Performance Optimization of Ti-6Al-4V in Electrical Discharge Machining Using Graphene-Modified Dielectric Medium

技术摘要：使用石墨烯改性介质在电火花加工（EDM）中优化 Ti-6Al-4V 的性能

问题陈述
电火花加工（EDM）是一种用于制造高强度、耐磨材料（如广泛应用于航空航天、生物医学和国防领域的 Ti-6Al-4V 钛合金）复杂零部件的关键非传统工艺。然而，传统的 Ti-6Al-4V 电火花加工面临显著的局限性，包括过高的工具损耗率（TWR）、火花不稳定、材料去除率（MRR）低以及表面完整性受损。本研究通过调查一种环境友好型 EDM 工艺改进方案的可行性来解决这些挑战：即在电介质液中添加石墨烯纳米颗粒（NPs）。

研究方法
研究采用了基于 Taguchi 方法的 L16 正交表结构化实验设计（DOE）来优化加工参数。

• 材料： 工件为 Ti-6Al-4V（5 级钛）。电极工具为铝。电介质液体通过化学氧化法（使用石墨、硫酸、磷酸、高锰酸钾和过氧化氢）合成的石墨烯纳米颗粒进行分散改性。
• 工艺参数： 三个输入变量分别在四个水平上进行变化：峰值电流（15, 25, 35, 45 A）、间隙电压（40, 45, 50, 55 V）和脉冲开启时间（100, 200, 300, 400 µs）。
• 分析： 根据 MRR 和 TWR 对性能进行评估。使用方差分析（ANOVA）确定统计显著性。使用扫描电子显微镜（SEM）对表面形貌进行分析。

关键结果

• 参数优化： ANOVA 结果表明，脉冲开启时间是影响 MRR（贡献率为 63%）和 TWR 最主要的因素。电流是影响 MRR 的第二大显著因素（贡献率为 24%），而间隙电压对 MRR 的统计影响极小。
• 最佳条件： 研究确定了使 MRR 最大化的最佳参数组合为：峰值电流 35 A，间隙电压 40 V，脉冲开启时间 400 µs。
• 性能指标： 将石墨烯纳米颗粒集成到电介质液体中，并配合铝电极使用，增强了火花稳定性并提高了材料去除效率。SEM 分析显示，与传统方法相比，石墨烯改性工艺产生的表面微裂纹更少、熔坑更小且重熔层更薄。石墨烯促进了更好的碎屑冲刷和散热，从而降低了工件的热应力。
• 回归模型： 研究建立了基于输入参数预测 TWR 和 MRR 的回归方程，强调了其非线性关系，特别是在电流和脉冲持续时间方面。

意义与主张
本文主张，所提出的方法为高质量 Ti-6Al-4V 的 EDM 加工提供了一条可持续途径。其主要意义在于证明了石墨烯基纳米流体在与铝电极配合使用时，能够同时提高 MRR 并降低 TWR，同时改善表面完整性。作者将这些改进归功于石墨烯卓越的热导率和电导率，这稳定了放电间隙并促进了均匀的火花能量分布。研究结论认为，该方法有效地缓解了加工钛合金时常见的缺陷，如过度工具磨损和表面质量差，且无需复杂的机械改装。作者建议，未来的工作可以探索使用环境友好的电介质介质（如植物油），以进一步符合全球可持续发展目标。