铜纳米颗粒增强植物油介质实现钛合金环境可持续放电加工研究

本研究针对传统电火花加工(EDM)使用煤油介质产生有毒气体、高能耗的问题，创新性地采用四种植物油（葵花籽油、芝麻油、橄榄油、大豆油）作为可生物降解介质，并添加铜纳米颗粒(Cu NP)提升加工性能。通过田口方法设计实验和方差分析(ANOVA)发现，芝麻油获得最高材料去除率(MRR)9.24 mm³/min，葵花籽油使表面粗糙度(SR)改善11.11%，橄榄油实现最低比能耗(SEC)161.5 J/mm³和84%的CO₂减排。该研究为绿色制造提供了重要技术路径。

钛合金因其卓越的机械强度和耐腐蚀性成为航空航天、生物医疗等高端装备的关键材料，但传统加工方法面临刀具磨损快、热变形严重等挑战。电火花加工(EDM)作为一种非接触式精密加工技术，通过放电蚀除原理有效解决了难加工材料的成型问题。然而，当前EDM工艺普遍采用煤油等烃类介质，在放电过程中会释放有毒气体，造成环境污染，同时存在能耗高、碳排放量大等问题，严重制约了绿色制造的发展。

为突破这一瓶颈，河内工业大学研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究，首次系统评估了四种植物油（葵花籽油、芝麻油、橄榄油、大豆油）作为可生物降解介质，并添加铜纳米颗粒(Cu NP)增强放电性能，实现对Ti-6Al-4V钛合金的环境可持续加工。研究通过田口方法(L9正交阵列)设计实验，结合方差分析(ANOVA)量化了加工参数对表面粗糙度(SR)、材料去除率(MRR)和比能耗(SEC)的影响规律。

关键技术方法包括：采用铜电极(Ø10 mm)在定制EDM系统上进行加工实验，通过泰勒霍布森粗糙度仪测量SR，重量分析法计算MRR，并基于放电能量和材料去除体积推导SEC。特别设计了纳米颗粒搅拌系统防止团聚，确保介质稳定性。

3.1. 铜纳米颗粒浓度对表面粗糙度的影响

研究发现在相同铜纳米颗粒浓度(Cp=0.5 g/100 ml)下，葵花籽油获得最佳表面质量(SR=10.918 μm)，较传统煤油改善11.11%。微观分析显示其形成的白层更薄， crater（放电凹坑）尺寸均匀，而芝麻油因粘度最低(0.012 Pa·s)导致放电不稳定，SR最高(16.865 μm)。

3.2. 介质类型对材料去除率的调控

芝麻油凭借高闪点(250°C)和宽放电间隙(90 V)产生密集火花，MRR达9.24 mm³/min，较葵花籽油(5.28 mm³/min)提升74.8%。橄榄油因高介电强度(46.5 kV)促进均匀放电，MRR为7.01 mm³/min。

3.3. 加工能效与环境效益分析

橄榄油表现出最优能量利用率(SEC=161.5 J/mm³)，较其他介质降低28.8%。通过IPCC碳排放因子计算，植物油介质较煤油实现62.4%-84.1%的CO₂减排，其中橄榄油减排84%。

3.4. 可持续性综合评价

研究构建了SR、MRR、SEC与碳排放的关联模型，证明植物油介质在提升加工效率的同时，显著降低环境负荷。

3.5. 参数优化与统计验证

ANOVA分析确定放电电流(LV)对SR影响最大(贡献率42.87%)，脉冲时间(TON)和间隔(WT)分别贡献14.35%和21.85%。田口法优化参数组合为TON=5 μs、LV=5 A、WT=5 s时获得最佳表面质量。

该研究证实植物油基介质结合纳米添加剂可同步实现加工性能提升与环境效益优化，为钛合金绿色精密制造提供了理论依据和实践方案。未来研究可拓展至多目标优化、工具磨损机理分析等领域，进一步推动可持续先进制造技术的发展。