黄铜电极对直流短电弧铣削Ti-6Al-4V的加工实验探究*

周宗杰 王立忠② 周建平 许 燕 刘 凯

(①新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；②西安交通大学大学机械工程学院，陕西 西安 710049)

钛合金Ti-6Al-4V具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等良好的机械性能特点，被广泛用于制作飞机发动机压气机部件和火箭、导弹和高速飞机的结构件[1]。然而在铣削加工中，由于钛合金材料的导热系数低，产生的热不易传出，导致在切削变形区和切削刃附近较小范围内产生极高的温度，大幅度缩短刀具寿命，造成加工效率低、成本极高等问题[2]。因此，放电加工作为一种难加工导电材料零件的有效加工方法，在微电子技术、电力电子技术和现代控制等技术的推动下，其制造水平得到了迅速发展。

短电弧铣削加工是在一定比例和压力气液混合物介质的作用下，利用电极间短电弧放电所产生的瞬时高温来蚀除导电金属的加工方法，采用低压高电流源在水-空气混合介质或空气中产生连续电弧快速去除导电金属材料[3]。短电弧铣削加工前期已经有了一定的研究基础，但大部分采用脉冲电源，由于输出功率的限制导致总体上加工效率偏低[4-6]，因此，本文采用黄铜作为电极材料研究工艺参数对直流短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V进行实验研究。

1 实验设置

1.1 实验原理

短电弧放电加工是一个多物理场耦合作用下的局部非平衡热力学过程，其本质是通过加在工具电极和工件电极上短距离范围内的电压击穿，形成短距离通道内的电弧放电，电弧通道内产生的高密度热能使零件局部待加工区域熔化，熔体在高压气流吹除力、热爆力等的共同作用下被蚀除。其加工原理图如图1所示，主要包括数控机床、电源、空气压缩机、水循环系统、数据采集系统和高速摄像系统。

如图2a所示,工作时，随着电极间间隙减小，电极间的电场强度急剧增大，气液混合介质中含有一定数量的导电微粒(如金属微细颗粒、液体中的导电离子等)，在电场作用下，导电微粒在电场强度下也将起到“桥接”作用，致使电极之间的电子、导电离子在电场作用下向两极运动，电子在高速向阳极运动时撞击水气两相混合介质中分子或中性原子，产生碰撞电离，形成更多的带负电的电子和带正电正离子，导致带电粒子雪崩式激增，可在几微秒内产生极高温度。在高温作用下电弧周围形成气化、融化和热影响区。电弧通道内产生的高密度热能使零件局部待加工区域熔化，熔体在高压气流吹除力、热爆力等的共同作用下被带离放电工作区域。图2b为短电弧现场加工图片。

1.2 实验条件

实验设备包括：

(1)实验设备：短电弧数控铣床，大功率脉冲电源，金相显微镜，金相试样磨床，抛光机。

(2)工件材料：Ti-6Al-4V；其机械性能列于表1。

表1 Ti-6Al-4V的机械特性参数

(3)工具电极：使用黄铜管状电极，内径为6 mm，外径为18 mm；电极和工件材料在室温下的热物理性质列于表2。

表2 室温下电极和工件材料的热物理性质

(4)测试设备：精度为0.1 mg的精密天平，DEWESoft Siriusi多通道数据采集系统，显微硬度测试仪(HXD-100tb)，扫描电镜(MERLIN Compact)，超景深显微镜(VHX-6000)。

1.3 实验设置

为探究黄铜电极材料对短电弧加工钛合金Ti-6Al-4V的影响规律，本文中以不同输入电压、介质压力和主轴转速为变量进行实验，详细实验方案参数如表3所示。通过提取加工峰值电流(Ip)、单次电弧放电时间、材料去除率(MRR)和电极损耗率(TWR)等数据，并对加工工件的表面微观形貌、截面形貌、化学成分及显微硬度进行研究。通过高速摄像机和数据采集系统研究直流短电弧的能量大小和电流变化机理。

表3 直流短电弧铣削Ti-6Al-4V实验方案

MRR、TWR、SEC的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中：Mwi和Mwj分别指加工前后工件的质量,g;ρw指工件的密度,g/cm3;t为加工时间,min;Mei和Mej指加工前后工具的质量,g;V指加工时电源输出的电压,V;I指通过间隙的电流,A;SEC为蚀除单位体积材料所消耗的能量。

2 实验结果分析

2.1 工艺参数影响规律

电压变化对直流短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V的影响规律如图3所示。由于电压的升高，材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Sa)增加，而能耗(SEC)和电极损耗(TWR)降低，这主要是因为随着输入电压的升高，电极和工件之间电场强度增加使得放电通道更加容易建立并形成多点同时放电，导致单位时间内电弧能量密度增加，同时极大程度的降低了由于低电压时能量不够而引起的瞬态机械磨损甚至短路、撞刀等现象，所以电极损耗(TWR)和能耗(SEC)也随之降低，其最小值分别为113.2 kJ/cm3和42.77 μm。放电间隙的电弧能量升高可以很大程度地提高加工速度，这也是MRR增加的重要原因；而电弧的能量密度增加使得单次放电的凹坑尺寸增加，所以Sa也会增加。

图4为工作介质压力变化对于短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V的加工影响规律。从图中可以看出，材料去除率(MRR)在压力为0.3 MPa时达到最大值2 906 mm3/min，这是由于介质压力太小时，不能够及时冲走放电间隙的蚀除物而影响加工效率；介质压力过大时由于“流体断弧”现象促进电弧的熄灭，不利于电弧的稳定放电[7]。“流体断弧”现象导致单次放电峰值电流较小，电弧能量密度降低，单次蚀除材料体积减小，加工速度变慢，这也同时使得能耗(SEC)随介质压力的增加而升高，电极损耗(TWR)和表面粗糙度(Sa)降低。

主轴转速对短电弧铣削钛合金的加工影响规律如图5所示。电极随主轴转速升高而增加，引起单位时间内电极相对工件的位移增加而促进电弧的“拉断”，导致电弧单次放电能量较小[8]。因此在相同加工速度下，主轴转速会不同程度增加电极和工件材料表面的瞬态接触和机械磨损的概率，这也导致材料去除率(MRR)、能耗(SEC)和表面粗糙度(Sa)随主轴转速的增加而降低，而电极损耗(TWR)呈上升趋势，最大值达到79.7%。

2.2 放电波形和电弧形态

图6为短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V过程中的输出电压、电流波形，从图中可以看出峰值电流达到了1 101 A，同时电源电压也在放电点呈现出一定的压降，符合放电加工的间隙伏安特性。从放大图中可知其放电持续时间为41.78 ms，而电流的变化是由于放电点的数量变化而引起的。整体放电密度较低，峰值电流之间的间隙时间远大于电弧的消电离时间，这表明加工速度还可适度提高。

图7为短电弧铣削Ti-6Al-4V过程中通过高速摄像仪捕获的电弧形态图片，从图中可以看出电弧随着电极的旋转同步运动，放电间隙的蚀除物随电极旋转和工作介质的冲刷下被抛出加工区域，同时对工件表面进行冷却。这也充分说明维持电弧的稳定燃烧需要多个工艺参数间的相互匹配，只有找到各参数间对应的相互影响规律才能提高加工效率。

2.3 尺寸精度

图8为提取短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V (30 V、0.3 MPa、1 500 r/min)工件的不同位置截面轮廓。从图中的电极形貌可以看出加工后的电极损耗主要为端面和边角损耗，所以在加工的过程中加工轮廓会会随着电极损耗的变化发生尺寸变形如图工件照片所示。通过将工件的不同位置截面轮廓数据提取并生成三维图，在相同高度下测量不同位置的宽度分别为17 681.4 μm和15 706 μm，尺寸差为1 974.7 μm，而这将在后一步的精加工处理中进行加工。

2.4 微观形貌及硬度

图9为通过超景深显微镜拍摄的短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V (30 V、0.3 MPa、1 500 r/min)工件的表面三维形貌。从图中工件照片可以看出表面有加工过程中明显的电弧移动带来的蚀除物堆积的痕迹，表面粗糙度Sa和最高峰值高度分别为42.77 μm和493.7 μm。偏斜度Ssk为0.84 μm，说明表面高度分布相对于平均面偏上，这是由于黄铜的熔点和沸点都低于钛合金，加工过程中未及时排出的融化电极材料由于工作也冷却再次凝固在表面而成。

图10和图11分别为Ti-6Al-4V工件表面的微观形貌和再铸层能谱，从图10中可知在工件表面存在不同程度的微裂纹、球形熔滴和再铸层。其中微裂纹是由于未能及时排出的蚀除物在工作介质的快速冷却下覆盖在工件表面，因温度的急剧变化而产生的集中应力超过材料的屈服极限应力时所形成。球形熔滴是由于熔池中的液滴受到自身表面张力和重力的作用下落在再铸层上。再铸层是由于两极之间熔化后的金属材料未能及时排出而再次凝固在工件表面产生。

通过对再铸层进行能谱分析如图11所示，可以看出在熔滴中和再铸层的主要元素成分为C、Cu、O、Ti等金属元素，这主要是因为在高温下，C、O和Cu、Ti容易发生化学反应生成铜的氧化物以及钛的氧化物和碳化物附着在工件表面，导致电极材料和工作介质中的主要元素发生迁移和渗透至再铸层或热影响层，而这种元素的迁移量或者渗透的深度是由电极自身的损耗量和极间的化学反应成度决定的。

图12和图13分别为Ti-6Al-4V工件的截面微观形貌和硬度测试图。从图12中可以看出工件的热影响区范围是24.3～41.4 μm，这是因为钛合金的热传导率较差，短电弧加工过程中高温的累积使得工件表面及以下部分基体材料发生微观组织变化而产生，使得材料的表面性能发生变化，需要在后续加工中进行再处理。

为了研究短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V后工件截面微观硬度的变化，对工件截面进行硬度测试如图13所示，由图可知再铸层的硬度相对较高，最大值达到了696 HV，这主要是由于再铸层表面含有大量硬度高且脆的钛的氧化物和碳化物导致；随着距离表面高度增加，硬度逐渐降低并稳定在基体硬度。

3 结语

本文主要基于黄铜电极材料研究工艺参数对短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V的影响规律，并对其放电波形和材料蚀除机理进行探究，实验结果表明：

(1)在电压30 V、工作介质压力0.3 MPa、主轴转速600 r/min时，直流短电弧铣削钛合金Ti-6Al-4V材料去除率 (MRR)可达到2 906 mm3/min，但电极损耗较大。

(2)直流短电弧铣削过程中电弧随电极旋转而运动，放电过程需要各工艺参数的相互匹配才能维持电弧的稳定。

(3)由于黄铜电极损耗的影响，工件不同位置的截面加工尺寸差值为1 974.7 μm。

(4)工件热影响区范围是24.3～41.4 μm，再铸层硬度最高为696 HV。