李瑞，左敦穩(wěn)，孫玉利,，朱力敏，謝春祥，唐思良

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

3J33C深窄槽電火花加工表面質(zhì)量研究

李瑞1，左敦穩(wěn)1，孫玉利1,2，朱力敏2，謝春祥2，唐思良2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

針對(duì)3J33C深窄槽的加工難題，采用了電火花成形加工方法。通過正交試驗(yàn)研究了峰值電流、脈寬、脈間對(duì)窄槽表面粗糙度的影響；通過掃描電鏡觀察加工表面層，研究單脈沖放電能量對(duì)熔化層厚度、微裂紋的影響。結(jié)果表明：各因素對(duì)表面粗糙度影響的主次順序依次為峰值電流、脈寬、脈間，且表面粗糙度值隨著峰值電流、脈寬的增加而增大；隨著單脈沖放電能量的增加，表面熔化層厚度增大，裂紋數(shù)目及寬度也隨之變大。

電火花加工；表面粗糙度；殘余應(yīng)力；微觀形貌

深窄槽由于其較大的深寬比，在實(shí)際加工中存在一定的難度。20世紀(jì)60年代初，電解加工在深孔、長(zhǎng)鍵槽中開始得到應(yīng)用[1]，但難以保證很高的尺寸及形狀精度；而微細(xì)電火花線切割只適合加工通槽[2-3]。崔晶等[4]提出了一種自成形和掃描加工相結(jié)合的微細(xì)扁平電極制作及微細(xì)槽加工的工藝方法，加工出了深寬比＞18的陣列微細(xì)槽。

3J33C彈性合金作為馬氏體時(shí)效鋼的一種，廣泛應(yīng)用于航空、航天及軍事等尖端領(lǐng)域[5]。目前，彈性合金零件的深窄槽結(jié)構(gòu)多采用電火花成形加工，但針對(duì)其窄槽結(jié)構(gòu)的電火花加工表面質(zhì)量的研究還很缺乏。本文采用正交試驗(yàn)方法，研究了不同加工參數(shù)下3J33C彈性合金電火花加工深窄槽的表面粗糙度及微觀形貌。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

加工設(shè)備選用Agietron 2U型精密數(shù)控電火花成形機(jī)床。電極材料選用R8650等靜壓石墨，尺寸為8 mm×0.17 mm×3 mm。工作介質(zhì)為Paraol 250火花電蝕機(jī)油。實(shí)驗(yàn)采用正極性加工，加工深度為2 mm，空載電壓為2檔。

選取峰值電流、脈寬、脈間3個(gè)因素，按L9（34）設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見表1。

2 加工參數(shù)對(duì)槽表面粗糙度的影響

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

極差分析見表3?？煽闯觯绊懖郾砻娲植诙鹊闹鞔我蛩匾来螢榉逯惦娏?、脈寬、脈間，其優(yōu)選組合為：峰值電流4檔、脈寬11檔、脈間25 μs。

表3 極差分析表

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析

由極差分析表可作出各因素對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖（圖1）?？煽闯?，表面粗糙度值隨著峰值電流檔位的增大而變大；脈寬檔位越大，表面粗糙度值也越大。由于單個(gè)脈沖放電能量WM是由脈寬和峰值電流所決定的，即：

式中：Ut為放電間隙瞬時(shí)電壓；It為瞬時(shí)放電電流；te為脈寬。

由式（1）可知，在電壓一定時(shí)，放電電流和脈寬越大，則單個(gè)脈沖能量越大，所以單次放電金屬蝕除量增大，放電坑深度增加，最終導(dǎo)致表面更粗糙。同時(shí)，增加脈沖間隔，會(huì)有足夠的時(shí)間完成極間消電離及產(chǎn)物排出，從而提高加工精度；但脈間過大，將使加工變得不穩(wěn)定，反而會(huì)使表面粗糙度惡化。

圖1 各因素對(duì)表面粗糙度Ra的影響趨勢(shì)

3 槽面微觀形貌分析

電火花加工過程中，在火花放電產(chǎn)生瞬時(shí)高溫和工作液快速冷卻的作用下，材料表層會(huì)發(fā)生很大的變化，形成表面變質(zhì)層，粗略地可將其分為熔化凝固層和熱影響層。表面變質(zhì)層的硬度一般比基體材料更高，但與基體結(jié)合不牢固，易剝落、磨損。同時(shí)，表面變質(zhì)層形成時(shí)，受瞬時(shí)熱脹冷縮作用會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且往往表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。

下面將通過選取不同電加工參數(shù)下的槽面，研究熔化凝固層厚度及槽面裂紋的變化情況。

3.1 槽面變質(zhì)層厚度分析

選取表2中試驗(yàn)1、5、9號(hào)3種加工參數(shù)下的樣品進(jìn)行檢測(cè)。隨著峰值電流和脈寬的依次增大，依據(jù)式（1）可知，單個(gè)脈沖放電能量會(huì)逐漸增加。

掃描電鏡下各樣品的熔化凝固層見圖2?？煽闯?，由于熔化凝固層是火花放電時(shí)工件材料快速熔化冷卻后產(chǎn)生的，故與基材間有明顯的曲面界線；火花放電形成的熔融層，層層疊加；隨著脈沖放電能量的增加，熔化凝固層厚度逐漸增加，分別為16.2、24.9、30.7 μm，因此，選擇較小的電參數(shù)，可有效降低熔化凝固層的厚度。

3.2 槽面裂紋分析

同樣選取表2中試驗(yàn)1、5、9號(hào)3種加工參數(shù)下的樣品，利用掃面電鏡進(jìn)行觀察。從圖3可看出，隨著單個(gè)脈沖放電能量的增加，裂紋的數(shù)量及寬度都隨之增加。這是因?yàn)楫?dāng)采用較大的電火花加工規(guī)準(zhǔn)時(shí)，熔化凝固層和熱影響層隨之變厚，同時(shí)殘余拉應(yīng)力也增大，從而使裂紋的數(shù)量和大小都增加。

圖2 不同電參數(shù)下的熔化凝固層厚度

圖3 不同電參數(shù)下的裂紋形態(tài)

4 結(jié)論

（1）在3J33C彈性合金電火花深窄槽加工中，各加工參數(shù)對(duì)槽表面粗糙度的影響主次順序依次為：峰值電流、脈寬、脈間，且較優(yōu)的參數(shù)組合為峰值電流4檔、脈寬11檔、脈間25 μs。

（2）隨著峰值電流、脈寬的增加，槽表面粗糙度值增大；合適的脈間值有利于降低表面粗糙度值。

（3）隨著單脈沖放電能量的增加，熔化凝固層表面裂紋數(shù)目及裂紋寬度都隨之增加；選擇較小的電加工參數(shù)有利于減小熔化凝固層厚度和降低殘余拉應(yīng)力，從而改善裂紋情況。

[1]徐家文，王建業(yè)，田繼安.21世紀(jì)初電解加工的發(fā)展和應(yīng)用[J].電加工與模具，2008（6）：1-5.

[2]Beltrami I，Joseph C，Clavel R，et al.Micro-and nanoelectric-discharge machining[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1）：263-265.

[3]Chow H M，Yan B H，Huang F Y，et al.Study of added powder in kerosene for the micro-slit machining of titanium alloy using electro-discharge machining[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，101（1）：95-103.

[4]崔晶，李勇，熊英.一種高深寬比微細(xì)槽的電火花加工工藝[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（3）：289-293.

[5]姜越，尹鐘大，朱景川，等.馬氏體時(shí)效不銹鋼的發(fā)展現(xiàn)狀[J].特殊鋼，2004，24（3）：1-5.

Study on Surface Quality of 3J33C Deep Narrow Slot Made by EDM

Li Rui1，Zuo Dunwen1，Sun Yuli1,2，Zhu Limin2，Xie chunxiang2，Tang Siliang2
（1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Shanghai Aerospace Control Technology Research Institute，Shanghai 200233，China）

To solve the manufacturing problem of 3J33C deep narrow slot，sink EDM was used.The influences on the surface roughness of narrow slot caused by peak current，pulse width and pulse interval were got by the orthogonal experiment.Using SEM to get the surface topography,the influences of single pulse energy on the thickness of re-melting layer and the distribution of microcracks were also studied.The results show that the order of influence on surface roughness from high to low is peak current，pulse width and pulse interval.The surface roughness increased with higher peak current and bigger pulse width.Along with the increase of pulse energy，the thickness of re-melting layer and the number and width of crack are also added.

EDM；surface roughness；residual stress；micro morphology

TG661

A

1009－279X（2014）05－0018-03

2014-05-16

李瑞，男，1991年生，碩士研究生。