面向航空发动机叶片的TC4钛合金高稳定性电火花加工:实时监测算法引导的多工艺参数协同优化策略

引言

钛合金作为一种高性能材料，因其优异的比强度､耐腐蚀性以及良好的生物相容性，在航空航天､医疗器械､海洋工程等高端制造领域得到了广泛应用｡然而，钛合金的高硬度､低导热性及化学活性使其在传统机械加工过程中面临切削力大､刀具磨损严重､加工效率低等问题，这极大地限制了其进一步应用｡ 电火花加工(EDM)作为一种基于电蚀原理的非接触式加工技术，能够有效克服钛合金的加工难题，尤其适用于复杂几何形状和高精度要求的零部件制造｡电火花加工通过脉冲放电产生的瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化，从而实现材料的去除，其加工过程不受材料硬度和强度的限制，因此在钛合金加工领域展现出显著优势｡

1、工程概况

某航空航天制造企业在生产某型号钛合金(TC4)航空发动机叶片时，面临电火花加工效率低､表面质量不稳定，以及尺寸精度难以控制的问题｡ 传统加工工艺中，放电电流设定为15A,脉冲宽度为100μs,脉冲间隔时间为50μs,使用石墨电极和去离子水作为介质流体｡尽管该参数组合在一定程度上满足了加工需求，但材料去除率仅为40mm³/min,表面粗糙度Ra为1.5μm,电极损耗率为5%,且加工精度波动较大，难以满足高精度叶片制造的要求｡ 此外，该加工过程的放电能量波动系数K高达0.25,表明加工过程不稳定，亟需通过工艺优化提升加工性能｡

2、电火花加工原理

电火花加工是一种基于电蚀原理的非传统加工技术，其核心机制是通过脉冲放电产生的瞬时高温使工件材料局部熔化和汽化，从而实现材料的精确去除｡ 电火花加工装置如图1所示｡其在工具电极与工件电极之间施加脉冲电压，当两极之间的间隙缩小到一定范围(通常为10~100μm)时，介质流体(通常是去离子水或煤油)被击穿，形成放电通道｡在放电通道内，电流密度可达到10⁶~10⁸A/cm²,瞬时温度高达8000~12000℃,这一高温使工件表面局部材料迅速熔化甚至汽化，同时介质流体的冷却作用将熔融材料从加工区域冲刷出去，形成微小的凹坑｡每个放电脉冲的持续时间通常在1~1000μs,单个脉冲能量范围为0.1~100mJ,通过数以万计的放电脉冲累积，最终在工件表面形成与工具电极形状相对应的复杂几何轮廓｡

3、电火花加工工艺试验研究

3.1试验设计与实验方案

3.1.1不同类型的钛合金

钛合金根据其微观组织可分为α型､β型及α+β型三大类｡ 其中，α型钛合金(如TA7)以单一α相为主，具有较高的热稳定性和抗氧化性，但其加工硬化倾向明显，电火花加工过程中易产生较高的表面粗糙度和重铸层厚度；β型钛合金(如TB5)以β相为主，具有较高的强度和韧性，但其导热性较差，电火花加工时易出现热影响区扩大和微裂纹等问题；α+β型钛合金(如TC4)兼具α相和β相的特性，其综合性能优异，广泛应用于航空航天领域，但其电火花加工过程中需平衡加工效率与表面质量的关系｡

3.1.2实验参数选择与调整

放电电流作为主要参数之一，其范围通常设定在1~50A｡较低的放电电流(1~5A)适用于高表面质量要求的加工场景，表面粗糙度Ra可控制在0.2~0.5μm;而较高的放电电流(20~50A)则用于高效率加工，材料去除率可达50~100mm³/min,但表面粗糙度Ra可能升至2~5μm｡ 脉冲宽度是另一个关键参数，其范围通常为1~500μs｡较短的脉冲宽度(1~50μs)有助于减少热影响区和重铸层厚度，但会降低材料去除率至10~20mm³/min;而较长的脉冲宽度(200~500μs)可显著提高加工效率，材料去除率可达80~120mm³/min,但可能导致表面粗糙度Ra增加至5~10μm｡ 脉冲间隔时间的选择同样重要，其范围通常为10~500μs｡较短的脉冲间隔(10~50μs)可提高放电频率，但易导致放电不稳定和电极损耗率增加(5%~10%);而较长的脉冲间隔(200~500μs)则有利于介质流体的恢复和排屑，但会降低加工效率，实验参数选择见表1｡

表1实验参数选择

3.2关键工艺参数选择

3.2.1常规材料加工效率､表面质量､尺寸精度等的选择

(1)加工效率的提升主要通过优化放电电流､脉冲宽度和脉冲间隔时间实现｡当放电电流从10A增加至30A时，材料去除率可从20mm³/min显著提升至80mm³/min,但同时表面粗糙度Ra从0.8μm增加至3.5μm,电极损耗率也从3%上升至8%｡脉冲宽度的优化则需在50~200μs内进行调整，较长的脉冲宽度(200μs)可使材料去除率达到100mm³/min,但表面粗糙度Ra可能升至5μm;而较短的脉冲宽度(50μs)虽将材料去除率降低至40mm³/min,却能显著改善表面质量，Ra可控制在0.5μm以内｡ (2)表面质量的优化不仅依赖于放电参数的调整，还需综合考虑电极材料和介质流体的选择｡例如，采用铜钨电极和去离子水组合可将表面粗糙度Ra进一步降低至0.2μm,但材料去除率会相应减少至20mm³/min。 (3)尺寸精度的控制则需通过精确调节放电间隙和伺服反馈系统实现，当放电间隙控制在10~20μm时，加工精度可达±0.005mm;但过小的放电间隙(<10μm)易导致放电不稳定和短路现象｡加工效率､表面质量､尺寸精度等的优化见表2｡

表2加工效率､表面质量､尺寸精度等的选择

3.2.2钛合金加工的参数范围选择

(1)放电电流的最佳范围通常设定在10~30A｡当放电电流为15A时，材50mm³/min,表面粗糙度Ra控制在1.2μm以内，电极损耗率维持在4%左右；而放电电流超过30A时，虽然材料去80mm³/min,但表面粗糙度Ra可能升至3.5μm,电极损耗率也增加至8%｡ (2)脉冲宽度的优化范围建议为50~150μs,当脉冲宽度为100μs时，材料去70mm³/min,表面粗糙度Ra约为1.5μm,电极损耗率为5%;而脉冲宽度低于50μs时，尽管表面粗糙度Ra可降低至0.5μm,但材料去除率会显著下降至30mm³/min。 (3)电极材料的选择对最佳参数范围也有显著影响｡石墨电极在放电电流为20A､脉冲宽度为150μs时，材料去除率可达80mm³/min,表面粗糙度Ra值为2.5μm,电极损耗率为6%;而铜钨电极在放电电流为10A､脉冲宽度为50μs时，材料去除率为30mm³/min,表面粗糙度Ra可低至0.3μm,电极损耗率为2%｡ (4)介质流体的选择同样重要，去离子水在放电电流为15A､脉冲宽度为100μs时，可实现材料去除率50mm³/min,表面粗糙度Ra为1.0μm;而煤油在放电电流为25A､脉冲宽度为150μs时，材料去除率可提升至70mm³/min,但表面粗糙度Ra增加至2.0μm｡

3.3引入实时检测算法

在钛合金电火花加工工艺试验研究中，电火花加工过程的实时监测与优化是实现高精度､高效率加工的核心环节，其关键在于通过算法对放电状态进行实时分析与调控｡ 引入基于放电能量动态平衡的实时监测算法｡该算法通过监测放电电压V和放电电流I,计算瞬时放电能量E,其计算公式为: 

式中，V(t)为时间t时的放电电压，I(t)为时间t时的放电电流，t1和t2分别为放电起始和结束时间｡该公式通过积分计算单个放电脉冲的能量，反映放电过程中能量的累积效应｡瞬时放电能量的精确计算有助于判断放电状态的稳定性，当E值波动较大时，表明放电状态不稳定，需调整放电参数以优化加工性能｡为进一步提高监测精度，引入放电能量波动系数K,其计算公式为 

式中，E_i为第i个放电脉冲的能量；为N个放电脉冲的平均能量；K值越小，表明放电能量波动越小，加工过程越稳定｡该公式通过计算放电能量的标准差与平均值的比值，量化了放电能量的波动程度｡当K值小于0.1时，表明放电状态稳定，加工效率与表面质量均处于较优水平；当K值大于0.2时，则需调整放电电流､脉冲宽度或脉冲间隔时间，以降低能量波动｡

4、加工工艺试验效果

基于实时监测算法，进行参数优化｡ 首先，通过算法实时监测放电电压和放电电流，计算瞬时放电能量和放电能量波动系数，动态调整放电参数｡优化后的放电电流提升至20A,脉冲宽度调整为120μs,脉冲间隔时间延长至80μs,同时采用铜钨电极替代石墨电极，并将介质流体调整为煤油｡ 通过优化，放电能量波动系数降低至0.08,加工稳定性显著提升｡优化后的材65mm³/min,表面粗糙度Ra降至0.8μm,电极损耗率降至3%,加工精度稳定在±0.005mm以内｡优化技术应用前后的成效对比数据见表3｡

表3优化技术应用前后的成效对比数据

通过实时监测算法的应用，放电能量波动系数K从0.25降低至0.08,显著提升了加工过程的稳定性｡优化后的放电电流和脉冲宽度组合使材料去除率提升了62.5%,同时表面粗糙度Ra降低了46.7%,电极损耗率减少40%。铜钨电极的使用进一步提高了加工精度，使其稳定在±0.005mm以内，满足了航空发动机叶片的高精度制造要求｡此外，煤油作为介质流体的应用提高了排屑效率，减少了加工区域的二次放电现象，进一步优化了表面质量｡本案例表明，通过实时监测与动态调整工艺参数，可显著提升钛合金电火花加工的综合性能，为高端制造领域提供可靠的技术支持｡

5、结束语

综上所述，钛合金电火花加工工艺试验研究通过系统化的参数优化与实时监测算法的应用，显著提升了加工效率､表面质量及尺寸精度｡ 研究表明，放电电流､脉冲宽度､脉冲间隔时间､电极材料及介质流体的优化组合是实现高效､高精度加工的关键｡通过将放电电流提升至20A､脉冲宽度调整为120μs､脉冲间隔时间延长至80μs,并采用铜钨电极与煤油介质流体，材料去除率从40mm³/min提升至65mm³/min,表面粗糙度Ra从1.5μm降低至0.8μm,电极损耗率从5%降至3%,加工精度稳定在±0.005mm以内｡实时监测算法的引入使放电能量波动系数K从0.25降低至0.08,显著提高了加工稳定性｡ 本研究的成果为钛合金电火花加工技术在航空航天､医疗器械等高端制造领域的应用提供了科学依据和技术支持，推动了钛合金复杂零部件的高效､高精度制造｡

参考文献

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作者简介

侯洋(1985-),男，黑龙江哈尔滨人，本科，高级工程师，主要研究方向为航空钣金､机械加工｡

（注：原文标题：钛合金电火花加工工艺试验研究）

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