钛铝合金电火花加工工艺参数影响实验

徐海华，康小明

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

钛铝合金电火花加工工艺参数影响实验

徐海华，康小明

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

为研究钛铝合金电火花加工工艺参数对材料去除率的影响，通过四因子二水平的全因子析因实验，确定了材料去除率的显著影响因子为电极极性、脉宽、占空比和峰值电流。通过最陡上升路径法，找到了材料去除率最大值对应的参数范围，并以此为基础设计中心复合响应曲面实验，得到了材料去除率的拟合公式，计算出材料去除率理论最大值及其对应的加工参数。实验验证了材料去除率拟合公式的正确性，并给出材料去除率拟合公式适用的参数范围。

钛铝合金；电火花加工；工艺参数；DOE实验

钛铝合金具有密度低、耐热性好、比强度高、比刚度高的优点及很好的抗氧化能力和抗高温蠕变性能，是综合性能极好的轻质高温合金[1]，可替代质量较大的镍基、铁基合金应用于航空领域[2]，且目前已应用于制造航空发动机的压缩机壳体、燃烧室和喷嘴等零件中[3]。研究表明，钛铝合金在高温下具有高强度、低导热性和强化学反应性的特点[4]，却在室温下表现为脆性，且延展性低、耐磨性和变形加工性能差，难以对其进行机械加工[5]。例如，钛铝合金切削加工特点是短切屑接触，应力高且温度梯度较陡，故会造成刀具磨损严重而缩短刀具使用寿命[6]。

电火花加工通过放电蚀除材料，可实现难切削材料的加工，且加工过程中电极与工件不直接接触，与被加工材料的机械性能无关，因此是加工钛铝合金的一种可行方法[7]。虽然钛铝合金具有高温性能好、密度低等优点，但其熔点高、导热性差，这会降低电火花加工性能，不易获得高的材料去除率（material removal rate，MRR）。 因此，本文利用 DOE试验设计法，对钛铝合金电火花加工工艺参数进行了研究，通过全因子析因实验研究显著因子对MRR的影响，并根据实验结果设计响应曲面实验，获取使MRR最大的一组电火花加工参数，从而计算得到电火花加工钛铝合金的MRR拟合公式，并确定了该模型参数的适用范围。

1 钛铝合金加工工艺实验

1.1 实验条件

实验设备为六轴联动电火花成形加工机床（图1）。电极为直径10 mm的圆柱形棒状石墨电极，型号为ISO-63。工件材料为含有Ti3Al、TiAl二种成分的钛铝合金，经X射线荧光光谱分析测得其成分见表1。实验对钛铝合金工件进行深度为1 mm的盲孔加工，以考查电火花加工的材料去除率。

表1 钛铝合金工件材料成分表

图1 实验设备

1.2 全因子析因实验

电火花加工效率的影响因素众多，峰值电流、脉宽、占空比决定了电火花加工的单次放电总能量，伺服电压、电极极性等电参数，以及冲液条件、抬刀高度、抬刀间隔等运动参数也会对电火花加工产生影响。在满足稳定加工的条件下，对电参数进行分析研究，结合机床硬件及筛选实验可发现，脉宽 Ton、占空比 D、峰值电流 Ip、电极极性是对 MRR有显著影响的参数。本文结合筛选实验结果，通过全因子析因实验分析各参数对MRR的影响。首先，确定了所选因子的参数范围；然后，利用Minitab软件进行DOE试验设计，设计了四因子二水平外加六个中心点（正、负极性分别三个中心点）的全因子析因实验，其参数见表2。

表2 全因子析因实验参数表

由标准化效应的Pareto图可见，对MRR影响显著的因子有：电极极性、脉宽、占空比、峰值电流及二阶交互效应脉宽与占空比、极性与脉宽、脉宽与峰值电流（图2）。

图2 标准化效应的Pareto图

通过Minitab软件生成的全因子析因实验主效应图见图3。可见，电极负极性加工时的MRR远大于正极性加工时的，且MRR在所选参数范围内基本都随着脉宽、占空比、峰值电流的增加而增大。为研究各参数对MRR的影响并求得最优参数组合，需进一步设计中心复合响应曲面实验进行分析。

图3 全因子析因实验主效应

1.3 最优区域选择实验

鉴于表2所示参数的高、低水平值不一定处于最优区域，故需通过最陡上升路径实验找到最优区域，其方法是沿响应最大增量方向逐步进行实验，直到实验响应值不再增加。

因为电极负极性加工的MRR远大于正极性加工，故选用电极负极性进行脉宽、占空比、峰值电流的三因子二水平另加三个中心点的全因子析因实验，得出线性回归方程；在此基础上，以最陡上升路径法寻找拐点，即可得到最优区域。实验结果表明，当脉宽为70 μs、占空比为24%、峰值电流为30 A时，MRR不再增加，初步说明最优参数在这些拐点参数附近，故以此为基础进行三因子的中心复合响应曲面实验。

1.4 中心复合响应曲面实验

中心复合响应曲面实验是在全因子实验基础上进行扩展完成的一种实验方法，在整个实验参数范围内具有较高的预测精度。由于本实验所用设备的脉宽、脉间不是连续可调，为得到机床可用脉宽、脉间参数，中心复合设计中的Alpha值取2。中心复合响应曲面实验设计及结果见表3。

表3 中心复合响应曲面实验设计及结果

2 实验结果与分析

由响应曲面实验分析得出的MRR曲面见图4，MRR等值线见图5。可见，当峰值电流为30 A时，MRR随着占空比、脉宽的增加呈先增大、再减小的趋势；当占空比为24%时，MRR随着峰值电流、脉宽的增加呈先增大、再减小的趋势；当脉宽取70 μs时，MRR随着峰值电流、占空比的增加呈先增大、再减小的趋势。在峰值电流、占空比、脉宽所选参数范围内，固定其中一个参数，MRR随着另外二个参数变化的规律与上述情况均相同，故可认为在选定参数范围内存在MRR的最大值。

图4 MRR曲面图

当峰值电流、脉宽一定时，占空比增大，能量密度增加，导致MRR增大；当占空比超过临界值时，由于脉间减小产生不充分消电离的情况，使放电状态变差，MRR降低。当占空比、脉宽一定时，峰值电流增大，能量密度增加，导致MRR增大；当峰值电流超过临界值时，蚀除产物不能迅速排出，使放电状态变差，MRR降低。当峰值电流、占空比一定时，脉宽变化对MRR影响不大，但由于交互作用，MRR也呈先增大、再减小的趋势。

对实验进行方差分析，得到MRR拟合公式为：

式中：T 为脉宽，μs；D 为占空比，%；I为峰值电流，A。

图5 MRR等值线图

对该拟合公式求偏导，可得出MRR极大值为35.331 mm3/min，此时脉宽为62.929 μs、占空比为20.9%、峰值电流为39.495 A。考虑到机床的实际可选参数，最终确定的最优参数组合为：脉宽60 μs、占空比21.05%、峰值电流40 A。

3 模型验证实验及参数适用范围

3.1 验证实验

为验证MRR拟合公式的准确性，设计了单因子验证实验，实验参数如下：脉宽为60 μs，占空比为 21%，峰值电流分别为 32、36、40、44、48 A。 将实验结果与通过式（1）计算得到的理论值进行对比，发现相对误差不超过4%（表4），由此可证明式（1）对MRR的拟合度较高。

3.2 模型参数适用范围

本文提出的MRR模型是由响应曲面实验结果通过Minitab软件拟合得到，该拟合结果在脉宽为50~70 μs、占空比 20%~24%、峰值电流 30~50 A 的参数范围内较准确。由于未充分消电离、能量密度过大而导致的放电状态恶化现象，会大大降低MRR，并使拟合结果与实验结果产生较大偏差。此外，放电状态恶化还会导致工件积瘤现象发生，降低工件表面质量的同时，使电极损耗增大。

表4 单因子验证实验结果

4 结束语

本文通过全因子析因实验得出影响钛铝合金电火花加工的显著因素有：脉宽、占空比、峰值电流和电极极性，并分析了上述因子的变化规律。以电极负极性加工并通过最陡上升路径法找到最优参数区域，进一步通过中心复合响应曲面实验，详细分析了脉宽、占空比、峰值电流对MRR的影响规律，拟合得到了MRR的计算公式，并给出了MRR的最优值及其对应的加工参数。通过单因子实验验证了MRR拟合公式的准确性，给出了拟合公式适用的加工参数范围。

[1]KIM Y W.Ordered intermetallic alloys,part III:gamma titanium aluminides[J].Journal of the Minerals，1994，46（7）：30-39.

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Influence Experiment on EDM Processing Parameters of Titanium Aluminum Alloy

XU Haihua，KANG Xiaoming
（ School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China ）

In order to study the effect of EDM processing parameters on the material removal rate of TiAl alloy，a full factorial experiment was designed.The significant discharge parameters which influence the material removal rate were determined as electrode polarity，pulse duration，duty cycle and peak current.The range of the discharge parameters corresponding to the maximum material removal rate was found by the steepest path method.Based on these methods，a central composite response surface experiment was designed to obtain the formula of the material removal rate.The maximum material removal rate according to the formula was calculated，and the corresponding processing parameters were achieved.Furthermore，the validity of the material removal rate formula was verified and the range of the discharge parameters applicable to the formula was also given.

Ti-Al alloy；EDM；processing parameters；DOE experiment

TG661

A

1009－279X（2017）05－0053-04

2017-07-25

徐海华，男，1993年生，硕士研究生。