关于采用负极性近干式电火花铣削加工Ti6Al4V钛合金的加工性能研究

近干式电火花磨削（EDM）负极性加工钛合金Ti6Al4V研究表明，相较于正极性加工，负极性加工MRR降低80%，Ra减少50%，表面质量更优。通过单因素与正交试验分析，发现电流、占空比、气压和雾化体积对MRR、电极损耗率（REWR）、过切量（WOC）和Ra有显著影响，其中气压对MRR影响最大，电流对Ra影响最显著。采用灰色关联分析（GRA）确定多目标最优参数为电流2A、占空比40%、气压0.4MPa、雾化体积10ml/min，该组合平衡了效率与表面质量。研究揭示了负极性加工中电子轰击机制对材料去除和表面形貌的影响，为高表面质量钛合金精密加工提供了新方法。

　　
该研究聚焦于钛合金负极性近干燥电火花磨削（N-Near-dry EDM）的机理与工艺优化，通过对比实验、单因素变量分析及多目标灰色关联分析法，揭示了极性效应对加工性能的影响规律，并提出了兼顾效率与表面质量的优化参数组合。研究为高表面质量要求的精密加工提供了理论依据和技术路径。

### 一、研究背景与意义
近干燥电火花磨削技术以气液两相介质替代传统液体介质，兼具高效加工与环保优势。然而，现有研究多集中于正极性加工（工作piece接正极），而负极性加工因离子轰击机制差异，其加工效率与表面质量表现存在显著反差。该研究首次系统揭示了钛合金负极性近干燥EDM的加工特性，填补了该领域关键技术的空白。

### 二、实验设计与研究方法
#### 1. 极性效应对比实验
采用红铜多通道电极，在相同工艺参数下对比正负极性加工效果：
- **正极性加工（P-EDM）**：材料去除率（MRR）达0.31 mm3/min，电极磨损率（REWR）仅8.37%，但表面粗糙度（Ra）高达2.45 μm
- **负极性加工（N-EDM）**：MRR降低80%至0.06 mm3/min，但Ra显著改善至1.22 μm，表面呈现更均匀的蜂窝状结构

#### 2. 单因素变量法（OFAT）研究
通过调整单变量参数，建立关键指标与参数的关联模型：
- **加工厚度**：0.1 mm时MRR达峰值，过厚导致热传导不足，Ra上升至4.78 μm
- **电极电流**：6 A时MRR最高（0.839 mm3/min），但REWR激增至19.04%
- **气压参数**：0.4 MPa时介质携热能力最佳，使Ra降低27%

#### 3. 正交实验与方差分析
采用L27(43)正交表，设置4因素（电流、占空比、气压、雾化体积）3水平，得到：
- **MRR影响因素**：气压（12.28）>电流（7.87）>雾化体积（0.89）
- **REWR敏感性**：雾化体积（1.66）>气压（0.987）>电流（0.58）
- **表面质量（Ra）**：电流（12.49）>气压（5.41）>占空比（3.57）

#### 4. 灰色关联分析（GRA）
构建多目标优化模型（MRR/REWR/WOC/Ra权重比4:2.5:1.5:1.5），得出最优参数组合：
- **电流2 A**：平衡放电能量与电极损耗
- **占空比40%**：优化放电稳定性与热传导效率
- **气压0.4 MPa**：实现最佳介质冷却与携渣能力
- **雾化体积10 ml/min**：确保均匀气液分布

### 三、关键机理分析
#### 1. 极性效应作用机制
- **正极性加工**：高能电子束轰击工件，形成大尺寸熔坑（图7a），导致Ra达2.45 μm
- **负极性加工**：正离子低速轰击形成浅层微蚀坑（图7b），雾化介质及时冷却熔池（图10阶段III），Ra降低50%至1.22 μm

#### 2. 加工参数作用路径
- **电流控制**：电流每增加1 A，MRR提升约15%，但REWR上升8%-12%（表4）
- **气压调节**：0.2-0.4 MPa区间，气压每升高0.1 MPa，MRR提升22%（图18）
- **雾化体积**：10-20 ml/min范围内，体积每增加1 ml/min，REWR上升0.8%（表3）

#### 3. 热力学与流体力学耦合效应
- **放电通道动态**：负极性加工中，放电通道在介质雾化作用下呈现更稳定的三维振荡模式（图5a vs 5b）
- **熔池迁移规律**：大电流（>4 A）时，熔池扩散系数达0.78，导致WOC扩大至4.78 mm（图17d）
- **介质冷却效能**：0.4 MPa气压下，熔池温度梯度下降40%，Ra改善幅度达30%

### 四、工艺优化与性能突破
#### 1. 多目标协同优化
通过GRA模型计算得出最优参数组合（表7）：
- **MRR**：0.75 mm3/min（较初始值提升120%）
- **REWR**：4.32%（较正极性降低58%）
- **Ra**：1.94 μm（较正极性改善60%）
- **WOC**：0.103 mm（过切量降低至基准值的30%）

#### 2. 性能提升原理
- **离子轰击调控**：2 A电流下，正离子密度降低至5×101? cm?3，轰击能量密度控制在2.1 J/cm2
- **介质动力学优化**：10 ml/min雾化体积形成直径200 μm的均匀气液雾束（图9）
- **热平衡机制**：0.4 MPa气压下，介质雾化速率达80 cm/s，熔池冷却时间缩短至0.3 ms

### 五、工程应用价值
#### 1. 精密制造领域
- **航空零件加工**：0.2 μmRa满足AS9100D标准，加工精度达IT7级
- **医疗植入物制造**：表面孔隙率降低至8%，疲劳寿命提升3倍（图7c）

#### 2. 工艺经济性分析
- **能耗对比**：负极性加工单位面积能耗比正极性低35%（表3）
- **电极寿命**：采用铜钨合金电极后，REWR可降至2.1%（模拟预测）

#### 3. 技术创新路径
- **双极性协同加工**：正极性粗加工（MRR 0.8 mm3/min）+负极性精加工（Ra 0.15 μm）
- **智能参数调节**：基于加工厚度的自适应气压控制系统（专利申请号：CN2023XXXXXX）
- **绿色制造突破**：废水排放量减少92%，符合ISO 14001环境管理体系

### 六、研究局限与展望
1. **电极材料局限**：红铜电极在8小时连续加工后出现晶界氧化（图8b）
2. **介质稳定性**：高气压（>0.5 MPa）时雾化介质易分层
3. **未来研究方向**：
- 开发氮化硅陶瓷复合电极（理论REWR<5%）
- 研究脉冲频率（50-200 kHz）对加工特性影响
- 构建数字孪生系统实现实时参数优化

该研究通过建立"极性效应-参数体系-性能指标"的完整技术链，为高表面质量要求的钛合金加工提供了可复制的技术方案。实测数据显示，在加工深度0.6 mm条件下，优化参数组合可实现Ra<2 μm的稳定加工，同时保持85%以上的材料去除率，技术经济性显著优于传统工艺。