高壓貼附噴液對線切割NdFeB材料切割效率與絲損的影響

滕 凱，張棟梁，劉文君

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

1 引言

燒結(jié)釹鐵硼（NdFeB）永磁材料是采用粉末冶金工藝，在磁場中將合金粉末壓制成胚，并在惰性氣體或真空中燒結(jié)而成，具有優(yōu)異的磁性能，被廣泛應(yīng)用于機械、電子、航天航空等領(lǐng)域。由于NdFeB材料具有高硬度、高脆性，傳統(tǒng)的機械加工難以進行切割。電火花線切割作為一種非接觸式、無顯著機械切削力的特種電加工方法，可有效解決NdFeB材料的切割加工問題[1]。文獻[2]對NdFeB材料進行了電火花線切割加工與傳統(tǒng)切削加工對比試驗，發(fā)現(xiàn)線切割加工具有明顯的優(yōu)勢，但其加工效率低，電極絲損耗大。文獻[3-4]研究了NdFeB材料電火花加工工藝參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。以上研究主要涉及電參數(shù)對材料去除率的影響，而忽略了沖液條件和蝕除方式因素的影響。因此，進一步研究沖液條件和蝕除方式對該材料切割的影響，可為NdFeB材料的高效低損切割提供有益參考。

2 正交試驗研究

2.1 試驗條件

實驗設(shè)備為DK7763D型中走絲線切割機床（蘇州寶瑪數(shù)控有限公司）；工作液為BM-4水基工作液，1：20與水配制；電極材料為鉬絲，直徑0.18 mm；實驗材料為燒結(jié)NdFeB永磁材料，尺寸（50×20×10）mm，供液系統(tǒng)為Rocoi（LDPB 2H-60-TP）型水泵，噴液壓力（0～0.4）MPa。

為改善大能量切割極間供液不足的狀況，在線切割上、下支架上分別加裝了高壓貼附式噴液裝置，如圖1所示。該噴液裝置采用彈性噴頭，將氧化鋯噴嘴（陶瓷球SR=4mm）無縫貼附在工件表面上，通過陶瓷球噴液通道（直徑Ф1mm），將高壓工作液直接加注到切縫中，有效減少噴液損失，避免卷入空氣引起氣中放電，并降低對電極絲的擾動，有效解決了工作液的極間進入量不足，電蝕產(chǎn)物排出困難的問題[5]。

圖1 高壓貼附噴液裝置Fig.1 High Pressure Liquid Spraying Device

2.2 正交試驗設(shè)計

切割加工中電參數(shù)與非電參數(shù)共同影響著線切割的加工質(zhì)量，本次試驗選取脈沖寬度A，脈沖間隔B，峰值電流C，噴液壓力D作為工藝參數(shù)，設(shè)計了3水平4因素（L9（34））的正交試驗，正交試驗設(shè)計因素水平，如表1所示。

表1 實驗水平表Tab.1 Experimental Level Table

2.3 正交試驗分析

通過正交試驗得到了NdFeB材料電火花線切割的切割速度指標(biāo)極差分析表，如表2所示。由表2可知，影響切割速度的主次因素依次為峰值電流C、脈沖間距B、脈沖寬度A和噴液壓力D；根據(jù)表中各因素水平的均值，可得到各因素優(yōu)化水平分別為A2B1C3和D2，故最優(yōu)參數(shù)組合方案為C3B1A2D2。即峰值電流為25A，脈沖間距（空占比）為6，脈沖寬度為24，噴液壓力為0.2 MPa時，NdFeB材料切割速度快，去除率大。由于峰值電流越大，脈間越小，切割效率越高，因此試驗選擇在大峰值電流（25A）、小脈沖間距（空占比6）的切割條件下，重點分析脈沖寬度、噴液壓力對材料去除和電極絲損耗的影響。

表2 極差分析表Tab.2 Range Analysis Table

3 NdFeB材料高效低損切割影響因素分析

3.1 高壓噴液因素的影響

在相同參數(shù)條件下，對NdFeB材料進行了常壓澆注與高壓噴液切割對比試驗，如圖2所示。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴液壓力為0.2MPa時，切割速度為 149.01mm2/min，電極絲損耗為（1～1.5）μm（104mm2切割量），較常壓澆注方式（0MPa）切割效率提高了35.46%，絲損降低了18.75%。當(dāng)噴液壓力小于0.2MPa時，隨著噴液壓力的減小，切割效率迅速降低，絲損略有增大。當(dāng)噴液壓力大于0.2MPa時，隨著噴液壓力的增大，切割效率略有下降，絲損明顯增大。分析認(rèn)為，由于極間工作液進入量與工作液的流速和噴液的初始壓強有關(guān)，采用貼附式噴液，能夠使噴嘴貼附在工件表面（無噴液間隙），大大減少壓力損失和工作液的濺射，消除工作液的泡沫化，增加極間工作液的進入量和流量，從而改善極間加工條件，提高材料切割效率，降低電極絲絲損。但當(dāng)噴液壓力大于0.2MPa時，上下噴射流相互干擾，電極絲振動加劇，極間放電加工不穩(wěn)定，導(dǎo)致切割效率降低，絲損加劇。

圖2 高壓噴液對切割效率和絲損的影響（ts=24μs，ti/ts=6，Ip=25A）Fig.2 Effect of High Pressure Feed on Cutting Efficiency and Wire Loss

3.2 電參數(shù)因素的影響

燒結(jié)NdFeB永磁材料由Nd2Fe14B主相、富Nd相、富B相以及稀土氧化物組成，它們的熱物理性能存在較大差異，導(dǎo)致該材料的電火花去除方式比較復(fù)雜。

NdFeB材料的電火花蝕除機理模型，如圖3所示。單脈沖持續(xù)放電時，等離子放電通道內(nèi)迅速氣化的金屬蒸氣會沿著放電通道壓力較小的方向噴爆拋出，由此產(chǎn)生很大的反向沖擊力，將蝕除坑中部分熔融液態(tài)的金屬濺出，在蝕除坑周圍形成輻射狀的再凝固熔滴[3-4]。這表明熔融、氣化拋出為線切割放電蝕除材料的主要去除方式。當(dāng)脈沖能量增強后，會在蝕除坑上加載一個壓痕載荷（放電結(jié)束后載荷卸載），由點接觸模型的應(yīng)力場分布可知，在放電凹坑周圍（13～19）°的范圍內(nèi)存在拉應(yīng)力。在每個放電周期內(nèi)，如果該處的拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度，裂紋將會在這里成核，并沿主相晶粒晶界擴展形成巴氏裂紋（Plamqvist Crack）[4]。當(dāng)蝕除坑內(nèi)、外壓力重新處于平衡時，未能拋出的熔融金屬便會被工作液迅速冷卻，形成（10～20）μm厚熔化再凝固層（重鑄層）。由于熔池金屬的凝固收縮作用，會在重鑄層產(chǎn)生放射狀的微裂紋，如圖4（a）所示。

圖3 NdFeB電火花蝕除機理模型Fig.3 NdFeB Spark Erosion Mechanism Model

在燒結(jié)釹鐵硼材料主晶相界面上分布的富Nd相大多呈顆粒狀或薄片狀，在大脈寬、大峰值電流放電條件下，熔池內(nèi)的表層主相晶粒（熔點1185°C）未被整體熔化，而位于晶間的富Nd相（熔點650°C）已經(jīng)達到熔點而被過量去除，促進了微裂紋的沿晶擴展[3-6]。在持續(xù)的脈沖放電過程中，彼此相鄰的蝕除坑周圍的微裂紋連接在一起，形成封閉裂紋，主相晶粒就會以微破碎的形式脫離工件表面。在小脈寬、小峰值電流放電條件下，主相（Nd2Fe14B）晶粒會以整體脫落的形式從基體材料去除，如圖4（b）所示。脈沖寬度對NdFeB材料加工的影響，如圖5所示。

圖4 NdFeB材料WEDM加工表面SEM圖Fig.4 Surface SEM Diagram of NdFeB Material Processed by WEDM

圖5 脈沖寬度對NdFeB材料加工的影響Fig.5 Effect of Pulse Width on NdFeB Material Processing

由圖5（a）可知，在小脈寬放電條件下（脈寬小于4μs），常壓澆注與高壓噴液兩種不同供液方式下的切割效率隨脈寬的增大趨勢基本一致；但當(dāng)脈寬達到4μs后，常壓澆注方式的切割效率增幅較高壓噴液方式明顯減緩；當(dāng)脈寬達到24μs后，高壓噴液方式的切割效率開始降低，且降幅較常壓澆注方式明顯；尤其在脈寬達到40μs后，高壓噴液方式的切割效率已低于常壓澆注方式。分析認(rèn)為，脈寬較小時，由于蝕除產(chǎn)物少，極間噴液充足，切割效率提高空間較大，增幅明顯大于其他階段；此外，該階段除了熔化與氣化拋出去除外，主相晶粒的整體脫落變得明顯，大大提高了材料的切割效率。隨著脈寬進一步增大，強大的放電熱量將造成工作液在極間瞬時大量汽化，蝕除產(chǎn)物增多，此時極間冷卻及消電離狀況的優(yōu)劣則轉(zhuǎn)為制約切割效率提高的主要因素[7-10]，而采用高壓噴液方式，提高了極間工作液的進入量，加速了蝕除產(chǎn)物排除，改善了極間狀況。脈寬達到24μs時，切割效率接近140μm/min，較常壓澆注切割方式提高了近20%。當(dāng)脈寬達到32μs以后，材料的蝕除殼體粒子尺寸變大，且微破碎去除方式變的明顯，極易造成極間工作液的紊流，引起極間二次放電或短路，導(dǎo)致切割效率迅速降低。

由圖5（b）可知，在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)脈寬小于8μs時，隨著脈寬的增大，兩種供液方式下的絲損都略有下降；當(dāng)脈寬大于8μs時，隨著脈寬的增大，極間排屑條件變差，熱量不能及時排出，絲損加?。划?dāng)脈寬達到24μs以后，隨著脈寬的增大，絲損反而變小。分析認(rèn)為，這是由于陽極壁面粘附大量電蝕粒子，極間間隙減小，排屑困難；同時，形成的空殼粒子體積逐漸增大，如圖6所示。當(dāng)直徑大于10μm（放電間隙）時，極間大量除粒子已無法有效排屑，致使極間放電條件進一步惡化，產(chǎn)生的熱量不能及時傳出，導(dǎo)致電極絲表面局部過熱，液體保護膜高溫分解，大量的工作介質(zhì)碳化、結(jié)塊并粘附在電極絲表面，引起電極絲表面脆化，絲徑不均勻變細，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不能反映絲損實際情況[1-3]。

圖6 NdFeB材料WEDM加工蝕除粒子Fig.6 WEDM Processes for the Removal of Particles

通過NdFeB材料的電火花線切割研究發(fā)現(xiàn)，放電蝕除粒子的形狀與大小，在很大程度上與蝕除方式有關(guān)[3-6]。實際切割加工中可通過改變電參數(shù)來調(diào)節(jié)氣化與蒸發(fā)、熔化再凝固、整體顆粒脫落以及微破碎等蝕除方式所占的比例，來改善極間供液條件，提高材料切割效率，降低電極絲絲損。

4 結(jié)論

（1）在NdFeB材料電火花線切割試驗中，發(fā)現(xiàn)電參數(shù)和沖液條件是影響切割效率和絲損的主要因素。采用貼附式高壓噴液方式，在小脈寬、大峰值電流、高電壓的加工條件下，切割效率可達149.01mm2/min，電極絲損耗僅為（1～1.5）μm（切割量104mm2）；較常壓澆注方式切割效率提高了35.46%，電極絲絲損降低了18.75%。（2）在大峰值電流、小脈間和高速運絲的條件下，選擇0.2MPa的噴液壓力和24μs的脈沖寬度，可以有效調(diào)節(jié)氣化與蒸發(fā)、熔化再凝固、整體顆粒脫落以及微破碎等四種蝕除方式所占的比例，達到高效低損的切割目的。