激光選區(qū)燒結(jié)制備銅齒輪電極及其電火花加工應(yīng)用

劉揚(yáng)全，徐 斌，伍曉宇，雷建國(guó)，朱立寬，江 凱

（1. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東深圳 518172；2. 深圳大學(xué)，廣東省微納光機(jī)電工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060）

塑膠齒輪（plastic gears）已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)配件、微型電機(jī)、家用電器、電子產(chǎn)品等工業(yè)領(lǐng)域。 塑膠齒輪的批量生產(chǎn)主要通過(guò)齒輪型腔的注塑成形獲得。 目前，電火花加工（EDM）是獲得齒輪型腔的主流技術(shù)之一。 由于EDM 通過(guò)工具電極和工件之間的放電完成材料蝕除的加工工藝[1]，非常適合加工高硬度、高強(qiáng)度、高脆性的金屬材料零件，已廣泛應(yīng)用于航空航天、模具等領(lǐng)域[2-4]。 電火花加工齒輪型腔所用工具電極主要通過(guò)銑削工藝和車(chē)削工藝獲得。 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔在采用銑削加工和車(chē)削加工時(shí)，對(duì)應(yīng)的工具電極存在生產(chǎn)成本高、加工周期長(zhǎng)、工藝流程繁瑣等不足[5-6]。 激光選區(qū)燒結(jié) （selective laser sintering，SLS）是一種增材制造工藝，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的一體化，并具有制造柔性高、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。 目前，SLS 工藝已在航空航天、精密模具等行業(yè)廣泛應(yīng)用，是制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的有效手段[7]。

以銅粉為原材料，通過(guò)SLS 工藝制備電極可有效解決目前銑削工藝制備齒輪電極的不足。 SLS 工藝通過(guò)激光燒結(jié)粉末的形式獲得零件，零件的性能與粉末的類(lèi)型密切相關(guān)[8-9]。另外，對(duì)于EDM，工具電極的電導(dǎo)率、 材料去除率 （MRR） 和電極損耗率（TWR）是主要技術(shù)指標(biāo)[10]。就此，一些學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)研究，比如Amorim 等[11]采用SLS 工藝，用純銅、青銅鎳合金、銅/青銅鎳合金和鋼合金粉末制備了電火花加工電極，并對(duì)其MRR 進(jìn)行了研究；Czelusniak等[12]利用ZrB2-CuNi 粉末制備電極，并對(duì)其電火花加工性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Sahu 等[13]采用SLS 工藝，使用金屬基復(fù)合粉末（鋁、硅、鎂）制作電極，并將其應(yīng)用于鈦的電火花加工；王婉等[14]通過(guò)將SLS 工藝與電鑄工藝相結(jié)合的方式，利用純銅粉末快速制備復(fù)雜的電火花工具電極，通過(guò)該方式獲得的工具電極具有良好的電火花加工性能。

本文通過(guò)SLS 工藝制備了齒輪銅電極，并通過(guò)熱處理工藝對(duì)齒輪銅電極的電導(dǎo)率進(jìn)行了調(diào)控，從而有效保證齒輪銅電極的電火花加工性能，還利用該電極開(kāi)展了電火花加工實(shí)驗(yàn)，獲得了性能良好的齒輪電極。

1 工藝流程

本文以銅粉為原材料通過(guò)SLS 工藝制備齒輪電極，并將其應(yīng)用于齒輪型腔的電火花加工，主要工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 SLS 制備工具電極及齒輪型腔的加工工藝流程

（1）第一步：根據(jù)所需齒輪型腔設(shè)計(jì)相應(yīng)的工具電極（圖1a）。 以純銅粉末為原材料，通過(guò)SLS 工藝制備齒輪電極。SLS 的工藝參數(shù)如下：激光功率為200 W、掃描速度為400 mm/s、層厚為30 μm。

（2）第二步：將工具電極（圖1b）放入真空爐進(jìn)行熱處理（圖1c）。熱處理可有效改善SLS 工藝缺陷的問(wèn)題，從而調(diào)控工具電極的電導(dǎo)率并進(jìn)一步提升電極的電火花加工性能。

（3）第三步：將齒輪銅電極安裝于某日本品牌的AP1L 型超精密電火花放電加工機(jī)床。以S136 模具鋼為工件，對(duì)齒輪型腔進(jìn)行電火花加工。 通過(guò)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸和Z軸之間的聯(lián)動(dòng)，完成了斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔的加工（圖1d）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 退火溫度對(duì)工具電極電導(dǎo)率的影響

在SLS 工藝制備齒輪電極的過(guò)程中，激光能量的高斯分布會(huì)造成銅粉加熱不均勻和熔池冷卻不均勻。 因而，齒輪電極內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)會(huì)阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致材料具有較低的電導(dǎo)率[15]。在電火花加工中，工具電極的電導(dǎo)率越大，工具電極的電火花加工損耗越小。 針對(duì)SLS 工藝所導(dǎo)致的位錯(cuò)，本文通過(guò)熱處理工藝予以消除，從而調(diào)控齒輪電極的電導(dǎo)率。

將SLS 工藝制備的齒輪電極放入真空爐進(jìn)行熱處理， 設(shè)置退火溫度T分別為100、300、600 ℃，保溫時(shí)間均為4 h。 對(duì)熱處理之后的齒輪電極做電導(dǎo)率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖2。 未經(jīng)熱處理的齒輪電極，其電導(dǎo)率為9.51 mS/m；當(dāng)T=100 ℃時(shí)，齒輪電極的電導(dǎo)率為12.91 mS/m；隨著T增加至300 ℃，齒輪電極的電導(dǎo)率逐漸增加至33.8 mS/m； 隨著T增加至600 ℃，齒輪電極的電導(dǎo)率降低至23.07 mS/m。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，熱處理工藝可消除齒輪電極內(nèi)部的位錯(cuò)，從而有利于提高齒輪電極電導(dǎo)率。

圖2 不同退火溫度處理后工具電極的電導(dǎo)率

綜上試驗(yàn)結(jié)果：未經(jīng)熱處理的齒輪電極內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度較大。 此時(shí)，位錯(cuò)相互纏繞從而形成位錯(cuò)墻。 在退火溫度的影響下，位錯(cuò)墻可進(jìn)一步發(fā)展成亞晶。 隨著熱處理的進(jìn)一步進(jìn)行，亞晶界繼續(xù)吸收位錯(cuò)并發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，最終形成大角度晶界（HABs）。本文對(duì)不同退火溫度的工具電極進(jìn)行EBSD 測(cè)試，從而獲得工具電極再結(jié)晶晶粒、亞結(jié)構(gòu)和變形晶粒的占比，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3 與表1。

表1 不同退火溫度下齒輪電極的平均晶粒尺寸（D）以及再結(jié)晶晶粒（Re）、亞結(jié)構(gòu)（Su）與變形晶粒占比（De）

圖3 齒輪電極EBSD 檢測(cè)的DefRex 圖

未經(jīng)熱處理的齒輪電極的再結(jié)晶比率為7.26%（圖3a）。 隨著退火溫度由100 ℃增至300 ℃，齒輪電極的再結(jié)晶比率由11.65%增至12.41%（圖3b～圖3c）。上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，退火溫度的增加促進(jìn)了再結(jié)晶的發(fā)生并導(dǎo)致位錯(cuò)密度下降。 最終，在上述因素影響下，電導(dǎo)率隨著退火溫度的增加而增加。

當(dāng)退火溫度由300 ℃增至600 ℃， 齒輪電極的再結(jié)晶比率由12.41%降至7.39%（圖3d），平均晶粒尺寸由11.82 μm 增至12.95 μm。在上述過(guò)程中，小晶粒相互融合成大晶粒， 再結(jié)晶發(fā)生的比率降低。當(dāng)退火溫度由300 ℃增至600 ℃， 變形晶粒所占比率由78.66%增至88.21%（表1）。 上述試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明， 退火溫度的持續(xù)增加導(dǎo)致了大晶粒的形成，同時(shí)也導(dǎo)致了變形晶粒的增加。 變形晶粒內(nèi)部充滿了位錯(cuò)，并最終導(dǎo)致齒輪電極電導(dǎo)率的降低。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)電導(dǎo)率的影響

在退火溫度的作用下，保溫時(shí)間可以保證齒輪電極內(nèi)部亞晶和大尺寸晶界的形成，并導(dǎo)致齒輪電極的電導(dǎo)率變化。 將SLS 工藝制備的齒輪電極放置于真空爐中進(jìn)行熱處理，退火溫度T為300℃，保溫時(shí)間分別設(shè)置為1、2、4 h。 將熱處理之后的齒輪電極進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4。 當(dāng)保溫時(shí)間為1 h時(shí)，齒輪電極的電導(dǎo)率為30.5 mS/m；隨著保溫時(shí)間增加至2 h， 齒輪電極的電導(dǎo)率降至30.1 mS/m；隨著保溫時(shí)間繼續(xù)增至4 h， 齒輪電極的電導(dǎo)率增至33.8 mS/m。

圖4 不同保溫時(shí)間下工具電極的電導(dǎo)率

晶粒取向分布（GOS）是確定晶?；兊闹匾椒ā?在GOS 圖中，晶?；儑?yán)重的區(qū)域具有較高的位錯(cuò)密度。 臨界GOS 值是第一個(gè)峰值的最后一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)晶粒的GOS 值小于臨界GOS 值時(shí)，晶粒內(nèi)部具有較小的位錯(cuò)密度。 如圖5 所示，當(dāng)保溫時(shí)間分別為1、2、4 h， 臨界GOS 值分別為1.85°、0.95°和1.75°。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)保溫時(shí)間分別為1、2、4 h，GOS 值小于臨界GOS 值的晶粒比例分別為79.6%、44.1%和70.9%。 因此，隨著保溫時(shí)間由1 h 逐漸增至4 h， 齒輪電極的電導(dǎo)率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。此外，隨著保溫時(shí)間由1 h 增至2 h，齒輪電極中晶粒的平均尺寸由10.57 μm 增至14.12 μm， 變形晶粒所占的比率則由80.93%增至91.64%（表2）。

表2 不同保溫時(shí)間下齒輪電極的平均晶粒尺寸（D）以及再結(jié)晶晶粒（Re）、亞結(jié)構(gòu)（Su）與變形晶粒占比（De）

圖5 不同保溫時(shí)間工具電極的GOS 圖及GOS 值頻率曲線

在上述過(guò)程中，小晶粒相互融合長(zhǎng)大成為大晶粒，再結(jié)晶發(fā)生的比率降低。 隨著變形晶粒的增加，位錯(cuò)密度隨之增加，并最終導(dǎo)致電導(dǎo)率下降（圖4）。當(dāng)保溫時(shí)間由2 h 增至4 h，齒輪電極中晶粒的平均尺寸由14.12 μm 降至11.82 μm， 變形晶粒所占的比率則由91.64%降至78.66%（表2）。 在上述過(guò)程中，變形晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)形成亞晶并進(jìn)一步發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 亞晶的形成和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生會(huì)吸收位錯(cuò)，從而導(dǎo)致位錯(cuò)密度下降。 因此，在上述因素的影響下，齒輪電極的電導(dǎo)率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

3 電火花加工應(yīng)用

3.1 齒輪電極的電火花加工性能

將齒輪電極放入真空爐進(jìn)行熱處理，分別設(shè)置退火溫度為100、300、600 ℃，保溫時(shí)間為1、2、4 h。再將熱處理后的9 個(gè)齒輪電極分別應(yīng)用于電火花加工。 電火花加工時(shí)，設(shè)置開(kāi)路電壓為120 V、峰值電流為1 A、 脈沖寬度Ton為150 μs、 脈沖間隔Toff為50 μs，S136 模具鋼為工件。 在電火花加工后，采用稱重法分別測(cè)量齒輪型腔的MRR（mm3/min）和齒輪電極的損耗率（TWR，mm3/min）。 試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖6 和圖7。

圖6 退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)齒輪電極MRR 的影響

圖7 退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)齒輪電極TWR 的影響

MRR是衡量EDM 加工效率的重要指標(biāo)，MRR越大，EDM 的加工效率越高。如圖6 所示，在600 ℃退火溫度和4 h 保溫時(shí)間的作用下， 工具電極能獲得最大的MRR。 未經(jīng)熱處理的齒輪電極，在電火花加工時(shí)MRR為0.338 5 mm3/min。 在退火溫度和保溫時(shí)間作用下，MRR增加并在0.357 9 ～0.387 2 mm3/min 范圍內(nèi)變化。 未經(jīng)熱處理的齒輪電極內(nèi)部存在氣孔、微裂紋等缺陷。 這些缺陷會(huì)影響齒輪電極的電火花加工性能，從而對(duì)MRR產(chǎn)生不利影響。熱處理工藝能夠一定程度上消除氣孔、微裂紋等缺陷，從而提升工具電極的電火花加工性能。

TWR是衡量工具電極損耗的重要指標(biāo)，TWR越大，工具電極的損耗越大。 損耗比（σ）是MRR與TWR的比值。σ 越大，則表示EDM 具有較高的性價(jià)比。 如圖6 所示，齒輪型腔的MRR變化不大。 為獲得更高的σ，從而保證EDM 的有效性，需要降低齒輪電極的TWR。TWR與齒輪電極的電導(dǎo)率息息相關(guān)。 齒輪電極的電導(dǎo)率越大，TWR越小。

已知退火溫度為300 ℃、保溫時(shí)間為4 h 時(shí)，齒輪電極具有最大電導(dǎo)率（33.8 mS/m）。 此時(shí)，如圖7所示，齒輪電極的TWR最?。?.002 4 mm3/min）。 此工況下，如圖8 所示，EDM 具有最大的σ（155.92）。在退火溫度為100 ℃、保溫時(shí)間為4 h 時(shí)，齒輪電極具有最小電導(dǎo)率（12.23 mS/m）。 此時(shí)，齒輪電極的TWR最大（0.006 mm3/min）。此工況下，如圖8 所示，EDM 具有最小的σ（59.23）。

圖8 退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)齒輪電極σ 的影響

3.2 電火花加工齒輪型腔

為了驗(yàn)證本文所提工藝的可行性，本文設(shè)計(jì)了斜齒輪電極和斜錐齒輪電極。 斜齒輪電極的模數(shù)為1，齒數(shù)為11，螺旋角為30°。斜錐齒輪電極的模數(shù)為0.7，齒數(shù)為13，螺旋角為30°。通過(guò)SLS 工藝制備斜齒輪電極和斜錐齒輪電極，并將其置于真空爐中進(jìn)行熱處理。 退火溫度設(shè)置為300 ℃，保溫時(shí)間設(shè)置為4 h。 將開(kāi)路電壓、 峰值電流、Ton、Toff分別設(shè)置為120 V、1 A、150 μs 和50 μs。隨后，將斜齒輪電極和斜錐齒輪電極應(yīng)用于齒輪型腔的電火花加工。

如圖9～圖11 所示， 斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔的表面形貌和形狀精度良好。 斜錐齒輪型腔的表面粗糙度為Ra1.882 μm。斜齒輪型腔表面粗糙度為Ra1.086 μm。 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，將SLS 工藝制備的齒輪電極可用于電火花加工。

圖9 齒輪電極電火花加工獲得的齒輪型腔

圖10 斜齒輪型腔的局部放大圖及表面粗糙度

圖11 斜錐齒輪型腔的局部放大圖及其表面粗糙度

4 結(jié)論

對(duì)于斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔，銑削加工對(duì)應(yīng)的工具電極存在制造柔性低、工藝流程繁瑣等問(wèn)題。 針對(duì)上述問(wèn)題， 本文以銅粉為原材料通過(guò)SLS工藝制備齒輪電極，并將其用于斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔的電火花加工，得到的主要結(jié)論如下：

（1） SLS 工藝制備齒輪電極存在大量位錯(cuò)，從而導(dǎo)致齒輪電極具有較低的電導(dǎo)率。 熱處理工藝可消除齒輪電極的位錯(cuò)，從而有效提高齒輪電極的電導(dǎo)率。 與保溫時(shí)間相比，退火溫度能顯著影響齒輪電極的電導(dǎo)率。 當(dāng)退火溫度為300 ℃、保溫時(shí)間為4 h，齒輪電極具有最大的電導(dǎo)率（33.8 mS/m）。

（2） 熱處理工藝對(duì)MRR影響不大， 對(duì)齒輪電極的TWR影響顯著。TWR與齒輪電極的電導(dǎo)率息息相關(guān)。齒輪電極的電導(dǎo)率越大，TWR越小。當(dāng)退火溫度為300 ℃、保溫時(shí)間為4 h，齒輪電極具有最大的電導(dǎo)率（33.8 mS/m）。 此時(shí)，齒輪電極具有最小的TWR（0.002 4 mm3/min）。

（3） 在120 V 電壓、1 A 峰值電流、150 μs 脈沖寬度和50 μs 脈沖間隔的作用下， 齒輪電極被用于電火花加工，獲得了表面形貌和形狀精度良好的斜齒輪型腔和斜錐齒輪型腔。 斜錐齒輪型腔的表面粗糙度為Ra1.882 μm。 斜齒輪型腔表面粗糙度為Ra1.086 μm。 與銑削獲得的齒輪電極相比，本文制備的齒輪電極，其MRR提升了31.53%，從而有效提升了齒輪型腔的電火花加工效率。