武鑫磊，劉永紅，亓梁，趙蒞龍，紀(jì)仁杰

中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266580

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，高溫合金、鈦合金和金屬基復(fù)合材料等多種難加工材料在航空航天、軍事工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。以鎳基高溫合金為例，由于其出色的耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)、高硬等特性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣、渦輪盤、渦輪葉片、整體葉盤等關(guān)鍵零部件上。對(duì)鎳基高溫合金常用的加工方法是機(jī)械銑削。但正由于其高強(qiáng)高硬的特性，使用傳統(tǒng)機(jī)械銑削方法加工時(shí)存在著一些困難。一方面，機(jī)械銑削切削力較大，使得加工效率較低；另一方面，機(jī)械銑削時(shí)切削溫度較高，高溫合金在高溫下呈高硬度的特點(diǎn)導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，加工成本較高。特別是對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整體成型零件來說，要求的零件去除率較高，使上述問題變得更加突出。

針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究工作。Singh等使用微量潤(rùn)滑方法對(duì)鎳基高溫合金Inconel718進(jìn)行了銑削試驗(yàn)研究，結(jié)合粒子群優(yōu)化和細(xì)菌覓食優(yōu)化算法優(yōu)化了進(jìn)給速度、切削速度和切削深度等參數(shù)，有效減少了刀具磨損。劉均偉分別使用陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具，探究了高速切削鎳基高溫合金Inconel718過程中切削速度、切削深度和進(jìn)給量對(duì)加工效果的影響。羅凱使用有限元仿真方法得到了高速銑削高溫合金切削用量的優(yōu)化方案，并與實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。?elik等使用新型SiAlON陶瓷和TiN增強(qiáng)復(fù)合材料制備了整體銑刀，對(duì)鎳基高溫合金Inconel718進(jìn)行了高速側(cè)銑，并研究了刀具的磨損機(jī)理。復(fù)合材料銑刀的銑削速度達(dá)到了585 m/min，該速度約為硬質(zhì)合金刀具的10倍。Ming等研究了使用SiAlON陶瓷刀具在銑削加工粉末冶金高溫合金FGH96時(shí)，工藝參數(shù)對(duì)切削性能的影響，以及該陶瓷刀具加工時(shí)的磨損機(jī)理，銑削速度超過了315 m/min。Kursuncu等使用多層納米復(fù)合硬質(zhì)涂層和低溫?zé)崽幚砀纳屏擞操|(zhì)合金刀具在銑削Inconel718合金時(shí)的切削性能。

盡管高速銑削方法有效地提高了高溫合金的加工效率，但由于其刀具成本較高，并且加工時(shí)產(chǎn)生的大量的熱無法避免，在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中存在著一定限制。電火花銑削(ED milling, Electrical Discharge milling)方法具有無切削力、不受被加工材料的強(qiáng)度和硬度所限、刀具成本低等優(yōu)點(diǎn)。一些學(xué)者使用電火花銑削方法對(duì)高溫合金等難切削材料進(jìn)行了嘗試。劉志東等人提出了功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕銑削方法，其將工件加工過程中燃燒氧化產(chǎn)生的熱量用于金屬的可控蝕除。徐安陽等發(fā)現(xiàn)該方法在加工鎳基高溫合金GH4169時(shí)，材料去除率可達(dá)112 mm/min。

然而，由于電火花銑削方法能量較低，導(dǎo)致材料去除率較低，無法實(shí)現(xiàn)高溫合金等難切削材料的快速去除。許多學(xué)者對(duì)高效電火花銑削(HSED milling, High Speed Electrical Discharge milling)方法和電弧銑削(Arc milling)方法進(jìn)行了研究。Zhu等提出了一種超聲輔助高效電火花加工技術(shù)，利用超聲振動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)超大加速度使得熔融的材料更容易被拋出加工表面，加工W9Mo3Cr4V高速鋼時(shí)材料去除率達(dá)到8 565 mm/min。Zhao等提出了一種高速電弧加工方法，對(duì)電弧放電銑削的加工機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了材料高速蝕除的機(jī)理。Farhadi等基于此提出了一種電弧掃描銑削方法，使用多孔石墨電極，有效提高了加工葉盤復(fù)雜流道的材料去除率。Jia等針對(duì)帶冠整體渦輪盤的高效電火花加工提出了一種電極設(shè)計(jì)方法。在滿足渦輪盤的主要幾何參數(shù)和粗加工的余量要求的前提下，該方法可以盡可能多地去除材料，保證了加工的穩(wěn)定性。Kou和Han提出了一種基于移動(dòng)電弧的高速電火花銑削方法，對(duì)電弧銑削鈦合金的加工機(jī)理及工藝進(jìn)行了研究。其使用的直流電弧能量較低，盡管材料去除率相比傳統(tǒng)電火花銑削方法有所提高，但較生產(chǎn)實(shí)際要求仍有一定差距。Joshi等提出的脈沖磁場(chǎng)輔助干式電火花加工方法，利用脈沖磁場(chǎng)的輔助作用改善了加工工件的表面質(zhì)量，也在一定程度上提高了材料去除率，但脈沖磁場(chǎng)可能會(huì)對(duì)控制電路產(chǎn)生干擾。Wang等提出的電弧電火花復(fù)合加工方法大幅提高了材料去除率，但其使用的水基乳化工作液在生產(chǎn)過程中會(huì)釋放出一些有害氣體。Shen等提出的準(zhǔn)干式高效電火花加工方法在一定程度上改善了碎屑的排出，但會(huì)在工件表面造成大量的微裂紋，而且加工時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的熱。

基于以上原因，開展了使用電火花輔助電弧高效銑削(EDAAM, Electrical Discharge Assisted Arc Milling)技術(shù)對(duì)鎳基高溫合金GH4169材料進(jìn)行銑削加工的研究工作。使用工具電極內(nèi)沖液、外沖氣的沖液方式，研究了峰值電流、擊穿電壓、脈沖寬度等電參數(shù)，以及電極轉(zhuǎn)速、沖氣壓力等非電參數(shù)對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率、加工誤差及加工表面質(zhì)量等的影響，揭示了電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)的加工工藝規(guī)律和工件加工表面的微觀結(jié)構(gòu)特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備與參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的電火花輔助電弧高效銑削數(shù)控機(jī)床為自行研制，主要由伺服運(yùn)動(dòng)模塊、復(fù)合沖注模塊和專用脈沖電源構(gòu)成，原理圖如圖1所示，實(shí)物圖和實(shí)際的放電加工過程如圖2所示。

伺服運(yùn)動(dòng)模塊用來實(shí)現(xiàn)正常的方向伺服進(jìn)給和主軸旋轉(zhuǎn)功能，并且可以根據(jù)間隙電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)伺服速度和進(jìn)給回退。復(fù)合沖注模塊由工具電極外沖工作介質(zhì)和內(nèi)沖工作介質(zhì)兩部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)加工過程中工作介質(zhì)的復(fù)合沖注。專用脈沖電源是實(shí)現(xiàn)電火花輔助電弧高效銑削功能的重要部分，用以提供放電能量。

圖1 電火花輔助電弧銑削機(jī)床原理圖Fig.1 Schematic diagram of EDAAM machine tool

圖2 電火花輔助電弧銑削機(jī)床實(shí)物圖和加工過程Fig.2 Photograph and actual machining process of EDAAM machine tool

電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)結(jié)合了電火花銑削技術(shù)和電弧銑削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。高壓低能電火花脈沖模塊用于擊穿放電間隙，在工具電極和工件之間形成放電等離子通道，為大能量電弧放電提供能量傳輸通道。低壓高能電弧脈沖模塊用于提供放電能量，在電火花模塊的輔助作用下，實(shí)現(xiàn)大能量的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效加工。電火花輔助電弧高效銑削加工過程的脈沖電源典型復(fù)合波形圖如圖3所示，其中為極間電壓，為極間電流，為放電時(shí)間。波形采集裝置所使用的采集頻率為100 kHz，電火花擊穿模塊的脈沖寬度、脈沖間隔均為100 μs，電弧放電模塊的脈沖寬度、脈沖間隔均為1.5 ms。

圖3(a)所示為電火花輔助電弧高效銑削的空載狀態(tài)。在復(fù)合波形的脈寬部分，電弧脈寬與擊穿電壓疊加，復(fù)合波形呈高壓狀態(tài)；在脈間部分，電弧脈間與擊穿電壓復(fù)合，僅有擊穿電壓。圖3(b)所示為火花放電狀態(tài)。在擊穿延時(shí)內(nèi)，極間電介質(zhì)被電火花高壓擊穿模塊擊穿，形成等離子通道，而后電壓迅速下降，輔助電弧低壓高能模塊實(shí)現(xiàn)放電去除材料。圖3(c)所示為電弧放電狀態(tài)。脈寬部分無擊穿延時(shí)，極間電壓始終處于較低狀態(tài)，脈沖電源提供的全部能量都被用于材料去除；脈間部分僅有擊穿電壓。圖3(d)所示為加工過程中可能出現(xiàn)的短路狀態(tài)。該狀態(tài)下電流較高、電壓較低，會(huì)對(duì)工件和工具電極造成燒蝕損傷。這往往是由于進(jìn)給速度不合適、沖液不及時(shí)等原因造成的，應(yīng)盡力避免。實(shí)際加工時(shí)，在合適的加工參數(shù)下，短路狀態(tài)產(chǎn)生的概率較低。

圖3 電火花輔助電弧銑削典型電源波形圖Fig.3 Typical waveform of EDAAM power supply

選定火花放電和電弧放電階段為有效脈沖，將放電概率定為有效脈沖數(shù)與總脈沖數(shù)的比值。使用波形采集裝置每次定時(shí)采集2 000個(gè)放電脈沖波形。經(jīng)測(cè)算，放電概率一般在60%左右。適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度可以有效避免短路與空載，從而使放電概率達(dá)到80%以上。

1.2 試驗(yàn)方法與參數(shù)

使用尺寸為外徑10 mm、內(nèi)徑4 mm的高純石墨電極，作為工具電極；將鎳基高溫合金線切割加工為100 mm×100 mm×5 mm的樣件，作為加工工件。工具電極和工件分別連接在專用脈沖電源的兩極。加工過程采用分層銑削的方法，編寫運(yùn)動(dòng)程序，使用工具電極在工件樣件上銑削出80 mm×10 mm×3 mm的凹槽。

在加工前后，對(duì)工具電極和工件進(jìn)行處理后稱重。處理方法包括使用超聲波清洗儀進(jìn)行表面清潔和使用電熱恒溫干燥箱進(jìn)行干燥。加工時(shí)間使用數(shù)控系統(tǒng)中編寫的自動(dòng)計(jì)時(shí)軟件進(jìn)行測(cè)量。由于電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)的固有特點(diǎn)，在加工時(shí)在工具電極和工件間存在著加工間隙，同時(shí)工具電極還會(huì)產(chǎn)生損耗，因此實(shí)際尺寸和理論尺寸相比會(huì)有誤差，在加工規(guī)劃時(shí)需要預(yù)留一定的加工余量。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件加工后的實(shí)際寬度與理論寬度間差值，計(jì)算平均值，得到加工誤差(Machining Error)。為減少隨機(jī)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，即可計(jì)算得到材料去除率(Material Removal Rate,MRR)、電極相對(duì)損耗率(Relative Electrode Wear Rate,REWR)和加工誤差3個(gè)主要的工藝效果表征參數(shù)，材料去除率和電極相對(duì)損耗率計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：為材料去除率；為電極相對(duì)損耗率；和分別為加工前后的工件質(zhì)量；和分別為加工前后的工具電極質(zhì)量；和分別為工件和工具電極的密度；為加工時(shí)間。

使用電火花線切割方法獲得工件被加工部位的橫截面，經(jīng)過鑲樣、研磨、拋光和腐蝕處理后使用金相顯微鏡觀察重鑄層圖像。使用掃描電子顯微鏡(SEM, Scanning Electron Microscope)獲得加工后工件的表面微觀形貌圖像，使用能量色散譜儀(EDS, Energy-Dispersive Spectroscopy)獲得加工后工件表面的元素分布。

在傳統(tǒng)的電火花加工中，往往采用煤油基或含油的水基工作液作為工作介質(zhì)，在高溫下會(huì)產(chǎn)生烴類副產(chǎn)物，如未經(jīng)處理會(huì)不可避免地產(chǎn)生污染。經(jīng)過初步試驗(yàn)，電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)使用去離子水和空氣作為工作介質(zhì)也可以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的放電加工。去離子水和空氣來源豐富、成本低廉，其副產(chǎn)物也無污染。特別地，去離子水的冷卻性能比空氣高，使用內(nèi)沖注去離子水，可以有效冷卻被放電去除的工件碎屑，在工具電極的高速旋轉(zhuǎn)共同作用下，實(shí)現(xiàn)電弧的斷弧、加工間隙的冷卻和工作介質(zhì)的排出；使用外沖注壓縮空氣，一方面相比于外沖注去離子水，可以形成一定的壓差便于碎屑排出，另一方面可以減少重鑄層厚度，改善加工質(zhì)量。因此，本文的沖注方式選擇為內(nèi)沖去離子水、外沖空氣方式。

試驗(yàn)中使用的主要加工參數(shù)如表1所示。在研究某一變量對(duì)加工效果的影響時(shí)，該變量取表1中對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍，其他變量均取表1中的默認(rèn)值。

表1 使用的主要加工參數(shù)Table 1 Main processing parameters used

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工藝性能

2.1.1 電弧模塊峰值電流的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)中電弧模塊峰值電流對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率和加工誤差的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電弧模塊峰值電流對(duì)放電加工的影響Fig.4 Influence of arc peak current on EDAAM

材料去除率和加工誤差均隨電弧峰值電流的增大逐漸變大，電極相對(duì)損耗率的變化不大。電弧峰值電流的增大，會(huì)導(dǎo)致加載在工件和工具電極間的能量變大。既會(huì)使放電蝕除的工件材料變多，也會(huì)增大對(duì)工件材料的熱影響范圍，綜合影響使得材料去除率和加工誤差變大。電極相對(duì)損耗率的變化幅度在0.1%左右，變化范圍較小。

2.1.2 電火花模塊擊穿電壓的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)中電火花模塊擊穿電壓對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率和加工誤差的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電火花模塊擊穿電壓對(duì)放電加工的影響Fig.5 Influence of breakdown voltage on EDAAM

擊穿電壓較低時(shí)，材料去除率和加工誤差較低，電極相對(duì)損耗率較高。這是因?yàn)楫?dāng)擊穿電壓低至不足以有效擊穿放電間隙時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻繁的短路回退現(xiàn)象，甚至過流損傷工件和工具電極。既無法正常放電，影響材料去除率；又會(huì)對(duì)石墨電極“干磨”，降低電極的使用壽命。特別地，當(dāng)擊穿電壓為零時(shí)，高壓低能電火花模塊不能正常工作，更加劇了短路現(xiàn)象的產(chǎn)生。提高擊穿電壓，短路現(xiàn)象會(huì)得到改善。當(dāng)擊穿電壓提高到一定數(shù)值后，放電加工趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為隨著擊穿電壓的增加，材料去除率先上升后穩(wěn)定。這也說明了在放電加工周期開始時(shí)高壓低能電火花模塊擊穿放電間隙的重要性。當(dāng)擊穿電壓繼續(xù)升高至200 V以上時(shí)，各個(gè)參數(shù)都趨于穩(wěn)定。合適的擊穿電壓可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募庸らg隙，保證電火花輔助電弧高效銑削放電加工的正常進(jìn)行，因此并不需要過高的擊穿電壓。擊穿電壓的增加會(huì)使得加工間隙變大，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)邊加工材料變多，加工誤差也隨之增加。

2.1.3 電弧模塊脈沖寬度的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)中電弧模塊脈沖寬度對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率和加工誤差的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電弧模塊脈沖寬度對(duì)放電加工的影響Fig.6 Influence of arc pulse width on EDAAM

材料去除率和加工誤差隨著電弧模塊脈沖寬度的增大而增大。在脈沖間隔不變的情況下，脈沖寬度的增大會(huì)使占空比增大，進(jìn)而使電弧模塊產(chǎn)生的能量變多。因此，隨著脈沖寬度的增大，放電能量也隨之變大，相同時(shí)間內(nèi)可以蝕除更多的工件材料，生成更多的熔融顆粒。在工具電極內(nèi)沖液介質(zhì)的快速冷卻和沖刷作用下，材料去除率和加工誤差隨之變大。電極相對(duì)損耗率基本不受脈沖寬度的影響。

2.1.4 工具電極轉(zhuǎn)速的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)中工具電極轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率和加工誤差的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 工具電極轉(zhuǎn)速對(duì)放電加工的影響Fig.7 Influence of electrode speed on EDAAM

在電火花輔助電弧高效銑削加工中，工具電極高速旋轉(zhuǎn)的目的主要有兩個(gè)。一是在工具電極的高速旋轉(zhuǎn)和工作介質(zhì)的快速冷卻沖刷的綜合作用下，便于加工間隙所產(chǎn)生電弧的斷弧和熔融產(chǎn)物的排出；二是使工具電極的損耗盡量均勻，從而保證加工精度。

從圖7中可以看出，隨著工具電極轉(zhuǎn)速的增大，材料去除率先略微增大，而后減小。當(dāng)工具電極轉(zhuǎn)速∈(1 000, 1 500)r/min時(shí)材料去除率的減小幅度較大。在工具電極的高速旋轉(zhuǎn)下，放電通道會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，拉長(zhǎng)放電電弧。當(dāng)電極轉(zhuǎn)速較低時(shí)，斷弧的積極作用較大，同時(shí)促進(jìn)了排屑。當(dāng)工具電極轉(zhuǎn)速較高時(shí)，頻繁的斷弧可能導(dǎo)致電弧的不充分放電，進(jìn)而降低了材料去除率和加工誤差。但總體來講，工具電極轉(zhuǎn)速的影響沒有電弧模塊峰值電流和脈沖寬度的影響大。電極相對(duì)損耗率基本不受電極轉(zhuǎn)速的影響。

2.1.5 沖氣壓力的影響

研究電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)中工具電極外沖氣壓力對(duì)材料去除率、電極相對(duì)損耗率和加工誤差的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 外沖氣壓力對(duì)放電加工的影響Fig.8 Influence of air pressure on EDAAM

材料去除率隨著外沖氣壓力增加略呈下降趨勢(shì)，且下降幅度不大。高速壓縮空氣的加入一定程度上促進(jìn)了工件材料的熔融，但同時(shí)帶氣液體的冷卻效果變?nèi)?，容易使熔融材料在工件表面再固化，綜合作用使得材料去除率變化不大。加工誤差隨著外沖氣壓力的增大逐漸變小。這是因?yàn)楦咚賶嚎s氣體沖入加工間隙后，改變了間隙內(nèi)放電通道的環(huán)境，電弧弧柱的單位密度變小，形成的放電坑表面變大、深度變淺，導(dǎo)致熱影響區(qū)變薄。電極相對(duì)損耗率也隨之變小，這是因?yàn)閱未畏烹姇r(shí)電極被蝕除的材料變少，加工過程中熔融的工件材料也更容易粘附在了電極表面，對(duì)電極損耗有一定的補(bǔ)償作用。

綜合來看，電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)采用工具電極內(nèi)沖液、外沖氣的工作介質(zhì)沖注方法兼顧了材料去除率和加工效果。在外沖氣體的作用下，可以使加工誤差減小，有利于加工精度的提高。

2.2 微觀特性

2.2.1 樣件重鑄層顯微形貌

對(duì)電火花輔助電弧高效銑削加工后的工件，進(jìn)行處理后在金相顯微鏡下放大200倍觀察樣件截面的重鑄層，如圖9所示。其中，圖9(b)為比例尺，圖9(a)、圖9(c)、圖9(d)、圖9(e)、圖9(f)分別為銑槽的左側(cè)上方、右側(cè)上方、左側(cè)下方、底面、右側(cè)下方截面圖。

觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)，在左右兩側(cè)上方均存在著較厚的重鑄層，其厚度分別約為130 μm和250 μm；而左右兩側(cè)下方的重鑄層較薄，其厚度分別約為50 μm和100 μm；底面的重鑄層厚度約為40 μm。重鑄層在上方的厚度與下方相比，整體較厚。熔融材料從底面排出時(shí)，在液體工作介質(zhì)沖刷冷卻和氣體工作介質(zhì)的綜合作用下，容易在上側(cè)面產(chǎn)生堆積，導(dǎo)致碎屑黏連在加工表面形成較厚的重鑄層。通過對(duì)比還可以看出，右側(cè)的重鑄層厚度約為左側(cè)相同部位的兩倍。在本試驗(yàn)中設(shè)置的工具電極旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，工具電極的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)使得工作介質(zhì)的流場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)熔融材料從一側(cè)排出。如果要保證兩側(cè)重鑄層厚度一致，可以考慮在不同的分步加工階段調(diào)整工具電極的旋轉(zhuǎn)方向。

圖9 樣件重鑄層顯微形貌圖Fig.9 Micrograph of resolidified layer of workpiece sample

2.2.2 樣件表面微觀形貌

對(duì)電火花輔助電弧高效銑削加工后的工件，進(jìn)行處理后使用SEM觀測(cè)樣件表面微觀形貌，結(jié)果如圖10所示。

圖10 樣件表面微觀形貌圖Fig.10 Micro morphology of workpiece sample surface

圖10(a)所示為放大50倍的表面微觀形貌圖?？梢钥吹?，在加工后的工件表面，放電坑尺寸較大，存在多個(gè)放電坑疊加在一起的現(xiàn)象。圖10(b)所示為放大100倍的照片，可以看到在工件表面有較多熔融材料，并且黏連在一起。熔融材料在內(nèi)沖液、外沖氣的工作介質(zhì)冷卻和沖刷作用下，大部分被排出加工間隙，一部分附在工件表面，形成小顆粒。圖10(c)為放大1 000倍的照片，可以看到在工件表面存在微裂紋和氣孔。在工具電極高速旋轉(zhuǎn)和液體工作介質(zhì)的快速冷卻下，等離子放電通道發(fā)生斷裂，加工表面產(chǎn)生了應(yīng)力集中和曲率變化，導(dǎo)致了微裂紋和氣孔的出現(xiàn)。

2.2.3 樣件表面元素分布

對(duì)電火花輔助電弧高效銑削加工后的鎳基高溫合金工件，在處理后使用EDS觀測(cè)表面元素分布，結(jié)果如圖11和表2所示。

基體本身不含O元素，而其加工表面有O元素存在，這說明該加工方法在工件表面引入了O元素，證明在放電過程中發(fā)生了氧化反應(yīng)。此外，Ni、Fe等元素的相對(duì)含量都降低了。電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)導(dǎo)致了鎳基高溫合金工件表面元素含量分布的變化。

圖11 加工后工件表面元素分布Fig.11 Element distribution of workpiece surface after EDAAM

表2 工件表面元素分布質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass fraction of elements on workpiece surface 單位：wt%

2.3 較優(yōu)參數(shù)及樣件加工

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，如需得到最大的材料去除率，可以采用的較優(yōu)參數(shù)如表3中第1組所示。經(jīng)試驗(yàn)，使用該組參數(shù)加工鎳基高溫合金的材料去除率可達(dá)11 523 mm/min，電極相對(duì)損耗率為1.5%，但加工表面粗糙度較差，需要進(jìn)一步修整。在實(shí)際加工中，可以根據(jù)材料去除率和加工質(zhì)量要求調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。特別地，在材料去除率較高時(shí)，要預(yù)留一定的加工余量。

表3 EDAAM較優(yōu)加工參數(shù)Table 3 Better processing parameters of EDAAM

使用電火花輔助電弧高速銑削技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)募庸?shù)加工鎳基高溫合金GH4169得到的某零件樣件如圖12所示。加工所用工具電極包括外徑為10 mm和8 mm、內(nèi)徑為4 mm的高純石墨電極。在該樣件的粗加工階段，采用表3中的第1組加工參數(shù)進(jìn)行加工，使用較高的進(jìn)給速度；在半精加工階段，采用表3中的第2組加工參數(shù)進(jìn)行加工，使用較低的進(jìn)給速度。

圖12 使用電火花輔助電弧高速銑削技術(shù)加工的 某零件樣件Fig.12 A sample part of nickel-based superalloy machined by EDAAM

3 結(jié) 論

1) 使用電火花輔助電弧高效銑削技術(shù)可以有效地加工鎳基高溫合金，在適當(dāng)?shù)募庸?shù)下材料去除率可達(dá)11 523 mm/min，電極相對(duì)損耗率僅1.5%。

2) 工具電極內(nèi)沖去離子水和外沖壓縮空氣的綜合作用會(huì)對(duì)材料去除率、工件表面質(zhì)量和加工精度產(chǎn)生影響。

3) 峰值電流對(duì)材料去除率的影響最大，其次是脈沖寬度。適當(dāng)?shù)碾姌O轉(zhuǎn)速和沖氣壓力可以保證加工的正常進(jìn)行。

4) 短路現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響電極損耗，使得電極相對(duì)損耗率變高，影響加工進(jìn)度。當(dāng)頻繁出現(xiàn)短路時(shí)，可通過提高擊穿電壓、峰值電流和工具電極內(nèi)外沖注壓力等途徑調(diào)節(jié)加工參數(shù)。