淺析電火花機(jī)床放電加工對(duì)工件表面完整性影響

淺述電火花機(jī)床放電加工對(duì)工件表面完整性影響

（EDM）電火花機(jī)床放電加工工藝中，了解模腔各層面在受熱影響后的變化情況，將有助于客戶了解電火花加工對(duì)模具表面完整性產(chǎn)生的影響。

保護(hù)模腔表面的完整性是電火花放電加工zui關(guān)鍵的問(wèn)題之一。模腔表面光潔度的完整性取決于火花機(jī)EDM加工工藝中模腔各層面受熱影響后的變化情況，其中包括電極與工件之間控制電荷的傳輸情況。在放電加工過(guò)程中，施加于工件上的電流將會(huì)使工件的金屬熔化和汽化，在模腔上形成熱變層。為了了解火花機(jī)加工對(duì)模具表面完整性產(chǎn)生的影響，必須要首先了解模腔各層面受熱影響后的變化情況。電火花機(jī)床加工的電荷不但對(duì)工件金屬的表面產(chǎn)生影響，而且對(duì)表面以下的各層面均有影響。

各層面的熱變情況

受火花機(jī)EDM加工工藝影響的各層面是指金屬受熱以后的變化區(qū)域。圖1所示為金屬受熱以后的變化區(qū)域，這里由兩層受熱影響的材料組成：重鑄層或白色層，以及熱影響區(qū)。

圖1  受熱影響的子層面和二次沉積層

白色層是指已經(jīng)加熱到熔點(diǎn)狀態(tài)的金屬層，但還不足以被排斥而熔入到縫隙之中，達(dá)到可以被介質(zhì)液體沖刷走的程度。實(shí)際上，EDM加工工藝已經(jīng)改變了這個(gè)金屬層的金相結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，因?yàn)樵诮橘|(zhì)液體的沖刷過(guò)程中，會(huì)使這個(gè)即將熔化的金屬層迅速冷卻，然后在模腔上凝固，形成新的金屬結(jié)構(gòu)層。

這層金屬包括一些性能*的粒子，在被介質(zhì)液體從縫隙中沖刷以前，就開(kāi)始凝固，并再次沉積到模具表面之上。白色層與碳元素緊密地滲透結(jié)合在一起，使其金相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，性能*與基質(zhì)材料不同。在EDM加工工藝中，當(dāng)電極的碳?xì)浠衔锖徒橘|(zhì)液體分解以后，就會(huì)產(chǎn)生大量的碳元素；當(dāng)材料處于熔融的狀態(tài)下，碳元素就開(kāi)始滲透到白色層之中。

圖2  EDM加工前的基質(zhì)材料成分分析，以及EDM加工后的白色層成分分析

圖2所示為EDM加工前的基質(zhì)材料成分分析，以及EDM加工后的白色層成分分析。從圖中可以看出，EDM加工以后的碳元素成分要比EDM加工前基質(zhì)材料中的碳元素成分高得多。

白色層底下是熱影響區(qū)。這個(gè)區(qū)域的白色層受碳元素的影響極小，只達(dá)到熱處理的效果，沒(méi)有達(dá)到金屬的熔點(diǎn)溫度。在這一點(diǎn)上，熱影響區(qū)仍保留母金屬材料的金相結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠湮盏臏囟冗€不足以達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的程度。在熱影響區(qū)之下仍屬于母材，這個(gè)區(qū)域未受到EDM加工工藝的影響。

圖3  在白色層中形成的微小裂縫截面圖

微小裂縫

模具制造商主要關(guān)心的問(wèn)題是模具中出現(xiàn)的微小裂縫的數(shù)量。如圖3所示，在白色層中，微小裂縫占據(jù)了統(tǒng)治地位。如果這層厚度太厚，或者不通過(guò)更精密的EDM加工或拋光將其除去，那么在某些應(yīng)用領(lǐng)域，這類微小的裂縫將會(huì)造成零件的過(guò)早損壞。而且這些裂縫的存在也會(huì)降低材料的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。因此，在評(píng)價(jià)EDM加工技術(shù)的性能時(shí)，表面的完整性是一個(gè)首要的考慮因素，EDM加工的主要目標(biāo)必須建立在這樣的一個(gè)條件基礎(chǔ)之上：即必須防止發(fā)生這種情況。

由EDM加工產(chǎn)生的微小裂縫是因?yàn)镋DM加工周期中熱應(yīng)力所造成的。裂縫的深度有一部分可以通過(guò)EDM工藝控制，毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)電火花密度增加時(shí)，白色層的深度也隨之增加。這同樣會(huì)使模腔中出現(xiàn)的裂縫數(shù)量和大小增加。顯然，受EDM工藝影響的表面完整性也可以用今天的EDM電源技術(shù)進(jìn)行控制。影響表面完整性的特殊參數(shù)包括電壓、電流、時(shí)間和暫載率。這些參數(shù)是可以操作控制的，從而使粗加工、半精加工和精加工各階段的效率和表面完整性的控制達(dá)到*。

由于EDM加工形成的白色層和產(chǎn)生的微小裂縫，因此可以說(shuō)，白色層的深度與電火花能量的密度有著密切的關(guān)系。當(dāng)電火花能量降低時(shí)，正如我們所看到的那樣，從粗加工條件轉(zhuǎn)換成精加工條件，白色層的深度也降低到合適而足夠的深度，從而裂縫也隨之減少。

圖4  在EDM加工工藝中，電流和時(shí)間對(duì)表面光潔度的影響

工件的特性

電火花密度并不是影響表面完整性的惟一決定性因素。工件金屬的導(dǎo)熱率也是一個(gè)關(guān)鍵因素。與低導(dǎo)熱率材料相比較，高導(dǎo)熱率金屬形成的白色層較小，微小裂縫也較少。

造成上述現(xiàn)象的原因是：較高導(dǎo)熱率的材料表面能夠散發(fā)較大的熱能。在這種情況下，由于其具有較高的導(dǎo)熱率和可延特性，銅合金材料受熱影響的層面較薄，所產(chǎn)生的裂縫也比較少。與此相反，導(dǎo)熱率較低的材料，如工具鋼。其受熱影響的層面較厚，所產(chǎn)生的裂縫也比較多，因?yàn)楫?dāng)材料中的熱量散發(fā)到周圍的區(qū)域前，電火花密度停留在火花區(qū)的時(shí)間較長(zhǎng)。

燒蝕碳化物會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@種材料很脆，比其他材料呈現(xiàn)出更高的熱脆裂特性。有些人認(rèn)為這種材料具有較高的導(dǎo)熱性；然而，碳化物是由碳化鎢或碳化硅顆粒與鈷粘結(jié)劑粘結(jié)制成。正是因?yàn)檫@種粘結(jié)劑具有很高的導(dǎo)熱率，因此這個(gè)區(qū)域極大地受到EDM工藝的影響，從而代替了碳化物本身。電火花的能量使得這種粘結(jié)劑分解，將碳化物的顆粒釋放到縫隙之中。

表面光潔度及其完整性

表面光潔度與表面完整性是衡量模腔質(zhì)量的兩個(gè)不同因素，但這兩項(xiàng)指標(biāo)在模具的特性中都起著重要的作用。機(jī)床的參數(shù)對(duì)模腔子層面的完整性有很大的影響，它們對(duì)表面光潔度也同樣有很大影響。圖4所示為EDM加工工藝中，電流和時(shí)間對(duì)表面光潔度的影響。

所使用的電極材料類型則是另一個(gè)因素。就模腔次表面的完整性而言，電極的類型對(duì)其影響極小。對(duì)電極材料產(chǎn)生重要作用的是模腔表面本身的光潔度。模腔的表面光潔度是一個(gè)有機(jī)會(huì)降低生產(chǎn)成本和縮短交貨時(shí)間的區(qū)域，而同時(shí)又能夠提供的模具產(chǎn)品。采用精密EDM機(jī)床精加工的模具可以直接使用，而需要拋光或蝕刻加工的模具必然會(huì)因?yàn)閳?zhí)行這些加工操作而增加生產(chǎn)成本。精密EDM機(jī)床的精加工是通過(guò)采用高頻EDM程序及低電流和短運(yùn)行時(shí)間達(dá)到的。電極材料的質(zhì)量與EDM程序需共同合作才能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。如果從這個(gè)方程式中取出EDM程序，那么模腔的表面將反映出模腔精加工過(guò)程中使用的電極材料的質(zhì)量。

材料的粒度大小與其相應(yīng)的孔徑大小對(duì)材料能否產(chǎn)生精密的光潔度水平起著一個(gè)關(guān)鍵的作用。如果電極材料的結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生特殊的表面光潔度效果，那么EDM機(jī)床將會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，直到達(dá)到預(yù)期的表面光潔度為止。圖5所示為同一加工參數(shù)條件下，兩種不同材料所獲得的表面光潔度。結(jié)構(gòu)細(xì)密的材料，經(jīng)EDM加工后的表面光潔度比較光滑，如要達(dá)到預(yù)期的表面光潔度效果，只需要做少量的拋光工作即可。

顯微結(jié)構(gòu)較差的電極材料，如粒度較大或粒度形狀不規(guī)則的材料，其磨損程度將非常不均勻，也會(huì)造成模腔表面的不均勻。在多型腔模具中對(duì)這種情況的要求特別嚴(yán)格，因?yàn)樗行颓欢夹枰幸恢碌谋砻婀鉂嵍取．?dāng)使用石墨電極材料時(shí)，應(yīng)特別注意，要保證所有電極的質(zhì)量一致。因?yàn)閬?lái)自不同廠商的石墨等級(jí)，會(huì)造成不同程度的磨損，因此EDM加工機(jī)床達(dá)不到特定編程的表面光潔度水平也是可能的。當(dāng)模具的生產(chǎn)采用不同類型的電極材料或不同機(jī)床制造的時(shí)候，往往可以看到上述這種情況。

圖5  在同樣加工參數(shù)條件下的兩種不同材料的表面光潔度

了解極限

表面光潔度和表面完整性是影響模具質(zhì)量的兩個(gè)主要方面，因此了解這些區(qū)域的極限是必要的。雖然今天的EDM機(jī)床可利用機(jī)床本身自有的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生產(chǎn)極精密的表面光潔度，但通常的做法是超越這些技術(shù)，以便使工藝達(dá)到*水平。

不了解如何計(jì)算白色層的深度，或者不知道電極材料會(huì)對(duì)EDM加工工藝產(chǎn)生怎樣的影響，那么想要優(yōu)化這個(gè)工藝，實(shí)際上可能會(huì)導(dǎo)致性能下降，或無(wú)法生產(chǎn)出的零件。

在即將出現(xiàn)的問(wèn)題中，我們將要探討如何計(jì)算熱影響區(qū)的深度及如何優(yōu)化EDM加工工藝，以便在不影響質(zhì)量的條件下獲得zui高的生產(chǎn)效率。

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