電極材料及極性對短電弧銑削鎳基高溫合金影響的研究*＊

許 燕 何巍楊 周建平 孫延龍

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

伴隨著工業(yè)水平的提高以及重大技術(shù)裝備的發(fā)展，具有高紅硬性、高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨等特性的新型材料也隨之出現(xiàn)，人們對機(jī)械零部件等的加工性能也有了更高的要求，短電弧銑削加工應(yīng)運(yùn)而生［1－2］。

短電弧銑削加工雖然已經(jīng)成功滿足航空航天、高鐵、船舶、核電等高端制造領(lǐng)域?qū)﹄y加工、復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬材料的高效加工，以及能源機(jī)械、農(nóng)牧機(jī)械、石油鉆采機(jī)械、工程機(jī)械發(fā)展的重大需求，但是在加工特性方面仍然存在一些還有待于進(jìn)一步分析與探究的問題［3］。比如，雖然加工效率較其他特種放電加工有所提高，但是加工后表面質(zhì)量還不夠高，工具電極還有一定的損耗，加工時(shí)是否存在極性效應(yīng)等［4－5］。

本文針對短電弧銑削加工工具電極材料以及極性效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，為后續(xù)加工以及短電弧銑削加工機(jī)理的分析起到參考推進(jìn)作用。

1 短電弧銑削加工工具電極材料的選取

短電弧銑削加工時(shí)，工具電極材料的選取直接關(guān)系到加工后工件表面質(zhì)量是否能有所提高以及工具電極損耗是否能夠降低，并且對加工時(shí)的穩(wěn)定性也有所影響［6］。因此短電弧銑削加工時(shí)工具電極材料應(yīng)滿足高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、小的熱膨脹系數(shù)、較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能［7－8］。

1.1 不同電極材料加工對試件表面質(zhì)量的影響

短電弧銑削加工中常規(guī)的工具電極材料有石墨、銅等電極，石墨相對其他常規(guī)電極材料而言電極損耗較小，但是強(qiáng)度不夠，加工時(shí)容易發(fā)生斷刀現(xiàn)象，而銅電極雖然滿足高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度要求，但是加工后的損耗卻相當(dāng)嚴(yán)重，為了使工具電極不僅具有好的導(dǎo)電率、足夠的強(qiáng)度以及較小的電極損耗，本文選取了鎢銅合金材料作為工具電極材料。鎢銅合金綜合了鎢和銅的優(yōu)點(diǎn)(如表1)，具有密度大、強(qiáng)度高、耐電弧燒蝕、耐高溫、加工時(shí)導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好。

表1 鎢、銅的物理性能

為了驗(yàn)證鎢銅合金是否適合短電弧銑削加工，本文選取了直徑18 mm，長115 mm的中空圓柱形電極，分別以銅、石墨、鎢銅作為工具電極材料進(jìn)行短電弧銑削加工。加工時(shí)采用新疆大學(xué)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的短電弧銑削機(jī)床，電源采用CHANT數(shù)字脈沖調(diào)頻電源，加工試件為35 mm×30 mm×10 mm的長方形鎳基高溫合金(GH4169)，實(shí)際現(xiàn)場加工如圖1所示。

試驗(yàn)中放電參數(shù)U=25 V，K=500 Hz，D=50%，非電參數(shù)(加工極性、工作介質(zhì)壓力、電極轉(zhuǎn)速等)保持一致，通過改變工具電極材料，宏觀觀察加工后各試件的表面質(zhì)量，如圖2所示。

從圖2可以看出，采用3種不同工具電極材料分別加工鎳基高溫合金后的試件表面質(zhì)量有明顯的差別。鎢銅作為工具電極加工后試件的表面質(zhì)量要好于常規(guī)的銅、石墨電極加工后的試件表面質(zhì)量。這是因?yàn)殒u銅合金材料本身具有良好的導(dǎo)電性以及足夠的強(qiáng)度，使加工時(shí)放電更加均勻，加工性能更好，且加工時(shí)的穩(wěn)定性也較銅和石墨有較大的改善。

1.2 不同電極材料加工后損耗對比分析

在短電弧銑削加工中，工具電極材料的物理性能對加工后電極相對損耗也有顯著的影響。因此有必要通過短電弧銑削加工實(shí)驗(yàn)分析出各種常用電極材料的優(yōu)缺點(diǎn)，從而選出在加工時(shí)性能表現(xiàn)較好的一種電極材料。加工后工具電極宏觀形貌如圖3所示。

由圖3可以得出，采用不同工具電極材料加工后，電極宏觀形貌有明顯的區(qū)別。相對于鎢銅合金電極，銅、石墨電極損耗要大很多。這是因?yàn)槎屉娀°娤骷庸な抢霉ぞ唠姌O與工件電極之間產(chǎn)生的受激發(fā)短電弧群組來達(dá)到熔融蝕除工件材料的目的。銅電極有較好的導(dǎo)電率，能產(chǎn)生更多有效的電弧，但是熔沸點(diǎn)較低，電極之間產(chǎn)生的熱效應(yīng)在蝕除工件材料的同時(shí)，也造成工具電極會有一定的損耗。而石墨電極不僅有高導(dǎo)電率，且熔沸點(diǎn)也較高，相比銅電極，電極的損耗有明顯的降低，但不足的是機(jī)械強(qiáng)度不夠高，加工速率過大時(shí)，會造成斷刀現(xiàn)象。鎢銅合金材料則綜合了鎢與銅的特性，從而具有優(yōu)良的綜合特性。從圖2、圖3也可以看出在鎢銅合金作為電極材料加工時(shí)，不僅可以獲得較好的試件表面質(zhì)量，也能使工具電極損耗保持在較低的范圍內(nèi)。

綜上所述，工具電極的損耗對試件的表面質(zhì)量以及加工精度都有一定的影響，短電弧銑削加工要盡可能降低工具電極損耗的同時(shí)提高加工表面質(zhì)量。通過對比試驗(yàn)可以初步得出，鎢銅合金材料能滿足加工要求，且加工性能較常規(guī)的紫銅、石墨電極材料均有較大提高。

2 短電弧銑削加工極性效應(yīng)

短電弧銑削加工主要是利用極間短電弧放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高能量來熔融蝕除工件材料，與此同時(shí)，工具電極也有一定的損耗，但是兩者的損耗程度有很大的差別。正常加工時(shí)，工件電極接脈沖電源正極，工具電極接脈沖電源負(fù)極，即正極性加工。在此條件下加工時(shí)，負(fù)極電子雖然質(zhì)量相比正極離子較小，但是短時(shí)間獲得的速度卻要比正離子大很多，因此電子轟擊在工件電極產(chǎn)生的能量比正極離子轟擊在工具電極上產(chǎn)生的能量大，相應(yīng)工件的蝕除量也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工具電極的蝕除量，如果采用負(fù)極性加工，則與之相反，工具電極的損耗顯著變大，而工件電極的蝕除量明顯降低。所以在短電弧銑削加工時(shí)，一般情況采用正極性加工。

為了進(jìn)一步研究在短電弧銑削加工過程中是否存在極性效應(yīng)及其作用規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了單因素實(shí)驗(yàn)，在電參數(shù)(脈沖電壓、脈沖頻率、占空比)，非電參數(shù)(工作介質(zhì)壓力、電極轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率)一定的條件下，改變加工的極性，來觀察短電弧銑削加工后的異同點(diǎn)，也為以后相關(guān)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供加工極性選擇的參考。

2.1 正、負(fù)極性工具電極損耗對比試驗(yàn)

前文實(shí)驗(yàn)表明，加工時(shí)要想獲得好的加工表面質(zhì)量，又要使電極損耗在極小的范圍內(nèi)，相比常規(guī)工具電極材料，采用鎢銅合金作為工具電極的材料是最優(yōu)的選擇。但是本實(shí)驗(yàn)要選擇即能保證較好的導(dǎo)電率，又能明確顯示出損耗量的工具電極，則石墨電極相對而言更適合此次試驗(yàn)的需求。

實(shí)驗(yàn)中的自變量因素分別取5組不同的數(shù)值，工作介質(zhì)壓力保持在0.5 MPa，電極轉(zhuǎn)速為800 r/min，進(jìn)給速率為100 mm/min，先進(jìn)行正極性加工，之后再進(jìn)行負(fù)極性加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以得出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，負(fù)極性加工時(shí)相對電極損耗比正極性加工時(shí)相對電極損耗要大，這是因?yàn)樨?fù)極性加工時(shí)，工件電極產(chǎn)生的電子以極高的速度轟擊工具電極，將動能轉(zhuǎn)化成熱能，形成瞬時(shí)的高溫，從而導(dǎo)致工具電極的損耗，相比正極性加工，正離子轟擊工具電極的動能較小，轉(zhuǎn)化的熱能也較小，工具電極的損耗也因之較小。加工后的工具電極損耗形貌(如圖4)也可以體現(xiàn)出這一點(diǎn)，負(fù)極性加工時(shí)，工具電極的損耗主要體現(xiàn)在軸向損耗，而正極性加工只是工具電極底部外圓端面損耗比較嚴(yán)重，軸向的損耗經(jīng)過試驗(yàn)后的測量可知幾乎可以忽略不計(jì)。

表2 正、負(fù)極性加工后工具電極損耗對比

2.2 正、負(fù)極性加工效率對比試驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)得知，極性效應(yīng)不僅體現(xiàn)在工具電極損耗程度上的不一樣，在加工效率方面也有所區(qū)別。加工后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正、負(fù)極性加工效率對比

由表3可知，采用正極性加工時(shí)，加工效率比采用負(fù)極性加工有顯著提升。一方面是由于負(fù)極性加工時(shí)工具電極損耗嚴(yán)重，不能形成穩(wěn)定性加工，往往在試件還沒有加工完成，工具電極的損耗已經(jīng)致使短電弧銑削加工的放電極間間隙大于產(chǎn)生電弧的最大距離，而導(dǎo)致加工中斷。由負(fù)極性加工后工件的宏觀形貌(如圖5)也可以看出，隨著加工電參數(shù)的增大，極間轉(zhuǎn)化的能量也隨之增大，在相應(yīng)提高加工效率的同時(shí)，工具電極的損耗也越來越大，單道實(shí)驗(yàn)的有效加工長度逐漸變小，且加工有效寬度也隨工具電極的損耗逐漸變窄，如圖5所示。

另一方面，正極性加工時(shí)，負(fù)電子以較大的動能轟擊工件，以致能量大部分集中作用在工件上，因此相比負(fù)極性加工，在加工效率方面有顯著提升。由圖6正極性單道實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出，由于工具電極損耗較小，工件加工后的有效長度、寬度變化很小，綜合加工性能均有所提升，能滿足加工要求。

3 結(jié)語

短電弧銑削加工時(shí)，工具電極材料對工件表面粗糙度、加工精度、加工效率等均有較大的影響，因此本文首先設(shè)計(jì)了一組簡單的單因素實(shí)驗(yàn)，即在保持各加工參數(shù)不變的條件下，改變電極材料，從而選出加工效果較好的工具電極材料。結(jié)果表明，鎢銅合金電極材料具有高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度、耐磨損，加工穩(wěn)定性好等良好的綜合性能，從而提高短電弧加工時(shí)的穩(wěn)定性，且降低了工具電極自身的損耗。

其次，本文從理論層面分析了短電弧銑削加工過程中極性效應(yīng)的產(chǎn)生，并通過正、負(fù)極性條件下的單因素單道實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在同等加工條件下，采用正極性加工會比采用負(fù)極性加工在加工效率方面會有很大提升，且工具電極自身損耗較之有明顯降低。