劉剛強(qiáng)，李寒松，牛屾，岳小康，王系眾

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

鈦合金由于其在高溫下具有優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，并且對(duì)航空工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一些關(guān)鍵部件，例如風(fēng)扇、葉片和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器，通常由鈦合金等難以加工合金制成，并且具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)。然而，鈦合金等難加工合金彈性模量小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性低，采用傳統(tǒng)的切削加工刀具磨損快，加工效率低[3-4]。電化學(xué)加工是一種非傳統(tǒng)的加工方法，具有無(wú)刀具磨損、加工表面無(wú)殘余應(yīng)力的特點(diǎn)，因此適合難加工材料的加工[5]。電解磨削加工結(jié)合了電解加工和機(jī)械磨削加工的特點(diǎn)，在典型的磨削加工過(guò)程中，導(dǎo)電的砂輪與電源負(fù)極連接，工件與電源正極連接，電解液通過(guò)外部噴嘴進(jìn)入加工區(qū)域。這種供液方式屬于外噴射供液方式，是最常見(jiàn)的電解磨削供液方式。LI S S等[6]采用直徑1.8mm的磨輪，通過(guò)超聲波輔助電解加工TC4鈦合金，獲得了0.005mm切削深度和120mm/min的進(jìn)給速度。

外噴液的供液方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。但是在這種供液方式下，大部分電解液從工件表面流出，而不是流入加工間隙，故不利于加工產(chǎn)物的排出。當(dāng)加工深度較大時(shí)，采用這種供液方式不利于電解液進(jìn)入加工間隙，且容易造成局部缺液的現(xiàn)象。因此，外部噴液的供液方式被內(nèi)噴液式的供液方式替代，LI H S等[7]進(jìn)一步使用管狀的磨輪，并通過(guò)內(nèi)噴液的供液方式加工GH4169合金。磨輪側(cè)壁開(kāi)有6個(gè)噴液孔。在加工過(guò)程中，磨輪以銑削的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給速度為2.4mm/min，切削深度為3mm。這種加工方式是電解銑削和電解磨削的組合，可以稱為電解銑磨加工。

與傳統(tǒng)的電解磨削加工不同，電解銑磨加工結(jié)合了電解銑削加工和電解磨削加工的特點(diǎn)，因此可以加工復(fù)雜形狀的部件[8]。此外，電解銑磨加工還可以用于粗加工和精加工而無(wú)需更換工具陰極。在粗加工階段，電解銑磨加工類(lèi)似于電解銑削加工，目的是通過(guò)增強(qiáng)電化學(xué)溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)高的材料去除率。在精加工階段，電解銑磨加工類(lèi)似于電解磨削加工，目的是增強(qiáng)機(jī)械磨削作用而獲得高的加工精度和好的表面質(zhì)量。因此，電解銑磨加工可選用適當(dāng)?shù)募庸?shù)分別進(jìn)行粗加工和精加工。本文采用球頭陰極，通過(guò)內(nèi)噴液的供液方式，進(jìn)行電解銑磨粗、精加工TC4鈦合金的試驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

如圖1所示，電解銑磨加工的磨輪基體為中空的金屬棒，底部開(kāi)有噴液孔且電鍍有金剛石磨粒。在加工過(guò)程中，工具陰極與電源的負(fù)極連接，工件與電源的正極連接，與加工區(qū)域的電解液一起構(gòu)成了通電回路。磨輪與機(jī)床主軸連接，在計(jì)算機(jī)程序的控制下，一邊高速旋轉(zhuǎn)，一邊作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的加工。

圖1 電解銑磨加工原理示意圖

本試驗(yàn)使用的電解銑磨加工系統(tǒng)與NIU S等[8]之前的研究中使用的加工系統(tǒng)一致，主要由機(jī)床主體、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)和電源組成。

圖2是試驗(yàn)采用的球頭陰極基體的結(jié)構(gòu)圖。磨輪的基體材料為45號(hào)鋼，外徑為6mm，內(nèi)徑為4mm。球頭部分均勻分布有7個(gè)直徑1mm的通液孔。基體制作完成后再在底面電鍍金剛石磨粒。金剛石磨粒的粒徑為75～90μm，濃度為8.8ct/cm3。

圖2 球頭陰極基體結(jié)構(gòu)圖

表1是試驗(yàn)使用的TC4鈦合金的主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)表。

表1 TC4鈦合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：wt%

2 實(shí)驗(yàn)步驟

試驗(yàn)采用10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NANO3溶液作為電解質(zhì)溶液，用電解銑磨的加工方法在TC4鈦合金金屬板上加工“口”字形結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)分為粗加工和精加工兩個(gè)步驟，粗加工過(guò)程選擇較高的加工電壓和電解液壓力，以獲得較大的進(jìn)給速度，提高加工效率。加工時(shí)，磨輪先以0.8mm/min的進(jìn)給速度沿垂直于工件的方向向下加工3mm，再以2.2mm/min的進(jìn)給速度沿水平方向進(jìn)行加工，每加工20mm改變進(jìn)給方向，水平方向總加工距離為80mm。具體的加工參數(shù)如表2所示。

表2 粗加工試驗(yàn)參數(shù)

粗加工后再進(jìn)行精加工，只需要選擇合適的精加工參數(shù)而無(wú)需更換工具陰極。精加工階段，磨輪先沿著垂直方向進(jìn)行進(jìn)給，然后沿水平方向分別向左和向右進(jìn)給，采用逐層加工的方式進(jìn)行加工。由于精加工階段的主要目的是提高加工表面的質(zhì)量，只需要去除較少的材料，因此可提高機(jī)械磨削在加工過(guò)程中的作用，減少因電化學(xué)溶解造成的雜散腐蝕，故選擇低的加工電壓、小的切削深度、低的電解液壓力和大的進(jìn)給速度。具體的加工參數(shù)如表3所示。

表3 精加工試驗(yàn)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖3顯示了粗加工階段電流隨時(shí)間的變化?？梢钥吹剑看芜M(jìn)給方向改變時(shí)，時(shí)間電流曲線首先顯示急劇下降，然后逐漸增加。 這是由于進(jìn)給方向的改變使磨輪側(cè)壁的加工區(qū)域發(fā)生了改變。雖然在整個(gè)過(guò)程中進(jìn)給方向改變了3次，但是沒(méi)有產(chǎn)生火花或短路。 這表明試驗(yàn)使用的球頭陰極的流道結(jié)構(gòu)具有好的加工穩(wěn)定性和高的加工效率。

圖3 粗加工過(guò)程加工電流監(jiān)測(cè)圖

圖4是加工樣件的照片，圖5展示了加工表面的SEM圖?？梢杂^察到，粗加工后的加工表面殘留有一些難溶產(chǎn)物，表面質(zhì)量很差，精加工后的加工輪廓平整，表面質(zhì)量得到明顯改善。且由于磨輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分為垂直工件方向進(jìn)給和沿水平方向進(jìn)給兩個(gè)階段，故加工起點(diǎn)處受電解作用時(shí)間最長(zhǎng)，過(guò)切最大，而精加工后這一現(xiàn)象得到改善。

圖4 加工輪廓形貌圖

圖5 加工表面SEM圖

為了進(jìn)一步反映加工表面質(zhì)量的改善情況，用粗糙度儀檢測(cè)了加工底面的表面粗糙度，結(jié)果如圖6所示。圖中可以看出，粗加工后的底面的表面粗糙度Ra=4.002μm,而精加工后底面的表面粗糙度Ra=0.431μm。

圖6 加工底面的表面粗糙度

圖7顯示了加工溝槽底面的能譜測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹?，粗加工后底面的鈦元素、氧元素和碳元素含量分別為50.16%、35.83%和8.11%，而經(jīng)過(guò)精加工后，鈦元素的含量升高到70.15%，氧元素和碳元素的含量分別降低到21.04%和2.56%。這說(shuō)明在精加工后底面的一些氧化產(chǎn)物和碳化物得到了有效的去除，精加工過(guò)程中的機(jī)械磨削作用較強(qiáng)，電解作用較弱。

4 結(jié)語(yǔ)

采用球頭陰極電解銑磨粗精加工TC4鈦合金，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1) 采用球頭陰極電解銑磨加工TC4鈦合金，選擇不同的加工參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電解銑磨粗精加工出底面為曲面的“口”字形結(jié)構(gòu)。

2) 粗加工后加工底面的質(zhì)量較差，表面粗糙度為Ra=4.002μm，精加工后其表面粗糙度降低至Ra=0.431μm，底面粗糙度值減小了89.2%。

圖7 加工表面元素含量圖