浅谈电火花加工在钛合金加工中的应用

浅谈电火花加工在钛合金加工中的应用

王耀斌

王耀斌宝钛集团有限公司实验中心721014

摘要电火花加工技术已广泛应用于钛合金的加工，特别是对钛工件表面质量要求高或微细孔工件的加工，本文对电火花铣削、微细电火花加工、电火花加工钛表面合金化三种电火花在钛合金加工方面的应用进行了介绍，并提出在电火花加工过程中需要优选加工参数，并尽可能的提高加工精度和加工稳定性。

关键词电火花钛合金复合加工

金属钛除具有极佳的强度重量比及耐蚀性，且其质轻、耐高温、疲劳强度大、非磁性、非毒性等性质，目前已被广泛运用，但是由于钛的导热系数低，线膨胀系数小，加工并不容易，采用传统车、铣等机械加工方式，不仅造成大量的刀具损耗，而且加工效率低，加工质量很难达到要求。电火花加工是一种有效加工钛的方法，电火花加工是利用工具和工件（正、负电极）之间脉冲火花放电腐蚀的原理来除去多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的要求[1]。电火花加工具有不受工件材料强度、硬度等力学性能的限制，工具电极与工件材料不接触，无宏观作用力，且工具的硬度可低于工件等特点，因此，该技术在加工复杂结构零件以及难切削材料方面具有独特的优势，本文着重论述电火花加工技术在钛合金加工中的应用。

1．电火花铣削工艺

电火花铣削用在钛合金粗、中、精和镜面加工中，在加工过程中，向工件表面冲油，使放电腐蚀产生的碎屑能够用油及时地排出放电区域，增大了放电间隙，并保持其相对稳定。进而细化了放电蚀坑，减少了二次放电和拉弧的机率，提高了加工质量。同时碎屑的排除，使工件上的放电点增多，且均布于工件上，增加了加工效率。同时在油的冲击压力下，采用碳质负极的加工过程中使电极表面的积碳现象无法形成，从整个加工效果来看，冲油电火花铣削钛合金很值得进一步研究。

2．微细电火花加工

微细电火花加工是电火花加工的一个分支，一般是指用微小棒状电极加工或用线电极研磨微孔、微槽等微小结构的零件[1]。微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质差异，但由于其结构尺寸小、微细电极制作及安装困难、放电电流量难以控制等技术难点，应用受到了一定的限制[1]。因钛合金材料具有密度小、强度高、耐腐蚀性高等一系列优良的力学和物理性能，但其导热性能差，因而切削性能差，用传统的机械加工方式在钛合金零件上加工微小孔时，由于钻头的刚性差，排屑困难，极易断钻，加工效率很低。对提高钛合金材料上微小孔的加工的加工质量，通常采用电火花电解复合加工技术来提高，采用的电解加工液主要有水基和油基的两种[3,4]，当脉冲电流施加后，由于放电击穿延时的存在，当处于脉冲间歇时间时，由于工作液中会有少量电流流过，在这段时间就会产生电解加工的过程，当复合液电阻率较大时，电火花放电蚀除占有主要作用;当复合液电阻率较小时，电化学蚀除占有主要作用，这是使用水基复合液的特点，也就是能够获得较高加工速度的原因之一，如果合理的选取水基复合液的成份，使其电火花加工的蚀除作用及电解加工的作用都得到充分利用，那么这种方法的加工速度会高于油中电火花放电的加工速度。由于电火花加工是在狭窄的极间进行，所以加工屑的排除对加工效果有很大影响，如果加工屑细小且呈球状则易排出。如果过程产生的加工屑浮游在加工液中，则可能不利于加工过程，可利用超声波振动阻止电火花加工中产生的加工屑在加工面积电极表面的聚集，使加工屑在极间分散来改善电火花加工质量[5,6]。超声电火花复合加工可有效地降低零件表面粗糙度值，可获得较好的表面质量。为了使电火花加工的表面质量更高，在复合液中可以加入碳化硅等磨料[7]，在超声波外场的作用下，利用碳化硅的剥削作用使工件的表面裂纹得以去除。

3．电火花表面沉积

电火花表面沉积工艺是一种无应力、无变形的表面强化工艺。它是直接利用具有高能量密度的电能对工件表面进行强化处理，通过火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，形成合金化的表面强化层，从而使工件的物理、化学和力学性能得到改善。电火花表面沉积是电火花加工的分支之一，20世纪70年代电火花表面强化技术开始在生产上得到应用。电火花沉积工艺有别于焊接、喷涂或元素渗入等工艺。它具有焊接、喷涂等工艺的一些特点，又有热输入量小、焊层与母材冶金结合等独特优点。朱建等[8]以碳化钨为正极，钛为负极，在钛表面制备出了涂层的厚度可达20~30μm，涂层与基体实现冶金结合，涂层是一种反应涂层，涂层的主要组成是TiC和W，同时含有少量W2C，提高了耐磨性，并且发现当复合超声加工且频率达到一定值时，可以明显地提高涂层中强化相的含量，增强强化效果。同时，采用不同的电极材料对表面合金层的性能影响不同，硬质合金为阴极形成合金层的显微硬度略高于镍合金为阴极形成合金层的显微硬度，但力学性能方面没有明显的差异。

4．结语

电火花加工是通过放电通道内的高温去除材料，因同一工件材料中晶粒和晶界在成份熔点、热导率以及机械性能等有一定的差异，当用电火花进行加工时，特别是当加工尺度小于工件材料的晶粒尺寸时，晶粒和晶界的加工特性将会有明显差别。电火花加工过程复杂，随机性强，因此在加工过程中需要优选加工参数，并尽可能的提高加工精度和加工稳定性是需要解决的重要问题。

参考文献

【1】郭洪勤，裴景玉，李五一.电火花加工微小孔的工艺研究[J].航天制造技术.2005(05):19-21.

【2】水中钛合金电火花加工参数优化研究[C].中国江苏苏州:2011.

【3】迟恩田，任中根.难加工材料的复合加工研究[J].航空工艺技术.1986(04):26-31.

【4】费超.超声波对Ti-6AI-4V合金电火花加工特性的影响[J].钛工业进展.1995(04):24-25.

【5】张云鹏，赵伟，孙广标，等.超声电火花复合加工钛合金表面质量研究[J].电加工与模具.2009(01):22-25.

【6】张云鹏，孙广标，张安洲.超声磨料对TC4钛合金电火花加工表面质量的影响[J].航空学报.2010(01):204-209.

【7】朱健，张全忠，张立文，等.钛合金表面电火花沉积WC涂层的研究[J].金属热处理.2005(02):11-14.