兩種工作液中的加工波形可發(fā)現(xiàn),在火花油介質(zhì)中易出現(xiàn)拉弧和短路現(xiàn)象,而蒸餾水中多為正常放電,加工狀態(tài)穩(wěn)定。分析認(rèn)為:蒸餾水的流動性和冷卻性較好,可很好地冷卻放電通道并進(jìn)行消電離,保證放電加工的正常進(jìn)行;且蒸餾水中的脈沖利用率較高,從而可提高材料去除率。而火花油的冷卻性和流動性較差,且易析碳,放電加工過程中不能及時地消電離,易出現(xiàn)拉弧和短路現(xiàn)象;同時火花油在放電加工過程中產(chǎn)生的膠體粒子和蝕除產(chǎn)物,在極間淤積會進(jìn)一步惡化極間狀況,故火花油中的材料去除率較低。

圖2 連續(xù)放電波形圖

圖3是加工過程中極間放電熱量流向分布圖。由圖可知:放電加工過程中產(chǎn)生的熱量一部分被兩極材料吸收,另一部分則被工作液吸收。鈦合金TC4的熱導(dǎo)率為7.955 W/(m?k),僅為鐵的1/5,因此相對于普通金屬而言,鈦合金放電加工過程中工件材料吸收的熱量較少,工作液吸收了更多的熱量,極間工作液溫度較高。由于火花油的熱導(dǎo)率為0.12 W/(m?k),較蒸餾水的 0.54 W/(m?k)小很多,且流動性較差,熱量不能被及時地帶出極間。隨著加工的進(jìn)行,極間溫度急劇上升,導(dǎo)致消電離不充分,不易及時恢復(fù)絕緣狀態(tài),易出現(xiàn)拉弧和短路現(xiàn)象,不利于加工的正常進(jìn)行。而蒸餾水的冷卻性和流動性較好,水流可及時地將蝕除產(chǎn)物排出加工間隙,并帶走大部分的熱量和離子,很好地冷卻放電通道并進(jìn)行消電離,放電加工穩(wěn)定,所以更適合于鈦合金TC4的放電加工。

圖3 極間放電熱量流向分布圖

2.2 表面形貌對比

蒸餾水和火花油具有不同的組分和性能,加工過程中必然表現(xiàn)出不同的加工特點,因此,可進(jìn)一步通過對比表面形貌來分析蒸餾水和火花油中蝕除機理的差異。圖4是蒸餾水和火花油在脈寬15μs、脈間45μs、峰值電流4 A下加工的鈦合金TC4表面形貌SEM照片。

圖4 加工表面SEM圖

從圖4中不難發(fā)現(xiàn),蒸餾水中加工的鈦合金TC4工件表面較平整,但存在少量的顯微裂紋;火花油中加工的鈦合金TC4工件表面較粗糙,表面殘留較多的蝕除產(chǎn)物。分析認(rèn)為:電火花加工過程中,脈沖放電瞬間釋放出大量的熱,使工件表面局部材料熔化、氣化,部分蝕除產(chǎn)物被及時地拋出極間,而未被排出極間的蝕除產(chǎn)物會重新冷卻凝固在工件表面上。蒸餾水的流動性和冷卻性較好,大部分蝕除產(chǎn)物拋離工件表面后被水流及時冷卻凝固并帶出極間,降低了熔融產(chǎn)物重凝在工件表面上的幾率,這就使工件表面較平整,在此過程中水流帶走了極間熱量,很好地冷卻了放電通道并進(jìn)行消電離,保證了后續(xù)加工的正常進(jìn)行?；鸹ㄓ偷牧鲃有暂^差,且易析碳,蝕除產(chǎn)物不能被及時地排出極間,在極間產(chǎn)生淤積,部分蝕除產(chǎn)物重凝附著在工件表面上,形成了較多的重凝物,使加工表面較粗糙,同時由于極間不能及時冷卻和進(jìn)行消電離,導(dǎo)致極間加工狀況惡化,易發(fā)生拉弧、二次放電等現(xiàn)象,對工件表面造成損害。電火花脈沖性放電重復(fù)頻率極高,一般每秒鐘高達(dá)幾十萬至數(shù)百萬次,必然使放電區(qū)域內(nèi)材料加熱-冷卻-再加熱的循環(huán)頻率非常高,對于在冷卻性較差的火花油中加工的工件表面影響相對較小,而蒸餾水的冷卻性能較好,在表面熱循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力超過鈦合金TC4材料抗拉強度的情況下,就會使加工表面產(chǎn)生顯微裂紋,因此在圖4a中可觀察到有少量的顯微裂紋。

蒸餾水和火花油屬于兩種不同類型的工作液,具有不同的組分。蒸餾水的主要組成元素是O和H,而火花油中是C和H,因此進(jìn)行鈦合金TC4放電加工所得到的產(chǎn)物必然有所差異,對于放電加工的影響也是不盡相同的。為了深入研究生成產(chǎn)物的影響 ,將脈寬 15μs、脈間 45μs、峰值電流 4A 下加工的工件表面分別進(jìn)行了XRD測量,工件表面能譜圖見圖5,加工表面主要成分見表1。

圖5 加工表面能譜圖

表1 加工表面主要成分

由表1可看出,蒸餾水中加工的鈦合金TC4表面含有大量的O元素,說明產(chǎn)生了鈦的氧化物;而火花油中加工表面含有大量的C元素,說明產(chǎn)生了鈦的碳化物。由于鈦的碳化物熔點(3150℃)遠(yuǎn)高于鈦的氧化物熔點(1750℃),蒸餾水中工件表面產(chǎn)生的鈦的氧化物更易于蝕除。因此,在相同電規(guī)準(zhǔn)下,蒸餾水較火花油更易于實現(xiàn)鈦合金TC4材料的蝕除。

3 極性效應(yīng)對材料去除率的影響

電火花加工中存在極性效應(yīng),它對材料去除率有直接的影響。由于兩種工作液性能差異較大,因此在采用不同極性加工時,加工性能呈現(xiàn)出很大的差異。本試驗在火花油和蒸餾水中分別采用正、負(fù)極性加工方式進(jìn)行對比,選用的試驗電規(guī)準(zhǔn)見表2,結(jié)果見圖6。

表2 極性效應(yīng)試驗電規(guī)準(zhǔn)

圖6 極性效應(yīng)對材料去除率的影響

從圖6可看出,火花油作為工作液時,條件1和條件2采用負(fù)極性加工的材料去除率較正極性大,條件3采用正、負(fù)極性加工的材料去除率相當(dāng);蒸餾水作為工作液時,條件1和條件2采用正極性加工的材料去除率較負(fù)極性大,而條件3采用負(fù)極性加工的材料去除率較正極性大。根據(jù)粒子轟擊理論可知,短脈沖加工時,材料蝕除主要是依靠電子的轟擊作用,即正極的蝕除速度大于負(fù)極的蝕除速度,而長脈沖加工時,質(zhì)量和慣性大的正離子對負(fù)極表面的轟擊作用強,負(fù)極的蝕除速度較正極大,在蒸餾水中恰好符合該規(guī)律。小規(guī)準(zhǔn)加工時,火花油中加工狀態(tài)較穩(wěn)定,加工狀況對極性效應(yīng)基本不會產(chǎn)生影響,加工過程中火花油中析出的膠體粒子在極間電場作用下向正極運動,與熔融、氣化的蝕除產(chǎn)物反應(yīng)生成鈦的碳化物,覆蓋在正極表面,正極上覆蓋的膠體粒子及鈦的碳化物起到保護(hù)正極的作用,從而降低了正極材料去除率。正極性加工時,覆蓋效應(yīng)降低了工件材料去除率,而負(fù)極性加工時,覆蓋效應(yīng)主要是起保護(hù)電極的作用。所以小規(guī)準(zhǔn)加工時,負(fù)極性加工的材料去除率較正極性大;隨著加工規(guī)準(zhǔn)增大,火花油中排屑條件惡化,大量的電蝕產(chǎn)物及膠體粒子在放電間隙內(nèi)淤積,甚至聚集結(jié)鏈,不能進(jìn)行正常的火花放電加工,所以大規(guī)準(zhǔn)下正、負(fù)極性加工效率相差不大。

對比圖6a和圖6b不難發(fā)現(xiàn),不論在哪組加工條件下,蒸餾水中加工的材料去除率均比火花油中高,即在相同條件下蒸餾水中的材料去除率比火花油中高。究其原因,主要是因為蒸餾水的流動性和冷卻性比火花油好,及時地將蝕除產(chǎn)物排出加工區(qū)域,更好地冷卻放電通道并進(jìn)行消電離,使加工過程更穩(wěn)定,保證加工的正常進(jìn)行,有效提高了加工效率。蒸餾水中鈦合金TC4表面生成的鈦的氧化物熔點比火花油中生成的鈦的碳化物熔點低很多,更易于蝕除,因此,蒸餾水中更易于實現(xiàn)鈦合金TC4材料的蝕除。

4 結(jié)論

本文通過火花油和蒸餾水兩種工作液的對比試驗,研究了鈦合金TC4的放電蝕除機理,得出如下結(jié)論:

(1)通過放電波形對比可發(fā)現(xiàn),蒸餾水中加工穩(wěn)定,脈沖利用率較高,而火花油中易出現(xiàn)拉弧、短路和二次放電等不良放電現(xiàn)象。

(2)對比火花油和蒸餾水中加工鈦合金TC4的SEM照片,分析得出:蒸餾水由于冷卻性和流動性較好,加工表面較平整;火花油的冷卻性和流動性較差,且易析碳,加工表面較粗糙,有大量的蝕除產(chǎn)物堆積。

(3)極性效應(yīng)對比結(jié)果顯示,鈦合金在蒸餾水中加工符合粒子碰撞理論的解釋,即小規(guī)準(zhǔn)時負(fù)極性較正極性的材料去除率大,大規(guī)準(zhǔn)時正極性較負(fù)極性的材料去除率大。而火花油中由于存在覆蓋效應(yīng),使小規(guī)準(zhǔn)下負(fù)極性材料的去除率較正極性大,大規(guī)準(zhǔn)下由于加工不能正常進(jìn)行,所以正、負(fù)極性加工效率相當(dāng)。

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