直流短電弧銑削加工GH4099的影響研究

李國松，周碧勝，周建平，馬森雄

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

GH4099是典型時效強化鎳基高溫合金，具有優異的高溫力學性能、組織穩定性能及抗氧化耐腐蝕性能[1]。目前，航空航天發動機的材料多半為鎳基高溫合金，GH4099還應用于擋板、加強筋、飛行器固定件及葉片等部件中[2-3]。由于該類零部件外形復雜，既具有高強度又具有高硬度，被認為是難切削的材料之一，而鎳基合金傳統機械加工又面臨切削力較大、切削溫度較高、刀具磨損比較嚴重等多種難題。

短電弧加工是一種低壓、大電流電弧加工方法，具有電弧柱內部溫度較高、去除效率高、重鑄層和熱影響層范圍可控等優點，已成為一種有效去除難加工材料的重要方法[4-6]。LIU等[7]提出直流短電弧銑削Ti6Al4V，相比采用脈沖電源其加工性能得到顯著改善，MRR超過了15 100 mm3/min。ZHOU 等[8]發現直流SEAM中石墨電極加工工件的熱影響層厚度最高，其次是銅、Q235鋼和鈦電極。王翔等人[9]通過直流SEAM加工45鋼，發現增大電壓，MRR提高，增大電極轉速，工件表面質量提高。張立等人[10]發現極間電化學生成的氧化膜對電極損耗有一定的補償，增大進給速度，工具電極損耗有所減少。CHEN 等[11]采用石墨加工鎳基高溫合金GH4169，發現負極性加工可以獲得較高的MRR和較低的TWR，而正極性加工可以獲得更好的表面質量。汪兵兵等[12]通過調整電源參數，發現占空比越大，表面粗糙度值越大，低電壓下TWR較大。張晟晟等[13]通過仿真與試驗分析，發現沖液壓力影響極間蝕除顆粒的分布情況，增大沖液壓力能夠改善工件的表面質量。

在直流短電弧銑削加工過程中，影響工件加工效率與加工質量的因素較多，本文作者通過單因素試驗探究了輸入電壓、主軸轉速以及沖液壓力對鎳基高溫合金(GH4099)的MRR、TWR、表面質量和金相組織的影響規律，確定短電弧銑削加工時各加工參數對表面質量的影響規律，為短電弧高效高質量加工GH4099提供必要的理論數據支撐。在高效去除的前提下，尋求最優的加工參數，以提高工件加工效率和表面質量。

1 試驗準備

1.1 試驗條件

試驗室工具電極采用管狀石墨，連接電源負極，工件材料采用GH4099高溫合金，連接電源正極。試驗變量為：輸入電壓、沖液壓力以及主軸轉速，以此為基礎探究直流短電弧銑削GH4099的材料去除率、電極相對損耗率、工件表面質量以及金相組織。

(1)試驗設備：試驗室用四軸短電弧數控銑削機床。

(2)工件材料：采用長40 mm、寬40 mm、厚度10 mm的GH4099板塊。

(3)工具電極：采用外徑18 mm、內徑8 mm的管狀石墨電極。

(4)檢測設備：DEWE soft SIRIUS多通道數據采集系統、高精密電子天平、超景深顯微鏡(VHX-S650E)、掃描電子顯微鏡(SEM、SU8010)、金相顯微鏡。

1.2 試驗方案

在直流短電弧銑削加工過程中影響工件加工效率與加工質量的因素較多，分別對輸入電壓、沖液壓力以及主軸轉速進行單因素試驗，探究不同加工參數對短電弧銑削鎳基合金GH4099的加工特性。以鎳基合金GH4099板件為工件陽極，空心管狀石墨電極為工具陰極，采用正極性加工方式(工件接正極，工具接負極)，銑削深度6 mm，銑削速度60 mm/min，通過單因素試驗對比分析輸入電壓、沖液壓力以及主軸轉速對直流短電弧銑削GH4099的材料去除率、相對電極損耗率、工件表面微觀形貌和金相組織的影響規律。其中材料去除率(MRR)和工具電極損耗率(TWR)計算如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

式中：W1為GH4099工件加工前質量，g；W2為GH4099工件加工后質量，g；t為加工時間，min；ρ為鎳基合金GH4099密度，8.47 g/cm3；V1為電極加工前質量，g；V2為電極加工后質量，g。詳細試驗參數如表1所示。

表1 試驗參數

2 試驗結果與分析

保持銑削深度6 mm、進給速度60 mm/min不變，通過單因素試驗探究不同輸入電壓、主軸轉速以及沖液壓力對短電弧銑削加工GH4099的MRR、TWR、工件表面微觀形貌和金相組織的影響規律。

2.1 MRR和TWR分析

輸入電壓對MRR和TWR的影響曲線如圖1(a)所示。由于采用15 V電壓加工時，放電能量不足導致電極撞刀斷裂，因此無法計算δMRR和δTWR。從圖中分析可得，直流短電弧加工時，MRR隨著輸入電壓的增大先增大后減小，這是由于升高電壓，加工極間放電能量較大，因此MRR較大；但當電壓過高時，由于極間排屑能力較差，大量蝕除產物堆積在工件表面，造成MRR減小。TWR隨著輸入電壓的增大先減小后增大，這是由于低電壓加工時，極間放電能量不足導致電極與工件接觸的概率較高，易發生短路與碰撞的情況；但在高電壓加工時，由于放電能量較大，材料去除率增大，冷卻后的金屬熔滴在高速沖液下向外飛濺碰撞工具電極，又會導致電極損耗變大。

圖1 不同參數下的MRR和TWR曲線

主軸轉速對MRR和TWR的影響曲線如圖1(b)所示。可知：隨著主軸轉速的增大，MRR逐漸減小，TWR逐漸增大。工具電極的轉速隨主軸轉速的增大而增大，導致單位時間內電極相對工件的位移變大，加工時極間放電通道極易被機械斷弧。因此在其他參數不變的情況下，增大主軸轉速，極間單次放電能量變小，電極和工件材料表面機械碰撞磨損的概率增加，導致MRR隨主軸轉速的增大而變小，最大值為6 350 mm3/min；TWR隨主軸轉速的增大而變大，最大值達到1.26%。

沖液壓力對MRR和TWR的影響曲線如圖1(c)所示。可知：隨著沖液壓力的增大，MRR先變大后變小；而TWR卻是先變小后變大。在直流短電弧加工中，由于放電間隙非常小，當沖液壓力小于0.3 MPa時，廢屑未能盡早排出，從而導致加工過程二次放電現象頻發，更易出現短路情況。為了深入分析沖液壓力對銑削加工時的放電過程的影響規律，利用DEWE soft SIRIUS多通道數據采集系統記錄了0.3 MPa和0.4 MPa沖液壓力下的極間放電波形，如圖2和圖3所示。通過對比分析，0.3 MPa沖液壓力下的電流均值較高，電流最高可達900 A，由此可知，此時的放電通道能量較高且放電相對穩定。而0.4 MPa時的最高電流僅為600 A，且電流均值相對較低，這是因為高速沖液壓力過大會破壞極間穩定的放電通道，以至于不穩定放電現象變多，電流均值因此變低，極間放電能量減小，材料去除率降低，因此電極與工件的機械碰撞磨損的概率變大。因此，短電弧銑削GH4099沖液壓力宜采用0.3 MPa進行加工。

圖2 沖液壓力為0.3 MPa時的加工波形

圖3 沖液壓力為0.4 MPa時的加工波形

2.2 工件表面質量微觀分析

為進一步探討直流短電弧銑削GH4099的表面質量，將試驗加工工件電火花線切割成塊，再通過超景深顯微鏡(VHX-S650E)及掃描電子顯微鏡(SEM、SU8010)觀測工件表面微觀形貌。

2.2.1 輸入電壓對工件微觀形貌的影響

在直流短電弧銑削加工中，影響材料去除和工件表面質量的主要參數即為輸入電壓，它對工件表面微觀形貌的影響如圖4所示。可知：輸入電壓為20 V(圖4(a1))和35 V(圖4(b1))時的工件表面波峰波谷極差分別為573.14 μm和1 039.90 μm，增大輸入電壓工件表面極差變大，工件表面質量變差。在掃描電鏡(SEM)下，輸入電壓為20 V(圖4(a2))時，工件表面較為光滑平整，且微孔、凹坑和球狀體等缺陷也較少；輸入電壓為35 V(圖4(b2))時，工件表面不規則沖蝕孔洞較大，且周圍分布有微裂紋和微孔以及大量球狀體，工件表面質量相對較差。這是由于增大電壓，放電能量變大，熔融材料相應變多，金屬廢屑熔融爆裂產生電蝕凹坑的寬度及深度范圍也因此變大，若沖液不及時，熔融廢屑冷卻附著于工件表面，MRR因此變小，工件表面質量變差。

圖4 輸入電壓對工件微觀形貌的影響

2.2.2 沖液壓力對工件微觀形貌的影響

沖液壓力對工件表面微觀形貌的影響如圖5所示，可知：沖液壓力為0.1 MPa(圖5(a1))和沖液壓力0.4 MPa(圖5(b1))時的工件表面波峰波谷極差分別為764.94 μm和598.82 μm。蝕除顆粒在高速沖液的作用下被及時沖出加工間隙，避免了熔滴附著于工件表面，因此增大沖液壓力能夠有效改善極間工作環境，提高工件表面質量。對比圖5(a2)和圖5(b2)，當沖液壓力為0.1 MPa時，工件表面帶有較大的球狀體、微裂紋以及微孔群，這是因為沖液壓力過小，導致未及時排出的蝕除產物冷卻附著在工件表面。沖液壓力增大至0.4 MPa時，熔融材料被迅速帶離加工間隙，僅有較少部分落于工件表面，因此工件表面幾乎沒有微裂紋，球狀體也相對較小。同時，增大沖液壓力，也會加速極間氣泡的破裂速度，產生劇烈的沖擊力將熔融材料噴向工件表面，形成較多的沖蝕孔洞。這說明增大沖液壓力會減少工件表面的微裂紋和球狀體的數量，但沖液壓力過大又會產生較多的沖蝕孔洞。

圖5 沖液壓力對工件微觀形貌的影響

2.2.3 主軸轉速對工件微觀形貌的影響

直流短電弧銑削加工時，電極旋轉有利于放電通道機械斷弧，促進極間介質的消電離，使放電加工穩定進行，提高工件的表面質量。主軸轉速對工件表面微觀質量的影響如圖6所示。主軸帶動電極旋轉，放電間隙電弧因此被機械拉斷，在持續放電過程中又產生新的電弧，并均勻分布于工件上，避免了連續放電導致的燒灼現象。由圖6(a1)和圖6(b1)可以看出：當電極轉速為600 r/min和1 500 r/min時，工件表面波峰波谷極差分別為1 230.82 μm和363.18 μm，增大電極轉速工件表面峰谷極差減小，表面質量有所提高。電極轉動能夠帶動蝕除顆粒的拋出，避免熔融液滴附著于工件表面，有效改善極間環境，提高工件的表面質量。對比工件表面形貌SEM圖6(a2)和圖6(b2)可得：相比轉速為600 r/min的工件表面，轉速為1 500 r/min時的更加光滑平整，且微孔、微裂紋和凹坑等缺陷較少，因此提高電極轉速可以有效改善工件表面質量。

圖6 主軸轉速對工件微觀形貌的影響

2.3 金相組織分析

短電弧銑削加工時，極間放電產生的能量熔融去除GH4099工件表面材料，在釋放大部分熱量后，還有部分余熱進入工件內部，導致其內部金相組織和基體發生變化。圖7(a)和圖7(b)分別顯示了直流正極性(輸入電壓20 V和30 V)SEAM后GH4099橫截面的金相組織，可以觀察到明顯的再鑄層、熱影響層和基體，不同加工條件下斷面特征差異較大。輸入電壓20 V顯示出與表面緊密附著的淺再鑄層，熱影響層深度變化程度低，對應的深度分布均勻；輸入電壓30 V的熱影響層變化較為明顯且深度不均，范圍在100～120 μm之間，這是由于增大電壓，極間放電能量較大，材料蝕除后的熱影響層范圍因此較深。

圖7 不同電壓下GH4099加工后的金相組織

3 結語

文中針對不同參數的輸入電壓、沖液壓力和主軸轉速對短電弧銑削鎳基合金GH4099的加工性能影響進行了試驗研究，結果表明：

(1)隨著輸入電壓和沖液壓力的增大，材料去除率呈現先增大后減小的趨勢，相對電極損耗率呈現先減小后增大的趨勢；隨著主軸轉速的增大，材料去除率呈現減小的趨勢，相對電極損耗率呈現增大的趨勢。

(2)適當提高沖液壓力，能夠降低加工中的短路現象，減少工件表面的微裂紋和球狀體的數量，有利于提高工件表面完整性，但沖液壓力過大又會產生較多的沖蝕孔洞，降低工件表面質量。

(3)增大主軸轉速，工件表面更加光滑平整，且微孔、微裂紋和凹坑等缺陷較少，可以有效改善工件表面質量，但轉速過大，電極損耗也相應變大，因此在精加工時可適當提高主軸轉速，但也不宜過大。試驗發現：輸入電壓25 V、沖液壓力0.2 MPa和主軸轉速600 r/min時材料去除率最大，為6 350 mm3/min。

(4)通過分析金相組織，發現：輸入電壓30 V比20 V的熱影響層更明顯且深度不均，范圍在100～120 μm。