淺析電火花機床放電加工對工件表面完整性影響

淺述電火花機床放電加工對工件表面完整性影響

（EDM）電火花機床放電加工工藝中，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模具表面完整性產生的影響。

保護模腔表面的完整性是電火花放電加工zui關鍵的問題之一。模腔表面光潔度的完整性取決于火花機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。在放電加工過程中，施加于工件上的電流將會使工件的金屬熔化和汽化，在模腔上形成熱變層。為了了解火花機加工對模具表面完整性產生的影響，必須要首先了解模腔各層面受熱影響后的變化情況。電火花機床加工的電荷不但對工件金屬的表面產生影響，而且對表面以下的各層面均有影響。

各層面的熱變情況

受火花機EDM加工工藝影響的各層面是指金屬受熱以后的變化區域。圖1所示為金屬受熱以后的變化區域，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。

圖1  受熱影響的子層面和二次沉積層

白色層是指已經加熱到熔點狀態的金屬層，但還不足以被排斥而熔入到縫隙之中，達到可以被介質液體沖刷走的程度。實際上，EDM加工工藝已經改變了這個金屬層的金相結構和特點，因為在介質液體的沖刷過程中，會使這個即將熔化的金屬層迅速冷卻，然后在模腔上凝固，形成新的金屬結構層。

這層金屬包括一些性能*的粒子，在被介質液體從縫隙中沖刷以前，就開始凝固，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合在一起，使其金相結構發生變化，性能*與基質材料不同。在EDM加工工藝中，當電極的碳氫化合物和介質液體分解以后，就會產生大量的碳元素；當材料處于熔融的狀態下，碳元素就開始滲透到白色層之中。

圖2  EDM加工前的基質材料成分分析，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加工前基質材料中的碳元素成分高得多。

白色層底下是熱影響區。這個區域的白色層受碳元素的影響極小，只達到熱處理的效果，沒有達到金屬的熔點溫度。在這一點上，熱影響區仍保留母金屬材料的金相結構，因為其吸收的溫度還不足以達到改變結構的程度。在熱影響區之下仍屬于母材，這個區域未受到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

模具制造商主要關心的問題是模具中出現的微小裂縫的數量。如圖3所示，在白色層中，微小裂縫占據了統治地位。如果這層厚度太厚，或者不通過更精密的EDM加工或拋光將其除去，那么在某些應用領域，這類微小的裂縫將會造成零件的過早損壞。而且這些裂縫的存在也會降低材料的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。因此，在評價EDM加工技術的性能時，表面的完整性是一個首要的考慮因素，EDM加工的主要目標必須建立在這樣的一個條件基礎之上：即必須防止發生這種情況。

由EDM加工產生的微小裂縫是因為EDM加工周期中熱應力所造成的。裂縫的深度有一部分可以通過EDM工藝控制，毫無疑問，當電火花密度增加時，白色層的深度也隨之增加。這同樣會使模腔中出現的裂縫數量和大小增加。顯然，受EDM工藝影響的表面完整性也可以用今天的EDM電源技術進行控制。影響表面完整性的特殊參數包括電壓、電流、時間和暫載率。這些參數是可以操作控制的，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到*。

由于EDM加工形成的白色層和產生的微小裂縫，因此可以說，白色層的深度與電火花能量的密度有著密切的關系。當電火花能量降低時，正如我們所看到的那樣，從粗加工條件轉換成精加工條件，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，電流和時間對表面光潔度的影響

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。工件金屬的導熱率也是一個關鍵因素。與低導熱率材料相比較，高導熱率金屬形成的白色層較小，微小裂縫也較少。

造成上述現象的原因是：較高導熱率的材料表面能夠散發較大的熱能。在這種情況下，由于其具有較高的導熱率和可延特性，銅合金材料受熱影響的層面較薄，所產生的裂縫也比較少。與此相反，導熱率較低的材料，如工具鋼。其受熱影響的層面較厚，所產生的裂縫也比較多，因為當材料中的熱量散發到周圍的區域前，電火花密度停留在火花區的時間較長。

燒蝕碳化物會產生另一個問題，因為這種材料很脆，比其他材料呈現出更高的熱脆裂特性。有些人認為這種材料具有較高的導熱性；然而，碳化物是由碳化鎢或碳化硅顆粒與鈷粘結劑粘結制成。正是因為這種粘結劑具有很高的導熱率，因此這個區域極大地受到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量的兩個不同因素，但這兩項指標在模具的特性中都起著重要的作用。機床的參數對模腔子層面的完整性有很大的影響，它們對表面光潔度也同樣有很大影響。圖4所示為EDM加工工藝中，電流和時間對表面光潔度的影響。

所使用的電極材料類型則是另一個因素。就模腔次表面的完整性而言，電極的類型對其影響極小。對電極材料產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有機會降低生產成本和縮短交貨時間的區域，而同時又能夠提供的模具產品。采用精密EDM機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因為執行這些加工操作而增加生產成本。精密EDM機床的精加工是通過采用高頻EDM程序及低電流和短運行時間達到的。電極材料的質量與EDM程序需共同合作才能達到預期的結果。如果從這個方程式中取出EDM程序，那么模腔的表面將反映出模腔精加工過程中使用的電極材料的質量。

材料的粒度大小與其相應的孔徑大小對材料能否產生精密的光潔度水平起著一個關鍵的作用。如果電極材料的結構不能產生特殊的表面光潔度效果，那么EDM機床將會繼續運行，直到達到預期的表面光潔度為止。圖5所示為同一加工參數條件下，兩種不同材料所獲得的表面光潔度。結構細密的材料，經EDM加工后的表面光潔度比較光滑，如要達到預期的表面光潔度效果，只需要做少量的拋光工作即可。

顯微結構較差的電極材料，如粒度較大或粒度形狀不規則的材料，其磨損程度將非常不均勻，也會造成模腔表面的不均勻。在多型腔模具中對這種情況的要求特別嚴格，因為所有型腔都需要有一致的表面光潔度。當使用石墨電極材料時，應特別注意，要保證所有電極的質量一致。因為來自不同廠商的石墨等級，會造成不同程度的磨損，因此EDM加工機床達不到特定編程的表面光潔度水平也是可能的。當模具的生產采用不同類型的電極材料或不同機床制造的時候，往往可以看到上述這種情況。

圖5  在同樣加工參數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量的兩個主要方面，因此了解這些區域的極限是必要的。雖然今天的EDM機床可利用機床本身自有的標準技術生產極精密的表面光潔度，但通常的做法是超越這些技術，以便使工藝達到*水平。

不了解如何計算白色層的深度，或者不知道電極材料會對EDM加工工藝產生怎樣的影響，那么想要優化這個工藝，實際上可能會導致性能下降，或無法生產出的零件。

在即將出現的問題中，我們將要探討如何計算熱影響區的深度及如何優化EDM加工工藝，以便在不影響質量的條件下獲得zui高的生產效率。

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