裴順杰,張云鵬,侯忠濱

(西北工業(yè)大學機電學院,陜西 西安 710072)

高速鋼W6Mo5Cr4V2具有很高的硬度、耐磨性及熱硬性,主要用于制造切削速度高、負荷重、工作溫度高的各種切削刀具,以及要求耐磨性高的冷熱變形模具、高溫彈簧、高溫軸承等[1]。由于該種材料本身的特點,在采用常規(guī)方法進行加工時,存在刀具磨損快、生產(chǎn)效率低、加工質(zhì)量難以保證等問題。而電火花加工(EDM)在提高難加工材料和特殊復雜結(jié)構(gòu)件的加工效率和加工精度方面具有十分明顯的優(yōu)勢[2]。本文采用電火花成形加工W6Mo5Cr4V2的方法進行實驗研究,目的在于分析高速鋼W6Mo5Cr4V2電加工工藝規(guī)律的特征,考察研究電加工參數(shù)對加工速度、加工質(zhì)量、電極損耗等評價指標的影響規(guī)律,找出合理的工藝參數(shù),指導企業(yè)生產(chǎn)加工,并為進一步研究提供實驗基礎和理論依據(jù)。

1 粗加工參數(shù)優(yōu)選研究

1.1 正交試驗設計

在電火花加工過程中,影響工藝指標的因素較多,要選擇合適的電加工工藝參數(shù)較困難[3]。如果采用全面試驗的方法,由于影響因素多,調(diào)節(jié)范圍廣,需做大量的實驗。本文采用正交試驗設計方法,通過將因素數(shù)和水平數(shù)合理搭配,實驗次數(shù)少,結(jié)論的可靠性好[4]。以脈沖峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔為3個因素,每個因素取3個水平,用正交表L9(33)來安排實驗。以加工速度(單位時間內(nèi)工件的蝕除量,mm3/min)和表面粗糙度 Ra(μ m)為實驗指標。正交試驗的因素和水平見表1。

本實驗采用的設備為電火花精密成形機床,采用的電極為圓柱形紫銅電極,直徑10mm,加工深度L=5mm,負極性加工,工作液為煤油,加工電壓U=90 V。

表1 正交試驗因素水平

1.2 實驗結(jié)果及分析

按照正交表L9(33)對材料W6Mo5Cr4V2進行9次實驗,記錄加工速度和表面粗糙度兩項指標的實驗數(shù)據(jù),得到的實驗結(jié)果見表2。

表2 正交試驗數(shù)據(jù)表

運用極差分析法對實驗結(jié)果進行分析。極差分析方法可將因素水平的變化所引起的實驗結(jié)果間的差異反映出來。極差大的因素,意味著其不同水平給指標所造成的影響較大,通常是主要因素,極差越大,該因素的影響越顯著。極差小的因素,一般是次要因素,極差越小,該因素對實驗指標的影響越不顯著。通過對實驗結(jié)果進行極差分析,就能對各因素的重要程度進行排序,進而選擇出最優(yōu)的參數(shù)組合。實驗結(jié)果的極差分析見表3。

表3 極差分析表

從極差分析表中可看出,對加工速度影響最大的因素依次是峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔;對表面粗糙度影響最大的因素依次是峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔。能獲得最大加工速度的參數(shù)組合是 :A2B1C3,即脈沖寬度 120μs,脈沖間隔 45μs,峰值電流18 A。能獲得最佳表面粗糙度的參數(shù)組合是 A1B1C1,即 :脈沖寬度 100μs,脈沖間隔 45μs,峰值電流10.5 A。

1.3 電參數(shù)對實驗指標的影響規(guī)律分析

從表3中可看出,脈沖間隔的極差最小,即脈沖間隔對實驗指標的影響最小,為次要因素。因此,這里主要討論峰值電流和脈沖寬度對實驗指標的影響規(guī)律。運用origin Lab軟件和正交試驗得到的實驗數(shù)據(jù),以峰值電流作為橫坐標,分別以加工速度和表面粗糙度作為縱坐標,繪制因素和指標的關(guān)系趨勢圖(圖1和圖2),進而分析峰值電流和脈沖寬度對實驗指標的影響規(guī)律。

由圖1可看出:

(1)隨著峰值電流的增大,加工速度也逐漸提高。因為電流越大,單個脈沖的能量就越大,一次脈沖放電去除的材料就越多,加工速度就越大。

(2)加工速度隨著脈沖寬度的增大而增大。因為脈沖寬度增大,單個脈沖的能量就增大,導致材料的去除率增加;但當脈沖寬度達到一定值時,加工速度反而降低,原因是一旦脈寬超過一定值時,單個脈沖能量雖然增大,但轉(zhuǎn)換的熱能有較大部分散失在電極與工件之間,不起蝕除作用。同時,隨著脈沖能量增大,蝕除產(chǎn)物增多,使排氣、排屑條件惡化,加工穩(wěn)定性變差,脈沖能量未能充分利用,因此加工速度反而降低。

由圖2可看出:

(1)表面粗糙度值隨峰值電流的增大而增大。因為其他參數(shù)不變時,峰值電流增大,則單個脈沖放電能量增大,電蝕坑體積增大。表面粗糙度值增大。

(2)穩(wěn)定加工條件下,表面粗糙度值隨脈沖寬度的增大而增大。因為脈沖寬度增大,單個脈沖放電時間變長,單個脈沖放電能量提高,電蝕坑增大。但對于同一脈沖周期,脈沖寬度增加意味著脈沖間隔減小,使加工間隙中消電離不充分,加工過程穩(wěn)定性降低。

(3)當脈沖寬度一定時,脈沖間隔越小,則單個脈沖放電周期越短,脈沖放電頻率增加,脈沖細化,使得單個脈沖放電能量降低,進而使表面粗糙度值降低。

由以上分析可得出結(jié)論:電火花加工的加工速度和表面質(zhì)量主要取決于電參數(shù),即峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔。使用大電流、小脈間及大脈寬加工,生產(chǎn)率高,電極損耗小,但加工表面粗糙;用小脈寬及小電流加工,表面質(zhì)量好但加工效率低,電極損耗大,必然使加工精度受到影響。因此,為得到較高的生產(chǎn)率,并使電極損耗小,加工精度高,表面質(zhì)量好,可采用粗、精二次加工的方法。

2 精加工參數(shù)優(yōu)選研究

為了優(yōu)選出精加工時的電參數(shù),在正交試驗的基礎上,采用4組較小的電參數(shù)進行電加工實驗,以試件的表面粗糙度值和電極損耗率為考察指標。實驗設備為電火花精密成形機床,實驗電極的材料為紫銅,直徑=6mm,加工深度 L=3mm,采用負極性加工,工作液為煤油,加工電壓U=90 V。實驗數(shù)據(jù)見表4。

從實驗數(shù)據(jù)可看出:表面粗糙度隨著峰值電流和脈沖寬度的增大而增大,這與前文分析的結(jié)論相一致。但電極損耗率隨電參數(shù)變化的規(guī)律不明顯,主要是因為脈沖寬度和峰值電流對電極損耗的影響效果是綜合性的,而且電極損耗還受極性效應、吸附效應、傳熱效應等因素的影響,這些因素也是相互影響、綜合作用的。實驗中采用的4組電參數(shù),電極相對損耗均小于1%,屬于低損耗加工。

表4 精加工參數(shù)實驗數(shù)據(jù)表

3 電火花加工試件的微觀分析

為了觀察電火花加工后試件的表面形態(tài),分析電參數(shù)對試件表面形態(tài)的影響,將采用表4中精加工參數(shù)經(jīng)電加工后的試件進行觀察,獲得試件的表面圖片(圖3)。

由圖3可看出,電火花加工表面與機械加工表面不同,它是由無方向性的無數(shù)小坑和硬凸邊組成,特別有利于保存潤滑油,在相同的表面粗糙度和有潤滑油的情況下,電加工表面的潤滑性能和耐磨性能均比機械加工的表面好。采用的電參數(shù)越大,試件表面的凹坑就越大、越深,試件表面就越粗糙。因為凹坑的大小取決于單個脈沖能量的大小,電參數(shù)越大,單個脈沖的能量就越大,一次脈沖放電蝕除的材料就越多,形成的凹坑就越大,試件的表面就越粗糙。測量試件的表面粗糙度,得表面粗糙度值為Ra2.6～5.5。然后對試件進行鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕,腐蝕劑為體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液,用光學顯微鏡觀察試件剖面,得到不同電參數(shù)下的金相圖片(圖4)。

金屬在電火花加工后,表面層化學成分和組織結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化,變化了的這一部分稱為表面變質(zhì)層。表面變質(zhì)層又分為重熔層和熱影響層。圖片中的白亮層即為重熔層,它位于電火花加工后工件表面的最上層,是部分熔融金屬快速冷卻后殘留在工件表面形成的;熱影響層位于重熔層和基體之間,它和基體材料之間并沒有明顯的界限。由圖片可看出,單個脈沖能量越大,即脈沖寬度愈寬、峰值電流愈大,表面變質(zhì)層的厚度就越大。單個脈沖能量一定時,脈沖寬度愈窄,重熔層愈薄,因為大部分金屬不是熔化而是在氣化狀態(tài)下被拋出蝕除,不再殘留在工件表面。重熔層對產(chǎn)品的疲勞強度有影響,要嚴格限制重熔層厚度,一般規(guī)定不大于20～30μm。試驗中采用的4組電參數(shù),重熔層厚度值約為8.8～ 10.5μm 。

4 結(jié)論

(1)在實驗誤差允許范圍內(nèi),電火花成形加工W6Mo5Cr4V2的加工速度和表面粗糙度與峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔密切相關(guān)。電參數(shù)對加工速度影響程度的大小為:峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隔;電參數(shù)對表面粗糙度影響程度的大小為:峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隔;綜合影響評價為:峰值電流＞脈沖寬度＞脈沖間隔。

(2)對于電火花成形加工W6Mo5Cr4V2,粗加工比較合理的電參數(shù)是:脈沖寬度 100～130μs,脈沖間隔45μs,峰值電流15～25 A。可望達到的工藝指標是:加工速度大于15.44mm3/min,表面粗糙度 6.5μm ＜Ra ＜10.0μm 。

(3)精加工比較合理的電參數(shù)是:脈沖寬度20～ 50μs,脈沖間隔 15μs,峰值電流 1～ 3 A?？赏_到的工藝指標是:加工速度0.36～1.54mm3/min,表面粗糙度 Ra＜2.6μm,電極損耗率小于0.25%。

(4)由于粗加工時表面重熔層厚度一般不超過0.05mm,故粗加工時留精加工余量0.1mm為宜。粗加工中出現(xiàn)的重熔層和重熔層中的微裂紋,將在精加工時被加工掉,精加工后表面的重熔層厚度很小,一般小于0.02mm,表面質(zhì)量最終取決于精加工。

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