龍 金，宋 濤，閆步云，趙 智，翟付綱，余祖元

（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

航空發(fā)動機葉片（以下簡稱葉片）是航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量直接決定發(fā)動機整體的性能，對航空發(fā)動機的推重比有直接影響[1]。由于葉片長期處于高壓、高溫和高速運轉(zhuǎn)等惡劣的工作環(huán)境中，航空制造領(lǐng)域常常廣泛采用高溫鎳基合金、鈦合金、高強度不銹鋼等高強度金屬材料制造葉片，極大地提高了葉片的壽命和穩(wěn)定性，但這些材料本身的特性造成了材料的難加工，這已成為葉片加工的瓶頸，而且葉片加工的工作量占據(jù)整個航空發(fā)動機制造工作量的30%以上[2-3]。電解加工通過陽極材料的溶解實現(xiàn)材料去除。電解加工葉型成形簡單、精度高，適合難機械加工材料的加工，且具有生產(chǎn)效率高、加工表面粗糙度低、不存在切削應(yīng)力、無飛邊毛刺、工具電極不易損耗及可長期使用等特性，因此國內(nèi)外[2,4-5]常采用電解加工方式加工航空發(fā)動機葉片。電解加工葉片時，常采用葉盆陰極和葉背陰極相向運動形成葉片的葉盆和葉背型面，而電解加工需保證一定的加工間隙和更新電解液，因此在加工時常常是讓電解液從葉片的前緣流入、從后緣流出，或是從后緣流入、從前緣流出，以保證加工的正常進行[6]。采用該方式加工出的葉盆與葉背型面可得到較理想的結(jié)果，但葉片前、后緣型面的加工精度無法得到保證，其主要原因是電解液在流入和流出葉片前、后緣處的電解液流場難以控制，使陰極和工件的加工間隙發(fā)生變化，從而導(dǎo)致葉片前后緣處的型面與理想的結(jié)果易出現(xiàn)大的誤差。而壓氣機葉片進排氣邊緣厚度薄、半徑輪廓小、形狀復(fù)雜[7]、對氣流極具敏感，如果其加工精度達不到要求，可能會導(dǎo)致航空發(fā)動機出現(xiàn)紊流、氣喘、怠速不穩(wěn)、失速等現(xiàn)象[8]。電火花加工是利用工具電極與工件的脈沖性火花放電所產(chǎn)生的高溫來蝕除材料，以達到加工精度和加工要求的一種加工工藝[9]，具有加工精度高、適合加工導(dǎo)電的難切削材料、無宏觀切削力、適合加工復(fù)雜形狀工件等特點，可保證高強度葉片材料的加工精度。針對電解加工中可能出現(xiàn)的葉片進、排氣邊緣加工誤差問題，可采用電火花加工技術(shù)對葉片的進、排氣邊緣進行高精度的修整，同時為下一步電解加工去除由電火花加工產(chǎn)生的重鑄層和熱影響層留出一定的加工余量。

本文針對GH4169鎳基合金材料葉片的粗、精電火花加工工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，以黃銅作為工具電極材料、以GH4169鎳基高溫合金為工件材開展加工實驗，將加工過程分為粗加工和精加工，分別通過正交試驗法和單因素優(yōu)化法進行工藝參數(shù)影響的研究，還通過對實驗結(jié)果分析和討論，綜合選取最優(yōu)的粗加工和精加工工藝參數(shù)并進行了驗證。

1 電火花加工實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

本研究所研制的立式電火花實驗裝置見圖1。該裝置主要由大理石基座、控制計算機、XYZ運動控制軸、工件夾持裝置、電極夾持裝置、工作液供給系統(tǒng)和脈沖電源等組成。其中，采用的脈沖電源是晶體管式脈沖電源，其電源的電壓調(diào)節(jié)范圍為0～200 V、脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍為0～100 kHz、占空比調(diào)節(jié)范圍為0%～100%；XYZ軸采用精密直線移動平臺，其定位精度可達0.1μm；振動發(fā)生器采用壓電陶瓷促動器，可進行振幅和振動頻率的設(shè)定，其振幅范圍為0～5μm。

圖1 電火花加工實驗裝置

1.2 實驗設(shè)計

根據(jù)葉片壓氣機進、排氣邊緣的尺寸和形狀，本實驗采用長寬厚尺寸為29 mm×29 mm×0.5 mm的GH4169鎳基合金工件薄片為工件材料，這樣得出的優(yōu)化工藝參數(shù)與實際加工近似。為獲得較高的材料去除率和較低的電極損耗 （tool wear ratio，TWR），實驗采用黃銅作為加工電極[10-12]。由于實驗中是精修整，采用的脈寬范圍為0～4μs，這屬于窄脈寬范疇，且一般在窄脈寬加工時選用正極性（即工件接電源正極）加工以降低電極損耗[10]。實驗過程中的加工分為粗加工和精加工兩個階段，其中粗加工目的主要是為獲得較高的材料去除率，為精加工去除大量的余量；精加工則是為獲得更好的表面質(zhì)量和更高的加工精度。由于粗加工階段比精加工階段的去除余量大、電蝕產(chǎn)物較難排出、加工過程易產(chǎn)生拉弧、短路等，本實驗采用壓電陶瓷促動器對電極施加振動輔助加工；由于精加工去除的余量小，同時為避免電極發(fā)生位移和竄動，在精加工過程中不施加振動，以保證最終加工精度。實驗的加工裝置結(jié)構(gòu)局部示意見圖2。

圖2 加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

影響電火花加工性能（如材料去除率、表面粗糙度、電極相對體積損耗率等）的因素很多。根據(jù)前期的研究結(jié)果[7,13]，在粗加工階段，采用正交實驗的方法對脈寬、峰值電流、振幅、振動頻率等工藝參數(shù)對材料去除率的影響進行優(yōu)化。由于精加工不施加振動，相應(yīng)的影響因素減少，采用了單因素方法針對電源電壓、峰值電流和脈寬等電參數(shù)進行優(yōu)化。

1.2.1 粗加工參數(shù)優(yōu)化

在前期的研究中[7,13]，以石墨作為工具電極材料加工鎳基高溫合金GH4169，其材料去除率僅為10.86 mm3/min。本文采用黃銅作為工具電極進行研究，在粗加工參數(shù)優(yōu)化中，選擇脈寬、峰值電流、振幅、振動頻率四因素四水平的正交試驗L16（44），共16組，每組分別進行5次，試驗結(jié)果取平均值。工具電極材料為黃銅，尺寸為30 mm×20 mm×10 mm，工件材料為GH4169鎳基合金，尺寸為29 mm×29 mm×0.5 mm。實驗參數(shù)見表1。

表1 粗加工實驗參數(shù)設(shè)定值

本文在粗加工的加工參數(shù)優(yōu)化中，以材料去除率作為主要的優(yōu)化目標(biāo)[14]。相關(guān)的影響因素及各水平見表2。

表2 實驗所選加工參數(shù)及各水平

1.2.2 精加工參數(shù)優(yōu)化

粗加工的目的是去除大部分材料。采用大放電能量的電脈沖，所形成粗糙表面和重鑄層需采用小放電能量的電脈沖對其進行精加工修整，以保證加工表面的質(zhì)量，即需要小的開路電壓、峰值電流和脈寬。由于變量較少，精加工采用單因素優(yōu)化實驗法。為減小裝夾誤差和保證加工位置的一致性，本次實驗利用同一電極進行加工，即在粗加工結(jié)束之后，保持工件和電極裝夾位置不變，根據(jù)放電間隙調(diào)整電極與工件的距離，采用精加工工藝參數(shù)進行加工。加工條件見表3，實驗設(shè)計見表4。其中，第一組實驗改變的參數(shù)為脈寬，第二組實驗改變的參數(shù)為峰值電流，第三組實驗改變的參數(shù)為電源電壓。通過單因素實驗可得到該因素的影響規(guī)律，如表4所示第一組實驗可得出脈寬在電源電壓和峰值電流不變的情況下，脈寬對表面粗糙度的影響。最后，根據(jù)實驗結(jié)果綜合分析得出了最佳的精加工加工工藝參數(shù)。

表3 精加工實驗參數(shù)設(shè)定值

表4 精加工實驗方案

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 粗加工實驗結(jié)果分析與討論

在粗加工階段，黃銅和GH4169鎳基合金的正交實驗結(jié)果見表5。采用極差分析法，對各加工參數(shù)在粗加工所得的結(jié)果進行分析討論，可得出各因素的影響效應(yīng)曲線和最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。其中材料去除率MRR和工具電極相對體積損耗率TWR的計算公式分別見式（1）和式（2）。

表5 黃銅與GH4169鎳基合金粗加工實驗結(jié)果

式中：ΔMw為工件在加工前后的質(zhì)量差，g；本次實驗采用了分辨率為0.001 g的電子天平；ρw為工件的密度，其值取為8.24 g/cm3；t為粗加工時所用的時間，min。

式中：ΔMe為電極在加工前后的質(zhì)量差，g；ΔMw為工件在加工前后的質(zhì)量差，g；ρw為工件的密度，其取值同式（1）；ρe為電極的密度，取值為8.53 g/cm3。

測量表面粗糙度時，本次實驗采用白光干涉儀對本文各種加工條件下的加工樣件進行了測量。在表5中，所采用的正交試驗極差分析法見式（3）。以此類推，可得到表5中剩下的15個表達式。

其中，指因素j在對應(yīng)評價指標(biāo)（本實驗以材料去除率作為評價指標(biāo)）在i水平的平均值；指評價指標(biāo)在i水平實驗j所對應(yīng)值；N指因素水平的個數(shù)，本實驗為4。

R=maxA{}-minA{}，則代表A因素的極差，其表達式見式（4）。同理，也可計算出B因素、C因素和D因素的極差。

綜上分析，在以材料去除率為評價指標(biāo)時得出的計算結(jié)果見表6。

粗加工參數(shù)的優(yōu)化是通過正交分析找出加工效率最高的工藝參數(shù)。根據(jù)正交試驗的原理，若極差越大則代表該因素影響越大，反之則越小。而比較不同的大小可得到因素j的優(yōu)化水平i，也可得到因素j在幾個水平i下的影響效應(yīng)。由表6可知，A因素的極差最大，即脈寬對材料去除率的影響最大，其次是峰值電流，然后是振動頻率，而振幅的影響最小。在放電電火花加工中，脈寬影響放電通道的持續(xù)時間，當(dāng)脈寬變大時，單次放電的持續(xù)時間變長，因此會熔化、汽化更多的工件材料，有利于提高材料去除率。

表6 材料去除率在各個水平的平均值及其極差

在電火花加工中，單脈沖放電能量W為：

式中：W為單脈沖放電能量；U為單脈沖放電電壓；I為單脈沖放電電流；τon為單脈沖放電持續(xù)時間。

比如在電源電壓150 V、占空比20%、電源頻率50 kHz的參數(shù)條件下，以黃銅為工具電極、GH4169鎳基合金為工件，利用示波器測得的某個單脈沖的放電波形見圖3?？芍?dāng)放電電壓為30 V時，波形峰值基本保持不變，且放電電流波形并非理想的矩形。因此，式（5）可寫成W=U×S，其中S為電流波形在放電時間段所圍成圖形的面積。

圖3 示波器采集單個脈沖放電波形

為提高結(jié)果的精確度，可將電流波形近似成一段圓弧狀。圖3所示弧（可近似為圖4所示圖形，則S為圖4所示陰影部分的面積，其中AB段和BC段的數(shù)值可由示波器得出，根據(jù)余弦定理及三角關(guān)系可得到圓弧半徑r和圓心角∠AOC的大小。因此，面積S為扇形AOC的面積減去三角形OBC的面積。則單個脈沖的放電能量可根據(jù)式（5）得到：

圖4 電流波形近似圖

不同因素在不同水平對材料去除率的影響見圖5。可見，脈寬和峰值電流越大，其材料去除率越高，究其原因是放電電流為加工提供了材料熔化、汽化所需的能量，隨著放電電流的升高，放電在極間所形成的等離子體柱的直徑會變大[15]，其所包含的能量也會增加，從而使單次放電過程中通過熔化、汽化蝕除的工件材料體積增加。當(dāng)脈寬和峰值電流越大，單脈沖放電能量W也會越大，使單脈沖去除的工件材料也越多，有利于材料去除率的提高。對于振幅和振動頻率而言，則并不是振幅和頻率越大、材料去除率越高。

圖5 因素在不同水平對材料去除率MRR影響效應(yīng)

通過比較值大小，可選出最優(yōu)的加工參數(shù)組合。對于材料去除率來說，應(yīng)取每個因素的最大值所對應(yīng)的水平，即A4B4C1D3，得出最優(yōu)的加工參數(shù)見表7。同時，通過實驗對選取的最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行實驗驗證，得到在脈寬4μs、峰值電流30 A、振幅0.9μm、振動頻率1000 Hz時，其材料去除率可達12.413 mm3/min，與正交試驗表中的材料去除率相符合，因此選擇的工藝參數(shù)組合A4B4C1D3滿足要求。

表7 材料去除率最大時的工藝參數(shù)取值

2.2 精加工實驗結(jié)果分析與討論

在電火花加工中，工件所形成的表面與機械切削加工形成的表面有所不同，是由無數(shù)個小凹坑組成，在排列分布上沒有方向性。本文在精加工時以表面粗糙度作為優(yōu)化目標(biāo)，通過實驗分析得出精加工優(yōu)化工藝參數(shù)。精加工時，改變脈寬、峰值電流和電源電壓而得到的表面粗糙度值變化見圖6。

圖6 各因素在不同水平對表面粗糙度值的影響

通過脈寬和峰值電流的變化趨勢可知，當(dāng)脈寬與峰值電流增大，工件的表面粗糙度值也會隨之增大。通過式（6）可看出，當(dāng)其他條件不變時，脈寬和峰值電流增大，單個脈沖放電的能量也增大，因此每次脈沖放電去除的工件材料也越多，使放電產(chǎn)生的凹坑直徑大且深，從而使表面粗糙度值增大[16]。當(dāng)峰值電流為5 A時，電火花加工無法進行，在加工中表現(xiàn)為電極與工件電火花放電微弱甚至不發(fā)生放電，易發(fā)生短路，導(dǎo)致加工失敗。分析其原因是，當(dāng)對工具電極和工件施加電壓時，在其兩端會形成一個電場，由于電極和工件的表面在微觀尺度表現(xiàn)為凹凸不平，兩極之間的電場非常不均勻。一般情況下，在兩極距離最近的尖峰處或附近的突出點電場強度最大，當(dāng)電極和工件不斷靠近時，電場強度增大，當(dāng)達到擊穿距離時，形成放電通道并進行電火花加工；在峰值電流變小時，放電間隙變小[9]，使電蝕產(chǎn)物排出困難，短路、拉弧等不正常放電現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致加工失敗，因此在選擇精加工電參數(shù)時應(yīng)避免過小的峰值電流。本文通過研究發(fā)現(xiàn)，電源電壓對表面粗糙度的影響呈現(xiàn)無規(guī)律性，當(dāng)電源電壓過大或過小時都會使表面粗糙度值有一定程度的上升。實驗最后綜合得出的精加工優(yōu)選參數(shù)為：電源電壓120 V、脈寬0.5μs、峰值電流10 A。若采用該組電參數(shù)進行實驗，根據(jù)式（7）[9]可得加工后的表面粗糙度Ra為0.59～0.78μm。

式中：Rmax為實測的粗糙度，μm；KR為常數(shù)，取值為2.3；t為脈沖放電時間，μs；i為峰值電流，A。

采用前述組合工藝參數(shù)即電源電壓120 V、脈寬0.5μs、峰值電流10 A開展驗證實驗，加工后的表面粗糙度值為0.80μm，與上述結(jié)果較符合，因此可選擇該組參數(shù)作為精加工的加工參數(shù)。

本文還對最優(yōu)工藝參數(shù)加工條件下粗加工、精加工的加工表面進行了掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察，并測量其重鑄層的厚度。粗加工的SEM結(jié)果如圖7所示，可明顯看到粗加工完成之后的工件表面覆蓋了較多的熔融物，且凹坑多、直徑大且深度深，表面粗糙度值較大、表面不平整，此時重鑄層厚度約為19.747μm。精加工后的工件表面情況如圖8所示，可見其表面質(zhì)量明顯得到改善，表面熔融物減少、表面粗糙度值降低、更加平整光潔，此時其重鑄層厚度約為2.899μm，相較于粗加工時的也有明顯降低。

圖7 粗加工工件掃描電子顯微鏡圖

圖8 精加工工件掃描電子顯微鏡圖

3 結(jié)論

本文針對葉片進、排氣邊緣的加工誤差，采用電火花方法進行修整加工。加工時，以黃銅為工具電極材料加工GH4169鎳基合金葉片材料，采用正交實驗和單因素實驗方法對加工參數(shù)進行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）在0～4μs的脈寬范圍內(nèi)，采用正極性加工方式對工件材料進行電火花加工，將加工過程分為粗加工和精加工兩個階段。由于兩個階段所評價指標(biāo)的不同，分別探究了不同的工藝參數(shù)組合。在粗加工階段，由于去除的材料多，易發(fā)生短路或拉弧現(xiàn)象，施加振動輔助后減少了該現(xiàn)象的發(fā)生。在精加工階段，采用無振動方式進行加工。

（2）在粗加工階段，選取了脈寬、峰值電流、振幅及振動頻率作為影響因素，設(shè)計了四因素四水平L16（44）的正交試驗，進行了加工參數(shù)的優(yōu)化。為提高加工效率，以材料去除率作為優(yōu)化目標(biāo)，通過極差分析法得出脈寬為4μs、峰值電流為30 A、振幅為0.9μm、振動頻率為1000 Hz時的材料去除率最大。通過實驗驗證了上述工藝參數(shù)組合的合理性，得到的材料去除率可達12.413 mm3/min，并通過電子掃描顯微鏡觀察測得重鑄層厚度約為19.747μm。

（3）在精加工階段，分別以電源電壓、峰值電流和脈寬作為影響因素，以表面粗糙度作為優(yōu)化目標(biāo)進行加工參數(shù)優(yōu)化。綜合分析選擇電源電壓120 V、脈寬0.5μs、峰值電流10 A的加工工藝參數(shù)優(yōu)化組合，并通過實驗驗證，在該參數(shù)組合下加工得到的工件表面粗糙度約為0.8μm，其重鑄層厚度約為2.899μm。