鈦合金微銑削輔助電解復合加工試驗研究

汪思鵬，何亞峰,，郭 魂,，魏志宏，徐 波

（ 1. 安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2. 常州工學院，江蘇 常州 213032 ）

鈦合金材料具有密度小、比強度高、抗腐蝕性強等優良性能， 廣泛應用于航空航天、 醫療器械等領域。 相較于其他材料， 采用傳統切削方法加工鈦合金時易導致刀具的崩刃和磨損， 同時由于切削力的作用會使零件產生變形。相比于傳統切削加工，采用電解加工時工具陰極與工件陽極不直接接觸， 具有無殘余應力、無熱應力、無毛刺、刀具無磨損等優點，被認為是解決鈦合金等難加工金屬材料加工的一種有效手段。因此，國內外學者針對鈦合金的電解加工做了大量研究。

在電解加工中工具陰極的幾何形狀、 加工工藝參數、電解液類型是影響加工結果的關鍵因素。崔振等[1]設計了三種具有不同底部出液孔形式的工具陰極，并進行多組參數下的TiB2/7050 鋁基復合材料電解銑削試驗，發現在出液孔開孔方式、開孔數量、開孔面積相同的情況下，提高底部出液孔分布的均勻性可有效提高加工效率。 Liu 等[2]通過試驗和數值仿真研究發現在電解加工TB6 鈦合金時，改變陰極端部的傾斜角度可有效防止刀具后端對已加工表面的二次加工，從而提高表面質量。 在研究工藝參數對鈦合金電解加工的影響方面，孫宇博等[3]通過正交試驗研究了電源頻率、占空比、加工間隙對加工速度和加工質量的影響，結果表明加工間隙和電源頻率是影響電解加工速度的關鍵因素，降低加工間隙和提高電源頻率有利于降低工件表面粗糙度。 李家寶等[4]通過進行不同電源類型、脈沖電壓、脈沖頻率、占空比下的鈦合金電解加工試驗，發現相對于直流電源，脈沖電源加工能大大減少TC4 鈦合金葉柵電解加工中的表面點蝕，從而改善加工質量。 在電解液方面，孫宇博等[5]研究了不同組分電解液對鈦合金TC4 工件表面質量的影響， 通過對比試驗發現，在質量分數15%的NaBr 和10%的NaCl 混合電解液中， 加工TC4 試樣可得表面粗糙度Ra1.421 μm的光滑表面，同時不同組分電解液對加工工件亞表面層的影響均不大。 楊振文等[6]通過試驗研究發現，NaCl 電解液作為一種典型的線性電解液活性較強，可有效蝕除TC4 鈦合金的表面鈍化層，促進金屬基體穩定溶解，但加工復制精度不高。NaNO3電解液雖然非線性特性好、加工精度高，但對工件表面鈍化層的蝕除能力相對較差， 生產效率低。 為解決NaNO3電解液中鈦合金由于表面鈍化難以直接電解加工的問題，Camp 等[7-8]提出機械電化學銑削復合加工方法，即采用氮化硅陶瓷刀片作為銑削刃對鈦合金表面進行銑削加工，同時利用工具陰極對工件進行電解加工，如此結合了傳統銑削和電解加工的優勢，有效提高了加工效率。

本文提出使用硬質合金銑刀作為銑削工具的鈦合金微銑削輔助電解復合加工方法，設計了裝夾雙刃銑刀和工具陰極的復合加工工具，建立了復合加工深度輪廓分布的數學模型，并開展相關加工試驗。通過試驗研究進給速度、主軸轉速、加工電壓等參數對加工結果的影響，以獲得更好的表面質量。

1 微銑削輔助電解復合加工原理

1.1 加工工具設計

圖1 是微銑削輔助電解復合加工工具的結構和實物，由工具陰極和銑刀兩部分組成，其中工具陰極材料為304 不銹鋼，絕緣座材料為環氧樹脂，銑刀片材料為硬質合金。 工具陰極的加工面由兩個1/4 圓環組成，內徑和外徑分別為23 mm 和35 mm。 工具陰極表面有寬度為1 mm 的短圓弧通液孔， 加工時電解液從此處流入加工區域； 銑刀部分主要由銑刀片和刀座組成，銑刀片與刀座之間用螺釘鎖緊，使用時先用絕緣座將工具陰極和銑刀隔開后， 再用絕緣螺釘使其固定。在裝夾后，銑刀刀尖高于工具陰極的加工面， 以確保銑刀在銑削時可有效去除工件表面材料。

圖1 復合加工工具

1.2 加工原理

圖2 顯示了微銑削輔助電解復合加工過程，復合加工工具保持高速旋轉沿加工方向向工件進給，銑刀在高速旋轉主軸的帶動下對鈦合金工件表面進行銑削加工，用以去除工件表面的鈍化層。在NaNO3電解液的作用下， 隨銑刀共同旋轉的工具陰極開始對已去除鈍化層的工件表面進行電解加工。 機械銑削和電解加工在整個加工過程中呈周期性交替進行，其中：機械銑削加工深度用HM表示，初始間隙和電解初始加工間隙分別用XE、X0表示。

圖2 鈦合金微銑削輔助電解復合加工原理

2 微銑削輔助電解復合加工數學模型

在微銑削輔助電解復合加工過程中， 材料的去除是由銑削加工和電解加工共同完成的。因此，復合加工的深度H 可用下式表示：

式中：HM為銑削加工深度；HE為電解加工深度。 對于電解加工部分，根據法拉第定律可知，陽極工件表面材料的去除速度與電流密度i 成正比[9]，被加工表面上任意一點的加工速度V1可用下式表示：

式中：η 為電流效率；ω 為材料的體積電化學當量；k為電解液的電導率；Δ 為兩極間的加工間隙；UR為電解液的歐姆壓降，此處可認為兩極間的加工電壓。

圖3 是復合加工時圓環形工具陰極進給的示意，取工具陰極進給方向為Y 軸，工件表面的法向方向為X 軸，工具陰極表面圓心為坐標原點建立坐標系。 則式（2）可改寫為：

圖3 圓環形工具陰極進給的示意圖

對上式兩邊同時積分可得：

式中：x 為坐標系下的加工間隙。 當初始條件t 趨于0 時，x=x0（電解初始加工間隙），代入式（5）可得C=x02/2。 整理后可得經過t 時間后加工間隙x 表示為：

由上式可知：在其他條件不變的情況下，電解加工間隙x 隨著加工時間t 增大而增大。 而在實際加工中，由于受到工具陰極形狀的影響，被加工區域處于加工狀態下的時間并不都相等。 常用的圓環形工具陰極在進給加工時， 工件表面上一點處于電解加工狀態下的有效工作距離如圖3 中實線表示， 其在對應Z 軸上的分布是不等的。 因此當工具陰極以恒定加工速度VC進給時，Z 軸上一點處于電解加工狀態下的時間也不相同，其分布特征可用下式表示：

式中：r 和R 分別為圓環狀工具陰極的內外圓半徑。將其代入式（6）可得加工間隙在Z 軸上的分布：

在使用圓環狀工具陰極進行加工時，由于表面區域處于加工狀態下的時間長短不同，所得的加工深度也不同。 同時，考慮到復合加工過程中，電解加工的初始加工間隙為銑削加工后的表面與工具陰極表面之間的距離，因此可將電解初始加工間隙X0表示為：

式中：XE為初始間隙。

而最終的復合加工深度H 可表示為：

綜合式（8）~式（10），可得微銑削輔助電解復合加工的深度輪廓分布為：

將上述表達式繪制在XZ 坐標系下， 其結果如圖4 所示。 復合加工深度在中間位置最淺，趨向兩側加工深度有著先增大再減小的變化趨勢，同時在Z 軸上的分布具有對稱性。

圖4 復合加工深度輪廓數學模型

3 微銑削輔助電解復合加工試驗

3.1 試驗平臺搭建

圖5 是鈦合金微銑削輔助電解復合加工試驗平臺，主要由數控加工系統、電解液供給系統、循環過濾裝置和加工電源四個部分組成。 加工時工件固定在工作平臺上，復合加工工具裝夾在旋轉主軸上，為確保加工時主軸處在低溫狀態不發生熱變形影響加工精度，在主軸連接主軸冷卻器，旋轉主軸配合三軸移動數控系統實現對工件的三軸數控加工。 從電解液池流出的電解液經過濾處理后，以預設壓力進入加工區域。 加工采用電源為直流穩壓電源，可實時顯示當前加工的電流和電壓。

圖5 加工系統裝置

3.2 單因素試驗設計

利用圖5 所示加工裝置對鈦合金進行加工，在其他條件不變的情況下，通過改變進給速度、主軸轉速、加工電壓進行單因素試驗，加工參數見表1。 在試驗加工前，利用線切割設備將鈦合金工件制作成65 mm×50 mm×8 mm 的矩形塊，加工時的刀具沿著Y 軸負方向進刀，待走刀距離達到60 mm 后，停止加工。

表1 試驗參數

4 加工結果與分析

4.1 加工參數對復合加工的影響

4.1.1 電流密度

在鈦合金微銑削輔助電解復合加工過程中，電解加工速度與加工表面的電流密度有關， 電流密度越大表面金屬溶解的速度越快， 電解加工速度也越高。 圖6 是在試驗中不同加工參數下加工區域的電流密度，其隨著進給速度和加工電壓的增大而增大，隨著主軸轉速增大而減小， 其中進給速度對電流密度的影響最大。 當進給速度為1 mm/min 時電流密度僅為6.8 A/cm2， 當進給速度為5 mm/min 時電流密度增大到18.0 A/cm2，這是由于加工距離相同時，進給速度增大會導致各個區域處于電解加工的時間減小，從而引起加工深度的減小。在其他條件不變的情況下，電流密度與兩極間的加工間隙成反比，所以電流密度會隨著進給速度增大而增大， 而電流密度隨加工電壓增大而增大， 是由于電流密度與加工電壓成正比。加工中隨著主軸轉速增大，同等時間內工具陰極加工的面積也增大， 而電流密度與作用面積成反比，所以電流密度會隨著主軸轉速增大而減小。

圖6 加工參數對電流密度的影響

4.1.2 復合加工深度

圖7 是不同加工參數下工件的橫截面輪廓曲線， 可見隨著進給速度增大， 復合加工深度逐漸減小，這主要是由于隨著進給速度增大，加工區域處于電解加工的時間逐漸變短，所以復合加工深度變小。在電解加工中，加工速度與表面電流密度成正比，而隨著主軸轉速的增大電流密度逐漸減小， 所以復合加工深度也隨著主軸轉速的增大而減小。 其他加工條件不變時， 電解加工速度與兩極間的加工電壓成正比，所以加工電壓增大會導致復合加工深度增大。

圖7 加工參數對復合加工深度的影響

4.1.3 材料去除率

材料去除率為評價材料去除速度的指標， 表示單位時間內工件加工前后的質量差， 通過計算分析得到進給速度、主軸轉速、加工電壓對材料去除率的影響見圖8。

由圖8 可見，進給速度在1~5 mm/min 范圍內，材料去除率隨著進給速度的增大而增大，這主要是由于隨著進給速度增大，平均加工深度逐漸變小，這意味著兩極間的加工間隙也變小，而電解加工速度與加工間隙成反比，所以電解加工速度隨進給速度增大而增大，如此工件表面材料的溶解速度越快，材料去除率越高。當主軸轉速在500~2 500 r/min 范圍內，隨主軸轉速增大，材料去除率呈現減小的趨勢，這是由于隨著主軸轉速增大， 加工時的電流密度逐漸減小，使得加工速度逐漸減小。當加工電壓在16~24 V 范圍內，材料去除率隨著加工電壓的增大而增大，這是由于其他條件不變的情況下，工件表面的電解加工速度隨著加工電壓增大而增大。從結果來看，進給速度變化對材料去除率的影響最大， 加工電壓對材料去除率影響最小， 在進給速度5 mm/min、主軸轉速1 500 r/min、加工電壓24 V 的參數下，得到的材料去除率最高，為0.268 g/min。

4.1.4 輪廓定域性

為分析不同加工參數對加工后溝槽精度的影響，采用輪廓定域性作為評價加工精度的指標，通過工具陰極外徑與已加工溝槽寬度的比值計算， 得到進給速度、主軸轉速、加工電壓對輪廓定域性的影響見圖9。

如圖可見， 在加工過程中對輪廓定域性影響最大的是主軸轉速，其次是進給速度，影響最小的是加工電壓。其中，增大進給速度和主軸轉速均有利于輪廓定域性的提高， 這主要是由于隨著進給速度的增大，各個區域處于電解加工狀態下的時間變短，所以邊緣區域受雜散腐蝕的影響小。 同樣在主軸轉速增大的情況下，電解液在通過邊緣區域時流速增大，有助于減少雜散腐蝕，提高溝槽的加工精度。

4.2 表面形貌

圖10 是在進給速度3 mm/min、加工電壓24 V、主軸轉速2 000 r/min 的參數下復合加工后的鈦合金工件表面， 可以看出該條件下鈦合金工件在微銑削輔助電解復合加工的作用下表面材料被去除。 加工表面出現黑色外觀，這是由于部分電解產物未及時排出聚集在表面造成，同時邊緣處出現雜散腐蝕，這主要是由于電解液流向在此處發生突變，電解加工不穩定。 為對復合加工作用下的工件表面做進一步分析，使用光學顯微鏡對其表面進行觀察，可以看出加工后的表面無機械銑削加工痕跡，而是具有電解加工特有的蝕坑結構。 經過多次試驗對比，此參數下加工效果最好，表面粗糙度可達Ra1.785 μm。

圖10 加工工件表面形貌

4.3 試驗驗證

改變至進給速度3 mm/min、加工電壓24 V、主軸轉速1 500 r/min 的參數條件下，提取圖10b 中虛線所示位置橫截面試驗輪廓和理論值進行對比，其結果見圖11。 由圖可見，理論曲線和試驗曲線變化趨勢基本一致，在數值上理論值比試驗值偏大，這是由于工具陰極上開有短圓弧通液孔，實際作用于加工的面積要小于理論值；同時試驗兩側的尖角現象并不像理論曲線那樣明顯，這是由于在尖角處電解液流動的穩定性降低，實際電解加工速度達不到理論值。

圖11 試驗和理論曲線對比圖

5 結論

本文對鈦合金微銑削輔助電解復合加工進行試驗研究，分析了進給速度、主軸轉速、加工電壓對復合加工的影響， 并建立了復合加工深度輪廓的數學模型，得到以下結論：

（1）在復合加工過程中，對復合加工深度和材料去除率影響最大的加工參數是進給速度， 對輪廓定域性影響最大的加工參數是主軸轉速。其中，輪廓定域性隨進給速度增大而增大， 復合加工深度隨進給速度增大而減小， 增大主軸轉速有助于提高輪廓定域性。

（2）在復合加工過程中，電流密度與進給速度和加工電壓成正比，與主軸轉速成反比，其中進給速度變化對電流密度影響最大， 在進給速度3 mm/min、加工電壓24 V、 主軸轉速500 r/min 的參數下能得到最大的電流密度，而在進給速度3 mm/min、加工電壓24 V、主軸轉速2 000 r/min 下能得到最好的表面質量。

（3） 建立了鈦合金微銑削輔助電解復合加工深度輪廓的數學模型，并進行試驗驗證，發現試驗曲線和理論曲線能較好地吻合。