本书针对航空航天领域钛合金复杂构件加工难题，提出了以氧气为主、氮气或氩气为辅的钛合金混合气体可控雾化放电烧蚀成形加工方法，构建了专用试验系统平台，揭示了钛合金可控放电烧蚀、雾化高效烧蚀成形、铣削、钻削等加工机理，建立了临界关系模型，探索了工艺规律；提出了氩气雾化电火花加工去除表面氧化层，规划了衔接工艺；还研究了可控雾化放电铣削、钻削工艺，通过试验优化参数，实现了深径比达52的异形不通孔等加工，大幅提升了效率与质量。
本书适合航空航天领域从事钛合金等难加工材料复杂构件加工的工程技术人员阅读，也可供高等院校机械工程、材料加工工程等专业教师、研究生，以及科研机构相关领域的研究人员参考使用。

前言
第1章?绪论 1
1.1　引言 1
1.2　钛合金加工技术现状 2
1.2.1　常规机械加工 3
1.2.2　电解加工技术 3
1.2.3　电火花加工技术 4
1.2.4　高效电弧加工技术 6
1.2.5　电火花放电诱导烧蚀加工技术 7
1.2.6　电火花加工参数优化研究 8
1.3　钛合金加工表面质量研究现状 9
1.3.1　常规机械加工 9
1.3.2　电火花加工技术 9
1.4　钛合金可控雾化放电烧蚀加工的意义和
目的 10
第2章?可控烧蚀成形加工方法的提出与试验系统 12
2.1　烧蚀成形加工钛合金的非正常现象 12
2.1.1　钛合金爆燃现象 12
2.1.2　钛合金过度烧蚀现象 14
2.2　烧蚀加工钛合金非正常现象的原因 14
2.2.1　钛合金的氧化热力学 14
2.2.2　钛合金的氧化动力学 16
2.2.3　氧化层对钛合金烧蚀加工的
影响 17
2.3　可控放电烧蚀成形加工方法的提出 20
2.3.1　混合气体介质的提出 20
2.3.2　放电烧蚀成形可控性加工方法的
验证 22
2.4　混合气体介质制备系统 23
2.4.1　混合气体介质的混合原理 23
2.4.2　混合气体介质制备系统 24
2.5　雾化介质生成系统构建 26
2.5.1　气液两相独立动力源供给雾化
系统 26
2.5.2　气液两相独立供给下的极间流场
仿真 27
2.5.3　气液共动力源供给雾化系统 29
2.5.4　气液共动力源雾化系统的极间流场
仿真 30
2.5.5　气液共动力源供给雾化效果 32
2.6　微观机理探索系统 33
2.6.1　单脉冲放电装置设计 33
2.6.2　针尖位置的确定 34
2.6.3　单脉冲放电试验波形 35
2.7　本章小结 36
第3章?钛合金可控放电烧蚀成形加工
机理 37
3.1　放电烧蚀成形加工与氧化层形成
机制 37
3.1.1　氧化蚀除准备阶段 38
3.1.2　氧化蚀除发生与氧化物层产生
阶段 40
3.1.3　氧化蚀除动态平衡与氧化层形成
雏形阶段 41
3.1.4　氧化蚀除结束与氧化层形成
阶段 41
3.2　钛合金爆燃机理 42
3.2.1　放电氧化烧蚀正常加工阶段 42
3.2.2　氧化能量快速积累阶段 42
3.2.3　爆燃发生阶段 43
3.2.4　爆燃终止阶段 43
3.3　钛合金材料的蚀除 43
3.3.1　脉冲火花放电蚀除 44
3.3.2　氧化蚀除 47
3.3.3　氧化溅射烧蚀蚀除 49
3.4　混合气体作用机制 50
3.4.1　氧气介质的作用 50
3.4.2　辅助气体的作用 51
3.5　钛合金烧蚀成形加工的可控特性 56
3.5.1　可控性因素 56
3.5.2　放电能量与氧气浓度的相互作用
影响 57
3.5.3　气体压力与氧气浓度的相互作用
影响 57
3.5.4　放电能量与气体压力的相互作用
影响 58
3.6　工艺参数对钛合金烧蚀成形加工的
影响59
3.6.1　加工参数对MRR的影响 60
3.6.2　加工参数对EWR的影响 60
3.7　本章小结 61
第4章?钛合金高效可控雾化放电烧蚀成形加工 62
4.1　钛合金雾化放电烧蚀成形加工原理 62
4.2　雾化放电烧蚀成形加工特性 62
4.2.1　材料蚀除率及电极相对损耗 63
4.2.2　成形精度 65
4.2.3　表面形貌 66
4.2.4　熔化凝固层 67
4.3　钛合金雾化放电烧蚀单脉冲放电
烧蚀机理 68
4.3.1　单脉冲放电烧蚀机理 69
4.3.2　二次单脉冲放电试验研究 71
4.4　雾化介质作用机理 72
4.4.1　吸热冷却 72
4.4.2　对极间氧气的作用 76
4.4.3　控制氧气扩散 77
4.4.4　提高氧化效率 78
4.4.5　高效排屑 79
4.4.6　增大极间放电间隙 81
4.4.7　加速放电通道的消电离 82
4.5　雾化介质对钛合金烧蚀加工稳定性的
影响83
4.5.1　雾化量与放电能量的相互作用
影响 84
4.5.2　雾化量与气体压力的相互作用
影响 84
4.5.3　雾化量与氧气浓度的相互作用
影响 85
4.6　钛合金雾化放电烧蚀成形加工的工艺
规律 85
4.6.1　电参数 86
4.6.2　非电参数 87
4.7　本章小结 88
第5章?钛合金雾化放电烧蚀成形加工表面氧化层去除加工 89
5.1　表面氧化层去除的必要性 89
5.1.1　工艺试验设计 89
5.1.2　面粗糙度 90
5.1.3　氧化层厚度 91
5.1.4　加工表面微观形貌 93
5.1.5　显微硬度分析 94
5.2　氧化层去除加工方法 94
5.3　氧化层去除加工方法的研究 97
5.3.1　放电加工机理 97
5.3.2　钛合金电火花加工试验 99
5.3.3　表面形貌 102
5.4　氧化层去除工艺规划 104
5.4.1　放电烧蚀与氩气雾化电火花加工
衔接 104
5.4.2　放电烧蚀加工余量分析 104
5.5　氧化层去除试验 105
5.5.1　氧化层去除加工参数模型的
构建 105
5.5.2　氧化层去除加工参数的模型
验证 107
5.6　本章小结 110
第6章?钛合金典型样件的高效雾化放电烧蚀成形加工探索 111
6.1　大深径比异形不通孔加工 111
6.2　典型变截面结构样件的成形加工 114
6.2.1　变截面电极结构 114
6.2.2　变截面型腔加工 115
6.3　变截面结构样件的表面氧化层去除 116
6.4　本章小结 118
第7章?钛合金可控雾化放电烧蚀铣削
加工 119
7.1　雾化放电烧蚀铣削加工方法及设备 120
7.1.1　正极性混合气体雾化放电烧蚀铣削
加工方法 120
7.1.2　负极性雾化放电铣削加工方法 121
7.1.3　雾化放电铣削加工技术的极性效应
试验 121
7.1.4　工件、电极材料与试验设备 124
7.1.5　检测设备与工艺指标的表征 126
7.2　雾化放电烧蚀铣削加工机理 128
7.2.1　正极性混合气体雾化放电烧蚀铣削
加工机理 128
7.2.2　正极性空气雾化放电铣削加工
机理 129
7.3　氧气浓度对加工工艺指标的影响 131
7.3.1　氧气浓度对MRR的影响 131
7.3.2　氧气浓度对REWR的影响 132
7.3.3　氧气浓度对Ra的影响 133
7.3.4　氧气浓度对WOC的影响 134
7.3.5　氧气浓度对再铸层的影响 135
7.4　每层铣削厚度对性能指标的影响 136
7.4.1　每层铣削厚度对MRR与REWR的
影响 136
7.4.2　每层铣削厚度对WOC与Ra的
影响 138
7.5　正极性混合气体雾化放电烧蚀铣削加工
参数优化139
7.5.1　正交试验设计与结果 139
7.5.2　方差分析与主效应图 141
7.5.3　灰色关联分析多目标优化与
验证 143
7.6　本章小结 145
第8章?钛合金可控雾化放电烧蚀钻削
加工 146
8.1　雾化放电烧蚀钻削加工方法与装置 146
8.1.1　试验装置及加工原理 146
8.1.2　试验内容 148
8.2　试验结果与分析 149
8.2.1　N-EDD与MA-DAD对比试验 149
8.2.2　N-EDD与MA-DAD的放电波形
对比 150
8.2.3　N-EDD与MA-DAD的加工表面
微观形貌对比 152
8.2.4　N-EDD与MA-DAD的电极表面
微观形貌 152
8.3　MA-DAD的加工参数优化 153
8.3.1　正交试验设计与结果 153
8.3.2　加工参数对MRR与OC的
影响 154
8.3.3　灰色关联分析 156
8.3.4　关于多目标优化的参数分析与
验证 157
8.4　本章小结 158
参考文献 159

随着航空航天事业的高速发展，其构件及零部件正朝着以钛合金、高温合金等难加工材料为基础的复杂、整体式结构方向发展，如整体式扩压器、叶轮、机匣等，这对其机械加工带来了巨大的挑战。电火花加工以复制方式利用电腐蚀进行加工，在复杂零部件加工方面具有较强的优势，但是较低的加工效率已成为制约其应用的主要原因。电火花诱导烧蚀加工技术利用氧气介质实现了电火花加工效率的大幅度提高，然而在烧蚀加工钛合金材料时极易发生爆燃或过度烧蚀等非正常加工现象而损坏工件，无法实现稳定的烧蚀加工。
本书提出了一种以氧气为主、氮气或氩气等为辅的钛合金混合气体放电烧蚀成形加工方法（混合气体烧蚀加工方法）。首先，利用氧气介质与钛合金的烧蚀反应快速蚀除工件加工余量，同时利用氮气或氩气等气体控制烧蚀反应的剧烈程度，实现了钛合金材料零件的高效、稳定成形加工，完成零件的高速粗加工；其次，利用惰性气体的特点，采用氩气雾化电火花加工方法实现了钛合金烧蚀表面氧化层的去除及表面无氧化层加工，作为钛合金零件的中加工工序，为零部件的后续精加工奠定了基础。为了揭示该烧蚀加工方法的加工机理及加工性能，本书的主要内容如下：
1）提出了一种钛合金高效可控放电烧蚀成形加工方法。从钛合金材料本身的氧化特性入手，分析了钛合金烧蚀加工表面形成氧化层结构的特点，发现氧化层的非完整性是直接导致钛合金材料烧蚀加工时发生爆燃或过度烧蚀等非正常加工现象的主要因素。为此，从改变氧化层结构特征的角度出发，提出采用氧气与氮气或氩气等气体组成混合气体介质作为放电烧蚀加工介质，通过改善氧化层结构的完整性，达到控制钛合金烧蚀剧烈程度的目的，从而实现了钛合金高效放电烧蚀成形的可控加工。
2）构建了实现钛合金高效烧蚀加工试验系统平台。为实现混合气体中氧气浓度的可调性，依据道尔顿分压定理设计制备了混合气体介质生成系统；为保障雾化烧蚀成形加工两极间液相颗粒介质的持续供给，设计制备了具有自反馈功能的雾化介质生成系统；为对极间微观蚀除机理进行探究，设计制备了针状电极单脉冲放电试验系统。
3）介绍了钛合金可控放电烧蚀加工机理。钛合金材料蚀除与表面氧化层的形成几乎是同时发生的，其微观过程可分为氧化蚀除准备、氧化蚀除与氧化物层产生、氧化蚀除动态平衡与氧化层雏形、氧化蚀除结束与氧化层形成四个阶段。钛合金爆燃现象的发生是由于在氧化蚀除动态平衡阶段发生畸变，即氧化层内部能量急剧聚积而无法及时释放导致的。材料蚀除主要由脉冲火花蚀除、氧化蚀除及氧化溅射蚀除组成。混合气体介质中氧气是材料氧化烧蚀反应蚀除的必要介质，而氮气等气体则具有控制氧气介质扩散与改变氧化层结构等作用。定量分析了放电能量、氧气浓度、气体压力之间相互作用对钛合金放电烧蚀成形加工稳定性的影响，建立了相应的临界关系模型，并在此基础上探索研究了混合气体烧蚀加工的工艺规律。
4）介绍了雾化高效放电烧蚀成形加工机理及工艺。为了改善混合气体烧蚀加工效果，采用了雾化烧蚀成形加工方法，其相对于混合气体烧蚀加工及传统电火花加工，加工效率分别提高1.6倍与15倍以上，型孔垂直成形精度分别提高35%与60%以上；且相对于混合气体烧蚀加工可以采用更高的氧气浓度。雾化烧蚀加工的微观蚀除过程与混合气体烧蚀加工类似，区别在于极间雾化介质的引入。雾化介质对极间具有冷却吸热、降低氧气浓度、阻碍氧气扩散、提高氧化效率、高效排屑、增大极间放电间隙及加速消电离的作用，这也赋予了雾化烧蚀成形加工具有较强的型腔加工能力。定量分析了雾化介质中雾化量与放电能量、气体压力、氧气浓度之间的相互作用对加工过程稳定性的影响，建立了相应的临界关系模型，在此基础上进行了雾化烧蚀成形加工工艺规律的探索研究。
5）介绍了钛合金放电烧蚀加工表面氧化层去除机理及工艺。从表面形貌、氧化层厚度及显微硬度等方面，阐述了钛合金烧蚀加工表面氧化层去除的必要性，提出采用氩气雾化电火花加工方法，实现了钛合金表面近无氧化层加工，其可以作为中加工工序。采用曲面响应法建立了氧化层厚度的数学回归模型，确定去除氧化层的加工余量。通过对雾化烧蚀成形加工与氩气雾化电火花加工的衔接工艺规划，实现了在同一台烧蚀成形机床上先后完成钛合金零件的高效粗加工与氧化层去除的中加工。通过曲面响应法建立了氩气雾化电火花去除烧蚀氧化层的加工参数选择经验模型，试验结果证明该加工方法可以完全去除钛合金烧蚀加工表面的氧化层，且加工的表面几近无微裂纹及微孔存在，表面显微硬度相对降低15%，表面粗糙度值降低约67%，为后续钛合金零件的精加工奠定了基础。
6）介绍了钛合金典型样件的高效可控烧蚀成形加工，实现了传统电火花加工无法完成的深径比达52的异形不通孔及类径向扩压器的变截面型腔样件加工，采用氩气雾化电火花加工方法完成了型腔样件的表面无氧化层加工。
7）介绍了钛合金可控雾化放电铣削加工机理及工艺特性。利用氧气和氮气组成的混合气体与水形成雾化介质，通过多通道电极进入加工区域，利用氧气与工件材料发生氧化反应产生的高温热能来蚀除材料。结合放电波形建立脉冲放电物理模型，揭示了加工机理，发现其具有独特的烧蚀氧化加工过程，从而获得较好的加工工艺效果。试验结果显示，混合气体雾化放电烧蚀铣削与空气雾化放电铣削加工相比，材料蚀除率（MRR）提高55.6%，相对电极损耗率（REWR）减少50%，但是过切宽度（WOC）增加约10%，表面粗糙度值（Ra）降低约17%。结果表明适度增加氧气浓度可以提高加工效率，降低REWR，并有效改善表面质量。每层铣削厚度试验确定了最佳铣削厚度，利用正交试验与方差分析研究了加工参数对性能指标的影响程度。最后使用灰色关联分析法对加工参数进行多目标优化，得到最佳工艺参数配置，并通过了试验验证。
8）针对传统准干式电火花钻削深孔加工钛合金效率低及孔深径比小的问题，提出采用可控雾化放电烧蚀钻削加工（MA-DAD）钛合金的方法，利用高压混合气体（高浓度氧气和低浓度氮气介质的混合）雾化介质通入极间后与极间熔融金属材料产生剧烈烧蚀反应，释放大量化学能以实现钛合金深孔的高效钻削加工。与准干式电火花钻削加工（N-EDD）钛合金相比，MA-DAD的MRR约为N-EDD的2倍，深径比达到21，电极相对损耗率降低了50%。通过正交试验研究了电极直径、雾化量、转速、电流、脉冲宽度（脉宽）、脉冲间隔（脉间）加工参数对MRR和过切量（OC）等工艺指标的影响，并利用灰色关联分析法对加工参数进行多目标优化，获得最佳加工参数组合，并在现有条件下实现了深径比大于28的钛合金钻削深孔加工。
本书由江苏理工学院孔令蕾著，感谢南京航空航天大学刘志东教授给予的指导与支持，正是刘老师的辛苦付出才使得本书中的相关工作顺利完成。本书还得到了机械工业出版社的大力帮助与支持，在此一并致以深深的谢意。
虽然我们追求尽善尽美的作品，但限于我们的水平，书中可能会有不足和不妥之处，恳切欢迎读者指正。