王笑影，馬良奇，宋 濤，龍 金，余祖元

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件在工作中承受了巨大的載荷和溫度，因此高強(qiáng)度不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等高強(qiáng)度金屬材料在葉片上被大量應(yīng)用，這些難加工金屬也為葉片的生產(chǎn)制造帶來(lái)了巨大的困難[1]?？紤]到電解加工在加工復(fù)雜形狀的耐高溫、高強(qiáng)度材料時(shí)具有效率高、經(jīng)濟(jì)性高、不產(chǎn)生熱影響層與加工力等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外常利用該技術(shù)通過(guò)葉盆陰極和葉背陰極分別相向進(jìn)給作為葉片加工的主要方法[2-3]。為方便電解液通過(guò)，需上述兩個(gè)陰極與被加工件之間留有間隙，隨著進(jìn)排氣邊緣的形成，這些間隙的存在使加工最后階段的流場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生巨大變化，進(jìn)而導(dǎo)致葉片進(jìn)排氣邊緣產(chǎn)生與設(shè)計(jì)不符的形狀與尺寸誤差，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命[4]。葉片的進(jìn)排氣邊緣作為葉片主要工作型面，存在厚度小、曲率半徑小、邊緣位置狹窄等問(wèn)題。Xu等[5]采用三電極進(jìn)給的方式來(lái)改善電解加工中流場(chǎng)的穩(wěn)定性，但效果只局限于葉片的葉盆葉背型面和緣板。Zhu等[6]提出采用交叉結(jié)構(gòu)陰極，將進(jìn)排氣邊緣處電場(chǎng)強(qiáng)度的最大波動(dòng)由62.42%降到30.51%，雖然誤差因此減小，但依舊不符合設(shè)計(jì)要求。目前來(lái)看，很難再利用ECM對(duì)所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修整。

電火花加工具有適合加工難切削材料與復(fù)雜形狀零件、加工精度高（可達(dá)微米級(jí)）、加工過(guò)程無(wú)宏觀力、可實(shí)現(xiàn)低表面粗糙度值等特點(diǎn)，特別適合這類(lèi)難加工薄壁結(jié)構(gòu)零件的生產(chǎn)制造[7]。為解決葉片電解加工后所帶來(lái)的誤差問(wèn)題，本文采用電火花加工對(duì)其誤差進(jìn)行粗、精加工，其中粗加工目的一是減少精加工去除余量，二是盡可能獲得大的材料去除率，縮短加工周期。本文意在通過(guò)探究鈦合金和鎳基高溫合金在粗加工時(shí)的峰值電流、脈沖寬度、振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率的影響，以確定最大材料去除率。由于涉及因素較多，本文還采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行了多因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在電火花成形加工過(guò)程中，由于相對(duì)加工面積過(guò)大，電蝕產(chǎn)物不易排出，工具電極和工件頻繁接觸會(huì)造成短路。盡管可以繼續(xù)加工，但持續(xù)的短路與拉弧現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、脈沖利用率下降，使工件表面質(zhì)量變差。針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在電火花加工中[8-9]采用了施加振動(dòng)輔助的方法。本文用壓電陶瓷促動(dòng)器對(duì)電極施加振動(dòng)，從而使電極與工件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)電火花加工間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物的排出。

本實(shí)驗(yàn)采用自行研制的振動(dòng)輔助立式電火花加工機(jī)床，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。該機(jī)床包括電火花加工模塊、高精度線性平臺(tái)、工件裝夾模塊、工具電極裝夾模塊、高壓沖液模塊、加工槽、振動(dòng)模塊和伺服控制模塊等。X、Y軸與加工槽剛性連接，壓電陶瓷促動(dòng)器倒置安裝并在底部加碟簧預(yù)緊，以提高其使用壽命。采用的晶體管脈沖電源實(shí)現(xiàn)了最大峰值電壓200 V、最大峰值電流40 A、最高脈沖頻率100 kHz的加工電能輸出。

圖1 振動(dòng)輔助立式電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

壓電陶瓷促動(dòng)器可進(jìn)行振幅和頻率的設(shè)定，其中振幅可在驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0～150 V時(shí)調(diào)節(jié)，并隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大，最大可達(dá)5 μm；對(duì)應(yīng)的設(shè)備可調(diào)的最大振動(dòng)頻率可由式（1）計(jì)算得到：

式中：u為振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓；f為振動(dòng)頻率；c為靜電容量（0.8 μF）。 若最大振幅為 5 μm，則振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓需達(dá)到150 V，最大頻率可達(dá)1944 Hz。

工件見(jiàn)圖2a，為尺寸29 mm×29 mm的鈦合金和鎳基高溫合金薄板，厚度均為0.5 mm；電極見(jiàn)圖2b，為尺寸29 mm×20 mm×10 mm的石墨電極。如圖3所示，將截面積為29 mm×0.5 mm的工件進(jìn)行長(zhǎng)度為2 mm的切斷實(shí)驗(yàn)。

圖3 加工方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用晶體管脈沖電源，單個(gè)脈沖放電所釋放的能量取決于極間放電電壓Ue、放電電流Ie和放電持續(xù)時(shí)間ton，單個(gè)脈沖放電能量E為：

為提高材料去除率，需增大單個(gè)脈沖放電能量，但增大脈沖能量的參數(shù)可能與之存在相互制約的關(guān)系，需進(jìn)一步探討利用何種參數(shù)才能達(dá)到最佳材料去除率。如表1所示，選取峰值電流、脈沖寬度、振幅、振動(dòng)頻率四個(gè)因素，每個(gè)因素分別設(shè)置四個(gè)水平，且所選水平為前期大量試驗(yàn)得到材料去除率相對(duì)較大的數(shù)值，設(shè)計(jì)L16（44）正交試驗(yàn)。表2是本次正交試驗(yàn)的加工參數(shù)。

表1 因素水平表

表2 試驗(yàn)加工參數(shù)表

2 正交試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用分辨率為0.001 g的電子天平測(cè)量分析工件和電極在加工前、后的質(zhì)量變化ΔMi，依照密度可得到工件和電極的體積變化ΔVi。根據(jù)式（3），可計(jì)算得到電極相對(duì)體積損耗率TWR：

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。

根據(jù)式（3），利用加工時(shí)間t可得到材料去除率MRR：

L16（44）正交試驗(yàn)表中一共有16組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行5次，從而計(jì)算出材料去除率和電極相對(duì)損耗率的平均值。表3和表4分別是以鈦合金、鎳基高溫合金為工件進(jìn)行加工時(shí)所得到的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

采用方差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到四個(gè)因素對(duì)MRR和TWR的影響程度。由表5可看出，對(duì)于鈦合金工件而言，脈沖寬度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響，如圖4所示，隨著脈沖寬度增加，材料去除率也增大；而峰值電流、振幅和振動(dòng)頻率并沒(méi)有起到顯著性影響。其中，峰值電流對(duì)材料去除率沒(méi)有顯著性影響的原因可能是所取水平間隔太小，而受實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制，當(dāng)峰值電流過(guò)大時(shí)，設(shè)備發(fā)熱情況較嚴(yán)重，而峰值電流過(guò)小，又使加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。從圖4所示振動(dòng)頻率的微小趨勢(shì)可看出，隨著振動(dòng)頻率增加，材料去除率先減小、后增大。由極差分析的影響效應(yīng)并按照顯著性排序，試驗(yàn)最終選擇B4D4A4C4即脈沖寬度4 μs、振動(dòng)頻率1000 Hz、峰值電流30 A、振幅2.5 μs作為最優(yōu)參數(shù)。

表3 鈦合金正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 鎳基高溫合金正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表5 鈦合金材料去除率方差分析表

由表6和圖5可見(jiàn)，對(duì)于鎳基高溫合金工件而言，只有脈沖寬度對(duì)材料去除率有顯著性影響，與鈦合金工件的情況相同，隨著脈沖寬度的增加，材料去除率明顯增大；而其他三個(gè)因素中，峰值電流對(duì)材料去除率的影響大于振動(dòng)頻率和振幅，這三個(gè)因素對(duì)材料去除率影響不顯著的原因可能是所選水平數(shù)間隔太小，振動(dòng)傳遞效率低。按照此順序可得到最優(yōu)參數(shù)組合為B4A3D3C2，即脈沖寬度4 μs、峰值電流 25 A、振動(dòng)頻率 900 Hz、振幅 1.5 μs。

圖4 鈦合金材料去除率的影響效應(yīng)

峰值電流與脈沖寬度主要影響單脈沖放電能量，通過(guò)示波器可測(cè)得放電過(guò)程中的峰值電流和極間放電電壓，得出脈沖頻率為50 kHz，并由式（2）計(jì)算出正交試驗(yàn)所用參數(shù)的單脈沖放電能量變化。如圖6所示，當(dāng)脈沖寬度不變，單脈沖放電能量隨著峰值電流的增加而增大；當(dāng)峰值電流不變，單脈沖放電能量隨著脈沖寬度的增加而增大。從理論上說(shuō)，放電能量越大，單脈沖放電蝕除工件材料也越多，但并不是放電能量越大越好，蝕除量的增加會(huì)使電蝕產(chǎn)物增多，而過(guò)大的放電加工面積和較小的放電間隙會(huì)導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物來(lái)不及擴(kuò)散到外部，使電火花加工穩(wěn)定性變差，破壞了正常的電火花放電，從而降低了有效脈沖利用率[9]。

表6 鎳基高溫合金材料去除率方差分析表

圖5 鎳基高溫合金材料去除率的影響效應(yīng)

圖6 單脈沖放電能量變化

當(dāng)振動(dòng)頻率不變時(shí)，隨著放電脈沖寬度增加，脈沖間隔減小，使消電離過(guò)程不充分，下一次放電通道形成的位置不能轉(zhuǎn)移到其他部位，總是在同一位置重復(fù)放電導(dǎo)致電弧放電和短路。因此，本文的控制策略是，當(dāng)發(fā)生電弧放電與短路時(shí)，反向快速回退以消除二者的影響。圖7是在峰值電流20 A、脈沖寬度 2 μs、振幅 1 μm、振動(dòng)頻率 700 Hz 條件下，石墨電極加工鈦合金材料短路與正常放電時(shí)的信號(hào)采集圖。當(dāng)發(fā)生短路后回退較多，超過(guò)了放電間隙，存在無(wú)放電進(jìn)給，繼而增加了加工時(shí)間，造成材料去除率降低。

圖8和圖9分別是加工鈦合金、鎳基高溫合金時(shí)的電極相對(duì)體積損耗率的影響效應(yīng)。在加工鈦合金時(shí)，脈沖寬度對(duì)電極相對(duì)體積損耗率的作用顯著，且隨著脈沖寬度的增加，損耗率降低。這是因?yàn)槊}沖寬度的增大使單脈沖放電能量增加，提高了脈沖利用率，非正常放電減少，電極損耗也隨之減?。坏}沖寬度太大即脈沖間隔太小，會(huì)導(dǎo)致放電點(diǎn)集中，易引起拉弧現(xiàn)象，反而降低了加工效率，導(dǎo)致電極損耗增加。在加工鎳基高溫合金時(shí)，隨著峰值電流增加，電極相對(duì)體積損耗率先增大、后減小，這可能是因?yàn)榉逯惦娏髟龃?，使單脈沖放電能量增加，雖然蝕除速度隨之增加，但電蝕產(chǎn)物增多，若不及時(shí)排出會(huì)造成短路和拉弧，影響正常放電，而電流過(guò)大易造成電蝕產(chǎn)物飛濺并堆積到已加工表面的邊緣處，這對(duì)之后的精加工不利。

圖7 短路與正常放電的電壓采集信號(hào)

圖8 鈦合金電極相對(duì)體積損耗率的影響效應(yīng)

圖9 鎳基高溫合金電極相對(duì)體積損耗率的影響效應(yīng)

3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

由2.2小節(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，鈦合金加工時(shí)以B4D4A4C4作為最優(yōu)參數(shù)，為驗(yàn)證其最優(yōu)特性，本文分別取最優(yōu)參數(shù)附近值作為參考。雖然正交試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)頻率為1000 Hz時(shí)，鈦合金材料去除率最高；但由圖10d可見(jiàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)頻率為900 Hz時(shí)，材料去除率達(dá)到最大。導(dǎo)致該結(jié)果的原因可能是：極差分析法只對(duì)同一因素的不同水平取平均值，由于振動(dòng)頻率非顯著因素，故會(huì)帶來(lái)誤差。按驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，鈦合金最優(yōu)參數(shù)組合為 B4D3A4C4，即脈沖寬度 4 μs、振動(dòng)頻率 900 Hz、峰值電流30 A、振幅2.5 μm，此時(shí)得到的材料去除率為13.13 mm3/min。

圖10 鈦合金材料去除率正交試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

由正交試驗(yàn)結(jié)果分析得知，鎳基高溫合金加工時(shí)以B4A3D3C2作為最優(yōu)參數(shù)，當(dāng)振幅為1.5 μm時(shí)，材料去除率最高。由圖11c可見(jiàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果得出振幅為1 μm時(shí)的材料去除率最高。由圖5也可看出，振幅為1 μm或1.5 μm時(shí)，其材料去除率十分接近；由于振幅并非顯著影響因素，故測(cè)量過(guò)程中存在的誤差可能會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生偏差。針對(duì)不顯著因素可根據(jù)試驗(yàn)選取最好水平，也可根據(jù)某些既定條件選取因素的各具體水平。由于本試驗(yàn)需獲得最佳材料去除率，故根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果采取振幅為1 μm作為最優(yōu)結(jié)果，而圖11a、圖11b和圖 11d所示驗(yàn)證情況均符合正交試驗(yàn)結(jié)果。據(jù)此，鎳基高溫合金加工的最優(yōu)參數(shù)組合為B4A3D3C1，即脈沖寬度4 μs、峰值電流 25 A、振動(dòng)頻率 900 Hz、振幅 1 μm，此時(shí)得到的材料去除率為12.99 mm3/min。

針對(duì)振幅對(duì)材料去除率的影響不顯著的問(wèn)題，本文還采用電探法對(duì)振幅進(jìn)行驗(yàn)證。圖12是不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)振幅的影響。可見(jiàn)，當(dāng)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓增大，振幅確實(shí)增大，但當(dāng)振動(dòng)頻率分別為800 Hz和700 Hz時(shí)，隨著振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓的增大，振幅反而減小。圖12還反映出，振幅隨著振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓增加出現(xiàn)了不符合設(shè)備設(shè)定幅度的情況，如當(dāng)振動(dòng)頻率為1000 Hz時(shí)，振幅從1.3 μm增至 1.9 μm，增幅只有 0.6 μm；當(dāng)振動(dòng)頻率為 900 Hz時(shí)，振動(dòng)增幅也只達(dá)到1.3 μm。

圖11 鎳基高溫合金正交試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

圖12 不同頻率下振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)振幅的影響

除了振動(dòng)頻率為900 Hz的情況，其余三個(gè)頻率條件下的振幅也遠(yuǎn)低于所設(shè)定的1～2.5 μm的水平；當(dāng)振動(dòng)頻率為900 Hz時(shí)，其振幅也遠(yuǎn)大于其余三個(gè)頻率條件下的振幅；且在振動(dòng)頻率為900 Hz時(shí)，兩種電極材料均達(dá)到最優(yōu)參數(shù)效果。因此，振幅對(duì)材料去除率的影響不顯著的原因可能有：一是設(shè)備所調(diào)節(jié)的實(shí)際振幅水平間隔太小，所得結(jié)果無(wú)顯著變化；二是振動(dòng)振幅太小，對(duì)排屑不利，故整體材料去除率變化不大，其顯著性也降低。

4 結(jié)論

本文針對(duì)鈦合金和鎳基高溫合金薄片的電火花加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了基于峰值電流、脈沖寬度、振幅、振動(dòng)頻率的四因素四水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)所得最優(yōu)參數(shù)均得到后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：脈沖寬度作為顯著性因素符合正交試驗(yàn)結(jié)果，峰值電流也符合正交試驗(yàn)結(jié)果，并修正了振幅和振動(dòng)頻率的正交試驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果。在峰值電壓150 V、脈沖頻率50 kHz和去離子水介質(zhì)的加工條件下，通過(guò)極差分析法和方差分析法得到以下結(jié)論：

（1）鈦合金加工的最優(yōu)加工參數(shù)組合為：峰值電流 30 A，脈沖寬度 4 μs，振幅 2.5 μm，振動(dòng)頻率900 Hz，并通過(guò)最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)得到材料去除率的最優(yōu)值為13.13 mm3/min。

（2）鎳基高溫合金加工的最優(yōu)加工參數(shù)組合為：峰值電流 25 A、脈沖寬度 4 μs、振幅 1 μm、振動(dòng)頻率900 Hz，并通過(guò)最優(yōu)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)得到材料去除率的最優(yōu)值為12.99 mm3/min。

（3）工具電極相對(duì)體積損耗率隨著脈沖寬度的增加而明顯減小，所以粗加工時(shí)，在保證盡可能大的材料去除率的情況下，采用大脈沖寬度可有效減小電極損耗。

另外，針對(duì)振幅與振動(dòng)頻率對(duì)材料去除率的影響不顯著的情況，后續(xù)研究可更換壓電陶瓷促動(dòng)器，以達(dá)到更高的振幅、更寬的振幅調(diào)節(jié)范圍，并可改善其裝夾方式，以提高振動(dòng)傳遞效率。