鎳基單晶高溫合金的微孔加工對比實驗研究

鞏亞東， 孟凡濤， 孫 瑤， 于興晨

(東北大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 沈陽 110819)

微孔作為一個看似結構簡單實則作用巨大的結構，在航空航天、汽車制造、輪機制造、精密和超精密儀器加工等方面得到了廣泛的使用.例如航空發動機高壓壓氣機空氣導管內的阻尼襯套、汽車發動機噴油嘴、高壓渦輪機阻尼筒和阻尼環、顯微鏡的光柵等[1].微孔由于其直徑小、深徑比大，而且所加工的材料多為難加工材料，因此微孔的加工穩定性和高效性一直是待解決的難題[2].

鎳基單晶高溫合金由于只有一個晶粒不含晶界，相比較常規合金具有更高的強度和耐腐蝕性，在微孔加工過程中更容易出現孔壁缺陷、尺寸精度低和排屑困難等問題[3].目前加工微孔的方法有傳統機械鉆削、電火花加工(electric discharge machining，EDM)、電化學腐蝕和激光加工等[4-5].其中，電火花加工方法具有非接觸性、不存在宏觀作用力、不受材料物理性能制約等優勢，使其在一些難加工材料的微尺度加工領域具有十分廣闊的應用空間[6-7].本文主要采用電火花加工方法來實現微細工具電極的制備和微小孔的加工.

采用電火花加工微孔時由于脈沖放電頻繁，放電間隙小且廢屑多，導致排屑難，加工過程不穩定.目前，進行微孔加工的微細電極主要是圓柱電極和削邊電極[8-9].例如張雷進行了關于圓柱電極加工深小孔的仿真及實驗研究[10].Zhao等采用削邊電極在鈦合金工件上加工出深徑比為16的通孔[11]，這是由于削邊電極可以減少在加工過程中的廢屑堆積，有利于獲得穩定的加工狀態.微細螺旋電極具有的螺旋結構，提供了廢屑排出的通道，減少了廢屑堆積的時間，提高了加工穩定性，但其在制備上存在較大的難度.本文主要通過單向走絲電火花線切割的加工方法低成本高效率制備出不同直徑尺寸的微細螺旋電極[12]；通過與微細圓柱電極加工微孔實驗進行對比，從微孔的尺寸精度、表面質量、加工效率和亞表面損傷等方面綜合分析微細螺旋電極的加工性能.

1 實驗材料與實驗方案

首先利用阿奇夏米爾CA20單向走絲電火花線切割機床，結合高精密防水回轉機構實現對具有回轉結構的零部件加工，所制備出的直徑200 μm和300 μm的微細圓柱電極和螺旋電極如圖1所示，電極實際直徑分別為200.66和308.63μm，實際長度分別為1471.98和1 494.43 μm，電極材料為銅鎢合金.利用所制備的電極在AQ36Ls電火花成型機上進行微孔加工實驗 ，每根電極分別連續加工6個微孔.微孔加工所用板材為鎳基單晶高溫合金材料，微孔的深度為800 μm，其加工過程如圖2所示.微孔加工過程劃分為粗加工和精加工兩道工序，工作介質為火花油，其他加工參數如表1所示.通過超景深顯微鏡對所加工的微孔的尺寸進行檢測，并對微孔亞表面損傷層進行測量，通過激光共聚焦顯微鏡對微孔內表面的形貌和粗糙度進行檢測.

表1 微孔加工實驗條件

2 實驗結果與討論

2.1 微孔的尺寸精度分析

采用超景深顯微鏡觀察并測量出微孔的入口孔直徑，進行擴孔量的計算，不同型號電極的各個孔的入口擴孔量如圖3a和圖3b所示，為了量化螺旋電極與圓柱電極微孔加工的擴孔量，對各個電極所加工的6個微孔的擴孔量取均值，結果見圖3c.圖4為300 μm直徑的螺旋電極和圓柱電極加工的2號微孔的二維和三維圖.

從圖3中可以看出，不同直徑的螺旋電極所加工的微孔擴孔量均小于圓柱電極，這主要是由于微細螺旋電極的螺旋結構有助于加工廢屑的排出，減少了由于廢屑過長時間的停留而導致的二次放電現象，進而減小擴孔量.此外，計算結果表明，在直徑為300 μm電極微孔加工中，螺旋電極所加工微孔平均擴孔量較圓柱電極減少26.913 μm；直徑為200 μm時，螺旋電極平均擴孔量減少13.06 μm.從圖3c中可以看到，200 μm直徑螺旋電極所加工微孔平均擴孔量略大于300 μm時，原因是隨著電極直徑的減小，電蝕產物的排出難度增加，雖有螺旋結構可提高排屑能力，但是相比較300 μm時200 μm螺旋電極排屑能力有所下降，導致多余的放電加工，以至于擴孔量略有增大.

2.2 微孔的內表面質量分析

為了觀察所加工的微孔內表面質量，利用阿奇夏米爾CA20線切割機床將所加工微孔沿直徑方向切開，然后利用激光共聚焦顯微鏡進行表面觀察及孔壁的表面粗糙度測量.通過對微孔表面形貌檢測得出各個電極所加工的6個孔的孔壁的表面粗糙度Ra，結果如圖5所示，其中微孔內表面部分線輪廓如圖6所示.

從圖5中可以看出，同根電極的6個孔的Ra變化平穩.在電極直徑為300 μm時，螺旋電極微孔加工的粗糙度值要明顯小于圓柱電極，計算結果表明，螺旋電極所加工微孔粗糙度平均值為1.182 μm，圓柱電極為1.612 μm.在電極直徑為200 μm時，螺旋電極所加工的微孔粗糙度平均值為1.301 μm，圓柱電極為1.318 μm.綜合兩種直徑電極，螺旋電極加工微孔平均粗糙度值為1.242 μm，而圓柱電極為1.465 μm.由此可以得出，螺旋結構的存在可以提高電蝕產物的排出效率，使微細螺旋電極加工的微孔的表面粗糙度小于圓柱電極的.

2.3 微孔的加工效率分析

不同電極各個微孔的加工時間及平均單微孔加工時間如圖7所示.可以看出，不同直徑下的微細螺旋電極加工微孔的時間明顯低于圓柱電極，這是由于螺旋電極的排屑能力強，減少了排屑過程產生的電弧放電和二次放電現象，有助于加工的穩定進行，從而提升加工效率.計算結果表明，在電極直徑為300 μm時，相比圓柱電極，螺旋電極的微孔加工效率可提高30.56%；電極直徑為200 μm時，效率可提高17%.此外，從圖7a中可以看出，螺旋電極在直徑為200 μm時隨著加工微孔數量的增加，加工時間有先增加再減小并趨于平穩的趨勢；在300 μm時，加工時間逐漸增大稍有波動后趨于平穩.這說明螺旋結構在提高加工效率的同時削弱了電極的耐損耗性，導致螺旋結構排屑能力下降，提高了螺旋電極原有的加工時間，但隨著微孔數量的不斷增加，電極前端的損耗變大導致微孔整體去除量減小，因而微孔加工時間略有減小.而圓柱電極的加工時間隨著微孔數量的增加而下降并逐漸趨于穩定，分析原因是電極的損耗導致了微孔的入口和出口尺寸差變大，即加工微孔所蝕除的材料越來越少而使加工時間縮短.隨著微孔數量的增加，各個電極的加工時間均趨于平穩，說明電極前端的損耗亦達到了平穩.在圖7b中可以看出，200 μm微孔加工時間要小于300 μm微孔的加工時間，主要原因是二者的微孔去除量不同，前者要小于后者，進而其加工時間也小于后者.

2.4 微孔的亞表面損傷分析

工件在進行電火花加工時表面層的組織和成分將發生變化，稱為變質層[13].此類損傷將嚴重影響工件的機械性能和使用壽命.本文首先將試件制備成檢測試樣，進行表面研磨并拋光處理，采用腐蝕液(40 mL C3H8O3+20 mL HF+10 mL HNO3)對拋光表面進行腐蝕，最后用酒精沖洗并用烘干機烘干.通過超景深顯微鏡對腐蝕表面進行觀察并測量出亞表面損傷層的厚度.其測量結果如圖8所示.

根據圖8a可以看出，直徑為300 μm的電極加工微孔時，螺旋電極所加工微孔亞表面損傷層小于圓柱電極，計算結果表明，螺旋電極的亞表面損傷層厚度平均為5.518 μm，圓柱電極的為7.359 μm.直徑為200 μm的螺旋電極加工的微孔的亞表面損傷層厚度平均為11.029 μm，圓柱電極的為11.04 μm.綜合兩種直徑電極，微細螺旋電極所加工的微孔亞表面損傷層平均厚度為8.274 μm，圓柱電極的為9.199 μm.300 μm直徑電極加工微孔的亞表面損傷層厚度小于200 μm直徑電極加工的微孔，分析原因是隨著電極直徑的減小，排屑難度增大，而間隙中存留的電蝕產物將導致發生二次放電次數增加，擴大亞表面損傷層深度.

3 結 論

1) 在不同直徑電極的微孔加工實驗中，螺旋電極的擴孔量要小于圓柱電極.實驗表明，采用直徑為300 μm的螺旋電極加工鎳基單晶高溫合金微孔的平均擴孔量較圓柱電極減少26.913 μm；直徑為200 μm時，螺旋電極的平均擴孔量減少13.06 μm.

2) 各個電極所加工的微孔內表面Ra值隨著微孔數量的增加基本保持穩定.微細螺旋電極加工的微孔內表面質量好于圓柱電極加工的微孔內表面質量.實驗表明，微細螺旋電極加工的微孔表面粗糙度平均值為1.242 μm，圓柱電極的為1.465 μm.

3) 微細螺旋電極的微孔加工效率遠大于圓柱電極.實驗表明，直徑為300 μm的螺旋電極的微孔加工效率較圓柱電極提高30.56%；直徑為200 μm螺旋電極微孔的加工效率較圓柱電極提高17%.

4) 微細螺旋電極加工的微孔亞表面損傷層厚度略小于圓柱電極加工的微孔.經計算，螺旋電極加工的微孔亞表面損傷層平均厚度為8.274 μm，圓柱電極的為9.199 μm.