引言

在航空航天領(lǐng)域，鈦合金以其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能逐漸替代鋁合金材料成為高速飛行器海軍零件研發(fā)的首選。在海洋工程領(lǐng)域，由于鈦合金材料耐腐蝕性能好，艦艇采用鈦合金材料可以不用涂漆，可耐海水腐蝕。和不銹鋼制造的潛艇相比，鈦合金制造的零件更加安全、耐用。

我國(guó)鈦儲(chǔ)量占世界上已探明儲(chǔ)量的60%左右，因此我國(guó)相關(guān)企業(yè)、科研院所開(kāi)展對(duì)鈦及鈦合金材料相關(guān)的應(yīng)用研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于（α+β）型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能，具體參數(shù)如表1所示[1]。

對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的鈦合金零件，比如盲孔、方孔、異形孔等結(jié)構(gòu)，電火花加工是其唯一的選擇，因?yàn)殁伜辖鹆悴考哪透邷睾湍透g性性能優(yōu)良，鈦合金電火花加工存在電極損耗大、加工效率低的特點(diǎn)，其加工效率不足碳鋼的1/5[2]。

電火花加工是一種利用電能和熱能進(jìn)行加工的新工藝，俗稱放電加工（EDM）。電火花加工與一般切削加工的區(qū)別在于，電火花加工時(shí)工具與工件并不接觸，而是靠工具與工件間不斷產(chǎn)生的脈沖性火花放電，利用放電時(shí)產(chǎn)生局部、瞬時(shí)的高溫把金屬材料逐步蝕除下來(lái)，由于在放電過(guò)程中有可見(jiàn)的火花產(chǎn)生，故稱電火花加工[3]。

本文是江西省教育廳科技課題《TC4船舶用鈦合金零部件電火花加工研究》成果之一，課題開(kāi)展利用通用電火花加工設(shè)備，研究如何提高電火花加工效率，從而進(jìn)一步降低TC4材料的電火花加工成本，對(duì)鈦合金TC4材料在航空航天、海洋工程、醫(yī)療器械廣泛應(yīng)用有著積極意義。

1、實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與分析

TC4鈦合金屬于難加工金屬，材料價(jià)格昂貴，報(bào)廢后損失較大，普通金屬材料的加工方法及成本計(jì)算方法對(duì)于鈦合金材料已并不適用，針對(duì)企業(yè)利用國(guó)產(chǎn)主流電火花設(shè)備加工TC4鈦合金的生產(chǎn)工藝進(jìn)行總結(jié)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，有必要重新設(shè)計(jì)鈦合金電火花加工關(guān)鍵參數(shù)的工藝實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中需明確包括電流大小、脈沖寬度、間隙電壓等機(jī)床工藝參數(shù)對(duì)鈦合金電火花加工性能的影響規(guī)律。

在電火花加工過(guò)程中，常用的電極材料主要有石墨、紫銅、鉻銅，這三種材料的價(jià)格差別較大，對(duì)于電火花加工工藝性能影響不明確，有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)3種材料鈦合金電火花的工藝性能進(jìn)行研究。

明確實(shí)驗(yàn)需驗(yàn)證的鈦合金電火花加工工藝參數(shù)后，確定合理的實(shí)驗(yàn)方法尤為重要，筆者認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)資源有限、實(shí)驗(yàn)參數(shù)較多的情況下，單因素實(shí)驗(yàn)并不適用，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)方案確定TC4鈦合金電火花加工的參數(shù)較為合理。

確定研究目標(biāo)為：掌握TC4鈦合金零件電火花加工的影響規(guī)律，確定電極合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電火花機(jī)床的使用參數(shù)，為TC4鈦合金材料零件電火花加工生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

利用電火花加工設(shè)備，設(shè)計(jì)不同參數(shù)（脈沖寬度、電流大小、峰值電壓、電極材料和加工介質(zhì)）對(duì)TC4鈦合金零件進(jìn)行電火花實(shí)驗(yàn)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而確定最佳的工藝方案。

實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線為：采購(gòu)火花機(jī)油、去離子水、石墨、紫銅、鉻銅材料—加工電極—按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同參數(shù)對(duì)石墨電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—更換電極材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—更換加工介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)分析。

本文具體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案：測(cè)定電火花機(jī)床參數(shù)峰值電流、脈沖寬度、間隙電壓對(duì)TC4鈦合金零件電火花加工速度影響規(guī)律；測(cè)定石墨、紫銅、鉻銅材質(zhì)電極對(duì)TC4鈦合金零件電火花加工速度影響規(guī)律；制作石墨電極對(duì)典型結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金零件進(jìn)行電火花加工速度實(shí)驗(yàn)；制作紫銅電極對(duì)典型結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金零件進(jìn)行電火花加工速度實(shí)驗(yàn)；制作鉻銅電極對(duì)典型結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金零件進(jìn)行電火花加工速度實(shí)驗(yàn)。

1）測(cè)定電火花機(jī)床在使用紫銅電極和電火花油介質(zhì)的條件下，電流在1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8、9A、10A時(shí)不同參數(shù)狀態(tài)下TC4鈦合金零件電火花加工速度曲線。

2）測(cè)定電火花機(jī)床在使用紫銅電極和電火花油介質(zhì)的條件下，脈沖寬度在20μs、40μs、60μs、80μs、100μs、120μs、140μs、160μs、180μs、200μs、240μs、260μs、280μs、300μs時(shí)不同參數(shù)狀態(tài)下TC4鈦合金零件電火花加工速度曲線。

3）測(cè)定電火花機(jī)床在使用紫銅電極和電火花油介質(zhì)的條件下，峰值電壓75V、95V、115V、130V時(shí)不同參數(shù)狀態(tài)下TC4鈦合金零件電火花加工速度曲線。

測(cè)定加工介質(zhì)為去離子水對(duì)TC4鈦合金零件電火花加工速度影響規(guī)律。

1）測(cè)定電火花機(jī)床在使用紫銅電極和去離子水

介質(zhì)的條件下，電流在1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8、9A、10A時(shí)不同參數(shù)狀態(tài)下TC4鈦合金零件電火花加工速度曲線。

2）測(cè)定電火花機(jī)床在使用紫銅電極和離子水介質(zhì)

的條件下，脈沖寬度在20μs、40μs、60μs、80μs、100μs、120μs、140μs、160μs、180μs、200μs、240μs、260μs、280μs、300μs時(shí)不同參數(shù)狀態(tài)下TC4鈦合金零件電火花加工速度曲線。

3）測(cè)定電火花機(jī)床在使用紫銅電極和離子水介

質(zhì)的條件下，峰值電壓75V、95V、115V、130V時(shí)不同參數(shù)狀態(tài)下TC4鈦合金零件電火花加工速度曲線。

本文實(shí)驗(yàn)用電火花加工機(jī)床為國(guó)產(chǎn)金凱斯牌電火花加工機(jī)床KMZ-435型，出廠日期為2018年7月15日；實(shí)驗(yàn)用電火花油為欖山牌火花機(jī)油，型號(hào)為EDM-1生產(chǎn)批次LS191225238；實(shí)驗(yàn)用去離子水為赤獸牌去離子水，生產(chǎn)批次20210508A，符合GB/T6682—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、加工介質(zhì)為火花油的條件下對(duì)加工參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1電流大小、脈沖寬度、峰值電壓等參數(shù)對(duì)鈦合金電火花加工性能的影響規(guī)律

由圖1火花油介質(zhì)條件下加工速度和峰值電壓的關(guān)系可知，在火花油介質(zhì)中加工速度和電流大小成正比，在峰值電壓2條件下加工速度最快。其中，峰值電壓0為75V，峰值電壓1為95V，峰值電壓2為115V，峰值電壓3為130V。實(shí)驗(yàn)機(jī)床為金凱斯電火花加工機(jī)床KMZ-435型。本文加工速度單位為mm3/min。在3A電流條件下，峰值電壓越高，加工速度越快，在4A電流條件下，加工速度先降后升，在5A電流條件下，峰值電壓2條件下加工速度最快。

由圖2脈沖寬度和加工速度的關(guān)系可知，脈沖寬度變化對(duì)加工速度影響不大，隨著脈沖寬度的增加，在電火花油介質(zhì)中，積碳逐漸形成，加工速度有下降趨勢(shì)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電流、脈沖寬度、間隙電壓3個(gè)加工參數(shù)中，對(duì)加工速度影響最大的因素是電流。

2.2石墨電極、紫銅電極、鉻銅電極材料對(duì)鈦合金電火花加工性能的影響規(guī)律

在脈沖寬度50μs，峰值電壓1的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由圖3電極材料對(duì)加工速度的影響可知，紫銅、鉻銅、石墨三種材料中，石墨電極在小電流條件下加工速度最快，紫銅和鉻銅加工速度較為接近。但因?yàn)槭牧媳旧韽?qiáng)度較低，在加工過(guò)程中損耗過(guò)快，需要頻繁更換電極，加工石墨電極所產(chǎn)生的石墨微粒會(huì)對(duì)加工機(jī)床產(chǎn)生不利影響，所以石墨材料生產(chǎn)效率較紫銅和鉻銅更低。

3、加工介質(zhì)為去離子水條件下對(duì)加工參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 電流大小、脈沖寬度、峰值電壓等參數(shù)對(duì)鈦合金電火花加工性能的影響規(guī)律

更換去離子水介質(zhì)對(duì)TC4鈦合金零件放電加工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，峰值電壓1為95V，峰值電壓2為115V，峰值電壓3為130V。在去離子水介質(zhì)、脈沖寬度為20μs條件下，電流對(duì)加工速度影響最明顯，峰值電壓對(duì)加工速度影響不明顯。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中峰值電壓2在10A條件下較峰值電壓1和峰值電壓3有加工速度優(yōu)勢(shì)。

在去離子水介質(zhì)中，設(shè)定峰值電壓75V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到去離子水加工速度和脈沖寬度的關(guān)系數(shù)據(jù)，如圖5所示。加工速度在脈沖寬度60μs時(shí)達(dá)到最大，脈沖寬度超過(guò)60μs后，加工速度隨著脈沖寬度的增加而降低。

3.2石墨電極、紫銅電極、去離子水、火花機(jī)油對(duì)鈦合金電火花加工性能的影響規(guī)律

在去離子水介質(zhì)、電流為5A條件下紫銅和石墨電極加工速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在去離子水介質(zhì)下，鈦合金電火花加工性能不同于電火花油介質(zhì)下的加工特性，紫銅電極放電加工速度明顯高于石墨電極。小脈沖寬度條件下區(qū)別不明顯。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在相同脈沖寬度和峰值電壓條件下，去離子水介質(zhì)和火花油介質(zhì)的加工速度和電流的關(guān)系如圖7所示，去離子水的加工速度隨電流的變化明顯高于火花油介質(zhì)。

在10A電流，峰值電壓1實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同介質(zhì)條件下脈沖寬度和加工速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，去離子水介質(zhì)的電火花加工速度明顯高于火花油介質(zhì)。去離子水介質(zhì)的電火花加工速度最大可達(dá)火花機(jī)油介質(zhì)的電火花加工速度約7.25倍，火花機(jī)油加工介質(zhì)中，加工速度隨脈沖寬度變化不大，在去離子水介質(zhì)中，脈沖寬度對(duì)加工速度的影響較為明顯。

4、實(shí)驗(yàn)分析

本課題實(shí)驗(yàn)耗時(shí)近1000h，通過(guò)對(duì)500余組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)TC4鈦合金電火花加工規(guī)律，得出TC4鈦合金材料加工最佳介質(zhì)為去離子水。在去離子水介質(zhì)下，峰值電壓對(duì)加工速度影響不大，在滿足加工精度的條件下，加工電流越大，加工速度越快，脈沖寬度60μs左右加工速度最快，紫銅電極的加工速度快于石墨電極。

在火花油介質(zhì)下，電流越大，加工速度越快，峰值電壓2和峰值電壓3條件下加工速度較快，隨著脈沖寬度增大，加工速度反而降低，石墨電極的加工速度優(yōu)于紫銅和鉻銅。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，還需考慮電流、脈沖寬度、峰值電壓、電極材料和加工介質(zhì)對(duì)精度和表面光潔度的影響。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究，基本掌握國(guó)產(chǎn)通用電火花加工機(jī)床條件下，TC4鈦合金零件電火花加工的工藝規(guī)律，為TC4鈦合金零件電火花加工生產(chǎn)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]翁正勝.鈦合金微細(xì)電火花小孔加工電極損耗及預(yù)測(cè)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

[2]常星星，陳建彬，馮孟亮，等.電火花成形加工中不同材料的工件試驗(yàn)研究[J].工程機(jī)械，2021，52（6）：105-109.

[3]吳建新.鈦合金材料在船舶材料上的應(yīng)用[J].船舶物資與市場(chǎng)，2020（8）：5-6.

相關(guān)鏈接