某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

«——【·前言 ·】——»

钛合金（Ti-6Al-4V）被认为是一种难以加工的材料，特别是在传统的加工过程中，它面临着许多挑战，电放电加工可能是一个很好的选择。

电放电加工（Electrical Discharge Machining，简称EDM）是一种非传统的金属加工方法。

它利用针对电的原理，通过在工件和电极之间建立电火花放电的过程来加工材料。在电放电加工中，工件和电极都被浸没在工作液中，形成一个电化学池。

通过控制放电过程中的电流和间隙，可以在工件表面精确地去除材料，以实现所需的形状和尺寸。

它能够有效地去掉材料并处理表面，使得加工后的工件具有理想的形状和质量。

所以说，钛合金Ti-6Al-4V在电放电加工中，选择合适的电极材料是一个重要的研究方向。

此外，我们还对脉冲时间比的影响进行了彻底的研究，这是以前没有专门研究过的。

通过实验结果发现，将放电电流和脉冲时间比作为输入变量，并以材料去除率和表面粗糙度作为评价加工性能的指标，使用铜、铝、黄铜和石墨作为电极材料进行评估。

表1.工件的元素组成

实验结果显示，铝电极具有最低的表面粗糙度，表明其在电放电加工中可以达到较平滑的表面质量。而石墨电极则呈现最大的材料去除率，意味着它能够更有效地去除材料。

然而，石墨电极可以通过在粗加工中采用负刀具极性和在细加工中采用正刀具极性，来提供高、低表面粗糙度的材料去除率。

钛及其合金在航空航天、生物医学和汽车等众多行业中具有广泛的应用前景。这些合金具有许多重要的特性，使其成为理想的材料选择。

例如，这些特性是它们独特的耐腐蚀性、合理的高强度重量比和在恶劣环境中特别是在高温下的强度保持。

表2.工件的特性

特别是，Ti-6Al- 4V的应用约占纯钛及其合金总利用率的50%

但该材料（Ti-6Al-4V）的可加工性由于其强度高、导热系数小、弹性模量小、反应性低，因此其被认为是一项具有挑战性的任务。

尤其是在该合金的切割过程中，想要用常规方法获得良好的表面完整性、尺寸精度和延长刀具的使用寿命确实很难。

由于在放电加工（EDM）过程中，刀具和工作面没有物理接触，机械力几乎完全消除，刀具遇到的力可以忽略不计。

表3.不同电极材料的性能

因此，电火花加工有望用于钛及其合金的加工，然而，尽管有许多积极的属性，EDM也只能产生较低的加工率。

再加上侵蚀过程的复杂性，想要获得高质量的表面处理也是一项具有挑战性的工作。

尽管电火花加工控制因素对各种材料加工的影响得到了广泛的研究，然而，钛及其合金的电火花加工研究还不广泛。

如今，多材料电极正在取代传统的单一材料制造的电极，以处理电火花加工的缺点。

图1.Ti-6Al-4V的电火花加工的实验设置

但是，这些多材料电极遇到了放电击穿概率的问题，导致刀具表面的热分布不均匀，可能导致刀具磨损的不均匀。

所以，穆图拉马林加姆和Mohan研究了铜、黄铜和碳化钨工具材料对电火花加工钢基板MRR和表面光洁度的影响。

他们提出，具有较高电导率的工具能够产生高MRR，也就是说，具有高熔点和低电导率的工具最适合于更好的表面光洁度。

当选择铜作为电极材料时，它能够在电放电加工过程中更有效地去除材料，从而获得更高的材料去除率（MRR值）。

图2.燃烧表面的积极加工

而对于需要进行钢表面处理的情况，碳化钨可以选择作为电极材料，因为碳化钨具有特殊的表面处理能力，可以有效地改善钢材的表面质量和性能。

在另一项研究中，人们认识到工具材料的选择在确定加工表面硬度方面起着重要作用。

工具材料在工作表面凝固，赋予工作表面其硬度特性。

例如，如果刀具的硬度大于工作的硬度，则工作表面在电火花加工后硬化，工件表面可能降低其刀具的硬度比基材材料小。

所以，我们在对同一材料进行的研究中，研究了不同铜电极材料如铜丝、镀锌铜丝和扩散退火丝电极的性能。

表5.恒定的机械加工参数

«——【·实验材料与方法 ·】——»

本研究采用了由Ti-6Al-4V组成的工件，因其强度高、优异的耐腐蚀性而被广泛应用。51漫画

所选材料的元素组成，通过光学发射光谱法确定，如表1所示。该工件的显著特征见表2。

实验采用厚度为1.5 mm，其他尺寸为225×100 mm的四种电极材料，即：石墨、铜、黄铜和铝。每种电极材料的特性详见表3。

为了确定工具电极的合适极性，我们对四种电极材料进行了多次试验。

在几乎所有的试验中，我们都注意到刀具负极性的加工结果优于刀具正极性的加工结果。

由于本研究的核心目标是确定最合适的工具材料，提供良好的表面光洁度，我们参考EDM参数的选择，考虑了最重要的参数，包括放电电流和脉冲时间比。

表4.变量参数及其级别的列表

首先，选择电流作为控制因素是基于文献显示该参数对材料侵蚀率和表面粗糙度具有显著的基本原理。选择脉冲时间比对Ti-6Al-4V的MRR和SR在放电切割中的影响，作为第二参数。

在电火花加工操作过程中，烧伤痕迹的形成（加工有严重的表面损伤和燃烧）往往是一个问题。

它会降低加工表面的质量，从而降低加工零件的可接受性。在许多试验中，四个电极都观察到烧伤痕迹。

在某些参数设置下，对烧伤表面腐蚀加工的类似观察，特别是在非常高的放电电流和脉冲时间比下。

对这种燃烧表面的实验观察结果可以从图2中得到证明。

图3.电火花加工表面的测量值：(a)至CMM，以及(b)测量原理图

通过这种方式，观察到三个层次的加工，即加工具有：(1)严重的烧伤痕迹，(2)轻微的烧伤痕迹和(3)无烧伤痕迹。

因此，在初步实验中选择因子的水平时，这个问题给予了适当的考虑，这些水平在实际实验中使用，消除了发生烧伤痕迹发生的机会。

输入参数及其级别的细节见表4，除控制因素外的其他参数保持不变，如表5所示。

在本工作中使用的所有工具电极都是直径为20毫米的圆形，本研究采用了田口实验设计技术。

由于有两个控制变量各有三个水平，L9正交阵列被发现适合于实验计划，对4种电极材料分别进行了9次实验，共进行了36次实验。

表6.材料去除率（MRR）和表面粗糙度的实验设计和实验结果

然而，在评估了加工结果和趋势之后，又进行了9个实验，以确保和验证不同的结果。

最后的九个实验的必要性和相应的细节，并在后期的结果和讨论部分讨论。

«——【·采用体积法测定物料去除率 ·】——»

首先是测量加工的深度，然后乘以表面积得到材料的体积。通过简单的数学计算，得到了材料去除率（mm3/min），再将除去的材料的体积除以加工时间。

机加工深度通过测量分辨率为1µm的坐标测量机（CMM）进行测量。对于测量，最初选择参考平面，使参考平面的点位于加工区域附近（3-4mm）。

这样，由平度问题引起的误差机会可以最小化。同样，为了确保加工深度的正确测量，触摸探头对每个加工腔进行了6个测量点。

在6个点中，3个沿一个圆选择，其余3个点从另一个直径中获得。

因此，取6个点的平均值作为每个机械加工的空腔的一个测量值。测量细节和简化的原理图如图3所示。

图4.放电电流对MRR的影响

这种解决方案是可行的，但也被认为是昂贵的选择，因为它将包括制造不同材料的两个电极，最终导致加工成本的增加。

而且，它也将遇到新的挑战，例如，通过从工具架上取出石墨电极后使用铝电极，工具设置时间将会增加，也会导致新工具定位误差的机会。

由于本研究的主要目的是确定并建议加工Ti- 6Al-4V的最合适的工具电极，因此上述选择可能不能完全实现这一目标。

因此，需要探索一种新的解决方案，以消除制造两个电极的需要，并最小化与第二电极相关的上述挑战。

在图8中，不同电极下机加工表面的微观分析： (a)铝、(b)石墨、(c)铜和(d)黄铜。

在此背景下，通过选择石墨电极作为高MRR的最佳电极，进一步研究了Ti-6Al-4V的可加工性51漫画。必须注意的是，石墨电极的MRR值最高，表面粗糙度最差。

图5：脉冲时间比对MRR的影响

在这组调查中，我们测试了各种参数设置及其水平，并比较了结果。经过大量的实验，得出石墨电极可以通过分配正极性来降低加工表面的粗糙度。

这一重要的发现通过使用正工具极性而不是负极性的实验运行得到了全面的验证。

虽然MRR从其最高值下降，但平行的表面粗糙度在所有9次实验中都显著提高。刀具正负极性的表面粗糙度结果如表7所示。

在刀具极性（负和正）作用下，加工印的实际表面的加工结果如图9所示。

从图9所示的加工模以及陨石坑密度和尺寸可以清楚地观察到，正刀具极性的表面粗糙度小于负极性的粗糙度。

因此，石墨电极可以是最合适的工具材料进行加工Ti-6Al-4V通过电火花加工为了高MRR和良好的表面处理除了粗糙的切割（几乎等于设计深度）应该执行负工具极性和完成切割（4-5削减）与积极的工具极性。

图8：不同电极下机加工表面的显微分析：(a)铝、(b)石墨、(c)铜和(d)黄铜

特别是，表面切割可以在18 A的放电电流和脉冲时间比为0.5的情况下进行，以使用石墨电极实现Ra = 2.3µm的最小表面粗糙度(Exp。按照表7所示运行No.4)。

与之前的解决方案相比，这种选择是最合适和最有用的，因为它通过在加工的最后阶段或进行最终切割时切换刀具极性（从负到正）就只使用一个电极。

这种选择还可以消除制造两个电极的需要以及重新定位第二个电极的需要，最终机加工成本也可以降低。

«——【·结论 ·】——»

研究了钛合金（Ti-6Al-4V）的电火花加工性能，以确定最合适的刀具材料，以提高加工性能，这是本研究的新颖之处。

表7.负极石墨电极的表面粗糙度

评估铝、石墨、铜和黄铜电极对加工性能的影响，以确定最合适的工具电极(s)提供高MRR值和良好的表面光洁度。

根据实验结果和讨论，注意到工具极性保持负，可以得出以下结论：

1、放电电流值高会导致工作面完整性更粗糙。与其他电极材料相比，石墨电极的表面粗糙度最高，特别是在高放电电流值下。

2、在四种电极材料中，石墨已被证明是最好的电极，因为它提供了最高的MRR（~13 mm3 /min）。如果唯一的目标是达到最小的表面粗糙度，那么

3、铝电极可能是最好的选择，而Ti-6Al-4V的EDM会导致Ra =为1.05µm的表面粗糙度。石墨电极提供最差的表面光洁度（Ra = 8.85µm）。

4、为了同时实现高MRR和低表面粗糙度，可以有两种替代解决方案：

图9.使用石墨电极的Ti-6Al-4V电火花加工：(a)负极性和(b)正极性

a.一种选择是依次使用两个电极。粗加工用的石墨电极（高MRR，高SR)和细加工用的铝电极（低MRR，低SR)。石墨和铝电极均应设置为负极性。

b.另一个最合适的选择是只使用一个电极；粗加工负极石墨电极（高MRR高SR)，精细加工正极相同电极（低MRR低SR)

总之，这项研究的创新之处在于寻求钛合金电火花加工的最佳工艺参数，以实现更高效、更精确的加工结果。

这将进一步推动钛合金在各个领域的应用，并促进相关行业的发展和创新。