宋夕超 張建華 董春杰 常偉杰 朱 濤 王 濤

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250061）

電火花表面強(qiáng)化技術(shù)是利用火花放電在工件表面形成具有特殊性能強(qiáng)化層的一種表面強(qiáng)化技術(shù)［1］。電火花表面強(qiáng)化技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于模具、刃具及機(jī)械零部件表面的強(qiáng)化和磨損件的修補(bǔ)，經(jīng)電火花強(qiáng)化后的表面在硬度、耐磨性、耐腐蝕等方面都有提高［2］。液體介質(zhì)中電火花表面強(qiáng)化技術(shù)根據(jù)所用電極的不同分為固體工具電極電火花表面強(qiáng)化、粉末壓結(jié)體工具電極電火花表面強(qiáng)化、粉末燒結(jié)體工具電極電火花表面強(qiáng)化。這3種方法各有優(yōu)勢，但也有共同缺陷，例如強(qiáng)化過程中電極損耗嚴(yán)重、強(qiáng)化精度低、電極制造困難及強(qiáng)化費(fèi)用高等［3］。

為了克服工具電極強(qiáng)化技術(shù)存在的不足，可以采用混粉電火花表面強(qiáng)化的方法，不僅省去了制作電極等的繁瑣過程，而且可以靈活地采用各種粉末以得到對性能有不同側(cè)重要求的強(qiáng)化層。已有的相關(guān)研究［2］表明，通過混入粉末進(jìn)行電火花強(qiáng)化的表面質(zhì)量不理想，大能量下強(qiáng)化表面形成大量裂紋，強(qiáng)化效率不容易提高。為克服以上缺陷，相過研究發(fā)現(xiàn)［4－5］，輔助超聲振動(dòng)能夠改善表面強(qiáng)化層的厚度分布，提高強(qiáng)化層的顯微硬度、耐磨性、耐腐蝕性和減小表面粗糙度值。這主要得益于超聲振動(dòng)在熔體中的攪拌及空化作用，使得熔池中的液體分布均勻，從而得到有規(guī)則且連續(xù)的表面強(qiáng)化層。

鑒于超聲振動(dòng)在電火花加工和強(qiáng)化過程中所起的積極作用，研究超聲輔助混粉電火花表面強(qiáng)化中各工藝參數(shù)對表面強(qiáng)化層粗糙度的影響，以期獲得超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化過程的規(guī)律，對研究和生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。超聲輔助混粉電火花表面強(qiáng)化工藝具有可處理復(fù)雜零件、硬化層硬度適當(dāng)、生產(chǎn)成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。工件經(jīng)此方法表面強(qiáng)化后，強(qiáng)化層與基體材料的結(jié)合屬于冶金結(jié)合，結(jié)合得非常牢固，不會發(fā)生剝落，工件不會退火和變形。

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為北京阿奇夏米爾公司生產(chǎn)的SF201精密電火花成型加工機(jī)，超聲波發(fā)生器由上海超聲波設(shè)備廠制造，其頻率和振幅通過功率和頻率旋鈕進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過程中，頻率固定為 16 kHz，振幅分 0、1、2、3四個(gè)檔位，對應(yīng)的振幅大小依次為 0 μm、2 μm、4 μm、8 μm（圖 1）。

試驗(yàn)所用工件為經(jīng)淬火并中溫回火的65Mn鋼，尺寸為50 mm×12 mm×1.0 mm，所用粉末成份主要為碳化鈦，粒度為 14 μm。實(shí)驗(yàn)用直徑為12 mm的紫銅圓棒電極。為了研究脈寬、脈間、峰值電流、混粉濃度和超聲振動(dòng)振幅5個(gè)因素對強(qiáng)化層表面粗糙度的影響，設(shè)計(jì)了如表1所示的實(shí)驗(yàn)方案。

表1 實(shí)驗(yàn)方案表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試樣的表面粗糙度使用白光干涉儀進(jìn)行測量，每個(gè)試樣測量4次，并取其平均值，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

使用場發(fā)射掃描電鏡（SEM）對強(qiáng)化表面進(jìn)行形貌和EDS元素分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化表面的鈦元素和碳元素含量較高，有的試樣表面鈦元素或碳元素的含量甚至于超過了鐵元素的含量，9號試樣的表面形貌和表面成分分析如圖2所示。圖2b所示為圖2a中框選的區(qū)域1表面的元素成分分析，可以看出鈦元素和碳元素含量很高，分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的27.87%和26.79%。通過分析可知，試樣表面形成的強(qiáng)化層質(zhì)量較好。

表2 實(shí)驗(yàn)所得的表面粗糙度Ra μm

實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，通過合理選擇工藝參數(shù)，可以得到較好表面粗糙度的試樣。圖3所示為9號試樣表面粗糙度的3D模型，可以看出表面質(zhì)量較好，只有少量的微觀突起，表面粗糙度值達(dá)到Ra0.62 μm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 放電能量對表面粗糙度的影響

對于電火花加工和電火花放電表面強(qiáng)化，脈寬和峰值電流都是影響表面粗糙度的重要因素。從圖4和圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，強(qiáng)化表面粗糙度隨著脈沖能量的增加而增加。在電火花加工過程中，單個(gè)脈沖能量是影響加工速度的重要因素。在電火花放電表面強(qiáng)化過程中，單個(gè)脈沖能量同樣是影響強(qiáng)化速度的重要因素。由脈沖放電能量計(jì)算公式可知，單脈沖放電電火花能量的大小與峰值電流和脈沖寬度成正比［6］。隨著峰值電流和脈寬的增大，單個(gè)放電脈沖能量越大，放電過程中熔融粉末越多，放電通道形成時(shí)，在等離子體高速運(yùn)動(dòng)以及電泳作用等的帶動(dòng)下，單次熔滲沖擊到工件表面的粉末材料越多。

電火花放電表面強(qiáng)化過程的實(shí)質(zhì)類似于電火花加工過程，只是工件材料去除率相對減少，取而代之的是熔滲材料增加，最終形成具有較好力學(xué)性能的強(qiáng)化層。隨著單脈沖放電能量的增加，熔融到工件表面的粉末材料增多，導(dǎo)致強(qiáng)化層表面粗糙度變差。如果單脈沖放電能量過大，工件熔融部分增大，熔融產(chǎn)物從電蝕坑排除時(shí)在邊緣急劇冷卻形成大的熔滴，如圖6所示，造成表面粗糙度進(jìn)一步惡化。因此，為了有利于表面強(qiáng)化層的形成，提高強(qiáng)化效率以及得到較好的表面粗糙度，需要選擇適當(dāng)?shù)姆烹娔芰?，在兼顧?qiáng)化效率的情況下，應(yīng)選擇適當(dāng)小的峰值電流和脈沖寬度。

3．2 脈間對表面粗糙度的影響

從實(shí)驗(yàn)所用的放電參數(shù)，例如脈寬和峰值電流可以看出，放電能量相對較高，那么在單次放電結(jié)束后，加工區(qū)域工作液的消電離就顯得很重要。如果加工區(qū)域的工作液來不及消電離、排除電蝕產(chǎn)物和氣泡以恢復(fù)其介電性能，則很容易產(chǎn)生破壞性的穩(wěn)定電弧放電，導(dǎo)致強(qiáng)化效率降低，表面粗糙度變差［6］。從圖7中可以看出，脈沖間隔在200 μs時(shí)的表面粗糙度最好。一般情況下，在滿足消電離所需的時(shí)間后，脈間對于表面粗糙度的影響不是很明顯。在本實(shí)驗(yàn)條件下，200 μs左右的脈沖間隔對工作液的消電離及準(zhǔn)備下一次放電是最有利的。

3．3 粉末濃度對表面粗糙度的影響

在電火花加工過程中，工作介質(zhì)中粉末的存在會降低其絕緣強(qiáng)度，增大電極和工件之間的放電間隙［7］。粉末濃度增加可使放電過程中兩極間隙增大，降低放電后殘屑的粘附，使得殘?jiān)鼧蜻B短路造成的放電過程中電極的回退減少。同時(shí)，粉末的存在也使得加工過程中放電頻率增加。在混粉電火花加工時(shí)，放電通道比普通電火花加工得到一定程度的擴(kuò)展，同時(shí)放電間隙增大，放電蝕坑變小，使混粉電火花加工獲得的表面粗糙度質(zhì)量得到提高。但過高的粉末濃度會使工作液的流動(dòng)性變差，粉末分布不均勻，引發(fā)短路或不均勻放電，導(dǎo)致表面粗糙度質(zhì)量降低。

從圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)粉末濃度為40 g/L時(shí)，表面粗糙度為最佳。可以認(rèn)為40 g/L為對應(yīng)于這一脈寬和峰值電流時(shí)的粉末最佳濃度。

粉末濃度分別為20 g/L、40 g/L和60 g/L時(shí)的強(qiáng)化表面形貌如圖9所示?？梢钥闯?，粉末濃度低時(shí)強(qiáng)化表面粗糙度差，裂紋和氣孔多，如圖9a所示。如果超過了粉末最佳濃度，工作液的流動(dòng)性變差，工作液中粉末分布不均勻，引發(fā)短路或者不均勻放電，造成強(qiáng)化表面粗糙度值增大如圖9c所示。

3．4 超聲振動(dòng)振幅對強(qiáng)化表面粗糙度的影響

超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化過程中，粉末轉(zhuǎn)移到加工區(qū)域，在超聲振動(dòng)的空穴和泵吸等作用下，極間粉末混合均勻，同時(shí)在電火花放電的熔融區(qū)域產(chǎn)生微小的攪動(dòng)，使強(qiáng)化層中的粉末分布得更深、更均勻［6］。超聲振動(dòng)還能減少加工殘屑的粘連，使得電火花放電過程中的放電位置更加隨機(jī)，穩(wěn)定兩極之間的放電狀態(tài)，改善強(qiáng)化表面質(zhì)量。超聲振動(dòng)對于電火花表面強(qiáng)化過程有積極的意義。超聲振動(dòng)振幅對于電火花表面強(qiáng)化粗糙度的影響結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯砻娲植诙入S著振幅的增大而逐漸變差，未附加超聲振動(dòng)的強(qiáng)化表面粗糙度值比附加超聲振動(dòng)的小;但未附加超聲振動(dòng)的表面強(qiáng)化層極不均勻，同一強(qiáng)化表面不同區(qū)域的粗糙度值相差很大，如圖11a所示，其最好粗糙度值為Ra0.94 μm，最差粗糙度值為Ra2.36 μm。附加超聲振動(dòng)后，表面強(qiáng)化層的粗糙度分布均勻，如圖11b所示，這主要是因?yàn)槌曊駝?dòng)使得極間粉末混合均勻，高頻振動(dòng)減少了極間殘屑粘連，放電位置隨機(jī)分布，同時(shí)超聲振動(dòng)的空穴效應(yīng)對熔融區(qū)進(jìn)行攪動(dòng)，使強(qiáng)化層分布更均勻。

附加超聲振動(dòng)時(shí)，強(qiáng)化層的表面粗糙度值隨著超聲振動(dòng)振幅的增大而增大。其原因主要是當(dāng)超聲振幅增大時(shí)，其對于電火花放電表面強(qiáng)化過程不僅起積極的作用，更多的是超聲振動(dòng)的泵吸、沖擊、空蝕等效應(yīng)提高了熔融工件材料從蝕坑中的排出，對工件材料產(chǎn)生有效的去除，使得工件的去除率明顯提高。由于放電能量較大，使得排除的熔滴較大，激冷后形成如圖6所示的表面，嚴(yán)重影響強(qiáng)化層的表面粗糙度。

4 結(jié)語

（1）強(qiáng)化層的表面粗糙度值隨著脈沖能量的增大而增大，在兼顧強(qiáng)化效率的情況下，應(yīng)該選擇適當(dāng)小的脈寬和峰值電流。

（2）在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，脈間為200 μs時(shí)強(qiáng)化表面的粗糙度值最小。

（3）粉末濃度對強(qiáng)化層表面粗糙度影響較大，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，最佳的粉末濃度為40 g/L。

（4）超聲振動(dòng)使得強(qiáng)化層表面均勻致密，但隨著超聲振動(dòng)振幅的增大，強(qiáng)化表面粗糙度變差。如果不附加超聲振動(dòng)，強(qiáng)化表面的粗糙度分布不均勻。

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［2］晁擁軍．工模具材料強(qiáng)化處理應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

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