钛合金微小孔的超声振动辅助电火花加工试验研究*

张 鹏 殷 振② 戴晨伟 吴 强 叶秋琴

(①苏州科技大学机械工程学院，江苏 苏州 215009；②苏州科技大学苏州市精密与高效加工技术重点实验室，江苏 苏州 215009；③苏州电加工机床研究所有限公司，江苏 苏州 215009)

TC4钛合金具有优异的抗腐蚀性和较高的比强度，被广泛应用于航空航天、汽车及医疗器械等领域[1]。其导热系数低、韧性强，传统的机械钻削方式难以实现此类零件的微小孔加工[2-3]。

电火花加工(electrical discharge machining， EDM)是一种利用脉冲放电产生热量去除材料的加工方式，几乎能加工任何导电材料，并且工具电极不与工件直接接触，因此不存在宏观机械力，故适合微小孔的加工[4]。但是随着制孔深度的增加，加工屑难以及时排出加工区域，消电离条件也会变差，易产生拉弧、短路等非正常放电现象[5]。因此，亟需寻求更加有效的电火花加工方式以改善钛合金微小孔的加工性能。国内外诸多学者致力于此，如一些学者采用削边电极[7]、深沟槽电极[8]以及螺旋槽电极[9]等非圆柱电极开展了电火花微小孔的研究。相关研究结果表明，这些特殊结构的电极增加了容屑空间，可以有效促进加工屑排出，从而提高加工效率。Ferraris E等[10-11]采用侧面涂层电极，减少了电极损耗，并成功加工出直径0.18 mm，深径比达60的微小孔，但是当电火花加工直径小于0.2 mm的微小孔时，特殊结构电极以及侧面涂层电极较难制备。

超声振动辅助电火花微小孔加工[12]因其具有加工效率高、加工范围广等优点而受到众多学者的关注，其中主要包括电极振动、工件振动以及工作液振动3种形式。Yu Z Y等[13]使用一种超声振动辅助行星转动电极的加工方式，该方式可以增大排屑空间，提高加工效率，并成功加工出最小直径达102 μm的微小孔；胡建华等[14]采用工件振动的加工方式，研究了超声波电源参数对微小孔加工效率的影响，工件超声振动能显著改善极间工作液的循环条件，并提出超声激励电压的占空比为50%时加工效率最高；Liew P J等[15]使用一种探针式振动器对工作液施加超声振动，并在工作液中添加纳米碳纤维颗粒来增加RB-SiC材料微小孔的电加工性能。

上述超声振动辅助电火花微小孔加工的研究中，在不同电加工参数下，对普通电火花和超声电火花微小孔加工性能的讨论还不够完善，因此将开展TC4钛合金微小孔的普通电火花加工(conventional electrical discharge machining，CEDM)和超声电火花加工(ultrasonic electrical discharge machining，UEDM)微小孔的对比实验，并分析超声振动幅值与脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流及间隙电压4个电加工参数对电火花微小孔加工性能的影响规律，为TC4钛合金微小孔的高效高精度加工提供理论依据和数据支撑。

1 试验装置及条件

超声振动辅助电火花加工系统如图1所示。试验中，以SE-WK008电火花微孔机作为基础运动平台，将课题组自行研发的超声振动装置紧固在微孔机的竖直立柱上，同时将工具电极装夹在超声振动装置的变幅杆输出端。试验所用超声振动装置工作频率为41 696.8 Hz，通过激光测振仪测得不同超声电源功率下的变幅杆端部振幅如图2所示(重复测4次，结果取平均值)。超声振动在工作液中引起空化效应和泵吸效应，可以改善排屑和消电离条件，提高加工过程的稳定性[16]。

试验所用钨电极直径为180±5 μm，外冲液方式，正极性加工，即加工时工件接电火花脉冲电源的正极，工具电极接负极。试验用工件材料为TC4钛合金板，厚度为2 mm，材料参数见表1。考虑到电极存在损耗，设置电极进给行程为2.7 mm，以实现通孔加工。

表1 TC4材料参数

以材料去除率(material removal rate, MRR)、相对电极损耗率(relative tool wear rate，RTWR)和锥度θ作为电火花加工性能的评价指标，分别如式(1)、式(2)和式(3)所示[17]：

(1)

式中：D1为孔入口直径；D2为孔出口直径；H为加工深度；t为单孔加工时间。

(2)

式中：r为工具电极半径；h为电极损耗长度。

(3)

选择脉冲宽度ti、脉冲间隔t0、峰值电流ie和间隙电压u0作为自变量，以材料去除率、相对电极损耗率和锥度作为工艺指标进行单因素试验，具体试验条件及参数见表2。

表2 试验条件及参数

为保证试验结果的准确性，每组试验重复做4次，结果取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 超声振动幅值对电火花加工性能的影响

不同超声振动幅值下的材料去除率、相对电极损耗率和锥度的变化规律如图3所示。随着超声振动幅值的增加，材料去除率MRR先增大后减小，相对电极损耗率RTWR和锥度θ均先减小后增大。

当超声振动幅值A从0 μm(即CEDM方式)增加至8.51 μm时，材料去除率从182 833 μm3/s增加至780 421 μm3/s，锥度θ从2.9°减小至0.56°；随后，当A=13.32 μm时，MRR降低至501 724 μm3/s，锥度θ相应增加至1.8°。当A=0 μm时，相对电极损耗率RTWR为11.9%；A=5.22 μm时，RTWR达到最低值为5.3%；随后，RTWR又在A=13.32 μm时增加至10%。这表明给电极施加合适的超声振动幅值(约4～8 μm)可以有效提高材料去除率、减低相对电极损耗率和孔锥度，从而提高微小孔的电火花加工性能。但是，如果选用的超声振动幅值数值过大，反而会导致材料去除率下降，相对电极损耗和孔锥度也会增加。

可以看出，材料去除率、相对电极损耗和锥度曲线都在A=5.22 μm附近出现拐点，这主要是因为此时超声振动引起的空化效应和泵吸效应减小了工作液的粘性阻力，改善了排屑和消电离条件，从而提高了加工稳定性[15]。当A<5.22 μm时，随着超声振动幅值的增大，MRR逐渐增加，RTWR和θ值逐渐减小；此外，由于电极属于细长杆，刚性较差，受到的轴向力过大时会引起挠曲变形，因此电极轴向振动的同时会导致电极端部有轻微的径向摆动。如果持续增加超声振动幅值(A>5.22 μm)，会导致径向摆动过大[18]，这增加了侧面放电概率，因此RTWR和锥度θ将增加。综上所述，超声振动幅值取5.22 μm时加工性能最佳，后续分析均以此为前提条件。

2.2 电加工参数对材料去除率的影响

在CEDM和UEDM两种加工方式下，材料去除率随各电加工参数的变化规律如图4所示。整体而言，脉冲宽度ti、脉冲间隔t0、峰值电流ie和间隙电压u0对材料去除率的影响基本一致。在CEDM方式下，材料去除率随着电加工参数数值增加的幅度并不明显，基本维持在2.0×105μm3/s左右，甚至在电加工参数数值过大时材料去除率略有降低，这是因为过多的加工屑不能及时排出加工区域，影响了放电间隙的介电强度和放电稳定性，导致非正常放电现象增加[19]，加工效率降低。采用UEDM方式时，材料去除率显著增加，并且当电加工参数为ti=0.8 μs，t0=0.8 μs，ie=6 A，u0=120 V时，材料去除率达到最大值，分别为715 974 μm3/s，589 211 μm3/s，1 053 982 μm3/s以及1 407 713 μm3/s，分别是CEDM方式下材料去除率的4.5倍、3.2倍、4.2倍、5.2倍。火花放电期间的单个脉冲能量W0与脉冲宽度ti、峰值电流ie和间隙电压u0之间的关系如式(4)所示[20]。

(4)

式中：i(t)和u(t)为峰值电流；ie和间隙电压u0随时间t变化的函数。

由式(4)可知，单个脉冲能量W0随着脉冲宽度ti、峰值电流ie和间隙电压u0增加而增加，导致单次脉冲放电的电蚀产物(加工屑)增加。使用较小的脉冲能量加工时，由于单次脉冲放电产生的加工屑较少，CEDM和UEDM产生的加工屑都可以及时地从放电间隙内排出，因此材料去除率的提升效果并不明显。随着脉冲能量的增加，加工屑逐渐增多，加工屑将在放电间隙内持续堆积，使排屑条件再次恶化，材料去除率会有所下降，UEDM的超声空化效应在工作液中产生的高压气泡发生破裂，有助于加工屑排出。由图4b可以看出，当t0从0.2 μs增加至0.8 μs时，在两种加工方式下，材料去除率逐渐增加，并同时在t0=0.8 μs时达到最大值，分别为185 832 μm3/s和589 211 μm3/s，这是由于t0增加可以给排屑和消电离提供更多时间，因此材料去除率增加，但是当t0过大时，会导致加工时间变长，材料去除率下降。

2.3 电加工参数对相对电极损耗率的影响

在CEDM和UEDM两种加工方式下，相对电极损耗率随各个电加工参数的变化规律如图5所示。可以看出，随着脉冲宽度ti和峰值电流ie的增加，相对电极损耗率RTWR大致呈现先减小后增加的趋势。单个脉冲蚀除量Mo与脉冲宽度ti和峰值电流ie关系如式(5)所示[20]：

(5)

式中：系数KM=9.4×10-11。

由图5 可知，在UEDM方式下，相对电极损耗率分别在ti=0.6 μs和ie=8 A时达到最低值，分别为5.4%和4.8%，是CEDM方式下相对电极损耗率的45%和45.3%，但是在ti=1.0 μs和ie=10 A时相对电极损耗率又增加至8.9%和5.1%。当脉冲宽度ti和峰值电流ie增大时(ti=0.6 μs，ie=8 A)，单个脉冲蚀除量M0也增加，因此RTWR降低，但是当ti和ie过大时，过多的加工屑来不及排出加工区域，以致排屑条件恶化，导致RTWR增加[21]。此外，在UEDM方式下，相对电极损耗率RTWR随脉冲间隔t0和间隙电压u0增加基本呈持续减小的趋势，但是在CEDM方式下，脉冲间隔t0和间隙电压u0过大时，RTWR会有所增加。在UEDM方式下，RTWR分别在t0=1.0 μs和u0=150 V时达到最低值，分别为6.3%和2.7%，是CEDM方式相对电极损耗率的70.8%和27%。这是因为脉冲间隔t0增加时，使得排屑和消电离更加充分，此时非正常放电现象减少，RTWR相应减少。间隙电压u0增加的同时，会使放电间隙基本呈线性增加[22]，加工屑可以更容易从加工区域排出，因此RTWR减少。

2.4 电加工参数对锥度的影响规律

在电火花微小孔加工过程中，微孔难免会出现倒锥现象，即制孔入口直径大于出口直径，常使用锥度θ来表征孔倒锥的程度。影响锥度θ的主要因素有以下几个方面：电极不均匀损耗、侧面放电以及加工深度。通常认为电极不均匀损耗和侧面放电现象越严重，加工深度越深，锥度值越大。

如图6所示，脉冲宽度ti从0.2 μs增加到1.0 μs，锥度θ持续增加。在CEDM方式和UEDM方式下，ti=1.0 μs时的锥度分别是ti=0.2 μs时锥度的2倍和2.7倍。在电火花微小孔加工时，脉冲宽度ti增加会使正离子有更多的时间加速并达到负极(工具电极)，这会造成电极不均匀损耗，导致锥度增加。脉冲间隔t0越大消电离越充分，覆盖效应[18]越不明显，从而导致电极损耗严重并且损耗不均匀，以致锥度增加。因此，当脉冲间隔t0=1.0 μs时，锥度在两种方式下均增加至8.5°左右。此外，在CEDM方式下，当峰值电流ie=4 A时锥度达到最低值0.7°，然而在UEDM方式下，锥度则是在ie=6 A时达到最低值0.28°，是CEDM方式下锥度的40%。这是由于超声振动改善了排屑和消电离条件，电极损耗降低，从而减小了锥度，这也进一步验证了超声振动辅助电火花微小孔加工有利于提高电火花微小孔的加工性能。由图6d可知，随着间隙电压u0增加，锥度基本呈持续减小的趋势，值得注意的是，在u0=30 V时，CEDM和UEDM方式下的锥度为分别为7°和9.9°，后者是前者锥度的1.4倍。因为此时放电间隙较小，轴向振动引起了电极端部的径向摆动，以致侧面放电现象增加，从而导致电极侧面损耗严重，因此在UEDM方式下的锥度较大。随着间隙电压增加，侧面放电现象逐渐减少，因此在UEDM方式下，锥度随着间隙电压u0增加基本呈持续减小的趋势，并且在u0=150 V时达到最低值为0.14°，是此时CEDM方式(θ=0.28°)锥度的50%。

3 结语

(1)随着超声振动幅值增加，材料去除率先增大后减小，相对电极损耗率和锥度均先减小后增大，并且当超声振动幅值为4～8 μm时加工性能最佳。当采用下列参数：脉冲宽度0.6 μs，脉冲间隔0.6 μs，峰值电流6 A，间隙电压120 V，相较于普通电火花加工，使用超声电火花(A=5.22 μm)加工时，材料去除率可提高3～5倍，相对电极损耗率和锥度降低了50%～80%。

(2)脉冲宽度和峰值电流主要是通过影响单个脉冲蚀除量进而影响相对电极损耗率的，当脉冲宽度和峰值电流过大时，单个脉冲蚀除量增多，过多的加工屑来不及排出加工区域，导致相对电极损耗率增加；脉冲间隔增加，会使排屑和消电离更充分，非正常放电现象相应减少，相对电极损耗率降低。

(3)间隙电压应选择在90 ～120 V，这是因为当间隙电压过小时，会导致放电间隙过小，不利于排屑和消电离；当间隙电压过大时，放电间隙又会随之增加，将导致孔径过大，以致尺寸精度降低。