電火花線切割加工參數(shù)對(duì)高碳馬氏體不銹鋼變質(zhì)層的影響

宋良杰，李戈揚(yáng)，孫抗修

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海雙立人亨克斯有限公司，上海201112；3.蘇州普光機(jī)電有限公司，江蘇蘇州215011）

電火花線切割加工參數(shù)對(duì)高碳馬氏體不銹鋼變質(zhì)層的影響

宋良杰1，2，李戈揚(yáng)1，孫抗修3

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海雙立人亨克斯有限公司，上海201112；3.蘇州普光機(jī)電有限公司，江蘇蘇州215011）

電火花線切割加工對(duì)材料造成的表面損傷直接影響加工質(zhì)量和效率。研究了往復(fù)走絲電火花線切割加工脈沖電流參數(shù)和走絲速度等對(duì)高碳馬氏體不銹鋼表面變質(zhì)層的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：材料切割表面在脈沖電流下加熱至極高溫度和冷卻液迅速冷卻的共同作用下形成熔態(tài)激冷的變質(zhì)層。在電火花線切割加工的諸多工藝參數(shù)中，脈沖電流的放電時(shí)間為輸入能量的主要部分，也是造成材料表面變質(zhì)的主要因素，而脈沖間隙寬度、走絲速度等因素對(duì)表面變質(zhì)層的影響并不顯著。

電火花線切割加工；變質(zhì)層；馬氏體不銹鋼；脈沖寬度

電火花線切割加工脈沖電流導(dǎo)致的瞬時(shí)高溫和工作介質(zhì)快速冷卻作用會(huì)使工件材料表面變質(zhì)，研究該變質(zhì)層產(chǎn)生的原因和影響因素有利于優(yōu)化工藝參數(shù)、控制加工余量和提高生產(chǎn)效率。雖然對(duì)電火花線切割工件表面變質(zhì)層和表面粗糙度的關(guān)系已有了較多的研究［1-4］，但因材料的熔點(diǎn)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)的不同，已有研究結(jié)果尚不能完全適用于特定材料。

高碳馬氏體不銹鋼是一類(lèi)易產(chǎn)生淬火組織的家用工具鋼材料。這類(lèi)高硬度鋼材在某些特定產(chǎn)品（如美容美發(fā)剪等）上常以電火花線切割工藝作為最終加工工序，揭示其變質(zhì)層厚度與電火花線切割加工參數(shù)之間的關(guān)系對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。因此，本文研究了往復(fù)走絲電火花線切割加工脈沖電流參數(shù)和走絲速度對(duì)高碳馬氏體不銹鋼表面變質(zhì)層的影響規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用DK7725E/BKD2往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床，其電感式脈沖電源具有生產(chǎn)效率高、電極損耗小等特點(diǎn)。電極絲為直徑0.18 mm的鉬絲，采用純水與水溶性線切割液（DIC-206）、以5∶1的比例混合作為冷卻介質(zhì)。試件為3.5 mm厚的馬氏體不銹鋼，其主要成分為0.5%C、13%Cr、其余為Fe。采用不同工藝參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行電火花線切割加工，經(jīng)鑲嵌、金相拋光和5%硝酸酒精侵蝕后，用金相顯微鏡對(duì)試件變質(zhì)層進(jìn)行觀察和厚度測(cè)量。

2　結(jié)果及分析

2.1放電時(shí)間

在峰值電流一定的情況下，脈沖電流的放電時(shí)間即脈沖寬度代表了單個(gè)脈沖能量的強(qiáng)度，而脈沖間隔則表示單位時(shí)間的放電次數(shù)。圖1是不同脈沖寬度下高碳馬氏體不銹鋼切割面的截面金相組織?？煽闯觯创慊鸬鸟R氏體不銹鋼為球狀碳化物分布于鐵素體基底的組織，線切割表面形成了白色的高溫熔液激冷變質(zhì)層，并與未熔化的基體形成明顯界面，而臨界面的基體中未見(jiàn)組織明顯變化的熱影響區(qū)。在脈沖寬度分別為8、44、56、96 μs時(shí)，表面變質(zhì)層的厚度分別約為7、18、21、24 μm。顯然，隨著脈沖寬度的增加，切割表面的熔液激冷變質(zhì)層厚度相應(yīng)增大。

圖1　不同脈沖寬度下切割表面的截面金相圖

圖2是當(dāng)峰值電流為8 A、脈沖間隔比為7且保持不變時(shí)，脈沖寬度和表面變質(zhì)層厚度的關(guān)系。可看出，脈沖寬度8 μs時(shí)的試樣平均變質(zhì)層厚度為7.0 μm；隨著脈沖寬度的增加，平均變質(zhì)層厚度隨之增加，在實(shí)驗(yàn)最大脈沖寬度96 μs時(shí)，試樣平均變質(zhì)層厚度也達(dá)到最大值24.5 μm。

圖2　脈沖寬度與平均變質(zhì)層厚度的關(guān)系

2.2脈沖間隔比

圖3是當(dāng)峰值電流為8 A、脈沖寬度為8 μs且保持不變時(shí)，不同脈沖間隔比對(duì)材料平均變質(zhì)層厚度的影響曲線?？煽闯?，當(dāng)脈沖間隔比由2提高到20時(shí)，試樣切割面的平均變質(zhì)層厚度在6.2～7.6 μm范圍內(nèi)變化，且與脈沖間隔比的關(guān)系不明顯。

圖3　脈沖間隔比與平均變質(zhì)層厚度的關(guān)系

2.3峰值電流

表1是保持脈沖寬度為8 μs不變、不同脈沖間隔比時(shí)，2種脈沖峰值電流（8、16 A）對(duì)切割面平均變質(zhì)層厚度的影響?？梢?jiàn)，當(dāng)峰值電流為8 A時(shí)，切割面平均變質(zhì)層厚度為6.2～7.5 μm；當(dāng)峰值電流為16 A時(shí)，平均變質(zhì)層厚度最大增加了2.5 μm，增量接近40%。顯然，脈沖電流對(duì)切割面平均變質(zhì)層厚度的影響十分顯著，電流越大，變質(zhì)層越厚。

2.4走絲速度

表2是保持脈沖寬度為8 μs不變、不同脈沖間隔比時(shí)，2種走絲速度（5.8、11.6 m/s）對(duì)平均變質(zhì)層厚度的影響?？梢?jiàn)，在同一脈沖寬度下，不同走絲速度對(duì)表面變質(zhì)層厚度的影響不大，且走絲速度較低時(shí)的平均變質(zhì)層厚度略大于走絲速度較高時(shí)的。由此可認(rèn)為當(dāng)鉬絲定位穩(wěn)定時(shí)，高速運(yùn)絲使部分熔融冷凝顆粒還未粘結(jié)牢固就隨著鉬絲被帶入快速流動(dòng)的工作液中，所以平均變質(zhì)層厚度在高速運(yùn)絲下略微變小，這不是放電本身的影響。

表1　脈沖峰值電流對(duì)變質(zhì)層的影響

表2　走絲速度對(duì)平均變質(zhì)層的影響

3　討論

在電火花線切割加工過(guò)程中，由于鉬絲與工件材料形成的放電可在其相鄰處產(chǎn)生高達(dá)10 000℃的極高溫度，盡管其作用區(qū)域很小，但仍能使切割面最表面區(qū)域的材料瞬時(shí)熔化，在工作液的快速冷卻作用下，這些材料的熔體被激冷，從而形成表面變質(zhì)層［5］。顯然，該表面變質(zhì)層與線切割加工的輸入能量有關(guān)。與焊接時(shí)的輸入能量不同，脈沖電火花線切割的輸入能量需仔細(xì)分析到各個(gè)脈沖，而與連續(xù)通電的電弧放電有所區(qū)別，因?yàn)槊}沖電火花線切割在單位時(shí)間或單位長(zhǎng)度內(nèi)都會(huì)包含大量的脈沖電流。本文的研究結(jié)果表明，對(duì)于單個(gè)脈沖而言，峰值電流和脈沖寬度都可提高瞬時(shí)輸入能量，因而脈沖寬度和峰值電流也成為影響切割面變質(zhì)層厚度的主要因素，而脈沖間隔比、走絲速度等工藝參數(shù)雖然可調(diào)整加工狀態(tài)，使加工更穩(wěn)定，但對(duì)表面損傷的厚度影響不明顯。

受條件限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)的脈沖電源主回路是電感電源的，其電流波形為三角波，脈沖峰值電流與脈寬直接有關(guān)，脈沖能量與脈寬成2次方關(guān)系，與常規(guī)矩形波主回路的機(jī)床會(huì)有所差別。

4　結(jié)論

脈沖電火花線切割加工會(huì)對(duì)高碳馬氏體不銹鋼形成表面變質(zhì)層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

（1）在各種工藝參數(shù)中，單個(gè)脈沖的輸入能量決定了變質(zhì)層的厚度，由于該厚度主要取決于脈沖寬度和峰值電流，故減小脈沖寬度和峰值電流就能明顯降低變質(zhì)層的厚度。

（2）變質(zhì)層厚度隨單個(gè)脈沖能量的變化呈非線性正比例關(guān)系，脈沖能量加大，變質(zhì)層增厚，但其增量變小。實(shí)驗(yàn)得到的最大變質(zhì)層厚度可達(dá)24.5 μm。

（3）脈沖間隔比和走絲速度對(duì)變質(zhì)層厚度的影響并不明顯。

［1］ 張振東，艾福超，蔣軍.放電能量對(duì)線切割加工表面質(zhì)量的影響［J］.模具工業(yè)，2008，34（3）：73-75.

［2］ 蔣軍，韓福柱.放電電流對(duì)電火花線切割精加工表面粗糙度的影響規(guī)律研究［J］.電加工與模具，2006（1）：9-12.

［3］ 馮巧波，周佳駿.慢走絲電火花線切割加工精度影響因素的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（8）：185-186.

［4］ 陳偉珍，鐘麗珠，王祖金，等.電火花線切割加工工藝參數(shù)研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007，36（9）：89-91.

［5］ 劉志東，高長(zhǎng)水.電火花加工工藝與應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

Affected Layer of High Carbon Martensitic Stainless Steel Influenced by the Process Parameters in Wire Electrical Discharge Machining

Song Liangjie1，2，Li Geyang1，Sun Kangxiu3
（1.School of Materials Sciencee and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Zwilling J.A.Henckels Shanghai Ltd，Shanghai 201112，China；3.Suzhou Puguang Electromechanical Co.，Ltd，Suzhou 215011，China）

The surface damage of material from wire electrical discharge machining（WEDM）directly influences the quality and efficiency of whole process.The rule of the affected layer on highcarbon martensitic stainless steel by the pulse current parameters and wire speed of WEDM were studied.The experimental results show that the affected layer is formed on the cutting surface influenced by the instantaneous high temperature of the pulse current and rapid cooling of the cycle liquid.Among all the process parameters of the WEDM，duration and peak current are not only the main part of the input energy，but also the main factor of the affected layer.By contrast the influence from the gap of pulse width and wire speed is much less.

WEDM；affected layer；martensitic stainless steel；pulse duration

TG661

A

1009－279X（2015）04－0029-03

2015-06-04

宋良杰，男，1983年生，碩士研究生。