電火花表面處理技術(shù)在模具上的應(yīng)用

徐 東，胡榮獎，方志剛

（臺州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江臺州318000）

模具工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，具有極為重要的作用，被稱為“工業(yè)之母”。眾所周知，模具在使用中會被磨損。比如，冷沖模具在磨損之后刃口變鈍，模具配合間隙擴(kuò)大，導(dǎo)致沖件毛刺增加而必須卸模進(jìn)行刃磨。一副模具的刃磨次數(shù)是有限的，兩次刃磨之間的沖件數(shù)量越多，說明模具的使用壽命越長，所以要求模具具有高的耐磨性能。

1 模具表面處理的重要性

為了延長模具的壽命，使模具不至于過早失效，必須使模具（尤其是型腔面）具有高硬度、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞和抗高溫氧化性能。除了正確選用模具材料、保證加工精度和表面粗糙度之外，對模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，也是至關(guān)重要的。對模具真正承受磨損作用的特定部位，進(jìn)行表面強(qiáng)化，正所謂“用勁用在點(diǎn)子上”，可以大幅度延長和提高模具的使用壽命。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從影響模具失效因素分析，獲知熱處理因素（表面處理因素）占52%。因此，表面強(qiáng)化技術(shù)，是充分發(fā)揮模具潛力、提高其使用性能的一條行之有效的途徑，也是國內(nèi)外模具技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。在美、日等國家，表面強(qiáng)化技術(shù)已廣泛被用于提高塑料模具鋼表面的抗磨、抗蝕性，從而顯著提高了模具使用壽命，拓寬了模具鋼的應(yīng)用范圍。

模具在長期的服役過程中，還不可避免地會產(chǎn)生失效。模具的失效主要表現(xiàn)在尺寸、形狀和功能等方面，失效形式主要有表面磨損、斷裂和變形。模具的失效，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且增加生產(chǎn)成本，頻繁更換模具，更會導(dǎo)致產(chǎn)量下降，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，由于模具種類多，標(biāo)準(zhǔn)件少，制造周期長，加工費(fèi)用高（尤其是精密復(fù)雜模具或大型模具制造加工費(fèi)高達(dá)數(shù)十萬元乃至數(shù)百萬元），企業(yè)常因塑料模具的失效而減產(chǎn)或停產(chǎn)。因此，采用先進(jìn)表面處理技術(shù)，對失效的模具進(jìn)行快速、精密修復(fù)來大幅度延長、提高模具的使用壽命，而無需更換整套模具，只須對模具及關(guān)鍵金屬零部件表面磨損局部區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，并在修復(fù)過程中把模具表面真正實(shí)際承受磨損的表面“換成”特殊高耐磨材料，就可“變廢為寶”。不僅使模具得到修復(fù)，而且由于修復(fù)后的新模具表面“刃口部位”使用了特殊高耐磨材料，修復(fù)后模具的使用壽命還將較原來的大幅提高，顯然具有重要價值。

2 模具表面強(qiáng)化及修復(fù)的主要技術(shù)

表面強(qiáng)化處理技術(shù)，除傳統(tǒng)的熱處理外，還有電鍍、滲碳、離子注入和電子束輻照等。但是這些表面處理技術(shù)，用于模具表面強(qiáng)化，均存在一些不足。如涂層由于太薄，而不能承受載荷；電鍍涂層則由于粘附力太差，而容易產(chǎn)生剝落；離子注入和電子束尚需要真空和備等。

2.1 傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)本身的缺陷

模具修復(fù)的主要技術(shù)有：熱噴涂、電刷鍍、表面堆焊等，這些技術(shù)都曾成功地修復(fù)了大量模具，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

但是隨著模具向小型、精密、多樣化和大型、復(fù)雜、精密的方向發(fā)展，傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)由于技術(shù)本身的缺陷，已不太適合于模具的精密修復(fù)。其不足主要體現(xiàn)在：

（1）不易實(shí)現(xiàn)自動化，工作效率低；

（2）熱量輸入大，模具的熱影響區(qū)大，易變形，甚至開裂、剝落；

（3）涂層稀釋率大，降低了涂層的性能；

（4）基體和涂層材料非冶金結(jié)合，使用壽命短；

（5）不適于精密地修復(fù)小型塑料模具、局部受損模具以及精密度要求高的塑料模具。

2.2 激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢

激光熔覆技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的高新技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于金屬材料的表面強(qiáng)化，其具有以下一系列優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光光斑直徑小，可以調(diào)整到微米級，實(shí)現(xiàn)精確定位；

（2）熔覆層成分具有可設(shè)計性；

（3）由于激光快速加熱和冷卻過程，激光熔覆層組織均勻致密，微觀缺陷少；

（4）由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基材的熱影響小，引起的變形?。?/p>

（5）激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實(shí)現(xiàn)選區(qū)甚至微區(qū)熔覆修復(fù)；

（6）熔覆層的稀釋率小，可精確控制；

（7）無接觸型處理，能實(shí)現(xiàn)自動化和柔性加工。

正是因?yàn)榧す馊鄹簿哂猩鲜黾夹g(shù)上的優(yōu)勢，為其應(yīng)用于模具的表面強(qiáng)化和精密修復(fù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

3 模具表面電火花處理技術(shù)

電火花表面強(qiáng)化，則是直接利用具有高能量密度的電能，對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，通過火花放電作用，將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬工件表層，形成合金化表面強(qiáng)化層，從而使工件的物理、化學(xué)、機(jī)械性能得到改善。電火花強(qiáng)化的原理是：當(dāng)電極棒在工件表面轉(zhuǎn)動，某些部位間隙很小時，使主機(jī)放電回路形成通路。在它們相互接觸的微小區(qū)域瞬時流過放電電流，電流密度可達(dá)到105~106A/cm2，而放電時間僅10-6~10-5s。由于放電能量在時間上和空間上的高度集中，在放電微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了約8 000~25 000℃的高溫，使該區(qū)域的局部材料熔化、氣化或等離子體化，電極棒材料高速過渡到工件表面，并擴(kuò)散進(jìn)入工件表層，形成冶金型牢固結(jié)合的沉積層。

電火花強(qiáng)化技術(shù)，能有效地改善工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗腐蝕性能等，被廣泛應(yīng)用于模具、刃具的強(qiáng)化以及零件微量磨損的修復(fù)上。電火花表面強(qiáng)化工藝，可使強(qiáng)化后的表面尺寸略有增厚，利用這一特點(diǎn)，可對使用磨損后的模具進(jìn)行微量修復(fù)(平面修復(fù)厚度約為0.02 mm)，從而可延長模具的使用壽命。

同激光表面處理一樣，電火花表面處理具有功率密度高、熱影響區(qū)小、工件變形小，而且處理后不需要修磨，或只需精磨的優(yōu)點(diǎn)。對激光和電火花表面處理時，材料的受熱過程的分析研究表明，兩者具有相似的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型和類似的溫度梯度，二者的能量交換、傳遞的特性、兩者處理后的金相組織與表面硬度分布情況也是相似的。但是，由于電火花加工設(shè)備比激光設(shè)備便宜得多,所以它更有可能成為一種經(jīng)濟(jì)簡便的新型表面熱處理方法，適合于大批量、大面積的表面處理。

此外，與其它常用表面處理工藝如熱噴涂、堆焊、PVD、CVD等相比，電火花表面處理的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在：

（1）電火花強(qiáng)化不需要特殊復(fù)雜的處理裝置和設(shè)施，工藝設(shè)備比較簡單，投資少，攜帶方便，操作簡便，易于推廣；

（2）對零件表面施行局部強(qiáng)化，對于一般幾何形狀如平面或曲面均可進(jìn)行；

（3）強(qiáng)化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高；

（4）電極材料可以自由選擇，材料來源廣，且消耗量少；

（5）強(qiáng)化層厚度和表面粗糙度與電氣參數(shù)以及強(qiáng)化時間等操作因數(shù)有關(guān)，可調(diào)節(jié)；

（6）強(qiáng)化處理的表面將有微量增厚，可以用于零件的微量修復(fù)；

（7）強(qiáng)化可在室溫條件下進(jìn)行，且強(qiáng)化后的加工余量少，減少修復(fù)時間；

（8）不會產(chǎn)生有毒難聞氣體和液體，噪音小，無環(huán)境污染；

（9）可現(xiàn)場施工，不用拆卸被修復(fù)件，節(jié)省時間；

（10）強(qiáng)化修復(fù)的成本與更換部件成本相比極低。

總之，電火花表面處理技術(shù)具有簡易高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，很有實(shí)用價值，是一種很有發(fā)展前景的表面處理技術(shù)，在軍工及其他部門已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，在諸多報道中，使用電火花表面處理技術(shù)成功修復(fù)過導(dǎo)軌、曲軸、齒輪、箱體、缸體、泵體、閥體、法蘭、閘門、流筒、軋輥、活塞、液壓缸等機(jī)械零部件。

4 模具表面電火花處理技術(shù)在臺州的發(fā)展前景

電火花表面處理技術(shù)，本身是一個相對發(fā)展比較成熟的技術(shù)，在機(jī)械、鋼鐵、電力等行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，但是在模具表面強(qiáng)化及修復(fù)上應(yīng)用還不十分廣泛。臺州是著名的“模具之鄉(xiāng)”，模具制造業(yè)是臺州的支柱產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前的模具表面強(qiáng)化及模具修復(fù)技術(shù)還比較滯后，模具強(qiáng)化的主要手段基本上還是傳統(tǒng)的整體熱處理，模具修復(fù)一般采用表面堆焊。隨著模具行業(yè)的發(fā)展，模具向中、高檔發(fā)展是必然的趨勢，模具的壽命問題凸顯其重要性，對模具進(jìn)行表面強(qiáng)化及失效修復(fù)是發(fā)展的必然趨勢。因此，在臺州存在著的模具表面強(qiáng)化及修復(fù)的潛在技術(shù)需求和市場前景，模具表面電火花強(qiáng)化及修復(fù)技術(shù)，將是一種特別適合在臺州發(fā)展、能夠服務(wù)于臺州模具產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)技術(shù)。尤其是當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)，對臺州制造業(yè)的影響很大，模具企業(yè)更需要“苦練內(nèi)功”，通過經(jīng)濟(jì)危機(jī)的“倒逼機(jī)制”降低生產(chǎn)成本，加快企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，加快轉(zhuǎn)型升級，模具表面電火花強(qiáng)化及修復(fù)技術(shù)作為一種低廉及高效的技術(shù)，凸顯其發(fā)展前景。這就要求我們一定要立足本地加快發(fā)展，將這一技術(shù)消化吸收，發(fā)展壯大，推廣成熟，開發(fā)出成套的高水平、專業(yè)化的模具表面電火花加工技術(shù)，為臺州模具制造企業(yè)提供“便利店”式的技術(shù)服務(wù)，為推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語

無論是對于在役模具延長使用壽命還是失效模具的修復(fù)再制造，表面強(qiáng)化處理都是至關(guān)重要的。電火花表面處理具有功率密度高、熱影響區(qū)小、引起工件變形小，更重要的是電火花表面處理技術(shù)具有簡易高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等重要特點(diǎn)，極具實(shí)用價值，是一項(xiàng)非常適合在臺州這個以模具制造業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)的“模具之鄉(xiāng)”、對先進(jìn)表面處理技術(shù)有著潛在技術(shù)需求和市場前景的地方發(fā)展和壯大的表面處理技術(shù)。

[1]狄 平，朱世根，顧偉生，等.電火花表面強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].東南大學(xué)學(xué)報，2001，27(2)：110-112.

[2]洪永昌.電火花表面強(qiáng)化層的組織和性能[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，14(2);18-20.

[3]陳長軍，王東生，郭文淵，王茂才.電火花表面強(qiáng)化處理研究進(jìn)展[J].航空維修與工程，2003，11(4)：36-37.