基于电加工表面质量的探讨

黄霞

（新疆天业集团模具加工中心，新疆石河子，832000）

摘要：对电加工加工质量有直接影响的因素主要涉及设备、人员、材料等方面。为了改善加工工件表面质量，从影响最主要的设备因素、人为因素和材料因素等三方面提出了改善表面质量的措施，本文重点讨论设备因素对电加工表面质量的影响和改进。

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关键词 ：电加工；表面质量；设备因素

1 前言

随着现代加工趋势的发展和对零件精度的要求越来越高，尤其是精密模具技术的发展对加工技术的要求在不断的提高，因此对电加工表面质量的要求也越来越高。

表面质量，它可用加工表面的几何特性和表层的理化力学特性指标来表示。对于电加工，前者包括表面粗糙度、尺寸精度，后者包括表面变质层的成分和组织、表面层的显微硬度、残余应力及宏观和微观裂纹等。表面质量对工件的使用性能，如耐用性、耐磨性、疲劳强度、高温持久强度、耐腐蚀性等有重大影响。此外，零件的精度与表面粗糙度有密切关系，一般情况下，表面粗糙度Ra值不应超过尺寸公差的1/8。

为了使电加工工艺接近精密磨削的水平，并满足长寿命精密模具(如大规模集成电路引线框架硬质合金冲模)和苛刻使用条件下零件的质量要求，对影响电加工表面质量的各种影响因素应予以深入研究，以便开发相应的技术来综合解决问题。

2 影响表面质量的因素

电加工工艺系统主要求以下几个部分组成， 包括电源、机械、控制、走丝、工作液、电极丝和工件材料及热处理状态等，均会对工艺指标产生影响。下面介绍有特殊意义的几项。

2.1 电加工中的热作用

电加工中由于受脉冲高温和工作液的冷却作用，材料被熔化、汽化及微爆炸去除，而留下的加工表层的化学成分和组织结构发生了变化。这一变质层由两部分构成，上部为熔化后又凝固的金属层，称为熔化层；下部为因热作用而改变了基体金属金相组织和性能的热影响层。

表面粗糙度、加工变质层的厚度及其理化和机械性能变化的程度，主要与放电参数、材料及工作液有关。单个脉冲能量及放电时间加大，变质层就加深，一般的线切割加工可达10～50μm，放电时快速的加热和冷却作用造成了很大的温度梯度，这是造成内应力和微裂纹的重要原因。当工件承受冲击及反复载荷时，表层的裂纹等缺陷及残余拉应力是造成崩刃、折断、碎裂或疲劳破坏的主要因素。对于硬质合金、金属陶瓷等脆性材料，这种影响尤为显著，表层硬度与零件的耐磨性和使用寿命有着很大的关系，如图1。

对于用乳化液的快速走丝电加工和用去离子水的慢速走丝电加工，熔化层的硬度要比基体的低；而用油作工作液时，其硬度分布与成形加工类似，表面层中有渗碳作用，硬度要比基体的高。

水中加工表面硬度低的原因是由于熔化层内含有大量奥氏体，在常用电参数范围内，奥氏体含量均高于马氏体，且随着脉冲能量的加大而增加。此外在低速走丝电加工时，会渗入铜、锌等电极丝上所含的元素，形成硬度较低的固熔体。对于用钴作结合剂的硬质合金，由于钴的熔点只有800℃，比碳化钨低得多，所以加工中首先熔化、烧损，影响了硬质合金的结合力，使表面出现软化层。

2.2 电加工中的电化学作用

水质工作液有切割速度快、安全价廉的优点，但总有一定的导电性，在直流脉冲电源的作用下有电化学反应。当工件接正极时，氢氧根负离子作用在工件阳极上，会造成铁、铝、铜、锌、钛、碳化钨等材料的氧化、腐蚀，使硬质合金中的结合剂钴呈离子态溶解到水中，这样工件表面上就显露出碳化钨颗粒，容易脱落，其耐磨性将大大降低。当工件接电源负极时，电极丝材料会沉积到工件上，也促使软化层的形成。

2.3 电加工中的化学腐蚀作用

水本身是一种能使多种材料溶解的溶剂。当工装上有酸性润滑油时，也能产生化学腐蚀。硬质合金浸入水中时，其中的钴就受到水的侵蚀，一旦表层中出现裂纹，裂纹中的水不能被外面的水循环系统带走，这样又促进了化学腐蚀作用，形成了较大的斜孔。另外，被加工材料本身的性质，即对热、电化学和化学作用的反应，差别也很大。常用的一些塑料模模具钢易生锈；钴、黄铜、钛氧化后表面分别呈灰、褐、紫色，一般钢材加工时出现微裂纹的可能比硬质合金材料小得多，材质不均匀的材料更易造成表面缺陷。

3 改善表面质量的措施

3.1 多次切割

单个脉冲放电能量和放电时间是热作用中的关键因素，但表面质量与切割速度是相矛盾的，多次切割是改善加工表面质量的一种工艺方法。粗加工时并不要求良好的表面质量，但要为随后若干次的精加工留下足够的加工余量，以保证去除上次切割所产生的表面变质层。随着各次切割脉冲能量的减小，表面微观形貌趋于改善，表面层中电极丝元素含量不断减少，奥氏体含量降低，显微硬度有所提高，残余应力和微裂纹减少。

3.2 防电解作用

为防止电化学作用造成工件材料的氧化和腐蚀，可采用两种措施。一种是提高工作液的电阻率，如把精加工时的电阻率从几十千欧·厘米提高到几百千欧·厘米。

另一种措施是采用无电解电源，用平均电压为零的极性交变电源或在精微加工时采用频率为兆赫级的高频交流电源。这时工作液中的离子不再能定向移动，只能“原地振动”，从而免除了对工件材料的侵蚀，对于硬质合金和聚晶金刚石的加工，可防止结合剂的溶解，使表面硬度不会降低，对铁、铝、黄铜、钛合金的加工在防止锈蚀、氧化、变色等方面均很有效，变质层厚度最小可到1μm以下，在精微加工规准时的表面粗糙度可低到Ra0.1～0.2μm，精密硬质合金模具的寿命可提高几倍。

3.3 优化放电能量的分配

电加工时分配在工件上的能量，一部分使放电点局部金属汽化，另一部分使金属熔融，还有一部分向工件内部传导。部分熔融金属再凝固时，不但使表面形貌变差，而且造成内应力。如果能增大金属汽化量及减少其他的能量部分，则对改善表面质量大有好处。为此设计SI(表面质量)电源，它不但具有防电解作用，而且在传统的等能量原则下，采用压缩放电时间和增大峰值电流的方法，使材料以汽化方式蚀除，这样进入基体材料的热量大大减少，可获得无变质层的加工表面，而且由于内应力的减少，可避免微裂纹的产生。因此，可减少所需的切割次数，从而加快了加工过程。显然，SI电源在无电解电源的基础上又有新的进步。SI电源加工的表面粗糙度Ra一般小于0.25μm，见图2。

3.4 其他辅助工艺

采用喷丸处理或挤压珩磨、电加工沉积技术，可改善表面的微观形貌，提高零件的表面光洁度，降低模具钢熔化层内的奥氏体含量，提高硬度，使拉应力向压应力转变，也可用抛光方法来去除表面变质层，延长零件的使用寿命。

4 结束语

影响电加工工件表面质量的因素很多，但只要对其进行系统的分析和科学的分类，就可以对这类复杂而且零乱的因素进行控制与调配，从而改善和提高工件表面质量。

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参考文献

[1]周驰,李勤顺.模具电火花电极的智能化设计[J].模具技术,2010.No.5

[2]夏向东.工具钢电火花涂覆溶渗层的组织结构与性能[J].金属处理学报,1985,(1):61

[3]潘国顺.电火花表面强化工艺对涂层组织性能的影响[J].机械程材料,2000,(3):24～26