引言
在航空航天领域，钛合金以其优异的高温力学性能逐渐替代铝合金材料成为高速飞行器海军零件研发的首选。在海洋工程领域，由于钛合金材料耐腐蚀性能好，舰艇采用钛合金材料可以不用涂漆，可耐海水腐蚀。和不锈钢制造的潜艇相比，钛合金制造的零件更加安全、耐用。
我国钛储量占世界上已探明储量的60%左右，因此我国相关企业、科研院所开展对钛及钛合金材料相关的应用研究具有很重要的现实意义。
钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于（α+β）型钛合金，具有良好的综合力学机械性能，具体参数如表1所示[1]。
对于特定结构的钛合金零件，比如盲孔、方孔、异形孔等结构，电火花加工是其唯一的选择，因为钛合金零部件的耐高温和耐腐蚀性性能优良，钛合金电火花加工存在电极损耗大、加工效率低的特点，其加工效率不足碳钢的1/5[2]。
电火花加工是一种利用电能和热能进行加工的新工艺，俗称放电加工（EDM）。电火花加工与一般切削加工的区别在于，电火花加工时工具与工件并不接触，而是靠工具与工件间不断产生的脉冲性火花放电，利用放电时产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除下来，由于在放电过程中有可见的火花产生，故称电火花加工[3]。
本文是江西省教育厅科技课题《TC4船舶用钛合金零部件电火花加工研究》成果之一，课题开展利用通用电火花加工设备，研究如何提高电火花加工效率，从而进一步降低TC4材料的电火花加工成本，对钛合金TC4材料在航空航天、海洋工程、医疗器械广泛应用有着积极意义。
1、实验方法的设计与分析
TC4钛合金属于难加工金属，材料价格昂贵，报废后损失较大，普通金属材料的加工方法及成本计算方法对于钛合金材料已并不适用，针对企业利用国产主流电火花设备加工TC4钛合金的生产工艺进行总结研究具有一定的现实意义，有必要重新设计钛合金电火花加工关键参数的工艺实验。
在实验中需明确包括电流大小、脉冲宽度、间隙电压等机床工艺参数对钛合金电火花加工性能的影响规律。
在电火花加工过程中，常用的电极材料主要有石墨、紫铜、铬铜，这三种材料的价格差别较大，对于电火花加工工艺性能影响不明确，有必要通过实验对3种材料钛合金电火花的工艺性能进行研究。
明确实验需验证的钛合金电火花加工工艺参数后，确定合理的实验方法尤为重要，笔者认为，在实验资源有限、实验参数较多的情况下，单因素实验并不适用，通过正交实验方案确定TC4钛合金电火花加工的参数较为合理。
确定研究目标为：掌握TC4钛合金零件电火花加工的影响规律，确定电极合理的结构参数和电火花机床的使用参数，为TC4钛合金材料零件电火花加工生产提供实验数据支持。
利用电火花加工设备，设计不同参数（脉冲宽度、电流大小、峰值电压、电极材料和加工介质）对TC4钛合金零件进行电火花实验，通过正交实验进行数据分析，从而确定最佳的工艺方案。
实验的技术路线为：采购火花机油、去离子水、石墨、紫铜、铬铜材料—加工电极—按照实验设计的不同参数对石墨电极进行实验—更换电极材料进行实验—更换加工介质进行实验—数据分析。
本文具体设计的实验方案：测定电火花机床参数峰值电流、脉冲宽度、间隙电压对TC4钛合金零件电火花加工速度影响规律；测定石墨、紫铜、铬铜材质电极对TC4钛合金零件电火花加工速度影响规律；制作石墨电极对典型结构的TC4钛合金零件进行电火花加工速度实验；制作紫铜电极对典型结构的TC4钛合金零件进行电火花加工速度实验；制作铬铜电极对典型结构的TC4钛合金零件进行电火花加工速度实验。
1）测定电火花机床在使用紫铜电极和电火花油介质的条件下，电流在1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8、9A、10A时不同参数状态下TC4钛合金零件电火花加工速度曲线。
2）测定电火花机床在使用紫铜电极和电火花油介质的条件下，脉冲宽度在20μs、40μs、60μs、80μs、100μs、120μs、140μs、160μs、180μs、200μs、240μs、260μs、280μs、300μs时不同参数状态下TC4钛合金零件电火花加工速度曲线。
3）测定电火花机床在使用紫铜电极和电火花油介质的条件下，峰值电压75V、95V、115V、130V时不同参数状态下TC4钛合金零件电火花加工速度曲线。
测定加工介质为去离子水对TC4钛合金零件电火花加工速度影响规律。
1）测定电火花机床在使用紫铜电极和去离子水
介质的条件下，电流在1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8、9A、10A时不同参数状态下TC4钛合金零件电火花加工速度曲线。
2）测定电火花机床在使用紫铜电极和离子水介质
的条件下，脉冲宽度在20μs、40μs、60μs、80μs、100μs、120μs、140μs、160μs、180μs、200μs、240μs、260μs、280μs、300μs时不同参数状态下TC4钛合金零件电火花加工速度曲线。
3）测定电火花机床在使用紫铜电极和离子水介
质的条件下，峰值电压75V、95V、115V、130V时不同参数状态下TC4钛合金零件电火花加工速度曲线。
本文实验用电火花加工机床为国产金凯斯牌电火花加工机床KMZ-435型，出厂日期为2018年7月15日；实验用电火花油为榄山牌火花机油，型号为EDM-1生产批次LS191225238；实验用去离子水为赤兽牌去离子水，生产批次20210508A，符合GB/T6682—2008标准要求。
2、加工介质为火花油的条件下对加工参数的实验研究
2.1电流大小、脉冲宽度、峰值电压等参数对钛合金电火花加工性能的影响规律
由图1火花油介质条件下加工速度和峰值电压的关系可知，在火花油介质中加工速度和电流大小成正比，在峰值电压2条件下加工速度最快。其中，峰值电压0为75V，峰值电压1为95V，峰值电压2为115V，峰值电压3为130V。实验机床为金凯斯电火花加工机床KMZ-435型。本文加工速度单位为mm3/min。在3A电流条件下，峰值电压越高，加工速度越快，在4A电流条件下，加工速度先降后升，在5A电流条件下，峰值电压2条件下加工速度最快。
由图2脉冲宽度和加工速度的关系可知，脉冲宽度变化对加工速度影响不大，随着脉冲宽度的增加，在电火花油介质中，积碳逐渐形成，加工速度有下降趋势。由实验结果可知，电流、脉冲宽度、间隙电压3个加工参数中，对加工速度影响最大的因素是电流。
2.2石墨电极、紫铜电极、铬铜电极材料对钛合金电火花加工性能的影响规律
在脉冲宽度50μs，峰值电压1的条件下进行实验，由图3电极材料对加工速度的影响可知，紫铜、铬铜、石墨三种材料中，石墨电极在小电流条件下加工速度最快，紫铜和铬铜加工速度较为接近。但因为石墨材料本身强度较低，在加工过程中损耗过快，需要频繁更换电极，加工石墨电极所产生的石墨微粒会对加工机床产生不利影响，所以石墨材料生产效率较紫铜和铬铜更低。
3、加工介质为去离子水条件下对加工参数的实验研究
3.1 电流大小、脉冲宽度、峰值电压等参数对钛合金电火花加工性能的影响规律
更换去离子水介质对TC4钛合金零件放电加工进行实验，实验结果如图4所示，峰值电压1为95V，峰值电压2为115V，峰值电压3为130V。在去离子水介质、脉冲宽度为20μs条件下，电流对加工速度影响最明显，峰值电压对加工速度影响不明显。实验过程中峰值电压2在10A条件下较峰值电压1和峰值电压3有加工速度优势。
在去离子水介质中，设定峰值电压75V进行实验，得到去离子水加工速度和脉冲宽度的关系数据，如图5所示。加工速度在脉冲宽度60μs时达到最大，脉冲宽度超过60μs后，加工速度随着脉冲宽度的增加而降低。
3.2石墨电极、紫铜电极、去离子水、火花机油对钛合金电火花加工性能的影响规律
在去离子水介质、电流为5A条件下紫铜和石墨电极加工速度的实验结果如图6所示，在去离子水介质下，钛合金电火花加工性能不同于电火花油介质下的加工特性，紫铜电极放电加工速度明显高于石墨电极。小脉冲宽度条件下区别不明显。
根据实验结果，在相同脉冲宽度和峰值电压条件下，去离子水介质和火花油介质的加工速度和电流的关系如图7所示，去离子水的加工速度随电流的变化明显高于火花油介质。
在10A电流，峰值电压1实验条件下进行实验，不同介质条件下脉冲宽度和加工速度关系的实验结果如图8所示，去离子水介质的电火花加工速度明显高于火花油介质。去离子水介质的电火花加工速度最大可达火花机油介质的电火花加工速度约7.25倍，火花机油加工介质中，加工速度随脉冲宽度变化不大，在去离子水介质中，脉冲宽度对加工速度的影响较为明显。
4、实验分析
本课题实验耗时近1000h，通过对500余组实验数据进行分析，总结TC4钛合金电火花加工规律，得出TC4钛合金材料加工最佳介质为去离子水。在去离子水介质下，峰值电压对加工速度影响不大，在满足加工精度的条件下，加工电流越大，加工速度越快，脉冲宽度60μs左右加工速度最快，紫铜电极的加工速度快于石墨电极。
在火花油介质下，电流越大，加工速度越快，峰值电压2和峰值电压3条件下加工速度较快，随着脉冲宽度增大，加工速度反而降低，石墨电极的加工速度优于紫铜和铬铜。在实际生产加工过程中，还需考虑电流、脉冲宽度、峰值电压、电极材料和加工介质对精度和表面光洁度的影响。
通过上述实验研究，基本掌握国产通用电火花加工机床条件下，TC4钛合金零件电火花加工的工艺规律，为TC4钛合金零件电火花加工生产提供了实验数据和技术支持。
参考文献
[1]翁正胜.钛合金微细电火花小孔加工电极损耗及预测研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.
[2]常星星，陈建彬，冯孟亮，等.电火花成形加工中不同材料的工件试验研究[J].工程机械，2021，52（6）：105-109.
[3]吴建新.钛合金材料在船舶材料上的应用[J].船舶物资与市场，2020（8）：5-6.
bjlkty.com
立坤钛业手机网
