电极材料及极性对短电弧铣削镍基高温合金影响的研究*＊

许 燕 何巍杨 周建平 孙延龙

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

伴随着工业水平的提高以及重大技术装备的发展，具有高红硬性、高强度、高韧性、高耐磨等特性的新型材料也随之出现，人们对机械零部件等的加工性能也有了更高的要求，短电弧铣削加工应运而生［1－2］。

短电弧铣削加工虽然已经成功满足航空航天、高铁、船舶、核电等高端制造领域对难加工、复杂结构金属材料的高效加工，以及能源机械、农牧机械、石油钻采机械、工程机械发展的重大需求，但是在加工特性方面仍然存在一些还有待于进一步分析与探究的问题［3］。比如，虽然加工效率较其他特种放电加工有所提高，但是加工后表面质量还不够高，工具电极还有一定的损耗，加工时是否存在极性效应等［4－5］。

本文针对短电弧铣削加工工具电极材料以及极性效应进行实验探究，为后续加工以及短电弧铣削加工机理的分析起到参考推进作用。

1 短电弧铣削加工工具电极材料的选取

短电弧铣削加工时，工具电极材料的选取直接关系到加工后工件表面质量是否能有所提高以及工具电极损耗是否能够降低，并且对加工时的稳定性也有所影响［6］。因此短电弧铣削加工时工具电极材料应满足高熔点、高强度、小的热膨胀系数、较好的导电导热等性能［7－8］。

1.1 不同电极材料加工对试件表面质量的影响

短电弧铣削加工中常规的工具电极材料有石墨、铜等电极，石墨相对其他常规电极材料而言电极损耗较小，但是强度不够，加工时容易发生断刀现象，而铜电极虽然满足高导电率、高强度要求，但是加工后的损耗却相当严重，为了使工具电极不仅具有好的导电率、足够的强度以及较小的电极损耗，本文选取了钨铜合金材料作为工具电极材料。钨铜合金综合了钨和铜的优点(如表1)，具有密度大、强度高、耐电弧烧蚀、耐高温、加工时导电导热性能好。

表1 钨、铜的物理性能

为了验证钨铜合金是否适合短电弧铣削加工，本文选取了直径18 mm，长115 mm的中空圆柱形电极，分别以铜、石墨、钨铜作为工具电极材料进行短电弧铣削加工。加工时采用新疆大学自主设计研发的短电弧铣削机床，电源采用CHANT数字脉冲调频电源，加工试件为35 mm×30 mm×10 mm的长方形镍基高温合金(GH4169)，实际现场加工如图1所示。

试验中放电参数U=25 V，K=500 Hz，D=50%，非电参数(加工极性、工作介质压力、电极转速等)保持一致，通过改变工具电极材料，宏观观察加工后各试件的表面质量，如图2所示。

从图2可以看出，采用3种不同工具电极材料分别加工镍基高温合金后的试件表面质量有明显的差别。钨铜作为工具电极加工后试件的表面质量要好于常规的铜、石墨电极加工后的试件表面质量。这是因为钨铜合金材料本身具有良好的导电性以及足够的强度，使加工时放电更加均匀，加工性能更好，且加工时的稳定性也较铜和石墨有较大的改善。

1.2 不同电极材料加工后损耗对比分析

在短电弧铣削加工中，工具电极材料的物理性能对加工后电极相对损耗也有显著的影响。因此有必要通过短电弧铣削加工实验分析出各种常用电极材料的优缺点，从而选出在加工时性能表现较好的一种电极材料。加工后工具电极宏观形貌如图3所示。

由图3可以得出，采用不同工具电极材料加工后，电极宏观形貌有明显的区别。相对于钨铜合金电极，铜、石墨电极损耗要大很多。这是因为短电弧铣削加工是利用工具电极与工件电极之间产生的受激发短电弧群组来达到熔融蚀除工件材料的目的。铜电极有较好的导电率，能产生更多有效的电弧，但是熔沸点较低，电极之间产生的热效应在蚀除工件材料的同时，也造成工具电极会有一定的损耗。而石墨电极不仅有高导电率，且熔沸点也较高，相比铜电极，电极的损耗有明显的降低，但不足的是机械强度不够高，加工速率过大时，会造成断刀现象。钨铜合金材料则综合了钨与铜的特性，从而具有优良的综合特性。从图2、图3也可以看出在钨铜合金作为电极材料加工时，不仅可以获得较好的试件表面质量，也能使工具电极损耗保持在较低的范围内。

综上所述，工具电极的损耗对试件的表面质量以及加工精度都有一定的影响，短电弧铣削加工要尽可能降低工具电极损耗的同时提高加工表面质量。通过对比试验可以初步得出，钨铜合金材料能满足加工要求，且加工性能较常规的紫铜、石墨电极材料均有较大提高。

2 短电弧铣削加工极性效应

短电弧铣削加工主要是利用极间短电弧放电产生的瞬时高温高能量来熔融蚀除工件材料，与此同时，工具电极也有一定的损耗，但是两者的损耗程度有很大的差别。正常加工时，工件电极接脉冲电源正极，工具电极接脉冲电源负极，即正极性加工。在此条件下加工时，负极电子虽然质量相比正极离子较小，但是短时间获得的速度却要比正离子大很多，因此电子轰击在工件电极产生的能量比正极离子轰击在工具电极上产生的能量大，相应工件的蚀除量也要远远大于工具电极的蚀除量，如果采用负极性加工，则与之相反，工具电极的损耗显著变大，而工件电极的蚀除量明显降低。所以在短电弧铣削加工时，一般情况采用正极性加工。

为了进一步研究在短电弧铣削加工过程中是否存在极性效应及其作用规律，本文设计了单因素实验，在电参数(脉冲电压、脉冲频率、占空比)，非电参数(工作介质压力、电极转速、进给速率)一定的条件下，改变加工的极性，来观察短电弧铣削加工后的异同点，也为以后相关实验的进行提供加工极性选择的参考。

2.1 正、负极性工具电极损耗对比试验

前文实验表明，加工时要想获得好的加工表面质量，又要使电极损耗在极小的范围内，相比常规工具电极材料，采用钨铜合金作为工具电极的材料是最优的选择。但是本实验要选择即能保证较好的导电率，又能明确显示出损耗量的工具电极，则石墨电极相对而言更适合此次试验的需求。

实验中的自变量因素分别取5组不同的数值，工作介质压力保持在0.5 MPa，电极转速为800 r/min，进给速率为100 mm/min，先进行正极性加工，之后再进行负极性加工。实验结果如表2所示。

由表2可以得出，在相同实验条件下，负极性加工时相对电极损耗比正极性加工时相对电极损耗要大，这是因为负极性加工时，工件电极产生的电子以极高的速度轰击工具电极，将动能转化成热能，形成瞬时的高温，从而导致工具电极的损耗，相比正极性加工，正离子轰击工具电极的动能较小，转化的热能也较小，工具电极的损耗也因之较小。加工后的工具电极损耗形貌(如图4)也可以体现出这一点，负极性加工时，工具电极的损耗主要体现在轴向损耗，而正极性加工只是工具电极底部外圆端面损耗比较严重，轴向的损耗经过试验后的测量可知几乎可以忽略不计。

表2 正、负极性加工后工具电极损耗对比

2.2 正、负极性加工效率对比试验

通过实验得知，极性效应不仅体现在工具电极损耗程度上的不一样，在加工效率方面也有所区别。加工后的实验结果如表3所示。

表3 正、负极性加工效率对比

由表3可知，采用正极性加工时，加工效率比采用负极性加工有显著提升。一方面是由于负极性加工时工具电极损耗严重，不能形成稳定性加工，往往在试件还没有加工完成，工具电极的损耗已经致使短电弧铣削加工的放电极间间隙大于产生电弧的最大距离，而导致加工中断。由负极性加工后工件的宏观形貌(如图5)也可以看出，随着加工电参数的增大，极间转化的能量也随之增大，在相应提高加工效率的同时，工具电极的损耗也越来越大，单道实验的有效加工长度逐渐变小，且加工有效宽度也随工具电极的损耗逐渐变窄，如图5所示。

另一方面，正极性加工时，负电子以较大的动能轰击工件，以致能量大部分集中作用在工件上，因此相比负极性加工，在加工效率方面有显著提升。由图6正极性单道实验结果也可以看出，由于工具电极损耗较小，工件加工后的有效长度、宽度变化很小，综合加工性能均有所提升，能满足加工要求。

3 结语

短电弧铣削加工时，工具电极材料对工件表面粗糙度、加工精度、加工效率等均有较大的影响，因此本文首先设计了一组简单的单因素实验，即在保持各加工参数不变的条件下，改变电极材料，从而选出加工效果较好的工具电极材料。结果表明，钨铜合金电极材料具有高导电率、高强度、耐磨损，加工稳定性好等良好的综合性能，从而提高短电弧加工时的稳定性，且降低了工具电极自身的损耗。

其次，本文从理论层面分析了短电弧铣削加工过程中极性效应的产生，并通过正、负极性条件下的单因素单道实验进行验证。结果表明，在同等加工条件下，采用正极性加工会比采用负极性加工在加工效率方面会有很大提升，且工具电极自身损耗较之有明显降低。