對電火花加工工藝表面耐磨性的實驗研究

張遼遠，王悅龍，尚明偉，姜大林，耿 岳

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

對電火花加工工藝表面耐磨性的實驗研究

張遼遠，王悅龍，尚明偉，姜大林，耿 岳

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

根據(jù)電火花加工和傳統(tǒng)加工工藝去除材料的不同機理，利用自行研制的耐磨損實驗機具，進行電火花加工和傳統(tǒng)加工工藝表面磨損實驗研究，獲得了零件表面的形貌特征和變質(zhì)層金相組織.分析實驗結(jié)果后認為，實驗研究對改善電火花加工的零件表面質(zhì)量和機械物理性能具有意義.

電火花加工；表面質(zhì)量；耐磨性

電火花加工機床自20世紀50年代在中國誕生以來，國內(nèi)許多學者對其進行了研究.易震山等指出，電火花加工具有許多傳統(tǒng)切削加工無法比擬的優(yōu)點：①適合加工難切削的材料；②可以加工特殊及復雜形狀的零件；③加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機械切削力作用[1].由于電火花加工是通過工具和工件之間脈沖火花放電的電腐蝕實現(xiàn)加工目的的，因此工件表層會發(fā)生很大變化，形成加工變質(zhì)層，具有獨特的加工形貌.張慧剛探究了電火花加工的表面形貌(主要有凹坑、顯微裂紋和氣孔)、電火花加工過程中急冷急熱作用下金相組織發(fā)生的變化(主要有熔化凝固層和熱影響層)，并對零件機械物理性能受到的影響進行了理論分析[2].夏勁武等探討了電火花加工表面殘余應力的形成機理、分布及擴散趨勢[3].邢萬強等對車削加工的研究認為，傳統(tǒng)加工工藝通過工具與工件之間轉(zhuǎn)動和刀具與工件之間相對運動實現(xiàn)材料的切削加工，因此工具和工件之間存在明顯的切削力作用[4].康小健針對45#鋼的高速銑削探究了銑削力和零件表面質(zhì)量的關系，提出銑削參數(shù)對零件表面粗糙度和表面硬化有重要影響[5].關于電火花加工工藝和傳統(tǒng)加工工藝在形成的零件表面質(zhì)量以及對零件表面機械物理性能影響方面的對比，目前未見國內(nèi)外相關研究.

本實驗以45#鋼為實驗材料，分別利用電火花線切割、電火花成型、普通車削以及普通銑削4種工藝進行加工，獲得零件表面形貌特征和金相組織，并對其耐磨性進行對比分析.

1 電火花加工與傳統(tǒng)切削加工

1.1 電火花線切割與成型

常用的電火花加工方法有兩種：電火花線切割加工和電火花成型加工，它們的加工原理相同.以電火花線切割加工為例，工具電極的表現(xiàn)形式是細金屬導線，一般為鎢電極.電極絲和工件達到放電間隙時放電擊穿工作介質(zhì)，產(chǎn)生瞬間高溫，熔化甚至汽化工件來蝕除金屬材料，達到加工目的(圖1).一般情況下，電火花線切割加工機床由機床本體、脈沖電源、控制系統(tǒng)和工作循環(huán)液等幾部分組成.電極絲通過走絲機構(gòu)做往復運動，被加工工件通過控制系統(tǒng)隨工作臺做垂直電極絲方向的運動.

圖1 電火花線切割示意

1.2 傳統(tǒng)機械加工

傳統(tǒng)上獲取零件形狀，是利用機床刀具將毛坯料上多余的材料切除來實現(xiàn)的，主要有車削、銑削、鏜削、磨削及鉆削等傳統(tǒng)切削加工.多余材料的切除是通過刀具與工件之間相對運動來實現(xiàn)的.切削運動如圖2所示.

圖2 切削運動示意

2 實驗表面的獲取及分析

2.1 實驗表面獲取

利用傳統(tǒng)加工設備高速精密車床JIMK460、立式升降臺銑床X5646，選擇電參數(shù)脈沖寬度10 μs、功放2倍、脈沖間隙5 μs、工作電壓90 V、工作電流2 A的電火花線切割機床，以及電參數(shù)脈沖寬度20 μs、脈沖間隙9 μs、工作電壓100 V、工作電流5 A的電火花成型機床，加工出兩組電火花加工實驗表面.由于零件的耐磨性主要受材料硬度和表面粗糙度影響，因此在保留表面特征的前提下對各實驗表面進行拋光處理，使各表面粗糙度一致.

2.2 實驗表面分析

2.2.1 表面形貌

由于電火花加工是依靠工具、工件兩電極之間火花放電產(chǎn)生瞬間高溫來去除材料的，因此電火花加工后工件表層發(fā)生很大變化，其表層得到強化[6-7].從加工表面看，電加工獲得的表面形貌分布呈各向同性；銑削加工和車削加工是依靠刀具和工件之間的相對擠壓旋轉(zhuǎn)和移動實現(xiàn)材料去除的，工件表面存在一定程度的冷作加工硬化層，獲得的表面形貌分布具有紋理性，呈各向異性.各種加工表面形貌如圖3所示.

圖3 加工表面形貌

由圖3可知，電火花加工和普通銑削加工表面存在很大不同.電火花加工表面形貌的主要特征是：具有凹坑、氣孔、顯微裂紋和切面分界.其中凹坑可以容納磨損時產(chǎn)生的磨屑，也更有利于潤滑油的存留.傳統(tǒng)銑削和車削加工表面形貌的主要特征是：具有方向性的條紋和刀痕.方向性紋理不利于潤滑油的存留.

2.2.2 表面金相組織

在電火花加工中，工具與工件之間的火花放電產(chǎn)生瞬間高溫高熱，金屬材料的金相組織必然發(fā)生變化，對零件使用性能會產(chǎn)生影響.在傳統(tǒng)銑削和車削加工過程中，機械能轉(zhuǎn)換成熱能，大部分熱量隨切屑一起散掉，因此沒有明顯熱影響區(qū).各種加工工藝的工件表面金相組織如圖4所示.

圖4 工件表面的金相組織

電火花加工通過熔融和汽化金屬實現(xiàn)加工，使零件表面具有熔化凝固層和熱影響層.熔化凝固層即變質(zhì)層.與變質(zhì)層相鄰的內(nèi)側(cè)區(qū)也因高溫而改變了金相組織和性能.它被稱為熱影響層，分為淬火層和再回火層.從采集的圖樣可以看出，電火花加工產(chǎn)生了大量強度較高的奧氏體和馬氏體，而傳統(tǒng)銑削和車削加工表面的金相組織多為強度偏低的珠光體和鐵素體[8].

3 磨損實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗條件

耐磨損實驗機床采用鉆攻兩用機，升降床身，將搖臂調(diào)整到同一位置，在搖臂上施加載荷實現(xiàn)磨損實驗加載，通過測力儀測得加載量.工件通過夾具和虎鉗被固定在工作臺上.調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，啟動機床，使工具與工件在一定浮動加載下進行磨損實驗并計時.在精度為0.01 g的天平上秤量工件磨損前后的質(zhì)量.實驗裝置如圖5所示.實驗的磨損條件如表1所示.

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 原始基面完全破壞

在主軸轉(zhuǎn)速n=650 r/min，試驗時間t=1 min，加載F=10 N的情況下，對各工件的表面磨損完全破壞了原始基面.不同加工方法的工件表面磨損情況如表2所示.圖6、圖7分別為原始基面完全破壞前和完全破壞后的工件表面.

1.床身 2.虎鉗 3.墊塊 4.夾具 5.工件 6.工具 7.鉆夾頭 8.主軸 9.搖臂 10.加載 11.皮帶 12.電機 13.托架圖5 實驗裝置示意

表1 實驗的磨損條件

表2 不同加工方法的工件表面磨損情況

圖6 原始基面完全破壞前工件表面

圖7 原始基面完全破壞后工件表面

3.2.2 原始基面部分破壞

在主軸轉(zhuǎn)速n=650 r/min，試驗時間t=0.5 min，加載F=5 N的情況下，各工件表面出現(xiàn)磨損，部分基面被破壞(圖8).

圖8 原始基面部分破壞的工件表面

3.3 結(jié)果分析

從實驗結(jié)果可以看出，在加載、試驗時間、潤滑條件和表面粗糙度都相同的條件下進行磨損實驗，電火花加工工件的磨損量小，特別是油潤滑條件下耐磨性顯著提高；傳統(tǒng)車削和銑削加工的工件表面磨損較嚴重，電火花線切割和電火花成型加工獲得的表面磨損程度輕微.從零件的表面形貌和金相組織來看，電火花加工工藝比傳統(tǒng)加工工藝提高了零件表面的耐磨性.

4 結(jié)束語

(1)電火花加工零件表面有急熱急冷的過程，強化了表面，使得加工表面硬度提高，其表面耐磨性能優(yōu)于傳統(tǒng)加工工藝表面.

(2)電火花加工零件的表面形貌不同于傳統(tǒng)加工零件表面，呈現(xiàn)各向同性，并有利于潤滑劑的存留.在油潤滑條件下，電火花加工表面的耐磨性有顯著提高.

(3)電火花加工零件表面的金相組織由大量的奧氏體和馬氏體組成.電火花加工比傳統(tǒng)加工零件表面硬度更大，耐磨性更好.

[1] 易震海,姜平山.電火花和線切割加工零件表面質(zhì)量的控制[J].才智，2008(20):144-145.

[2] 張慧剛.電火花與激光加工表面質(zhì)量比較分析及評定研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2012.

[3] 夏勁武,徐家文,趙建社.電火花加工表面質(zhì)量的研究及進展[J].電加工與模具，2008(6)：14-18.

[4] 邢萬強,熊良山,湯 祁,等.硬車削300M鋼表面的殘余主應力[J].機械工程材料，2016(2):48-50,91.

[5] 康小健.高速銑削45鋼銑削力及表面質(zhì)量研究[D].湘潭：湖南科技大學，2012.

[6] 余劍武,何利華,段 文,等.電火花加工8418鋼的工藝預測模型[J].機械工程學報，2016(11):213-218.

[7] 葉國萍.基于電火花加工方法的45鋼表面強化研究[D].大連:大連理工大學,2006.

[8] 洪永昌.電火花表面強化層的組織和性能[J].安徽冶金科技職業(yè)學院學報，2004,14(2)：21-23,28.

Research on Surface Wear Resistance Based on Electrical Discharge Machining

ZHANG Liao-yuan, WANG Yue-long, SHANG Ming-wei, JIANG Da-lin,GENG Yue

(School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

This paper makes the analysis of the results from surface morphology characteristics and metamorphic lager microstructure based on the difference of material removal principle between electric processing and traditional cutting process by carrying out processing experiment by using self-developed wear resistance experiment fixture and tools to make comparison between electric processing and traditional cutting. The research has the exploring significance on the influence of electric processing machining on mechanical and physical properties and provides the basis in improving the electrical discharge machining parts surface quality.

electrical discharge machining; surface quality; wear resistance

2016-10-13

張遼遠(1962-)，男，遼寧沈陽人，博士，教授，研究方向為新型材料的精密及特種加工技術(shù).

1006-3269(2016)04-0033-04

TP27

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.008