鐘潔，李軍（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

微小面積電火花加工鈦合金TC4的表面裂紋研究

鐘潔，李軍
（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

應(yīng)用Minitab軟件對(duì)電火花熱加工鈦合金進(jìn)行正交試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析一確定各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)果影響的顯著性；同時(shí)進(jìn)行信噪比分析得到各個(gè)指標(biāo)的最佳參數(shù)匹配值。然后應(yīng)用ImageJ軟件對(duì)電子掃描顯微鏡（SEM）下得到的電火花加工TC4的微小孔表面進(jìn)行處理分析，統(tǒng)計(jì)出微小孔表面的裂紋密度。該方法可以在不采用繁瑣的理論公式計(jì)算的情況下計(jì)算加工表面的孔隙率，具有良好的直觀性與較高的精度。

微小面積；TC4；電火花；裂紋密度

0 引言

鈦合金是典型難加工金屬材料，傳統(tǒng)的機(jī)械加工不能很好的實(shí)現(xiàn)使用要求，而電火花加工能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金進(jìn)行微小孔的加工［1］。微小面積（0.09～0.80cm2）電火花加工存在的顯著問(wèn)題，這是由于不穩(wěn)定的電弧作用導(dǎo)致電火花加工后表面的退化。在掃描電鏡的觀察下會(huì)觀察到微細(xì)的小裂紋，在航空航天領(lǐng)域裂紋的存在不容忽視。由于小裂紋效應(yīng)，其擴(kuò)展速率高于長(zhǎng)裂紋，且在低于長(zhǎng)裂紋門檻值的情況下小裂紋仍能擴(kuò)展［2］。所以對(duì)電火花微小孔加工TC4產(chǎn)生的微裂紋的影響是非常有意義的。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電火花加工設(shè)備采用的是倍速特BEST-450。圖1所示為電火花放電加工部分。電極采用的是直徑為3mm的紫銅電極，工作液使用的是火花油，采用可調(diào)電參數(shù)對(duì)TC4鈦合金鍛件進(jìn)行小孔加工。Ti-6Al-4V可在300-350℃下使用，兼具α+β兩相特征，既可作高溫合金使用，也可作結(jié)構(gòu)合金應(yīng)用，在航天領(lǐng)域，如“阿波羅”飛船、“宇宙神”導(dǎo)彈以及“徘徊者”衛(wèi)星等，得到了廣泛的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)是使用直徑為3mm紫銅電極對(duì)TC4合金進(jìn)行小孔加工。表1為電火花加工的各個(gè)參數(shù)。

圖1 電火花沖液小孔加工Fig.1 Micro-hole machining with EDM

表1 實(shí)驗(yàn)加工條件列表Tab.1 List of experimental processing conditions

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本次實(shí)驗(yàn)中，采用正交試驗(yàn)法［3］。而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三因子包括A（極間電壓U）、B（峰值電流I）、C（脈沖寬度Ton），這三個(gè)影響因子都是三水平的，試驗(yàn)次數(shù)要不少于3×（3-1）+1=7（次），所以可考慮選用L9（33）。三因子A、B、C可任意地對(duì)應(yīng)于正交表L9的某三列，即A、B、C分別放在L9（）正交表的第l、2、3列，然后試驗(yàn)按行進(jìn)行，順序不限，每一行中各因素的水平組合就是每一次的試驗(yàn)條件，從上到下就是這個(gè)正交試驗(yàn)的方案。

表2 工件材料及電極材料物理屬性Tab.2 Physical properties of workpiece and electrode

三個(gè)3水平的因子，做全面試驗(yàn)需要3*3*3=27次試驗(yàn)，現(xiàn)用L9（）來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，只需要做9次實(shí)驗(yàn)，工作量減少了2/3，但是在一定意義上代表了27次試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)找出主要影響因素，確定最適加工的工藝參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果實(shí)驗(yàn)的時(shí)間越長(zhǎng)，則引入各種人為誤差、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的誤差干擾會(huì)越大。在本次實(shí)驗(yàn)由于采用了正交實(shí)驗(yàn)，縮短了試驗(yàn)周期，在一定程度上避免了誤差引入，從而可以提高試驗(yàn)精度。為了避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入的隨機(jī)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，使實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性及可靠性，實(shí)驗(yàn)重復(fù)做3次，結(jié)果取三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表3 電火花加工TC4的正交試驗(yàn)方案Tab.3 The orthogonal design of TC4 with EDM

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理及分析

田口方法定義了質(zhì)量損失函數(shù)，描述產(chǎn)品質(zhì)量特性實(shí)際值與目標(biāo)值的差異，結(jié)合信噪比描述各個(gè)因素對(duì)質(zhì)量的影響顯著性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 電火花加工TC4正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal experiment TC4 with EDM

2.3 加工參數(shù)對(duì)電極損耗的影響

本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果使用Minitab數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理。在Minitab中，信噪比分析根據(jù)不同指標(biāo)特性分為望大特性、望目特性及望小特性。在本次實(shí)驗(yàn)中關(guān)注的電極損耗和TC4表面裂紋密度采用望小特性。

根據(jù)以往研究的結(jié)論［4］得知，電極損耗受到諸多因素的影響如加工極性、單脈沖放電能量、工具電極和工件的材料特性和物理特性和電介質(zhì)等，固定其余條件僅考慮電參數(shù)對(duì)電極損耗的影響，普遍得出了電極損耗與單脈沖放電能量大小存在線性關(guān)系，當(dāng)單位脈沖放電能量增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致電極損耗的加劇，即峰值電流或脈寬增加導(dǎo)致單脈沖能量增大會(huì)引起電極損耗的加劇。結(jié)合圖2中的均值圖與信噪比圖可以得出，峰值電流和脈沖間隙是影響電極損耗的主要因素。由圖2（b）中的電極損耗均值主效應(yīng)圖中可以看出，峰值電流的斜率變化最大，對(duì)電極損耗的影響是最大的；由圖2（a）中的電極損耗信噪比主效應(yīng)中可知當(dāng)電流為3A時(shí)電極損耗的信噪比最大，所以要使電極損耗達(dá)到最小，電流應(yīng)為3A。其次對(duì)電極損耗影響的是脈沖間隙，最后是脈沖寬度。

圖2 （a） 電極損耗均值主效應(yīng)圖Fig.2（a）Mean main effect of electrode wear ratio

圖2 （b） 電極損耗信噪比主效應(yīng)圖Fig.2（b）Main effect of S/N ratio of electrode wear ratio

2.4 加工參數(shù)對(duì)TC4表面裂紋密度的影響

鈦合金由于導(dǎo)熱性能差，塑性差等自身特點(diǎn)的原因，會(huì)造成在加工表面瞬間高溫的情況下，熱量無(wú)法迅速傳導(dǎo)，導(dǎo)致表面出現(xiàn)微細(xì)裂紋［5］。在航天領(lǐng)域許多精密件由鈦合金加工而成，尤其在微小鈦合金零件的加工中。因此，合理的選擇電規(guī)準(zhǔn)的選擇有效預(yù)防和減少微裂紋是非常有必要的［6］。圖3（a）（b）（c）為在不同電參數(shù)加工條件下TC4表面產(chǎn)生的微裂紋的掃描電子顯微鏡下的微觀圖，圖3（d）是采用ImageJ軟件處理統(tǒng)計(jì)TC4表面裂紋的結(jié)果圖。

在微小面積鈦合金加工中，當(dāng)采用短脈沖時(shí)而其他條件固定，由于溫度梯度大導(dǎo)致的脆性破壞影響巨大，并且在采用短脈沖時(shí)熱應(yīng)力脆性破壞的作用高于熱能作用。實(shí)驗(yàn)證明在兼顧加工速度的同時(shí)選擇大脈寬和大電流的方法是可行的，可以減少裂紋的產(chǎn)生。

圖3 （a） 3A電流加工TC4的SEM圖Fig.3（a）The SEMdiagram of TC4 micro-hole using 3A current

圖3 （b） 6A電流加工TC4的SEM圖Fig.3（b） The SEMdiagram of TC4 micro-hole using 6A current

圖3 （c） 9A電流加工TC4的SEM圖Fig.3（c）The SEMdiagram of TC4 micro-hole using 6A current

圖3 （d） 電流對(duì)裂紋密度的影響Fig.3（d）Effect of current on crack density

圖4 （a） 200um電極加工TC4表面裂紋Fig.4（a） Surface crack of the hole on TC4 using200um electrode

2.5 不同電極尺寸對(duì)TC4表面裂紋密度的影響

采用不同尺寸的紫銅電極在微小面積鈦合金電火花加工中，由于電極尺寸的不同，放電能量分布不同，將會(huì)對(duì)加工表面產(chǎn)生不同的影響。在固定電火花加工條件下，討論二者之間的差異。圖4是分別利用200um的紫銅電極和3mm紫銅電極在微小面積下電火花加工鈦合金表面后的掃描電子顯微鏡圖像，電加工參數(shù)峰值電流為6A，脈寬為30us，脈間為120us，加工深度均為0.1mm。

由圖4可知，在相同的電參數(shù)加工下，200um紫銅電極加工TC4時(shí)，表面產(chǎn)生分布密集且較細(xì)的裂紋，熔融顆粒物較??；而采用3mm的紫銅電極加工時(shí)，表面產(chǎn)生深且寬的裂紋，裂紋的分布相對(duì)較少，表面堆積較大的熔融顆粒，出現(xiàn)表層剝落現(xiàn)象。

圖4 （b） 3mm電極加工TC4表面裂紋Fig.4（b） Surface crack of the hole on TC4 using300um electrode

3 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)通過(guò)正交試驗(yàn)，研究了微小面積鈦合金電火花在采用不同電參數(shù)加工TC4的電極損耗以及TC4表面裂紋密度的影響，討論了各種表面裂紋的形成原因，建立起了電規(guī)準(zhǔn)與裂紋密度之間的關(guān)系。通過(guò)合理優(yōu)化電規(guī)準(zhǔn)組合可以獲得具有較好表面質(zhì)量的工件，為精加工微小面積鈦合金工件的工藝參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。

2）通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明表面裂紋與電規(guī)準(zhǔn)、電極尺寸有關(guān)，二者之間的優(yōu)化選擇從理論上可以達(dá)到抑制表面裂紋的效果。

［1］ 張英明，韓明臣，倪沛彤，潘志強(qiáng)，朱梅生.航空、航天用鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用［A］.第三屆空間材料及其應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集>［C］.中國(guó)空間技術(shù)研究院、教育部科學(xué)技術(shù)司、真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)空間技術(shù)研究院原材料保證中心分部：2011：7.Y M Zhang，M CHan，Z Q Pan，M S Zhu.The development and application of titanium alloy for Aerospace［A］.The third space materials and Application Technology Symposium［C］.The China Space Research Institute，Ministry of education of science and technology division，Low temperature vacuum technology and Physics Laboratory，China Research Institute of space technology raw materials guarantee center branch： 2011：7.

［2］ 吳學(xué)仁，劉建中.基于小裂紋理論的航空材料疲勞全壽命預(yù)測(cè)［J］.航空學(xué)報(bào)，2006，02：219-226.X R Wu，J ZLiu.Prediction offatigue life of aviation material based onsmall crack theory［J］.ActaAeronauticaEt AstronauticaSinica，2006，02：219-226.

［3］ 吳彬，張登清，張斌.基于正交試驗(yàn)法的TC4鈦合金銑削參數(shù)優(yōu)化［J］.機(jī)械工程師，2014，08：93-94.B Wu，D Q Zhang，B Zhang.Parameter optimization of TC4 titanium alloy milling based on orthogonal test method［J］.Mechanical Engineer，2014，08：93-94.

［4］ 王靜濤，許曉革，孟祥花.基于信噪比和高頻IMF的改進(jìn)EEMD算法［J］.新型工業(yè)化，2014，1（8）：29-35.J T Wang，X Gxu，X H Meng.A modified ensemble mode decomposition based on the signal-to-noise ratio and winning number of IMFs［J］.The Journal of New Industrialization，2014，1（8）： 29-35.

［5］ Torres，A.，C.J.Luis，I.Puertas，Analysis of the influence of EDM parameters on surface finish，material removal rate，and electrode wear of an INCONEL 600 alloy.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015.80（1-4）： 123-140.

［6］ Kiyak，M.，B.E.Aldemir，E.Altan，Effects of discharge energy density on wear rate and surface roughness in EDM.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015.79（1-4）： 513-518.

［7］ 劉暢，李軍.電火花微小孔加工速度的預(yù)測(cè)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，11：251-252+255.CLiu，JLi.The Prediction for the Processing Speed of EDM Machining Micro-Hole［J］.Machinery design and manufacture，2013，11：251-252+255.

［8］ Wang，X.，et al.，Research on the influence of dielectric characteristics on the EDM of titanium alloy.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014.72（5-8）： 979-987.

［9］ Zhang，Y.，et al.，Investigation on the influence of the dielectrics on the material removal characteristics of EDM.Journal of Materials Processing Technology，2014.214（5）： 1052-1061.

［10］ 李喜朋，徐春廣，劉釗，等.基于陣列聲表面波的裂紋檢測(cè)成像［J］.新型工業(yè)化，2013，3（8）：16-24.X P Li，C Gxu，Z Liu，et al.Array imaging technology of crack detection based on SAW［J］.The Journal of New Industrialization，2013，3（8）：16-24.

Study on Micro and Small Hole of TC4 by Electrical Discharge Machining

ZHONG Jie， LI Jun
（School of Manufacturing Science and Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China）

Use the Minitab software to design parameters of TC4 titanium alloy by electrical discharge machining using orthogonal experiment， and then the results are analyzed by ANOVA to determine the influence of various parameters on the results of significance； at the same time match the best parameters indicators using signal to noise analysis.Then apply Image J software to process and analysis the tiny hole surface of TC4 machined by EDM which are from the scanning electron microscope （SEM）.Then count the crack density on the tiny hole's surface.This method not only overcomes the triviality and limitations of theoretical calculating by formula the porosity on the surface， but also with good Intuition and high precision.

Micro and small hole；TC4；Electrical discharge machining；Crack density

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.03.004

ZHONG Jie， LI Jun.Study on Micro and Small Hole of TC4 by Electrical Discharge Machining［J］.The Journal of New Industrialization， 2016， 6（3）∶ 18-22.

高校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20110181110084）

鐘潔（1989-），女，碩士，四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向：精密機(jī)械與儀器；李軍（1985-），男，博士，四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向：機(jī)電技術(shù)

本文引用格式：鐘潔，李軍.微小面積電火花加工鈦合金TC4的表面裂紋研究［J］.新型工業(yè)化，2016，6（3）：18-22.