難加工金屬材料放電誘導(dǎo)可控?zé)g高效加工技術(shù)

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

隨著科技的進(jìn)步，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，特別是在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器性能要求的不斷提高，鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼及復(fù)合材料的使用比例越來(lái)越高，并且結(jié)構(gòu)件已經(jīng)呈現(xiàn)出整體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、切削加工量大、薄壁件多、加工精度高等特點(diǎn)。

磨削是難加工材料最常用的機(jī)械加工方式，然而在磨削加工時(shí)，工件表面易產(chǎn)生磨削燒傷和裂紋，從而對(duì)零件的使用性能產(chǎn)生不利影響，同時(shí)砂輪也易發(fā)生堵塞和損耗，降低了砂輪的耐用度。對(duì)于切削過(guò)程，難加工材料硬度高、強(qiáng)度大，切削變形抗力大幅度增加，刃口附近的接觸應(yīng)力也明顯增大；難加工材料導(dǎo)熱系數(shù)小，切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱不易傳出，致使切削區(qū)溫度升高；難加工材料切削加工中塑性變形大，在較大的切削力及較高的切削溫度的作用下，已加工表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重；切削過(guò)程中產(chǎn)生的較大塑性變形、切削力及較高切削溫度，增加了切屑和刀具前刀面或加工表面與刀具后刀面的摩擦，加劇了刀具前刀面或后刀面的磨損，從而造成嚴(yán)重的粘接磨損、擴(kuò)散磨損及氧化磨損。另外，對(duì)于超耐熱合金等難加工材料，在切削過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)由于加工硬化而引起的較嚴(yán)重的邊界磨損。因此，傳統(tǒng)機(jī)械加工對(duì)難加工材料切削加工非常困難，且加工成本較高，加工薄壁件時(shí)易發(fā)生變形[1]。

電火花加工不受制于材料的力學(xué)性能，已成為難加工材料的重要加工手段，但常規(guī)電火花加工材料蝕除率很低，不能滿足高效加工的需求，嚴(yán)重影響了其在難加工材料領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。

為此，南京航空航天大學(xué)劉志東教授針對(duì)難加工金屬材料（如鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等）提出了放電誘導(dǎo)燒蝕加工方法[3-4]，該方法是具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效放電加工技術(shù)[5]。其利用加工中金屬燃燒氧化釋放出的熱量作為材料蝕除的主要能量完成加工。與傳統(tǒng)電火花加工相比，燒蝕加工極間獲取的能量大幅度增加，材料蝕除率顯著提高，加工表面質(zhì)量也可以得到較好的控制。本文首先對(duì)放電誘導(dǎo)可控?zé)g加工的原理進(jìn)行了闡述，而后圍繞放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工、放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工、多通道功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工以及雙伺服控制的燒蝕/車(chē)削復(fù)合加工4個(gè)典型加工方式對(duì)燒蝕加工工藝進(jìn)行介紹。

放電誘導(dǎo)燒蝕加工原理

放電誘導(dǎo)燒蝕加工是借助電火花加工產(chǎn)生的電蝕作用，首先將放電點(diǎn)金屬加熱至其燃點(diǎn)溫度以上，使其保持活化狀態(tài)，然后通入氧氣使其與活化金屬發(fā)生劇烈的燃燒氧化反應(yīng)，釋放出巨大的化學(xué)能，該能量直接作用于基體材料，使燒蝕反應(yīng)快速擴(kuò)展，并借助火花放電產(chǎn)生的爆炸力和氣流沖刷作用將熔融金屬及燒蝕產(chǎn)物排出加工區(qū)域，而后切斷氧氣，通過(guò)常規(guī)電火花加工對(duì)已燒蝕加工表面進(jìn)行修整，從而完成高效加工[6]。該加工技術(shù)不同于以往的常規(guī)電火花加工，其利用金屬材料與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)所釋放的化學(xué)能作為蝕除能量的主要來(lái)源，而電火花放電主要起到引燃和修整作用。燒蝕加工過(guò)程包含以下幾個(gè)階段[7]：

（1）引燃活化階段。常規(guī)電火花放電引燃活化階段，利用電極與工件間形成火花放電所產(chǎn)生的高溫高熱加熱工件表面，形成高溫活化區(qū)域，如圖1（a）所示。

（2）氧化蝕除階段。表面活化的金屬與通入的氧氣產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，釋放出大量化學(xué)能，該能量直接作用于基體材料，不斷加熱周?chē)饘?，使氧化得以持續(xù)進(jìn)行。此過(guò)程中形成熔融的金屬和氧化物，在放電爆炸力和氣流沖刷作用下，不斷被清除出加工區(qū)域，如圖1（b）所示。

（3）修整階段。此階段停止氧氣供給，采用液中常規(guī)電火花加工的方式對(duì)加工表面進(jìn)行放電修整蝕除，如圖1（c）所示。

在整個(gè)放電誘導(dǎo)燒蝕加工過(guò)程中，3個(gè)階段重復(fù)進(jìn)行。

燒蝕加工的主要能量來(lái)源于金屬氧化反應(yīng)，氧氣在燒蝕加工中主要起到以下作用[8]：

圖1 放電誘導(dǎo)燒蝕加工過(guò)程Fig.1 Machining processes of EDM ablation

（1）參與氧化放熱。金屬在電火花放電作用下，形成活化區(qū)域，后與氧氣發(fā)生氧化放熱反應(yīng)。所生成熱量遠(yuǎn)大于常規(guī)電火花加工所釋放的能量，足以維持燒蝕加工進(jìn)行。

（2）蝕除金屬。高壓氧氣流對(duì)燒蝕加工中形成的熔融金屬和氧化物有強(qiáng)力的清除作用，排出加工中形成的熔融金屬和氧化物，推動(dòng)其在金屬表面運(yùn)動(dòng)，并最終脫離金屬表面，使燒蝕得以持續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，氧氣流還可帶走極間的蝕除顆粒，為后續(xù)加工提供保障。

（3）冷卻作用。冷卻電極和放電通道，對(duì)未達(dá)到燃點(diǎn)溫度的金屬進(jìn)行冷卻，降低熱影響區(qū)溫度。

由于電火花放電在燒蝕加工中主要起放電誘導(dǎo)、活化金屬及蝕除修整作用，其已經(jīng)不是加工中的主要蝕除能量，在整個(gè)放電誘導(dǎo)燒蝕加工過(guò)程中所占的比例很少，所以電極的損耗要比常規(guī)電火花加工小很多。

放電誘導(dǎo)燒蝕加工典型工藝

放電誘導(dǎo)燒蝕加工適合于“車(chē)、銑、鉆、成形、打孔”等各種加工形式。

1 放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工

燒蝕銑削加工與傳統(tǒng)的電火花銑削加工類(lèi)似，采用表1中試驗(yàn)參數(shù)使用兩種方法對(duì)淬火Cr12進(jìn)行銑削加工。結(jié)果表明，相同時(shí)間內(nèi)“放電誘導(dǎo)燒蝕銑削”較傳統(tǒng)的電火花銑削蝕除效率高10倍以上（見(jiàn)圖2）。

表1 放電誘導(dǎo)燒蝕銑削試驗(yàn)參數(shù)

采用常規(guī)電火花銑削與放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工所得的工件表面微觀形貌對(duì)比如圖3所示。常規(guī)電火花銑削加工表面布滿放電坑，放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工表面可以看到常規(guī)電火花放電修整時(shí)所形成的放電坑，在氧氣關(guān)斷階段，加工區(qū)域氧氣濃度減小，氧化程度降低，主要進(jìn)行常規(guī)電火花放電加工，利用火花放電對(duì)已加工面進(jìn)行修整，清除部分重熔層，改善了加工表面質(zhì)量。經(jīng)測(cè)試，兩種加工方式變質(zhì)層厚度基本相當(dāng)，表面質(zhì)量相近。

2 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工

放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過(guò)程中水以一定壓力持續(xù)沖入加工區(qū)域，而氧氣通過(guò)電磁閥的控制間歇性地通入，形成霧化燒蝕加工，以進(jìn)一步提高加工的可控性和表面質(zhì)量，原理如圖4所示。

圖2 燒蝕銑削（下）與常規(guī)電火花銑削（上）對(duì)比Fig.2 EDM ablation milling (lower) and traditional EDM milling (upper)

圖3 不同銑削加工方式下工件表面微觀照片F(xiàn)ig.3 Microcosmic diagram of workpiece surface at different milling methods

圖4 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工系統(tǒng)示意圖Fig.4 Experimental system of aerosol dielectric EDM ablation

放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過(guò)程是兩種加工放電狀態(tài)的循環(huán)過(guò)程：一是氣霧介質(zhì)下的放電誘導(dǎo)燒蝕加工：氧氣通入，與水混合形成氣霧并進(jìn)入加工區(qū)域，放電點(diǎn)被放電活化形成高溫活化區(qū)，而后在富氧條件下，活化區(qū)的金屬與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的巨大化學(xué)能使活化區(qū)金屬變成熔融態(tài)，并產(chǎn)生噴發(fā)，該過(guò)程蝕除效率很高；二是水介質(zhì)條件下的常規(guī)電火花放電修整加工：氧氣關(guān)斷后，一定壓力的水流沖入加工區(qū)域，進(jìn)一步冷卻并排出燒蝕過(guò)程殘留的熔融金屬液滴，同時(shí)對(duì)加工區(qū)域通過(guò)電火花放電對(duì)燒蝕層進(jìn)行修整，提高加工表面質(zhì)量，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

使用表2所示的參數(shù)、邊長(zhǎng)4.8mm的電極對(duì)放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工（氧氣壓力0.3MPa）、間歇通氧燒蝕加工（氧氣壓力0.3MPa）及常規(guī)電火花加工在Cr12工件上進(jìn)行方形孔加工對(duì)比試驗(yàn)[9]，結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工具有加工穩(wěn)定性高、可持續(xù)性好的特點(diǎn)，蝕除效率為常規(guī)電火花加工的5.45倍，表面質(zhì)量及形狀精度均明顯好于間歇通氧燒蝕加工，與常規(guī)電火花加工相當(dāng)或更好。采用邊長(zhǎng)4.8mm電極進(jìn)行霧化燒蝕加工，深型孔的加工最大深度已經(jīng)達(dá)132mm（見(jiàn)圖7），并且還能繼續(xù)加工。

圖5 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕深型孔加工現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Scene photograph of aerosol dielectric EDM ablation

表2 放點(diǎn)誘導(dǎo)霧化燒蝕試驗(yàn)參數(shù)

放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工當(dāng)極間是霧化介質(zhì)時(shí)，蝕除產(chǎn)物能?chē)娚湫試姵?，如圖5所示，并且已加工側(cè)壁表面形成的氧化膜能減少蝕除產(chǎn)物排出時(shí)產(chǎn)生的“二次放電”，因此能進(jìn)行深型孔加工，這是其他加工方法所難以完成的。

3 多通道功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工

為進(jìn)一步提高放電誘導(dǎo)燒蝕加工的可控性及穩(wěn)定性，提高加工表面質(zhì)量，可采用功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工技術(shù)，其車(chē)削系統(tǒng)如圖8所示。系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)床、功能電極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工系統(tǒng)、工作液循環(huán)系統(tǒng)和氧氣供給系統(tǒng)組成。

圖7 深型孔實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Deep-type hole machined by aerosol dielectric EDM ablation

圖8 多通道功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕車(chē)削加工系統(tǒng)Fig.8 Turning system of the functional electrode EDM ablation

圖9 多通道功能電極實(shí)物照片F(xiàn)ig.9 Physical diagram of the functional electrod

圖9為多通道功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工所用功能電極實(shí)物照片。功能電極由內(nèi)部功能電極束和外部殼體兩部分組成，電極束由外部中空的銅管和內(nèi)部眾多中空細(xì)銅管組成。

由于多通道功能電極通過(guò)彼此獨(dú)立的通道向加工區(qū)域通入高壓工作液和氧氣，氧氣被噴入加工區(qū)域的工作液沖擊、分散，形成均勻的氣泡，隨工作液沖向加工表面，在加工區(qū)形成均勻氣泡，替代了原來(lái)的間歇通氧方式，因此功能電極的采用大大提高了燒蝕加工的可控性及穩(wěn)定性，并且隨著輸入能量和燒蝕能量的降低，燒蝕坑逐漸減小，氧化層也逐漸變薄，燒蝕深度降低，表面質(zhì)量逐漸提高，直至獲得需要的加工表面[10]。

選 取 表 3參 數(shù)，φ12mm電 極對(duì)TC4鈦合金分別進(jìn)行功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕車(chē)削加工（氧氣壓力0.1MPa）和功能電極常規(guī)電火花加工，結(jié)果表明，功能電極放電燒蝕車(chē)削加工與電火花車(chē)削加工相比：加工效率提高了15.74倍，單位電流下單位面積電極的加工效率提高了17.25倍，單位能耗下的加工效率提高了19.52倍；電火花車(chē)削加工的電極體積相對(duì)損耗是放電燒蝕車(chē)削加工的4.19倍。

4 雙伺服控制燒蝕/車(chē)削復(fù)合加工

對(duì)于難加工金屬材料，還可以借助放電誘導(dǎo)燒蝕形成的巨大熱量，達(dá)到軟化金屬表面的效果，而后借助于傳統(tǒng)金屬切削方式，在軟化層中對(duì)金屬進(jìn)行切削加工。圖10為雙伺服控制燒蝕/車(chē)削復(fù)合加工系統(tǒng)原理示意圖。

使用不銹鋼管材電極對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行電火花加工、電火花誘導(dǎo)可控?zé)g加工、電火花誘導(dǎo)可控?zé)g及車(chē)削修整復(fù)合加工對(duì)比試驗(yàn)，電火花誘導(dǎo)放電參數(shù)見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

表3 功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕試驗(yàn)參數(shù)

圖10 燒蝕/車(chē)削復(fù)合雙伺服控制系統(tǒng)原理圖Fig.10 Dual servo systems schematic of EDM ablation and turning combined machining

表4 復(fù)合加工試驗(yàn)參數(shù)

圖11 不同加工方式對(duì)加工速度和電極損耗的影響Fig.11 Effects of different processing on processing speed and tool wear

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同試驗(yàn)條件下，電火花誘導(dǎo)可控?zé)g/車(chē)削復(fù)合加工的加工速度是電火花加工的46倍，是電火花誘導(dǎo)可控?zé)g加工的1.8倍。常規(guī)電火花加工的電極相對(duì)損耗為21.50%，而電火花誘導(dǎo)可控?zé)g加工的電極相對(duì)損耗僅為4.62%，電火花誘導(dǎo)可控?zé)g/車(chē)削復(fù)合加工的電極相對(duì)損耗僅為4.34%。因此，電火花誘導(dǎo)可控?zé)g/車(chē)削復(fù)合加工可實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金材料的高效低損耗加工。

燒蝕結(jié)合車(chē)削機(jī)械修整后，可將已燒蝕加工表面的燒蝕產(chǎn)物大部分通過(guò)車(chē)削去除，從而提高了燒蝕加工的表面質(zhì)量（見(jiàn)圖12）[11]。

由于在放電誘導(dǎo)燒蝕中形成了表面軟化層，車(chē)削深度在軟化層范圍內(nèi)時(shí)，切削力很小，需要的機(jī)床主軸電機(jī)功率也很小，大大提高了難加工材料的可切削性能，緩解了難加工金屬材料的加工難題。而當(dāng)切削深度超過(guò)軟化層厚度后，燒蝕區(qū)基體材料被去除，加工表面平整，表面質(zhì)量接近于機(jī)械加工表面。因此加工系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整伺服系統(tǒng)，控制切削力的大小，從而達(dá)到控制材料切削深度的目的。

圖12 燒蝕/車(chē)削復(fù)合加工零件實(shí)物圖Fig.12 Physical diagram of the workpiece machined by EDM ablation and turning combined machining

結(jié)束語(yǔ)

放電誘導(dǎo)燒蝕加工是特種加工領(lǐng)域中的一種全新加工技術(shù)，為難加工金屬材料的高效加工提供了一種新的途徑，并且仍然屬于宏觀無(wú)切削力的加工方式，因此特別適合鈦合金、高強(qiáng)度鋼、高溫合金等難加工金屬材料的高效去除及薄壁件加工。

（1）該加工方法以電火花加工為基礎(chǔ)，仍屬于無(wú)接觸、無(wú)宏觀切削力加工，可降低對(duì)設(shè)備剛性的要求。

（2）加工過(guò)程中引入新的蝕除能量——化學(xué)能，電火花放電在燒蝕加工中主要起到引燃和修整作用，材料蝕除的能量大部分來(lái)源于金屬材料自身的氧化放熱，顯著減少了電能消耗。

（3）該加工方式采用水（或水溶性介質(zhì)）和氧氣作為工作介質(zhì)，不存在環(huán)境污染和安全性問(wèn)題，符合未來(lái)加工技術(shù)的發(fā)展方向。

（4）可以發(fā)展為多種加工方式，以滿足不同的加工需求，在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

由于放電誘導(dǎo)燒蝕加工方法提出的時(shí)間不長(zhǎng)，因此還有許多機(jī)理及實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。在今后的發(fā)展中，也需要進(jìn)一步研究放電誘導(dǎo)燒蝕加工的控制策略，改進(jìn)燒蝕加工控制系統(tǒng)，增強(qiáng)放電間隙的在線檢測(cè)，提高自動(dòng)化水平和控制的精度。另外，其加工表面殘留的重熔層，表面微裂紋、物理化學(xué)性質(zhì)變化等對(duì)零件性能的影響也需進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化研究。

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