钛合金格栅网板群孔电火花成形加工工艺研究

万符荣，吴强，徐琳俊，倪敏敏，叶新军

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

钛合金材料的电火花成形加工性能相当特殊，其型腔的电加工性能与碳钢材料不尽相同，经大量实验研究可知，采用煤油基工作液时，石墨电极加工的效果相对紫铜电极要好，可用于型腔加工[1-3]。虽然紫铜电极也可加工，但效果不理想，体现在电极加工端面呈凹形损耗，甚至有局部区域不蚀除工件、只损耗电极，几乎无法用于型腔的精密加工。

本项目为某型舰载战机发动机进风口格栅网板整板的群孔加工，要求对钛合金格栅网板进行电火花成形加工斜方孔阵列，正好避免了上述紫铜电极的加工缺陷。因此，本文采用铜基电极，从单片多齿片状电极加工钛合金试片入手，分析研究了电参数与生产率、表面粗糙度、电极损耗的关系；在此基础上，采用单回路的单组合电极、两组组合电极与双回路的单组合电极、四组组合电极同时放电加工的方法进行实验，确定了钛合金整板加工的工艺参数。在示范应用中，根据所得工艺参数成功地对钛合金格栅网板整板的近十万个2.5 mm×2.5 mm的斜方孔进行了电火花群孔加工，每孔加工时间为5.4 s，符合课题要求。

1 实验方法

采用为国家科技重大专项课题专门研制的钛合金格栅网板数控电火花高效加工专用机床的成果样机作为实验设备（图1）。该机床有XYZ三个数控轴，其中Z轴运动方向与工作台面的夹角为60°。主轴下端装有组合夹具，用于调整组合电极的位置。该设备可实现两个回路、四组组合电极同时加工。

图1 钛合金格栅网板数控电火花加工专用机床

项目要求在约1800 mm×800 mm的钛合金整板上加工近十万个2.5 mm×2.5 mm的60°斜方孔，每孔间距为0.55 mm。将这些孔分为144个相同的区，每个区包含668个斜方孔。为了保证实验结果具有实际指导意义，拟采用由制造钛合金格栅网板的专用钛合金板切割成块的试片作为工件，其材质、尺寸与实际工件完全一致（图2）；电极采用多齿片状合金紫铜电极（图3）。

图2 专用钛合金试片

图3 多齿片状电极

具体实验步骤如下：首先，采用单片多齿片状电极进行钛合金试片斜方通孔加工的可行性实验；其次，按每个区的加工要求制造组合电极，并在一定的加工电流密度下，分析不同的脉冲占空比、脉宽电流比对加工效率、电极损耗及双边放电间隙的影响，以初步确定加工参数；然后，按项目要求进行双回路四组组合电极加工实验，得出钛合金格栅网板加工的典型工艺参数；最后，将所得工艺参数应用于实际钛合金格栅网板零件的加工。

2 工艺实验及分析

2.1 单片多齿片状电极加工

为了探究合金铜电极加工钛合金格栅网板的可行性，根据阵列斜方孔的加工特点，采用多齿片状合金铜电极对钛合金格栅网板试片进行变换脉冲参数的加工实验。如表1所示，在加工电流分别为5、10、20 A时，可发现多齿片状紫铜电极端部未出现凹形损耗，且由于多齿片状电极的加工面积远大于单齿电极，加工电流可作相应增大，使加工效率有较大提高。由实验数据可看出，当脉宽电流比约为12时，加工效率最高（图4）；电极损耗与脉宽电流比成反比（图5），即增加脉宽或减小电流可降低电极损耗；而脉宽电流比与双边间隙成正比，即大电流下窄脉宽也能获得较小的放电间隙（图6）。

表1 不同脉冲参数对加工结果的影响

图4 脉宽电流比与加工效率的关系

图5 脉宽电流比与电极损耗的关系

图6 脉宽电流比与双边间隙的关系

经分析得出，在加工电流值相同且选择合适的脉冲间隔情况下，脉冲占空比小的加工效率比脉冲占空比大的加工效率更高些，而双边间隙变化不大；此外，间隙电压也是一个不可忽视的参数，若太小则易造成积碳，太大则会降低加工效率。上述实验结果表明，采用齿状单片电极加工，可一次加工一排斜方孔，较仅用单个2.3 mm×2.3 mm电极的加工效率有明显提高，由此证明采用多齿片状电极加工钛合金板的阵列斜方孔是可行的。

2.2 齿片状组合电极加工

在整块格栅网板的实际加工中，用上述单片片状电极完全不能满足用户对加工效率及电极损耗的要求，且每排孔的加工位置校对困难，无法达到整板可靠加工的要求。为此，项目组将多片片状多齿电极合并在一起，组成一个对应于工件单个加工区的组合电极矩阵组，对钛合金格栅网板试片进行多齿片状组合电极的加工实验。

2.2.1 单回路单组合电极加工

在单回路单组合电极加工实验中，采用由单片多齿合金电极组合而成的电极矩阵组（图7），在相同的电流密度条件下进行群孔电火花穿透加工。实验数据见表2，加工后的试片见图8。

表2 单回路单组合电极加工实验数据

（1）脉冲占空比（ton/toff）对加工结果的影响

鉴于本项目目标为双回路四组组合电极同时加工，要求加工时间小于240 min，侧面粗糙度值小于Ra3.2 μm。为方便图形分析，在绘制如图9所示的相互关系曲线时，按项目指标要求，将加工时间曲线的实际数据除以240作为加工时间标准（小于1为达标），将表面粗糙度曲线的实际数据除以3.2作为表面粗糙度标准（小于1为达标），以下类同。

图7 矩阵组合电极

图8 加工后的试片

图9 单回路单组合电极加工的脉冲占空比影响实验结果

实验结果表明，加工时间、电极损耗与占空比成反比，而表面粗糙度、放电间隙与占空比成正比。实际加工时，单个回路的两个相同的组合电极同时加工，故其“加工时间/240”值应低于0.5，“侧面Ra/3.2”值需低于1。综合考虑上述二个因素，要求的占空比范围在0.3～0.36之间，该范围内的双边间隙约为0.3 mm，电极损耗在0.1～0.15 mm，即加工25次的电极损耗在4 mm以内，可满足要求。

（2）脉冲宽度与加工电流比（ton/I）对加工结果的影响

如图10所示实验结果表明，加工时间、电极损耗与（ton/I）成反比，而表面粗糙度、放电间隙与（ton/I）成正比。同时满足“加工时间/240”值低于0.5、“侧面Ra/3.2”值低于1的（ton/I）范围在0.1～0.2之间，该范围内的双边间隙约为0.3 mm，电极损耗在0.1～0.15 mm之间。

从上述实验分析图可初步得出，在电流密度不变的前提下，满足项目指标要求的加工参数范围可能为：（ton/toff）范围在0.3～0.36之间，（ton/I）范围在0.1～0.2之间，大致可确定脉冲宽度、脉冲间隔与加工电流的关系与数值。

2.2.2 单回路双组合电极加工

图10 单回路单组合电极加工的脉冲宽度与加工电流比对加工结果的影响

为增大加工面积、提高加工效率并降低电极损耗，同时也为了进一步验证上述实验结果，采用单回路双组合电极进行群孔电火花穿透加工。按表3所示实验数据，分析脉冲占空比（ton/toff）、脉冲宽度与加工电流比（ton/I）对加工结果的影响，结果见图11、图12。可见，该组实验结果更接近实际加工要求，加工结果分析图的曲线变化趋势与脉冲参数的规律同“单回路单组合电极加工”。进一步确认得到能满足项目指标要求的加工参数范围为：“脉冲占空比”在0.32～0.36之间，（ton/I）范围在0.12～0.16之间。

表3 单回路两组组合电极加工实验数据

2.2.3 双回路单组合电极加工

考虑到在加工电流相同的情况下，双回路加工效率肯定比单回路加工效率低，为此，拟通过双回路加工实验得出具体放电参数，并确定提高多回路加工的效率因子。

图11 双回路单组合电极加工的脉冲占空比影响实验结果

图12 双回路单组合电极加工的脉冲宽度与加工电流比对加工结果的影响

采用双回路单组合电极进行群孔电火花穿透加工，实验数据见表4。分析脉冲占空比（ton/toff）、脉冲宽度与加工电流比（ton/I）对加工结果的影响，结果见图13、图14。可见，双回路单组合电极加工实验结果及数据与单回路双组合电极具有一致性，选择脉冲占空比（ton/toff）在0.27～0.36之间、脉冲宽度与加工电流比（ton/I）在0.13～0.16之间，能满足项目指标要求，且脉冲占空比的可选范围有所扩大。

图13 双回路单组合电极加工的脉冲占空比影响实验结果

图14 双回路单组合电极加工的脉冲宽度与加工电流比影响实验结果

表4 双回路单组合电极加工实验数据

2.2.4 双回路四组组合电极加工

为进一步提高加工效率、降低电流密度以期降低电极损耗，采用四组组合电极，分两个回路同时进行群孔电火花穿透加工，实验数据见表5。分析脉冲占空比（ton/toff）、脉冲宽度与加工电流比（ton/I）对加工结果的影响，结果见图15、图16。该组实验条件是与实际加工一致的全仿真实验，经多次反复验证，加工结果的规律都一致，但仅用一档加工参数无法同时满足项目的“加工时间与表面粗糙度”指标要求。

图15 双回路四组组合电极加工的脉冲占空比影响实验结果

进一步分析图表可知，满足加工时间要求的脉冲占空比（ton/toff）为0.45以上，脉冲宽度与加工电流比（ton/I）为0.18以上，比上述三组实验数据要大；满足表面粗糙度要求的脉冲占空比（ton/toff）为0.44以下，脉冲宽度与加工电流比（ton/I）为0.15以下，与上述三组实验数据一致。这可能是由于四组电极同时加工而造成冲液的一致性有困难所致。

表5 双回路四组组合电极加工实验数据

图16 双回路四组组合电极加工的脉冲宽度与加工电流比影响实验结果

鉴于以上分析，采用多档参数组合、分页加工的方法，即主要加工区采用脉冲占空比（ton/toff）数值为0.45以上来提高加工效率，满足加工时间的需要；当工件基本穿透后，采用的脉冲占空比（ton/toff）数值为0.4以下来保证侧面粗糙度的要求。采用修改后的工艺参数和步骤进行群孔电火花穿透加工，实验数据见表6，但实验结果仍不尽完美。因此，项目组将主要加工区的脉冲占空比（ton/toff）数值保持为0.5，当工件基本穿透后，一方面降低（ton/toff）值，同时增大（ton/I）值，此时加工结果完全满足了项目指标要求（图17）。

表6 双回路四组组合电极加工实验优化数据

图17 优化工艺参数后加工的钛合金格栅网板局部照片

表7是采用双回路四组组合电极加工的数据，经多次反复验证，数据一致可靠，且全部达到项目指标要求，已成功地在04专项“新一代飞机钛合金格栅网板加工机床”的示范应用中得到了验证。

表7 双回路四组组合电极实际加工数据

3 结论

（1）将铜基合金作为电极材料，用来加工钛合金格栅网板是可行的，且能保证加工的稳定进行。

（2）采用多齿片状铜合金电极进行电火花加工钛合金薄板，在生产效率、表面粗糙度及电极损耗等指标的变化趋势上与钢基材料工件加工一致。

（3）双回路单组合电极的整体加工效率是单回路单组合电极的1.3倍左右。单回路双组合电极与单回路单组合电极在整体加工效率上没有区别，但多次加工后试片的棱角明显清晰。因此，降低电流密度对电极损耗，特别是棱角的损耗是有利的。综合考虑整体加工效率、电极损耗及加工质量，采用双回路四组合电极的加工方式具有明显优势。

（4）采用双回路四组组合电极加工时，应采取分页多参数加工方式，才能获得更好的加工结果。

（5）经过新一代飞机发动机进风口的钛合金格栅网板整板的应用加工，其质量和效率完全满足用户使用要求，在钛合金板群斜方孔的电火花加工技术方面取得了突破。

[1] 姜自超，王平.电火花加工工艺参数的优化及其应用[J].电加工与模具，2004（6）：57-59.

[2] 张云鹏，任中根，迟恩田.钛合金精密电火花加工参数研究[C]//第11届全国特种加工学术会议论文集.重庆，2005：138-141.

[3] 赵伟，任中根.电火花加工钛合金TC4的放电机理研究[C]//第11届全国特种加工学术会议论文集.重庆，2005：189-191.