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钛合金放电加工的方法和变量——综述

摘要

钛合金很难用传统方法加工，因此，在许多应用中，通常选择非常规工艺。放电加工（EDM）是经常用于塑造钛合金及其利弊的非常规工艺之一。然而，由于研究成果没有正确连接和呈现，很难很好地理解这个过程。因此，本研究研究了不同类型的电火花加工工艺，如钢丝电火花加工、沉电火花加工、电火花加工钻头和用于加工钛合金的混合电火花加工工艺。根据文献中可获得的证据，对所有这些工艺的加工机理、工具电极、介质、材料去除率（MRR）和表面完整性进行了批判性分析和相关性。在钛合金上应用时，加工过程材料去除率较低，刀具磨损高。重铸层的形成、热影响区和刀具磨损在所有类型的电火花加工过程中都很常见。钛合金钢丝电火花加工的另一个挑战是严重加工条件下的钢丝断裂。根据介质的类型，在重铸层中注意到了TiC和TiO2的形成。在电火花加工钻探过程中清除小孔中的碎片是一项挑战。所有这些都限制了电火花加工钛合金在航空航天和生物医学领域等高科技应用中的应用。这些挑战大多来自钛合金的低导热性、高熔点和高硬度等非凡性能。虽然引入了混合电火花加工，并对电火花加工过程进行了一些模拟工作，但为了扩大该方法的应用，需要进一步发展该合金的电火花加工。

关键词：材料科学；机械工程；冶金工程；制造工程；金属加工；结构行为；钛合金；放电加工；表面完整性；材料去除率

引言

常规或传统的加工方法通过塑料剪切、形成芯片（例如，拉床、钻孔、铣削、车削）、磨损（例如，研磨、研磨）或微芯片（例如，抛光微磨和爆破）来去除材料。然而，使用传统加工工艺处理难以加工的材料成本高昂，例如镍基合金和钛基合金（Pramanik，2014年a；Pramanik和Littlefair，2014年；Pramanik等人，2009年）。这是由于刀具磨损高，加工时间延长，以及无法通过这个过程实现一些复杂/复杂的形状。钛合金的力学性能和冶金特性使其比硬度相似的钢材更复杂、更昂贵（Pramanik，2014年b；Pramanik和Littlefair，2015年）。尽管可加工性差，但钛/钛合金被广泛用于医疗部门（例如，种植牙、脊柱融合笼、手指和脚趾置换和骨板可伸缩肋骨笼）、航空航天、海洋、化学加工和汽车部门（Pandey和Dubey，2012年）。

因此，将非传统加工方法应用于钛合金加工。在不同的非传统加工过程中，电火花加工因其适应性强而广泛存在，可以切割复杂形状的难以加工的材料（Pramanik等人，2018年；Pramanik和Basak，2016年）。在电火花加工期间，工件浸泡在介质液体中，为电火花的发生创造一个令人鼓舞的环境（Pramanik等人，2018年；Pramanik等人，2018年；Pramanik和Littlefair，2016年）。火花侵蚀发生在电极附近，并通过熔化/蒸发工件材料形成预期的三维/二维数字（Kumar等人，2018年；Pilligrin等人，2018年；Pramanik等人，2019年）。对于各种材料来说，只要是导电的，无论其韧性和硬度如何，它都是有前途的技术（Pramanik，2014年a；Pramanik等人，2018年）。在这个过程中，电极充当工具，工件材料本身充当其他电极。介质液体充当吸热器，并将热量和碎片从加工区带走（Alshemary等人，2018年；Pramanik，2014年a）。钛合金较高的熔化温度、比热和电阻率较高，需要在电火花加工过程中增加能量来蒸发或熔化这种材料（Mahardika等人，2008年）。此外，钛合金的热膨胀系数和导热性差使该工艺在传热方面更具挑战性，并导致局部放电、电弧、短路和刀具故障。这些情况降低了工艺效率，导致材料去除率（MRR）降低，甚至加工表面损坏（Gu等人，2012年）。此外，熔融滴在机加工表面上的碰撞或粘附非常明显，导致糊状血小板形成和更厚的重铸层（Soni，1994年）。

上述信息表明，对各种钛合金的不同电火花加工工艺进行了大量研究，迄今取得了有希望的结果。并非所有研究都与科学地联系起来和组织，以清楚地了解钛合金的使用过程。因此，迫切需要调查材料去除机理、工具电极、介质、材料去除率（MRR）和表面完整性，以便科学地将现有信息联系起来。这次调查的理解和结果将有利于该领域的专业人士和研究人员更经济地扩大这些合金的应用和加工。图1给出了本调查的研究方法。

图1 本研究的流程图

线电放电加工（WEDM）

在这个过程中，金属线在电火花加工过程中充当工具电极，类似于使用带锯进行轮廓切割。电线电极通过计算机辅助数控移动，以获得三维形式（Kumar、Khan和Muralidharan，2019年；Mukherjee和Chakraborty，2012年）。

2.1机制

一般来说，钛合金WEDM的性质与其他金属合金相同。单个火花的温度估计为20000°C，通过熔化和蒸发侵蚀少量（10-6-10-4毫米/火花）材料。这种材料的一部分被介质液体从加工区域移除（Pramanik，2014a），其中工件被淹没。电线电极保持在恒定的预定义张力下，以尽量减少电线的横向振动，从而规避机械工件中出现尺寸不准确的趋势（Mukherjee等人，2012年）。在这种情况下，线电极相对于工件经历了两个相对运动。这些是（a）线电极从上线轴到下线轴的传输速率的线速，以及（b）线馈线速度，即线电极在加工时向工件移动的速度。由于钛合金在WEDM期间需要更高的温度，金属丝电极也开始在加工后立即开始降解。因此，工件底部通常会注意到工件顶部更清洁的加工过程，以及相对更脏的加工过程以及退化的线电极（Pramanik和Basak，2016年，2018年）。线电极的污垢程度和降解程度受工件厚度和相关加工参数的影响。

钛合金的典型WEDM工艺如图2(a)所示，其中电线在穿过加工区时会严重退化。此外，碎片数量向底部增加。在某些情况下，特别是钛合金，在去除工件材料时，钢丝材料的磨损率非常高，从而降低了线材直径。这种情况导致在保持

电线张力的影响下，在最小截面区域的位置断线（Pramanik和Basak，2018年）。

图2 钛合金的典型WEDM工艺：（a）机械和电气工艺，以及（b）热工艺

在去除过程中，需要更高的温度才能将它们熔化成钛合金。如图2（b）所示，加工区产生的热量（Q）部分用于工件材料的熔化和汽化。其中一部分（Q2）在钛合金中进行，其余（Q1）被介质吸收。由于其导热性较低，钛中导热量非常小。因此，加工表面的温度（T1）大大高于加工表面以下的温度（T2）。这导致加工表面薄层的热浓度很高，加工表面沿工件深度会经历显著的温度梯度。由于介质的连续循环，加工表面的顶层也经过淬火过程。因此，与散装材料相比，加工表面的性能发生了显著变化。因此，由于表面温度高，体积材料的温度梯度显著，加工钛合金表面的重铸层和热影响区非常突出。

2.2电线电极

工具电极材料的熔化温度较低会导致更高的磨损。一般来说，抛光和粗糙的电线直径分别为0.2毫米和0.3毫米。尽管如此，通常电线直径从0.05毫米到0.3毫米不等（Mukherjee等人，2012年）。这些通常由钨、铜、黄铜、锌涂层黄铜和钼以及多涂层电线制成。铜钨或铜、黄铜和石墨线通常用于钛合金的WEDM。黄铜材料因其更高的强度、更高的导电性、更好的拉伸能力和达到高公差规格的能力而相对更受欢迎（Antar等人，2010年）。然而，镀锌的黄铜线在钛合金上表现更好，因为它的熔化温度和强度都高于黄铜线（Nourbakhsh，2012年）。此外，锌涂层会诱导冷却效果来保护核心，从而提高加工过程的有效性。在黄铜上添加锌涂层还减少了电线的熔点，改善了火花的产生，减少了介质电离时间，从而提高了进料率。在类似加工条件下，高速黄铜线的加工进料比锌涂层线小约1.5倍（Nourbakhsh，2012年）。图3显示了在相同条件下用锌涂层和高速黄铜线加工的钛合金表面。如图所示，与涂层线相比，未涂层电线产生的表面熔裂纹、陨石坑、碎片球和跌落更多，因为如上所述，锌涂层电线的导热性更高，熔融温度更低（Nourbakhsh，2012年）。

图3 用（a）锌涂层黄铜和（b）高速黄铜线加工的钛合金扫描电镜显微镜

钛合金电火花加工过程中的电线断裂非常频繁，原因包括热负荷、电线张力和介质冲洗能力（Nourbakhsh，2012年）。电线故障频率与脉冲准时和脉冲关闭时成正比。更大的放电能会产生过高的热量，导致电线故障。过热软化了钢丝材料和应力的积累，而该过程超越了钢丝材料的极限强度。在上线张力和冲洗压力较小时，断线的发生率更大。由于形成不良电弧，而电火花加工的碎片/废屑没有适当清洁，电线在温度过高时突然断裂。电线的较大张力可能会在较小的温度下断裂，以及在加工区域。电线断裂可能是瞬间和/或渐进的，然而，断裂的电线尖端会经历颈部（Pramanik和Basak，2018年）。由于工件厚度的放电能快速变化，在加工复杂形式时，电线故障频率会增加。此外，介质冲洗能力也影响线故障，在较厚工件的加工过程中，故障变得更加明显。相对较高的线速和进给率将线的加工载荷缩短到相对较短的时间，从而降低了侵蚀率和断裂率（Nourbakhsh，2012年）。

2.3介质流体

根据文献，到目前为止，钛合金的电离或蒸馏水仅用于电离电离（Antar等人，2010年；Nourbakhsh，2012年；Prohaszka等人，1997年；Yan和Lai，2007年）。这些介质流体也用于其他材料的线电火（Pramanik等人，2018年；Pramani等人，2015年；Pramanik和Littlefair，2016年），因为它的粘度低，冷却效果快，与碳氢油相比。此外，低成本和环境友好行为进一步有助于将去离子/蒸馏水用作加工各种材料的有前途的介质（Alias等人，2012年；Rao等人，2010年）。

2.4材料去除率（MMR）

Nourbakhsh，2012年建议介质喷射压力、加工电压、线张力、线速度和伺服参考电压不是影响MRR的进给率的重要工艺变量。根据（Ghodsiyeh等人，2012年），重要的参数是影响MRR的峰值电流。（Devarajaiah和Muthumari（2018年）研究了脉冲对准时、脉冲关闭时间、电流和线速的不同组合的相互作用对材料去除率的影响。有人指出，线速和电流的增加增加了MRR，但脉冲关闭时间对MRR没有显著影响。最初，MRR随着脉冲时间的增加而增加，然后随着脉冲时间的进一步增加而减少。峰值电流上升了局部温度和放电能，这显著增加了MRR。放大火花能提高了进料率，并导致更大的材料去除率。一般来说，MRR会随着时间脉冲的上升而上升，尽管随着电线张力的增加而下降，如图4所示。此外，介电压力（7兆帕）下的MRR相对较低。随着冲洗压力的上升，MRR上升，后来几乎保持不变。碎片似乎拥堵了加工区域，并在较低的冲洗压力下不会去除材料的情况下发生火花。相反，在更大的冲洗压力下保持稳定的加工氛围，导致材料去除率几乎恒定（Pramanik和Basak，2018年）。

图4 钛合金WEDM时脉冲时间、冲洗压力和钢丝张力对MRR的影响

2.5 Kerf宽度

角宽度代表金属丝电极在离散放电作用下去除材料的区域，离散放电作用高于电线的实际直径（Wasif等人，2020年）。理论上，平均切线宽度可以通过添加两倍于火花间隙的线径来近似。在线电火变压过程中，观察到路缘宽度高度依赖于放电能相关参数（峰值电流、脉冲准时和电压），因为它们也控制了放电强度和整体火花间隙（Alias等人，2012年）。线材、线张力和进给率是影响净角宽度的其他参数，尽管不像放电能相关参数那么明显。根据Sivaprakasam等人的说法。（Sivaprakasam等人，2014年），在恒定稳定放电和较低放电能下，kerf宽度最小化。此外，观察到路缘宽度随着线张力的降低而增加。这主要是由于线电极在横向振动增加，这反过来又与横向放电浓度较高相关。因此，钢丝张力越大，有利于角宽度更有利、更稳定。然而，也不希望非常高的张力，因为它增加了频繁断线的概率。列宁等人（Lenin等人，2014年）指出，路缘宽度随着时间脉冲的增加而增加。此外，锥度出现在加工接近尾声时。（Alias等人（2012年）表示，脉冲关闭时间上升1-5mu;s，峰值电流上升4-12 A大大提高了路缘宽度。尽管如此，脉冲关闭时间的影响大于峰值电流的影响。切线宽度加工参数的最佳规划是5微秒时脉冲、12 A峰值电流、6N线张力和4毫米/分钟线速。

由于金属丝电极的磨损或/和失真，以及WEDM期间介质性能的变化，工件底部和顶部的路缘宽度通常有所不同。随着时间脉冲的变化，底部和顶部路缘宽度之间的差异很小。这可能是因为在加工过程中，由于碎片的产生（氧化物），平衡了电线电极的失真和介质性能的变化（Pramanik等人，2019年）。顶部的切口宽度比冲洗压力较小的底部要大得多，这是因为介质在较低压力下杂质，这改变了介质的电气行为，并减少了材料的有效去除。此外，新的线电极在顶部产生更大的路缘。底部的路缘宽度减少是由于电线电极磨损。随着冲洗压力的增加，顶部和底部路缘宽度之间的差异通过平衡电线电极的磨损和变形以及介质的电气行为的改变而缩小。随着冲洗压力的进一步上升，路缘的底部和顶部宽度都大幅上升。这可能是因为线电极的冷却性能优异，可以减少失真和磨损，并在更大的冲洗压力下清洁了火花区域（Pramanik等人，2019年）。

顶部和底部的路缘宽度随着电线张力的增加而减少。当张力降低时，电线会更灵活、更长，从而增加热量输入并去除其他材料；因此，路缘会变宽。相反，在更大的张力下，电线电极更硬，电线直径减少，这导致路缘宽度更小（Pramanik等人，2019年）。

2.6 表面完整性

表面地形相对于送丝率的变化很小。当MRR较低时，表面会变得相对光滑（Alias等人，2012年）。表面质量随切割速

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