都金光 1，2，秦功敬 1，马 军 1，2，申长帅 1
（1.郑州轻工业学院 机电工程学院，河南 郑州 450002；2.河南省机械装备智能制造重点实验室，河南 郑州 450002）
摘 要：采用正交实验方法用铜电极对Inconel718合金材料进行电火花加工研究，研究了不同的加工参数（电流、周率、效率、间隙电压）对电火花加工Inconel718材料过程中的电极损耗和材料的去除率的影响，并对实验结果进行了主效应分析以及方差分析。结果表明：材料去除率随着电流和周率的增大而增大，电极损耗随着周率的增大而减小。在加工参数电流为10A，周率为100μs，效率为80%，间隙电压20V时获得较高的材料去除率；加工参数在电流为4A，周率为200μs，效率为20%，间隙电压20V时获得较小的电极损耗。
关键词：Inconel 718合金；电火花加工；加工参数；材料去除率；电极损耗
Inconel 718合金是由美国率先发现并从20世纪60年代开始渐渐发展起来的一种镍基高温合金，该合金具有较好的热稳定性、抗拉强度、优良的热工艺和焊接性能，同时还有非常好的抗疲劳、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能等，目前Inconel 718合金已经在航空发动机涡轮盘、叶片、石油管道、核工业结构件等方面得到了较为广泛的应用[1-2]。Inconel 718合金是一种典型的难加工材料。传统的加工方法加工该合金不仅会使刀具磨损加剧同时使得加工工件的表面质量和加工精度难以保证，一般只能通过金刚石砂轮磨削、电火花线切割、电火花成型加工等手段进行[3-6]。
电火花加工是在工作液中进行的，通过电极和工件这两级之间的脉冲放电产生的电蚀作用来去除加工工件的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工[7]。相较于传统方法，电火花加工技术加工的范围更为广泛，能够用来加工超硬材料和形状比较复杂及加工小孔的试件，加工精度高，光洁度好。因此使用主要研究在不同的加工参数下用铜作为电极对高温合金Inconel718在电火花成型机加工后的材料去除率和电极损耗问题。通过主效应分析来确定各参数对研究变量的关系，通过方差分析来判断各个因素对目标变量的显著性，经过上述过程来获得铜电极电参数的最优组合，这对于提高材料去除率，降低电极损耗，提高加工表面质量极为重要[8-9]。
表1 Inconel718的化学成分
Tab.1 Chemical Composition of Inconel718（%）
Ni Fe CrNb Mo MnSiAlTi Co C Cu P S B 52.47 19 18 5.12 3.15 0.220.15 0.6 0.96 0.1820.060.030.020.020.006
Inconel718的化学成分，如表1所示。
2.1 实验材料
实验所用材料为Inconel 718合金，其化学成分，如表1所示。该合金具有极好的耐应力腐蚀开裂和点蚀的能力。实验时将会加工出面为直径10mm的圆形，表面面积为78.54mm2，工件加工深度为3mm。
2.2 实验设备及指标检测
2.2.1 实验设备
本实验所使用的机床是数控电火花成型机床，型号是EDM-350，机床重量是1200kg，工作台承重是350kg，主轴承重是50kg，工作台尺寸是（600×350）mm，油槽尺寸是（880×570×350）mm，工作台最大行程是（350×250）mm，输入电压是 380V/50Hz，最大功率6KVA，最大加工电流50A，熔断电流60A，工作液：煤油，采用负极性加工。实验现场，如图1所示。加工后的加工样件，如图2所示。
图1 实验现场
Fig.1 Experimental Site
图2 加工工件
Fig.2 Machined Workpiece
2.2.2 检测方法
材料去除率与电极损耗是研究的两个重要指标，材料去除率是指在单位时间内被加工工件通过电蚀作用被去除的量，通常以体积V来表示材料去除量，以去除体积V除以加工所用时间t来表示材料去除率，单位为mm3/min。体积通过游标卡尺测量加工工件的深度乘以截面面积得出，加工时间通过仪器面板上的显示时间得出。电极损耗则是采用METTLERTOLEDO高精度天平测量电极重量，为了避免测量时产生的误差影响实验结果，因此每个工件取三次测量结果的平均值。电极重量测量现场，如图3所示。
图3 电极重量测量现场
Fig.3Measurement Site of Electrode Weight
2.3 实验设计
正交实验方法实际上是一种从众多的实验条件中选出较优实验方案的方法，同时它还能够用来分析各个实验因素对结果的影响程度[10]。
在本试验中采用四因素四水平的正交试验，并且在所有的可能的正交表中选用L16（44）正交表进行试验安排。根据在表的四列中依次放入因素A（电流）、B（周率）、C（效率）和 D（间隙电压）四个水平，单位分别是电流（A），周率（μs），效率（%）以及间隙电压（V），如表2所示。实验所用的正交实验安排表，如表3所示。按照所列正交表进行实验。
表2 实验加工参数
Tab.2 Experimental Machining Parameters
序号 A电流（A） B周率（μs） C效率（%） D间隙电压（V）1 4 50 20 20 2 6 100 40 40 3 8 150 60 60 4 10 200 80 80
表3 正交实验表
Tab.3 Schedule of Orthogonal Experiments
因素 A电流（A） B周率（μs） C效率（%） D间隙电压（V）试验号1 4 50 20 20 2 4 100 40 40 3 4 150 60 60 4 4 200 80 80 5 6 50 40 60 6 100 20 80 7 6 150 80 20 6 8 200 60 40 9 8 50 60 80 6 10 8 100 80 60 11 8 150 20 40 12 8 200 40 20 13 10 50 80 40 14 10 100 60 20 15 10 150 40 80 16 10 200 20 60
3.1 材料去除率实验分析
主效应是一个因素的水平之间的平均数差异，主效应的个数和自变量的个数是一致的。通过进行数据处理，绘制出各个自变量与所研究参数的主效应图。根据所画图形能够清晰的了解到各个变量与所研究参数的变化规律，为进行下一步的分析产生一定的影响。一般运用极差分析来判断各个因素对所求结果的影响大小，但是这样并不能得出影响的显著性，所以这里采用方差分析来对实验数据进行处理，找出具有显著性的因素，然后判断出显著影响各个因素的最佳水平。
按照表3的正交实验方案对Inconel 718合金进行电火花加工实验得到的加工参数（电流、周率、效率、间隙电压）对材料去除率的影响结果的主效应，如图4所示。
由图4可以得出，电火花成型加工镍基高温合金GH4169的去除率在一定的条件下随着电流和效率的增加而增大，其中电流对材料去除率的影响最为显著，周率对去除率的影响具有一定波动性。分析认为：这是由于电流的大小直接关系着放电能量的大小，电流越大，单个脉冲能量就越大，材料去除率也就越大，但是电流也不能过大，否则单位时间内产生的能量过大，短时间内烛除产物迅速增加，排屑非常困难，材料去除率也会随之减小。周率越大，单位时间内的放电时间所占比例就会越大，材料去除率也越大。但是，当材料去除率达到一定值后，随着周率的增加，材料去除率不在增加而是呈现减小的趋势。这是由于随着周率的增大，放电能量的密度减小，因此用来融化材料的能量也随之减小，放电能量不可以提供去除加工工件表面融化材料所需要的爆炸力，所以才使得材料去除率下降。
图4 材料去除率主效应图
Fig.4 Main Effects Plot of Material Removal Rate
经过计算得出正交实验材料去除率数据，这些数据经过进行方差分析得出表4的分析结果。表中P值用于说明各个因素对所求变量的影响显著性程度，P值越小，表示这个因素对目标参数的影响越显著。从表4结果能够明显看出，P值最小的是A（电流），所以电流对材料去除率的影响是最显著的。其次C（效率）对材料去除率具有较强的显著性。在一定的条件下效率越大，单位时间内放电的次数越多，于是材料去除率也会越大。但是效率也不能太大，太大将会导致电解液不能完全消除电离，使电蚀产生的物质不能够及时排出以及恢复介电性能，这可能会产生电弧放电现象，进而使得电火花加工不可以正常运行，造成材料去除率下降。D（间隙电压）和B（周率）对材料去除率有较低的显著性。各个因素对材料去除率的显著性影响顺序为A（电流）gt;C（效率）gt;D（间隙电压）gt;B（周率）。电火花成型加工工艺参数在电流为10A，周率为100，效率为80%，间隙电压为20V是可以获得较大的材料去除率。
表4 材料去除率的方差分析
Tab.4 Variance Analysis of Material Removal Rate
表中：S=1.21719 R-Sq=99.63%R-Sq（调整）=98.17%
来源 自由度 SeqSS AdjSS AdjMS F P A 3 598.13 598.13 199.38 134.57 0.001 B 3 79.13 79.13 26.38 17.80 0.020 C 3 419.23 419.23 139.74 94.32 0.002 D 3 116.01 116.01 38.67 26.10 0.012误差 3 4.44 4.44 1.48合计 15 1216.94
3.2 电极损耗实验分析
同样按照表3的正交实验方案对Inconel 718合金进行电火花加工实验得到的加工参数（电流、周率、效率、间隙电压）对Inconel 718镍基合金材料加工后的电极损耗的影响结果的主效应，如图5所示。由图5可以得出，在一定的条件下电火花成型加工镍基高温合金Inconel 718的电极损耗随着电流的增加先升后降。这可能是由于电流的增大导致电极表面生成炭黑膜，炭黑膜保护电极致使电极损耗下降，但是随着电流的持续加大，脉冲能量也随之不断的变大，导致吸附现象降低，碳黑膜变薄，电极损耗上升。随着效率的增加电极损耗先下降后上升，这是由于效率增大，电极表面形成一层炭黑膜，炭黑膜可以对电极起到保护作用，因此电极损耗会有下降趋势，但是过大增加效率将会导致消电离不完全，进而产生加工过程不平稳现象，影响电火花放电的正常运行，使得电极损耗增加。
图5 电极损耗主效应图
Fig.5 Main Effects Plot of Electrode Wear
表5 电极损耗的方差分析
Tab.5 Variance Analysis of Electrode Wear
来源 自由度 SeqSS AdjSS AdjMS F P A 3 0.00001650.00001650.0000055 1.43 0.387 B 3 0.00087600.00087600.0002920 76.17 0.002 C 3 0.00000650.00000650.0000022 0.57 0.675 D 3 0.00001150.00001150.0000038 1.00 0.500误差 3 0.00001150.00001150.0000038合计 15 0.0009220
表中：S=0.00195789 R-Sq=98.75%R-Sq（调整）=93.76%
对计算所得出的电极损耗数据进行方差分析的结果，从方差结果来看，周率对电极损耗的影响最为显著，如表5所示。其次对电极损耗呈现较强显著性的影响因素是电流，间隙电压和效率对切割速度也具有一定的显著性。各因素对电极损耗显著性影响顺序为B（周率）gt;A（电流）gt;D（间隙电压）gt;C（效率）。电火花成型加工工艺参数在电流为4A，周率为200μs，效率为20%，间隙电压为20V的情况下可以得到较小的电极损耗。
（1）影响Inconel 718合金去除率的主要因素依次为A（电流）gt;C（效率）gt;D（间隙电压）gt;B（周率），材料去除率随着加工电流和效率的增大而增大。
（2）影响电极损耗的主要因素依次为B（周率）gt;A（电流）gt;D（间隙电压）gt;C（效率），其中周率对电极损耗具有显著性影响。
（3）电火花成型加工工艺参数在电流为10A，周率为100μs，效率为80%，间隙电压为20V时可以获得最大的材料去除率。当电流参数为4A，周率为200μs，效率为20%，间隙电压为20V的情况下可以得到较小的电极损耗。
参考文献
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Research on Electrode Wear and Material Removal Rate in EDM of Inconel 718 Alloy
DU Jin-guang1，2，QIN Gong-jing1，MA Jun1，2，SHEN Chang-shuai1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering Zhengzhou University of Light Industry，He’nan Zhengzhou 450002，China；2.He’nan Key Laboratory of Mechanical Equipment Intelligent Manufacturing，He’nan Zhengzhou 450002，China）
Abstract：In this paper，the characteristics for EDM of Inconel718 alloywith using copper by orthogonal experiment isstudied.The effect of different parameters（such as current，frequency，efficiency，gap voltage）in EDM of theInconel718 alloyon electrode wear and material removal rate wereanalyzed.The main effect and variance with the result of the experiment were analyzed.The result shows that with the increase of the current and frequency，the material removal rate increases；with the efficiency increasing，the wear of electrode decrease.Under the parameters of current being 10A，the frequency being 100μs，the efficiency being 80%，and the gap voltage being 20V，the removal rate of material gains highest;with the parameters of current of 4A，the frequency of 200μs，the efficiency of 20%，and the gap voltage of 20V，thenthe wear of electrode gains the smallest.
Key Words：Inconel718；EDM；Machining Parameters；Material Removal Rate；Electrode Wear
中图分类号：TH16；TG506.9
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）11-0191-04
来稿日期：2017-05-15
基金项目：国家自然科学基金（51505434）；河南省科技攻关项目（172102210547）；郑州轻工业学院博士基金（2014BSJJ052）；河南省高校科技创新团队项目（18IRTSTHN015）
作者简介：都金光，（1984-），男，山东安丘人，博士研究生，讲师，主要研究方向：加工过程与工艺
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