唐 霖，范植坚，干为民，杨 森

（1．西安工业大学 机电工程学院，西安710021；2．常州工学院 江苏省数字化电化学加工重点实验室，常州213002；3．中航工业西安航空发动机集团有限公司，西安710021）

电火花加工是一种将电能转化为热能，使局部工件材料熔化或气化，可实现高精度、高表面质量加工的一种加工方法，以其优越的性能可加工高强度、高硬度、高熔点、形状复杂的难切削金属材料，在航空航天、武器装备、模具等领域发挥着重要的作用，被认为是加工整体涡轮盘类零件最有前途的技术之一，美国的Nucon公司采用电火花加工技术加工闭式整体叶轮，获得比数控铣削加工还高的加工效率［1］．瑞典Volvo公司采用多轴联动数控电火花技术加工出的闭式整体叶盘已成功应用到Ariane-5火箭发动机中［2］．

Agrawal采用电火花磨削复合加工技术［3］，Uhlmann采用超声振动辅助电火花加工技术［4］均在一定程度上提高了效率和表面质量．文献［5-7］采用共轭轨迹法进行电极运动路径规划，设计出比传统方法更饱满的电极，有效地提高了涡轮盘的加工效率．文献［8］提出逆向搜索轨迹法解决了成型电极与工件易发生干涉的问题．文献［9-10］对闭式整体叶轮异形涡道进行合理分区，采用等间隙法在线设计并制造电火花加工成型电极，降低了电极的设计难度，缩短电极研制周期，同时研究了电火花加工参数对材料去除率、表面粗糙度和表面变质层的影响规律．此外，采用混粉电火花加工技术［11］和多目标参数优化设计方法［12-13］均在不同程度上提高了工件表面质量和加工效率．

电火花加工中电参数的选择对工件表面质量、加工效率以及加工稳定性有着重要的影响．而针对S-03特种钢材料的电火花加工工艺基础研究很少见报道．本文在正交试验的基础之上，采用灰关联分析与正交设计相结合的理论对试验结果进行数据处理、分析，研究各参数对加工的影响规律，寻求兼顾加工精度、效率和稳定性的最优工艺参数，最后通过对比试验验证该优化方法的正确性．

1 电火花加工试验装置

S-03材料是一种超低碳马氏体时效特种钢，材料成分见表1，可在-253～500℃的范围内使用，具有良好的低温韧性、锻造性能和焊接性能，材料成本低，与高温合金力学性能相当，被广泛应用在高压液氧泵，高压液氧导管、高压燃气气体发生器以及大型运载发动机涡轮盘等重要零部件上．由于S-03材料强度大、硬度高、韧性好，普通切削加工中易硬化，刀具磨损严重，使得S-03的切削加工性能极差，属于一种难切削加工材料．

表1 S-03特种钢组成元素含量Tab．1 Chemical composition of S-03special steel

为提高异形型腔的电火花精加工表面质量和精度、降低再铸层的厚度、减少表面微裂纹，需对S-03特种钢材料进行电火花精加工工艺基础试验研究．本文采用ACTSPARK EDM电火花成型机床，以煤油为工作液，采用∅8mm铜电极对S-03特种钢材料进行电火花精加工，工件接负极，电极接正极，通过磁力吸盘将工件固定好，整个加工装置如图1所示．

图1 电火花加工试验装置Fig．1 The EDM machine and experiment setup

2 正交试验设计

脉冲放电能量对电火花加工质量有着很重要的影响．而脉冲放电能量受放电电压、峰值电流和脉宽的影响．

式中：ue（t）为放电间隙中随时间而变化的电压；ie（t）为放电间隙中随时间而变化的电流；Ue为放电电压；Ie为峰值电流；ton为脉冲放电时间．

首先进行4因素、3水平的电火花加工L9（34）正交预试验研究，正交试验设计见表2．

电火花加工后，采用高精度EX1103ZH天平测量实验前后工件质量之差，通过质量、密度、体积以及加工时间，计算电火花加工材料去除率．采用由北京天晨科技有限公司生产TR200表面粗糙度仪测量加工后的表面粗糙度，测得结果见表3．

表2 L9（34）正交试验设计Tab．2 L9（34）orthogonal array

表3 L9（34）正交试验测试值Tab．3 L9（34）orthogonal array，control parameters and observed values

3 灰关联分析

灰关联度理论分析方法是将试验结果的原始数据进行量纲统一化处理，获得电解加工参数与优化目标之间的关系，对于材料去除率，数值越大越好，故采用望大性公式为

式中：Δv为偏差的平均值；εΔ为平均偏差值在最大偏差中所占的比例．经计算ζ取0．8．通过计算可得到各因素、水平的灰关联系数及等级见表4．

通过对表5中4因素3水平的灰关联平均值进行计算结果见表5，峰值电流对电火花加工表面质量和效率的综合影响最大，4因素中对加工影响由主到次依次为峰值电流、脉间、脉宽及伺服电压．

表4 灰关联等级系数及等级Tab．4 Gray relational coefficients and grades

表5 加工参数的水平对灰关联系数的影响Tab．5 Process parameters effecting on gray relational grade

由电火花加工工艺参数对灰关联等级的影响可得最佳的组合参数为A2B2C2D3，由正交试验得到的最佳优化参数组合为A2B1C2D3．

分别对A2B1C2D3和A2B2C2D3进行实验研究，其加工结果见表6．

对加工后的工件进行表面形貌分析，如图2所示．图2（a）为正交试验得到的A2B1C2D3的表面形貌，图2（b）为采用灰关联分析得到的A2B2C2D3的表面形貌．

此外，对A2B2C2D3参数加工后的工件进行表面元素分析，如图3所示．采用铜电极在煤油电火花工作液中加工S-03材料，发现Cu和O元素在工件上．由于煤油的分解以及铜电极在高温条件下的熔化和气化，部分材料溅射到工件表面．

表6 对比试验Tab．6 Results of the confirmation experiment

图2 电火花加工后的工件表面形貌Fig．2 Micrographs of the machined work piece with EDM technology

图3 A2B2C2D3参数下S-03工件表面成分Fig．3 Energy-dispersive x-ray spectroscopy of S-03with A2B2C2D3

采用OLYMPUS OLS3000型共聚焦扫描电镜对A2B1C2D3和A2B2C2D3参数加工后的工件进行测试，由于A2B1C2D3峰值电流较A2B2C2D3小，故放电能量较后者小，加工后的表面粗糙度较A2B2C2D3好，如图4所示．由图4可以看出，采用正交设计与灰关联理论相结合的方法得到的电火花精加工工艺参数获得了良好的质量，用于参数优化问题有效可行．

图4 工件底面放电凹坑的共聚焦表面形貌Fig．4 Surface morphology of confocal laser scanning discharge crater

4 结 论

采用正交设计与灰关联理论相结合的方法开展电火花精加工工艺参数试验，得到影响电火花加工综合指标的由主到次的因素依次为峰值电流、脉间、脉宽、伺服电压．采用A2B2C2D3参数即伺服电压40V，峰值电流7A，脉冲宽度50μs，脉冲间隔100μs时可获得的材料去除率为13．3mm3·min-1，表面粗糙度达1．4μm．研究表明采用该方法将多目标下的参数优化转化成单目标下灰联度的优化，对解决工程实践中多目标下参数优化问题是一种简单有效的方法．

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