電火花加工金剛石-鎳復(fù)合電極制備參數(shù)優(yōu)化研究

摘 "要：研究了化學(xué)復(fù)合鍍鍍液的制備參數(shù)對復(fù)合電極制備的影響，闡述了金剛石微粉預(yù)處理步驟。分析了金剛石微粉的等效粒徑對復(fù)合電極鍍層的影響，得出最佳鍍層金剛石等效粒徑為10μm。進行了鍍液溫度變化下的復(fù)合電極制備速度關(guān)系試驗，得出最佳制備溫度為74～76℃。對制備的電極進行加工試驗，結(jié)果表明：參數(shù)優(yōu)化復(fù)合電極的電極角損耗比普通紫銅電極降低了74.74%；參數(shù)優(yōu)化復(fù)合電極的電極角損耗比參數(shù)未優(yōu)化復(fù)合電極降低了57.29%。

關(guān)鍵詞：電火花加工（EDM）；復(fù)合電極；制備參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TG661 """""""文獻標(biāo)志碼：A

Optimization of preparation parameters for diamond nickel

composite electrodes in electrical discharge machining

WANG Wenjian 1， CHANG Hao 2， BAI Yingqian1， ZHAO Tao1， ZHOU Dong1

（1. Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， Shaanxi， China;

2. Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450000， Henan， China）

Abstract： The influence of preparation parameters of chemical composite plating solution on the preparation of composite electrodes was studied， and the pretreatment steps of diamond micro powder were explained; The influence of the equivalent particle size of diamond micro powder on the composite electrode coating was analyzed， and the optimal coating diamond equivalent particle size was determined to be 10μm; An experiment was conducted on the plating rate relationship of chemical composite plating under changes in plating solution temperature， and the optimal plating solution temperature was found to be 74-76℃; Through processing experiments on the prepared electrodes， it was found that the optimized composite electrode reduced electrode angle loss by 74.74% compared to ordinary copper electrodes; Parameter optimized composite electrodes reduced electrode angle loss by 57.29% compared to non optimized composite electrodes.

Key words： electrical discharge machining（EDM）; preparation parameters optimization;composite electrodes

0 "引 "言

由于電火花加工（EDM）具有非接觸性的加工特性，用于制備金剛石-鎳復(fù)合電極是解決電極損耗的有效方法之一，國內(nèi)外學(xué)者在電極損耗方面做了一定的研究。TSUETANI等［1］研究了具有高導(dǎo)熱性和低線性熱膨脹系數(shù)的金剛石復(fù)合電極，但是在大放電電流條件下，電極中金剛石顆粒周圍的金屬被優(yōu)先去除，導(dǎo)致金剛石顆粒暴露在電極表面，電極表面的起伏增大，放電狀態(tài)變得不穩(wěn)定。SANO等［2］研究了一種用于電火花加工的新型多晶金剛石（PCD）基復(fù)合電極，與傳統(tǒng)的銅（Cu）和銅-鎢（Cu-W）電極相比，加工后PCD電極明顯降低了電極損耗。HWEJU等［3］提出了一種利用超聲輔助放電制備納米微粒的模型，加工后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）檢查鎳顆粒的形狀和尺寸，發(fā)現(xiàn)它們分布在幾微米到80μm的范圍內(nèi)，鎳顆粒呈規(guī)則的球形，粒度大小不一，此外，許多小顆粒附著在表面。PHAN等［4］通過選擇指數(shù)（PSI）對鎳鋁電極電火花加工鈦合金的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，采用鎳鋁電極電火花加工多目標(biāo)優(yōu)化問題的一組優(yōu)化參數(shù)，可以更好地改善工件表面加工效果。劉宇等［5］應(yīng)用自行搭建的電火花加工試驗臺進行加工試驗，以 SiCp/Al 復(fù)合材料開展了研究，分析了多參數(shù)優(yōu)化條件對材料蝕除率和電極損耗的影響。尹熠等［6］采用氣液二相流仿真技術(shù)對復(fù)合電極加工進行蝕除過程模擬，并進行多組正交仿真實驗，優(yōu)化了氣泡影響下復(fù)合電極的加工參數(shù)，結(jié)果表明優(yōu)化的加工參數(shù)降低了復(fù)合電極的損耗。周鑫等［7］研究了一種噴射復(fù)合材料電沉積技術(shù)，這種復(fù)合材料能夠應(yīng)用于電極的表面，提高電極材料的耐磨性和抗電蝕性能，有效降低材料磨損。趙俊領(lǐng)等［8］通過在電極表面鍍覆一層強化層，進行加工試驗，得出不同復(fù)合電極加工表面形貌明顯不同，耐磨損性能也不一樣的結(jié)論。吳江等［9］為了降低電極損耗，設(shè)計了一種新型銅-鋅-銅復(fù)合電極電極，進行加工試驗后得出，降低內(nèi)外電極間隙能夠降低電機損耗。

雖然目前存在的金剛石-鎳電極在加工過程中能夠增強材料去除率和在一定程度上降低電極損耗，但是也存在在加工過程中金剛石-鎳鍍層穩(wěn)定性不好、加工面精度較低等問題，因此，進行金剛石-鎳電極的制備參數(shù)優(yōu)化的研究是必要的一個環(huán)節(jié)。

1 "金剛石-鎳復(fù)合電極加工原理

因為金剛石穩(wěn)定性好，本身不易單一鍍覆在某一種材料上，所以將金剛石微粉與硫酸鎳溶液混合作為復(fù)合電極的施鍍材料。因為硫酸鎳中的鎳離子對于金屬基材料具有較強的鍍覆能力，能夠讓金剛石與金屬基電極材料有更好的結(jié)合力，使得鍍層質(zhì)量更加穩(wěn)固。如圖1所示，金屬鎳析出以后，能夠?qū)⒔饎偸?，一起粘附在金屬基電極的表面，從而成功制備復(fù)合電極。

金剛石穩(wěn)定性好，金剛石碳原子的所有價電子，都形成共價鍵而沒有自由電子，所以沒有導(dǎo)電性，不參與電極的加工。隨著電極的加工，相當(dāng)于在外層套了一層保護膜，復(fù)合鍍層材料在電火花加工時直接隨著電蝕材料排出，金剛石-鎳鍍層有效降低了電火花加工電極的側(cè)面放電和角放電，提高了電極加工精度。

2 "制備參數(shù)對電火花加工復(fù)合電極的影響

制備參數(shù)是電極制備是否成功的重要環(huán)節(jié)，在金剛石-鎳復(fù)合電極制備過程中，金剛石微粉的預(yù)處理、金剛石粒徑、鍍液溫度、后處理等參數(shù)對電極的質(zhì)量起著決定性的作用。因此，分析制備參數(shù)對復(fù)合電極的影響必不可少。

2.1 "金剛石微粉預(yù)處理對金剛石-鎳復(fù)合電極的影響

人造金剛石微粉制造過程中，會摻雜很多雜質(zhì)，如鐵觸媒、金屬離子、油污等。這些雜質(zhì)的存在會影響化學(xué)復(fù)合鍍的速度，同時會破壞鍍層與金屬基電極的結(jié)合度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致金剛石-鎳電極化學(xué)復(fù)合鍍停鍍。因此，在進行化學(xué)復(fù)合鍍前必須對金剛石微粉進行預(yù)處理，能夠提高復(fù)合鍍層的結(jié)合力和鍍層質(zhì)量。

（1） 金剛石微粉具體預(yù)處理過程如下。

步驟一，稱取一定質(zhì)量的金剛石微粉置于經(jīng)高溫消毒去除雜質(zhì)的燒杯中，加入去離子水進行充分攪拌，使金剛石微粉均勻地散布在溶液中。分散均勻后將金剛石微粉溶液放置在超聲波清洗機中振蕩分散30min。此步驟能使金剛石的結(jié)塊、聚合體充分均勻地分散開，保證每一個金剛石微粉顆粒均勻分開。步驟二，將步驟一超聲波振蕩后的金剛石微粉溶液靜置1h，使金剛石微粉充分沉淀，隨后將去離子水倒出并將金剛石微粉置于0.1mol/L的氫氧化鈉溶液中煮沸30min除油，靜置1h。步驟三，將除油用過的氫氧化鈉溶液倒出，用去離子水反復(fù)沖洗金剛石微粉后，將金剛石微粉置于10%（質(zhì)量分數(shù)）鹽酸中煮沸30min，反應(yīng)式Na（OH）2+2HClNaCl2+2H2O。此步驟目的是中和溶液同時去除金剛石微粉中的金屬雜質(zhì)。步驟四，用去離子水反復(fù)沖洗金剛石微粉，等待金剛石微粉沉淀后，用pH專用工具測量上層清液的pH值，反復(fù)沖洗直到上層清液pH值為7停止，將去離子水去除，隨后將金剛石微粉置于烘干機中烘干備用。

（2） 金剛石微粉的預(yù)處理制備結(jié)果分析如下。

根據(jù)（1）中的步驟對金剛石微粉分別進行超聲波酸洗和堿洗，是為了去除金剛石粉末的油污及獲得想要的等效粒徑。但酸洗和堿洗的同時會給金剛石粉末中帶入更多的氫離子、鈉離子，影響化學(xué)復(fù)合鍍的效果，在化學(xué)復(fù)合鍍的時候會產(chǎn)生氫氣，這樣會使鍍層材料容易脫落，造成復(fù)合電極制備失敗。而用去離子水清洗就是為了去除這些離子對化學(xué)復(fù)合鍍的影響，使金剛石能夠和硫酸鎳溶液混合形成更好的鍍層結(jié)合力，制作的復(fù)合電極鍍層不容易脫落。

根據(jù)（1）金剛石微粉預(yù)處理后，制備的復(fù)合電極應(yīng)用深鏡像顯微鏡能譜分析，可以看出表1和表2金剛石的含量明顯不同，經(jīng)過預(yù)處理的金剛石微粉的化學(xué)復(fù)合鍍效果比未進行預(yù)處理制備出來的復(fù)合鍍層金剛石的含量高出25.46%。

電極更接近理想的制備效果，從而表明金剛石微粉的預(yù)處理對金剛石-鎳復(fù)合電極的質(zhì)量具有決定性的影響。

2.2 "金剛石微粉的等效粒徑對復(fù)合電極制備的影響

因為金剛石微粉顆粒一般不是規(guī)則的球體，而是不規(guī)則形狀，比如棒狀、針片狀等，因此，很難用一個數(shù)值表示金剛石微粉顆粒的大小，于是引入了等效粒徑這一概念來代表金剛石微粉顆粒的粒徑。超聲波清洗能夠使這些不規(guī)則的金剛石進行相互摩擦，在一定程度上磨掉金剛石的棱角，從而得到更貼近需要的等效粒徑的大小，金剛石微粉常用的粒徑主要有5μm、10μm 、20μm，因為電火花加工誤差不能超過0.15%，試驗采用的2mm直徑的金屬基電極進行金剛石-鎳化學(xué)復(fù)合鍍，那么依此計算鍍層厚度最大不能超過15μm，因為金剛石的鍍覆是依靠鎳金屬包裹一起鍍在金屬基電極的表面，所以金剛石等效粒徑的選擇要適當(dāng)，在化學(xué)復(fù)合鍍施鍍時間0.5h的條件下，鍍層厚度如下圖4所示。

由圖4可以清晰的看出，選擇5μm等效粒徑的金剛石微粉鍍層厚度較薄容易發(fā)生脫落，選擇20μm等效粒徑的金剛石微粉鍍層厚度最大，但是這樣會降低加工精度，超出了加工要求，而選擇10μm等效粒徑的金剛石微粉在符合電火花加工誤差的條件下，鍍層厚度適中，為鍍層最優(yōu)等效粒徑。

2.3 "鍍液溫度對復(fù)合電極制備速度的影響

溫度是影響復(fù)合電極制備的主要參數(shù)，對不同溫度下進行了多組復(fù)合電極制備速度和溫度的試驗研究，實時記錄在不同溫度下制備速度，明顯發(fā)現(xiàn)溫度對鍍速影響很大，當(dāng)溫度在70℃以下時，制備速度變化很小，當(dāng)溫度超過70℃時，制備速度增加迅速，但當(dāng)溫度上升到80℃以上時，制備速度雖然仍在增加，但是鍍液性能也變得很不穩(wěn)定，溫度過高則會導(dǎo)致鍍液中鎳變成粉末，為保證復(fù)合電極的制備效率，如圖5電極制備速度與溫度關(guān)系，可以看出在溫度范圍為74～76℃時，復(fù)合電極的制備效率最高。

2.4 "電極后處理的溫度對電極質(zhì)量的影響

電極后處理的有益效果是增強了鍍層結(jié)合力，強化了電極質(zhì)量，能夠降低電極的加工損耗。因為在化學(xué)復(fù)合鍍的過程中，溶液中存在氫離子，會產(chǎn)生大量氫氣，氫氣溶于金屬或鍍層中，聚合為氫分子，造成內(nèi)應(yīng)力集中，氫脆一旦產(chǎn)生，就消除不了，所以需要通過脫氫過程來預(yù)防氫脆產(chǎn)生［10］。通過烘干處理可有效脫氫，將復(fù)合電極在180℃烘干爐中，進行除氫處理2h，隨爐緩冷，使氫氣在鍍層中溶解度逐漸變小，直至析出。而且熱處理能顯著提高鍍層硬度，提高鍍層硬度就意味著提高鍍層的結(jié)合力，鍍層結(jié)合力越高鍍層電極質(zhì)量越好。

新的國際標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定去氫處理是必要的一步“最好在鍍后1h內(nèi)，但不遲于3h”。國內(nèi)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對電鍍前、后的去氫處理作了規(guī)定。電鍍后去氫處理工藝廣泛采用加熱烘烤，常用的烘烤溫度為150～300℃，保溫2～24h。去氫處理常在烘箱內(nèi)進行。鍍鎳零件的去氫處理溫度為110～220℃，溫度控制的高低應(yīng)根椐基體材料而定。為了防止“氫脆”，鍍金剛石-鎳零件的去氫處理溫度不能太高，通常為180～200℃，本試驗為選擇180℃。

3 "電火花電極加工對比試驗

以紫銅電極為基體電極進行金剛石-鎳復(fù)合電極制備，將制備完的參數(shù)未優(yōu)化復(fù)合電極、參數(shù)優(yōu)化復(fù)合電極以及普通紫銅電極進行加工對比試驗，將各個電極材料裁剪成長度相同的應(yīng)用電極，研究電極的損耗形狀，驗證參數(shù)優(yōu)化后復(fù)合電極的加工效果，試驗條件如表3所示。

3.1 "不同電極的側(cè)面損耗

根據(jù)圖6可以清晰的看出，普通紫銅電極的側(cè)面損耗最大，那是因為沒有保護層的原因引起的電火花側(cè)面放電導(dǎo)致的；參數(shù)未優(yōu)化復(fù)合電極在一定程度上降低了電極的側(cè)面損耗，但是不是很明顯；參數(shù)優(yōu)化復(fù)合電極對電極的側(cè)面損耗最低，驗證了復(fù)合電極制備參數(shù)優(yōu)化的有效性。

3.2 "不同電極的角損耗

根據(jù)圖6的電極損耗，對電極的損耗進行詳細的分析，得出表4不同電極損耗參數(shù)，根據(jù)表4可以計算出參數(shù)優(yōu)化復(fù)合電極比普通紫銅電極降低了74.74%的電極角損耗；參數(shù)優(yōu)化復(fù)合電極比參數(shù)未優(yōu)化復(fù)合電極降低了57.29%的電極角損耗。

4 "結(jié) "語

（1） 在進行化學(xué)復(fù)合鍍前必須對金剛石微粉進行預(yù)處理，研究了金剛石微粉嚴(yán)格預(yù)處理的過程，提高了復(fù)合鍍層的結(jié)合力和鍍層的金剛石含量。

（2） 分析了金剛石微粉的粒徑對復(fù)合電極制備的影響，得出最佳鍍層金剛石等效粒徑為10μm；通過鍍液溫度與制備速度的試驗研究，得出最佳鍍液溫度74～76℃。

（3） 參數(shù)優(yōu)化后制備的金剛石-鎳復(fù)合電極各方面性能都有所提高，能夠降低電極的側(cè)面損；同時與普通紫銅電極相比降低了74.74%的電極角損耗，與參數(shù)未優(yōu)化復(fù)合電極相比降低了57.29%的電極角損耗。

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［10］Gong Chen. Research on the Preparation of Magnetic Abrasives by Acidic Chemical Composite Plating Method ［D］. Dalian Jiaotong University， 2017.

基金項目：陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目（編號：23JK0381）；渭南市重點研發(fā)計劃項目（編號：STYKJ2022-2） ；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院中青年科技創(chuàng)新人才項目（編號：KJRC202208）；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級項目（編號：KY2020-55）。

作者簡介：王文建，講師，主要從事微細電火花加工、特種加工技術(shù)方面的研究。

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 "渭南 "714000；2. 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 "鄭州 "450000）