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。

我國鈦儲量占世界上已探明儲量的60%左右，因此我國相關(guān)企業(yè)、科研院所開展對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，利用放電時產(chǎn)生局部、瞬時的高溫把金屬材料逐步蝕除下來，由于在放電過程中有可見的火花產(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)計與分析

TC4鈦合金屬于難加工金屬，材料價格昂貴，報廢后損失較大，普通金屬材料的加工方法及成本計算方法對于鈦合金材料已并不適用，針對企業(yè)利用國產(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)對鈦合金電火花加工性能的影響規(guī)律。

在電火花加工過程中，常用的電極材料主要有石墨、紫銅、鉻銅，這三種材料的價格差別較大，對于電火花加工工藝性能影響不明確，有必要通過實(shí)驗(yàn)對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TC4鈦合金零件進(jìn)行電火花實(shí)驗(yàn)，通過正交實(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)計的不同參數(shù)對石墨電極進(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)計的實(shí)驗(yàn)方案：測定電火花機(jī)床參數(shù)峰值電流、脈沖寬度、間隙電壓對TC4鈦合金零件電火花加工速度影響規(guī)律；測定石墨、紫銅、鉻銅材質(zhì)電極對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。

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

1）測定電火花機(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。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電流、脈沖寬度、間隙電壓3個加工參數(shù)中，對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，在加工過程中損耗過快，需要頻繁更換電極，加工石墨電極所產(chǎn)生的石墨微粒會對加工機(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，電流對加工速度影響最明顯，峰值電壓對加工速度影響不明顯。實(shí)驗(yàn)過程中峰值電壓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。

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時達(dá)到最大，脈沖寬度超過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)耗時近1000h，通過對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)對精度和表面光潔度的影響。

通過上述實(shí)驗(yàn)研究，基本掌握國產(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)

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[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，2020（8）：5-6.

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