TC4(Ti6Al4V)钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀及相容性好等优点，广泛应用于航空航天、船舶电力、化工、汽车及医疗等领域，受到科研工作者的广泛关注[1-5]。随着科学技术的发展，对钛合金的表面质量与形状精度的要求越来越高，而传统的加工方式难以满足需求，需要选择合适的加工方法来加工。电火花线切割加工技术的产生，为这些难题提供了新的解决方式，由于是通过两极局部区域熔化或气化去除，电极丝不与工件接触，没有宏观力的产生，可以加工硬度高、脆性大的难加工材料。目前，国内外学者针对电火花线切割加工工艺对切割质量的影响规律，开展了一系列的研究。Aldrin等[6]研究了电火花线切割加工高锰钢ASTMA128材料的电参数和非电参数对表面粗糙度与材料去除率的影响，通过试验分析得知峰值电流是影响材料去除率与表面粗糙度的最主要因素，而开路电压和运丝是影响硬度的主要因素。Sridhar等[7]针对复合材料SiCP/Al2124进行电火花线切割放电加工，对脉宽、脉间、电流和伺服电压参数进行优化，并在优化的试验参数下进行加工，试验结果与预期的结果吻合。Partha等[8]基于灰色关联分析法，对形状记忆合金进行电火花线切割加工，获得了表面粗糙度的最佳参数组合。王蕾[9]、马军等[10]都针对GH4169合金开展电火花线切割加工，研究了工艺参数对加工速度与表面粗糙度的影响。王磊等[11]研究了电火花线切割电流参数对5Cr5WMoSi工具钢表面质量的影响。现阶段的研究主要集中在电参数对加工质量的影响，非电参数的研究较少，因此有必要进行相关的研究。本文通过研究脉宽、放电间隙、功率放大管数(放电峰值电流的设置)和变频值[12](即走丝速度)等参数对TC4钛合金加工质量的影响，分析各工艺参数对切割速度与表面粗糙度的影响规律。
1试验设备与方案
1.1试验设备与材料
试验采用的往复走丝电火花线切割机床，其最大直线切割厚度为300mm，最大承受重量600kg，采用的电极丝为直径0.18mm的钼丝，工作液为去离子水。TC4钛合金试件尺寸为80mm×26.6mm×15mm，切割成厚度为2mm的薄片零件。
1.2试验方案及检测
试验方案采用单因素试验法，研究各因素对TC4钛合金加工的切割速度与表面粗糙度的影响规律，切割速度计算如下：V=S/t(1)式中：V为切割速度，mm2/min;S为切割面积，mm2;t为加工时间，min。表面粗糙度通过MarSurfM300表面粗糙度测试仪与TD4-KP显微镜联动测试，表面粗糙度测试仪最大取样长度为17.5mm，测量范围0~350μm;显微镜可自动聚焦，在1000倍下观察零件的表面形貌，并将图像与视频保存在SD卡中供分析使用。
2试验结果与分析
2.1脉宽对加工TC4钛合金的影响
在加工过程中，固定放电间隙2μm、功率放大管数6个、变频值50Hz，设置脉宽分别为9、16、24、32、40、48μs，观察不同脉宽值对TC4钛合金切割速度与表面粗糙度的影响，得到的试验结果见图1。由图可见，当脉宽为9μs时，切割速度仅有2.21mm2/min;随着脉宽的增加，切割速度不断提高、表面粗糙度值也不断增大。这是由于脉宽增加后，单个脉冲能量也随之变大，从而会使材料的切割速度加快，同时零件表面形成较大尺寸和深度的凹坑，导致表面粗糙度值增大。图2是脉宽分别为9、48μs时加工出的零件表面微观形貌图，可见脉宽为9μs时，表面的电蚀坑比较均匀且数量众多，无明显尺寸突变的凹坑;当脉宽为48μs时，可以看到形成的电蚀坑不均匀，凹坑数量清晰可见，并且表面能观察到明显的熔融再铸层，因此表面质量较差。
2.2放电间隙对加工TC4钛合金的影响
在加工过程中，固定脉宽16μs、功率放大管数6个、变频值50Hz，设置放电间隙分别为2、4、6、8、10、12μm，观察不同放电间隙对TC4钛合金切割速度与表面粗糙度的影响，得到的试验结果见图3。可见，随着放电间隙不断增加，切割速度以小幅度逐渐降低，表面粗糙度不断增大，这是由于放电间隙过大，影响放电通道的形成，从而出现放电不稳定的现象。图4是放电间隙分别为2、12μm时加工出的零件表面微观形貌图，可见当放电间隙为12μm时，形成凹坑尺寸较大、熔融再铸层数量较多，从而导致表面质量较差。
2.3功率放大管数对加工TC4钛合金的影响
在加工过程中，固定脉宽16μs、变频值50Hz、放电间隙2μm，设置功率放大管数分别为4、5、6、7、8、9个，观察不同功率放大管数对TC4钛合金切割速度与表面粗糙度的影响，得到的试验结果见图5。可见，随着功率放大管数的增加，材料切割速度不断提高，当管数为4~7个时切割速度增幅较大，当管数为7~9个时增幅较小;同时随着功率的管数的增加，表面粗糙度值逐渐增大。这是由于功率管数的增加提高了单个脉冲能量，导致蚀除颗粒变大，形成较大尺寸与深度的凹坑，从而使工件的表面粗糙度的提高。图6是功率放大管数分别为4个、9个时加工出的零件表面微观形貌图，可见当功率放大管数为9个时工件表面凸起和凹陷的尺寸较4个时更大，凹坑较为明显，重铸层较多，表面质量较差。
2.4变频值对加工TC4钛合金的影响
在加工过程中，固定脉宽16μs、功率放大管数6个、放电间隙2μm，设置变频值分别为15、20、30、40、45、50Hz，观察不同变频值对TC4钛合金切割速度与表面粗糙度的影响，得到的试验结果见图7。可见，随着变频值的增加，材料切割速度不断增加，变频值在15~30Hz之间增幅较大，变频值在30~50Hz之间增幅较小，同时表面粗糙度值随着变频值的增加而逐渐增大。这是由于运丝速度越高，工作液进入加工区域速度越快，电蚀产物的排出速度越快，加工稳定性得到提高，减少了二次放电几率，有助于切割速度的提高。图8是变频值分别为20、50Hz时加工出的零件表面微观形貌图，可见当变频值为20Hz时表面重铸层较多，这是由于运丝速度越慢，切缝内放电区域温度越高，工作液进入加工区域速度越慢，无法及时将电蚀产物排出，大大增加二次放电的几率，使工件表面质量较差。
3结论
采用单因素试验法，开展了TC4钛合金电火花线切割的试验研究，得到了材料的切割速度与表面粗糙度值随着脉宽、放电间隙、功率放大管数及变频值参数变化规律，具体如下：(1)随着脉宽的增加，切割速度会随之增加，同时表面粗糙度也因放电能量的提高而增加。(2)随着放电间隙的增加，切割速度不断降低但降幅较小，同时因放电间隙增加而产生加工不稳定现象导致表面粗糙度增大。(3)随着功率管数的增加，脉冲能量增大，切割速度随之不断提高，但增加幅度逐渐趋于平缓，同时表面粗糙度逐渐增大，但过大的电流可能会导致断丝。(4)随着变频值的不断增加，运丝速度加快，切割速度也不断增大，同时电蚀产物排出速度不断提高，表面粗糙度随之降低。
《TC4钛合金电火花线切割加工工艺参数的影响研究》来源：《电加工与模具》，作者：孙伦业 史德福 张新 王健