磁場(chǎng)輔助電火花線(xiàn)切割加工燒結(jié)釹鐵硼試驗(yàn)研究

王 超，廉中旭，于 朋，許金凱

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引言

燒結(jié)釹鐵硼永磁材料是使用粉末冶金工藝加工生產(chǎn)，這種工藝首先將熔煉的合金制成粉末，在磁場(chǎng)環(huán)境下壓制成壓胚，隨后將壓胚在極不活潑的惰性氣體中燒結(jié)從而達(dá)到致密化，最后可通過(guò)時(shí)效熱處而提高磁體的矯頑力。

目前釹鐵硼磁體在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，是釹鐵硼磁性材料應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一，汽車(chē)上使用的各類(lèi)電動(dòng)機(jī)中，80%是稀土永磁電動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)縮小電機(jī)使汽車(chē)整體降低質(zhì)量。而在電機(jī)領(lǐng)域釹鐵硼永磁體優(yōu)異的性能也發(fā)揮重要的作用，工業(yè)電機(jī)的通用設(shè)備耗電量高，但如果在通用設(shè)備中使用釹鐵硼永磁無(wú)鐵電機(jī)則可提高其運(yùn)行效率，節(jié)約電能。

而其優(yōu)良的性能，磁體的體積和質(zhì)量均可大幅度降低，保證輸出功率恒定[1]。

然而由于釹鐵硼永磁材料具有硬度高、脆性大、且本身所帶的磁性的特性，當(dāng)用傳統(tǒng)車(chē)削，銑削等加工方法其加工效率低，質(zhì)量差。國(guó)內(nèi)外針對(duì)加工該材料開(kāi)展了不同的試驗(yàn)研究，其中文獻(xiàn)[2]以表面粗糙度和熔渣量做為衡量指標(biāo)利用激光切割加工燒結(jié)釹鐵硼磁性材料，并進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出了在激光加工燒結(jié)釹鐵硼過(guò)程中，脈沖寬度、頻率和電流等不同電參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[3]在電火花線(xiàn)切割對(duì)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料進(jìn)行加工的同時(shí)，分別利用車(chē)削、銑削等傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)于車(chē)削和銑削等傳統(tǒng)加工方式，電火花線(xiàn)切割加工燒結(jié)釹鐵硼永磁材料效率更高，工件質(zhì)量更好。文獻(xiàn)[7]則研究了電火花線(xiàn)切割加工的工藝參數(shù)對(duì)燒結(jié)釹鐵硼材料的材料去除率的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9]則利用常壓澆注與高壓噴液兩種供液方式對(duì)燒結(jié)釹鐵硼（NdFeB）永磁材料進(jìn)行了電火花線(xiàn)切割加工對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)高壓噴液方式較常壓澆注方式切割效率提高35.46%，絲損降低18.75%。文獻(xiàn)[4]則在電火花線(xiàn)切割加工的方式下，利用磁場(chǎng)輔助的方法來(lái)改善其加工性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)添加磁場(chǎng)輔助時(shí)被加工材料的材料去除率、表面精度等均有效地提高了。文獻(xiàn)[10-11]團(tuán)隊(duì)用磁場(chǎng)輔助的方式，研究了電火花線(xiàn)切割加工非磁性材料和磁性材料的過(guò)程，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用磁場(chǎng)輔助的方式可以使放電通道的形狀發(fā)生改變，并且可以使粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡延長(zhǎng)，從而改善加工性能。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)研究得出相對(duì)于傳統(tǒng)加工方式，電火花線(xiàn)切割加工燒結(jié)釹鐵硼永磁材料具有高效率，質(zhì)量好等特點(diǎn)。推斷出了在磁場(chǎng)輔助下，電火花線(xiàn)切割加工的加工性能可得到顯著改善，但利用磁場(chǎng)輔助的方法是否能改善電火花線(xiàn)切割加工燒結(jié)釹鐵硼材料的效率和表面質(zhì)量研究尚且不足，所以提出運(yùn)用電火花線(xiàn)切割加工方式，結(jié)合外界磁場(chǎng)輔助對(duì)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料進(jìn)行加工試驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所采用的主要加工設(shè)備為HA400U型中走絲數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床，鉬絲直徑為0.25mm、工作液為比例1：40的JR3A乳化液，磁場(chǎng)輔助裝置。

2.2 加工示意圖

實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置，假設(shè)其加工過(guò)程中為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則加工示意圖，如圖1所示。

圖1 電火花線(xiàn)切割加工工件過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Processing Process

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為燒結(jié)釹鐵硼材料，其主要成分為稀土釹（Nd）元素、稀土鐠（Pr）元素、鐵（Fe）元素和少量硼（B）元素[4]。

用于加工實(shí)驗(yàn)的燒結(jié)釹鐵硼首先按統(tǒng)一的電加工參數(shù)（脈沖寬度為16μs，峰值電流為3 檔位，脈沖間隔比為8 檔位，電壓為100V）。

通過(guò)電火花線(xiàn)切割預(yù)先加工成（40×10×12）mm 的長(zhǎng)方體板材可以方便加工并且形成一致的加工基準(zhǔn)面，

3 正交實(shí)驗(yàn)

HA400U型中走絲數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床可調(diào)電參數(shù)多，不同加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度、材料去除率等工藝指標(biāo)的影響不同，實(shí)驗(yàn)可采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，是研究多水平多因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到利用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)而得到實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)表面粗糙度、材料去除率等衡量指標(biāo)的影響[6-7]。此處選取電火花線(xiàn)切割加工中的脈沖寬度，脈沖間隔比，峰值電流三個(gè)重要電參數(shù)，其中脈沖間隔比為脈沖間隙與脈沖寬度之比，峰值電流（1～4）檔位，單脈沖峰值電流約為0.8 乘以2 的檔數(shù)乘以脈沖寬度，即Ipeak≈0.8*2I_max-1*Pul_on設(shè)計(jì)三水平三因素試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，其余參數(shù)包括絲速2檔，電壓100（V）。

為對(duì)比磁場(chǎng)輔助加工的效果，除正交實(shí)驗(yàn)的9組實(shí)驗(yàn)外，為了對(duì)比磁場(chǎng)輔助加工后是否有不同的效果，添加輔助磁場(chǎng)后，又進(jìn)行了9組有磁場(chǎng)輔助加工的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔比按正交實(shí)驗(yàn)表中相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行電火花線(xiàn)切割加工實(shí)驗(yàn)。工件在加工前利用超聲振動(dòng)清洗儀進(jìn)行清洗，以避免工件表面雜質(zhì)影響加工效率，而在加工后也要進(jìn)行清洗，避免影響后續(xù)的測(cè)量及觀測(cè)。每組參數(shù)切割尺寸為（10×18×2）mm的工件，并且記錄時(shí)間，以便計(jì)算材料去除率，并且采用型號(hào)為L(zhǎng)D120的表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量工件表面粗糙度，工藝指標(biāo)中材料去除率按單位時(shí)間內(nèi)加工的工件面積計(jì)算，計(jì)算公式，如式（1）所示。

MRR=s/t（1）

式中：s—加工面積，單位為mm2；t—加工時(shí)間，單位為s；MRR—材料去除率，單位為mm2/s。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 主要電參數(shù)對(duì)表面粗糙度及材料去除率的影響結(jié)果分析

測(cè)量未加磁場(chǎng)輔助的加工工件表面粗糙度并計(jì)算其材料去除率，記錄結(jié)果，如表1所示。

表1 無(wú)磁場(chǎng)輔助電火花線(xiàn)切割燒結(jié)釹鐵硼正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Orthogonal Experimental Results of NdFeB without Magnetic Field Assisted of WEDM

對(duì)表1數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析[6]得出，如表2、表3所示。從表2可以得出KA1＜KA3＜KA2，所以由極差分析可以判斷A因素中的優(yōu)水平為A1，同理可以確定B、C因素的優(yōu)水平分別為B1，C2，所以各個(gè)因素的最優(yōu)水平組合為A2B3C1，即當(dāng)脈沖寬度為16μs，脈沖間隔比為8，峰值電流為2檔位時(shí)，表面粗糙度最小。另通過(guò)極差值R的大小，可以判斷各因素對(duì)表面粗糙度的影響順序，所以根據(jù)RB＞RA＞RC，可以得出脈沖間隔對(duì)粗糙度影響最大。

表2 表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab.2 Analysis of Surface Roughness Results

表3 材料去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Analysis of the Removal Rate of the Material Results

從表3 可以得出KA1＜KA2＜KA3，所以由極差分析可以斷定A因素的優(yōu)水平為A1，同理可以確定B、C因素的優(yōu)水平分別為B1，C3，所以各個(gè)因素的最優(yōu)水平組合為A1B1C3，即當(dāng)脈沖寬度為16μs，脈沖間隔比為8，峰值電流為3 檔位時(shí)，材料去除率最優(yōu)。另通過(guò)極差值R的大小，可以判斷各因素對(duì)表面粗糙度的影響順序，所以根據(jù)RB＞RA＞RC，可以得出脈沖間隔比各因素對(duì)材料去除率影響最大。

4.2 磁場(chǎng)輔助對(duì)表面粗糙度（Ra）及材料去除率（MRR）影響結(jié)果分析

根究正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且其他條件不變，添加磁場(chǎng)輔助做另一組實(shí)驗(yàn)，按照前文公式計(jì)算材料去除率并且測(cè)量樣件表面粗糙度，記錄結(jié)果，如表4所示。

表4 磁場(chǎng)輔助電火花線(xiàn)切割燒結(jié)釹鐵硼正交試驗(yàn)驗(yàn)及無(wú)磁場(chǎng)輔助對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Field-Assisted WEDM Cutting Machining of NdFeB Orthogonal Experiment and Results without Magnetic Field

利用表4數(shù)據(jù)生成折線(xiàn)圖，以便更加直觀的對(duì)有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)粗糙度與材料去除率的區(qū)別，如圖2、圖3所示。

圖3 有無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)Ra結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Comparison of Ra Results with or without Magnetic Field Assistance

圖2 是有無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)的9 組實(shí)驗(yàn)材料去除率MRR 的結(jié)果。從圖中可以觀察出，在其余電參數(shù)相同的加工條件下，有磁場(chǎng)輔助時(shí)加工的材料去除率MRR 相對(duì)于無(wú)磁場(chǎng)輔助加工時(shí)，均有明顯幅度增加。

通過(guò)材料去除率MRR的對(duì)比結(jié)果，在電火花線(xiàn)切割加工過(guò)程中，磁場(chǎng)輔助可以顯著的提高電火花線(xiàn)切割加工燒結(jié)釹鐵硼的材料去除率。

圖3 是有無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)的9 組實(shí)驗(yàn)表面粗糙度Ra的結(jié)果。從圖中可以觀察出，在其余電參數(shù)相同的加工條件下，添加磁場(chǎng)輔助后被加工的工件表面粗糙度Ra相較于無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)工件表面粗糙度均有所減小。表面粗糙度Ra的對(duì)比結(jié)果同樣說(shuō)明，加工過(guò)程中，磁場(chǎng)輔助可以顯著提高電火花線(xiàn)切割加燒結(jié)釹鐵硼的表面質(zhì)量。

4.3 磁場(chǎng)輔助對(duì)表面微觀形貌及總能譜影響分析

使用型號(hào)為EV0 MA25的掃描電子顯微鏡對(duì)工件表面微觀形貌進(jìn)行觀察，并且做能譜分析，結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖4 不同表面的SEM對(duì)比圖Fig.4 Comparison of SEM Images of Different Surfaces

圖4是第1組和第8組參數(shù)加工的工件通過(guò)掃描電子顯微鏡得到的工件表面SEM圖。從圖中對(duì)比可看出，圖4（a）中的工件表面的電蝕坑尺寸要比圖4（c）的工件大得多，而且在高溫下熔融的金屬再結(jié)晶蝕除顆粒大部分附著在工件表面上、未加磁場(chǎng)輔助加工時(shí)工件表面產(chǎn)生的氣孔比加磁場(chǎng)輔助時(shí)加工工件的大且多。

這說(shuō)明，在連續(xù)脈沖放電加工過(guò)程中，外界磁場(chǎng)輔助可以使電火花放電通道內(nèi)的電子更加集中且分布更均勻，并且可以利用磁場(chǎng)吸附作用來(lái)磁場(chǎng)避免氣化的蝕除物碎片再次液化結(jié)晶附著在工件表面，從而影響工件表面質(zhì)量，所以在磁場(chǎng)輔助下加工后的工件表面更均勻，加工后表面質(zhì)量更好。

圖4（b）、圖4（d）是圖4（a），圖4（c）中兩組工件放大3000 倍的表面SEM圖。

對(duì)比圖4（b）、圖4（d）可以發(fā)現(xiàn)，相同加工條件下，有磁場(chǎng)輔助加工時(shí)工件表面的裂紋比物磁場(chǎng)輔助加工的少，而且裂紋長(zhǎng)度要比無(wú)磁場(chǎng)輔助的短。

圖5為不同加工條件下工件表面總能譜圖：從圖5（a）可以看出，未加磁場(chǎng)輔助利用電火花線(xiàn)切割加工后的燒結(jié)釹鐵硼中Fe與Nd的占比分別為46.2%和31.4%，由于Fe的熔點(diǎn)較高于Nd的熔點(diǎn)，所以經(jīng)過(guò)加工放電高溫熔化后的Fe更易重新凝固形成重鑄層，影響加工表面質(zhì)量，而圖5（b）中加磁場(chǎng)輔助加工的工件表面Fe與Nd的占比分比為34.9%和29.4%，可以看出較未加磁場(chǎng)輔助時(shí)Fe占比明顯下降，證明更多熔融的Fe通過(guò)磁場(chǎng)吸附而排除，從而使加工表面粗糙度等有明顯改善。

圖5 不同條件下工件面總能譜圖Fig.5 Total Energy Spectrum of the Workpiece Surface Under Different Conditions

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出電火花線(xiàn)切割主要電參數(shù)對(duì)被加工工件的表面粗糙度的最優(yōu)組合為脈沖間隔比8，脈沖寬度16μs，峰值電流2檔位，影響最大的為脈沖間隔比。而對(duì)被加工工件的材料去除率的最優(yōu)組合為脈沖間隔比8，脈沖寬度16μs，峰值電流為3檔位，影響最大因素為脈沖間隔。

（2）通過(guò)對(duì)有無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)，工件表面粗糙度和材料去除率的變化，可以看出在磁場(chǎng)輔助下工件表面粗糙度及材料去除率得到明顯改善。

（3）通過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)有無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)的工件表面，可以發(fā)現(xiàn)未加磁場(chǎng)輔助工件表面的顆粒、電蝕坑尺寸和氣孔要比加磁場(chǎng)輔助加工的工件大得多，并且工件表面的裂紋較少，這說(shuō)明在相同加工條件下有磁場(chǎng)輔助時(shí)加工后表面質(zhì)量更好。

（4）通過(guò)有無(wú)磁場(chǎng)輔助加工的零件表面能譜分析可以發(fā)現(xiàn)，其中Nd與Fe的元素占比發(fā)現(xiàn)明顯變化，其中在磁場(chǎng)輔助下更多熔融的Fe元素通過(guò)磁場(chǎng)吸附而排除，從而使加工表面粗糙度等有明顯改善。