基于正交试验的微电解加工高温合金的研究

曹国强，刘江宁，李原吉

（沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136）

高温合金是使用温度超过600℃的合金，因其在高温下具有优良的性质，已经成为航空发动机经常使用的优质材料.高温合金GH4169可用于制造航空发动机中的各种静止件和转动件，如盘、机匣、轴、叶片等元件[1-2].但是由于高温合金材料硬度大，加工中容易出现加工硬化，寻找一种更合适的加工方式成为急需解决的问题.由于微细电解加工是以“离子”形式去除材料的，与零件无直接接触，该加工技术与零件硬度无关，在进行深孔和薄壁零件加工中优势明显[3].因此可利用微细电解加工的特点对高温合金GH4169进行有效加工.本文以微细电解加工高温合金GH4169实验为背景，运用MATLAB软件对实验数据进行分析，建立微细电解加工高温合金的数学模型.

1 微细电解加工实验

1.1 试验自变量参数的确定

本文以高频窄脉冲电解加工高温合金GH4169材料为对象进行现场试验.高温合金GH4169化学成分如表1所示.

表1 GH4169的化学成分Tab.1 Chemical composition of GH4169%

加工平衡间隙作为电解加工效率的主要工艺指标之一，其受电参数和非电参数的影响较大，如电压、脉冲频率、占空比及电解液等因素.如把所有这些参数均作为自变量来处理，将使实验次数太多而不现实，并且无法同时获得这些参数的试验数据，此外电解加工机理非常复杂，要对在线工艺规律进行系统研究存在着现实的困难.根据上述分析，确定电压、脉冲频率为本次电解加工试验的自变量.

1.2 试验条件和加工原理

本次加工实验设备是北京某公司高频窄脉冲电解数控机床；使用直径为60 μm的钨丝作为阴极.钨丝具有良好的柔韧性、出色的导电性以及在各种溶液中良好的稳定性.并且当发生短路现象时，可以承受瞬时的电流变化，被广泛的应用于电解加工中[4－5].在本文的实验中，首先要加工出符合要求的阴极电极，使用直径为0.4 mm的钨丝来制作直径为60 μm的阴极.本实验针对高温合金进行研究和分析.此时60 μm钨丝不再作为阳极工件，而是阴极电极.阳极则是2 mm厚的高温合金GH4169.在阴阳极两端加上脉冲电压.这时电解加工体系形成，电解加工开始.图1所示为高温合金GH4169电解加工间隙变化示意图.

图1 间隙变化示意图Fig.1 Gap change schematic diagram

本实验中采用质量分数为20%～30%的NaNO3溶液，在电解加工时会得到较好的表面精度；夹具的正确使用，保证高温合金材料在夹具上的正确位置.微细电解加工的平均间隙一般是5～270 μm[6].电解加工中阴极的加工是能否保持好的阳极加工精度的关键.如若阴极的加工出现了误差，那么加工出的工件也一定无法达到要求.在此次实验中，为了得到好的成品以及具有说服力的结论，因此才有微纳米级的工具电极.如图2为电解加工高温合金GH4169的原理图.

图2 电解加工的加工原理图Fig.2 Processing principle diagram of ECM

1.3 正交试验数据的极差优势分析

试验选取加工电压和脉冲频率2个因素，以加工平衡间隙为工艺指标.各个水平的选取范围参考实际的加工条件，每个因素选择3个水平:加工电压为2、4、6 V；脉冲频率 0.4、0.6、1 MHz，在占空比为 0.3 时设计出L9（32）正交表，试验数据如表2所示.

表2中，kij为第列因素水平数所对应的试验指标和.kij是试验指标的平均值.R=max（k1j，k2j，…，kmj）－min（k1j，k2j，…，kmj），即第j列因素的的最大值与最小值的差.由kij的大小可以判断kij因素的优劣水平，由R的大小可以判断各因素的主次顺序.R的值越大，表明该项因素的水平变化对试验的指标值影响就大.根据表2中数据分析结果可以看出:U＜f，从而可以得出电压和脉冲频率对电解加工GH4169材料平衡间隙的影响.试验所得数据如图3所示.

表2 正交试验结果及极差分析Tab.2 Orthogonal test result and range analysis

图3 电压对平衡间隙的影响Fig.3 Voltage on influence of processing speed

从图3中可以看出电压对平衡间隙的影响:当脉冲频率为定值时，加工间隙随着加工电压的增加而增大；在相同的加工电压下，脉冲频率的增加，加工间隙而减小.电压增大，电流加大，侵蚀能力加强.不过随着电压提高，侵蚀发热量大，平衡间隙增大.随着脉冲频率的提高，加工平衡间隙逐渐减小.脉冲频率越大，加工平衡间隙越小，电流密度大，集中侵蚀效果好.有利于提高表面质量.选择正确合适的占空比和电压对保证高频窄脉冲加工表面质量起着重要的作用.

2 微细电解加工GH4169的平衡间隙公式

线性回归模型公式可表示为:

y=c0+c1x1+c2x2+ … +cm－1xm－1，模型中各系数与常数项利用最小二乘法求得.

建立多元线性回归方程:

式中:φ为试验正态随机变量误差[7]，用矩阵形式表示式为:

正交试验数据如表2所示，运用MATLAB软件，并用回归方程进行显著性检验分析，结果如表3所示.

表3 回归系数、系数置信区间与相关的数据Tab.3 Regression coefficient，interval and related statistics

其中:

通过MATLAB多元线性回归得出:

对其进行显著性检验:相关系数r2=0.9852，|r2－1|=0.0148，很小，表明回归直线拟合程度很高，加工平衡间隙的98.52%可以由（5）确定.

F 检验:P=0.0001，P＜＜0.01，表明回归方程高度显著.

方差检验:σ2=0.0020，σ2很小，表明回归方程误差小.

令:Y=lg e2，x1=lg f2，x2=lgU 代入式（3）可得:

对（4）式两边同时取以10为底的指数，得到:

由此可得:

上式即为电压和占空比在脉冲频率为0.6 MHz时对平衡间隙影响关系式.

3 结论

（1）通过对正交试验数据U（V），f（占空比），e（μm）的分析可知，平衡间隙与占空比、加工电压成正比，（11＜e＜30，2＜U＜6，0.4＜f＜1）.

（2）对平衡间隙的回归方程分析得出，在α=0.01水平上高度显著，且回归方程相关系数r2=0.9852，r2越接近1表明回归线的拟合程度越高.

（3）通过MATLAB的分析，我们得到平衡间隙与加工电压和占空比的关系式即:e=255.3289f0.5284U0.4522明确地给出了平衡间隙与占空比、加工电压之间的关系，从指数可以得出占空比影响最大，其次是加工电压，实际生产中具有指导意义.

[1]王菊凤，赵先锋.高温合金GH4169电解参数优化的研究[M].北京:现代机械出版社，2012:27－29.

[2]PECAS P，HENRIQUES E.Intrinsic innovations of die sinking electrical discharge machining technology:Estimation of its impact[J].Adv Manuf Technol，2009（44）:880－889.

[3]朱保国，王振龙.微细电解加工实验研究[J].华中科技大学学报:自然科学版，2007，35（增 1）:6－11.

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