應(yīng)煒晟，韓福柱

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

電火花強(qiáng)化工藝制造金剛石鍍層實(shí)驗(yàn)研究

應(yīng)煒晟，韓福柱

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

為實(shí)現(xiàn)金剛石工具的快速制造和在線快速修復(fù)，探索了一種簡(jiǎn)單快速的金剛石表面強(qiáng)化工藝方法的可行性。以金剛石顆粒和鈷顆粒為主要成分，采用壓制工藝制作電極，并用該電極在基體材料304不銹鋼板上進(jìn)行電火花強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，探究電極的壓制壓力、金剛石含量、加工電流和加工時(shí)間等參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響規(guī)律。用鍍鈦金剛石電極加工5 min，可得到表面上金剛石顆粒的表面積分?jǐn)?shù)為13.5%、厚度為400 μm的強(qiáng)化層，且該強(qiáng)化層具有很好的磨削性能。

電火花強(qiáng)化；金剛石鍍層；影響規(guī)律

金剛石具有硬度高、熱膨脹系數(shù)小和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良特性，使金剛石工具在機(jī)械加工、地質(zhì)鉆探和航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-10]。金剛石工具是指用一定方法將金剛石顆粒與基體粘接，并用于加工的工具產(chǎn)品。針對(duì)其特性，金剛石工具多用于高硬度材料的切割與磨削，在實(shí)際應(yīng)用中，面臨切削力大、排屑冷卻困難等惡劣工況，導(dǎo)致金剛石工具表面粘接的金剛石顆粒易脫落，且工具磨損嚴(yán)重[1，2，4]。因此，如何實(shí)現(xiàn)金剛石工具的快速制造和在線快速修復(fù)是目前亟待解決的問(wèn)題之一。

金剛石工具的制造方法主要有樹(shù)脂粘接法、電鍍法、釬焊法和燒結(jié)法等。目前已有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，但都存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致其無(wú)法適用于金剛石工具的快速制造和在線快速修復(fù)。樹(shù)脂粘接法耐熱性差，對(duì)金剛石顆粒的把持力小，無(wú)法應(yīng)用在惡劣的工況環(huán)境下[1，2，4，5]。電鍍法制得的金剛石工具一般只有一層磨料，自銳性較差，且電鍍過(guò)程的前處理、后處理過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)[6]。釬焊法成本較高，為了避免金剛石發(fā)生熱損傷，焊接必須在保護(hù)性氣體或真空氣氛下進(jìn)行[7]。燒結(jié)法工藝步驟復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，且為了避免金剛石在高溫下發(fā)生氧化和石墨化，燒結(jié)過(guò)程必須在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行[6，9，10]?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的金剛石工具制造方法大都工序繁瑣，耗時(shí)嚴(yán)重，故急需一種能實(shí)現(xiàn)金剛石工具快速制造和在線快速修復(fù)的新方法。

電火花強(qiáng)化工藝是一種簡(jiǎn)單、快速地對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化的工藝方法，用以強(qiáng)化材料粉末為主要成分的壓制成形電極，通過(guò)電火花放電加工，使電極上的強(qiáng)化材料轉(zhuǎn)移到工件表面，同時(shí)形成一層性能遠(yuǎn)高于工件材料的強(qiáng)化層[11-14]。該方法對(duì)工件表面的要求較低，不需復(fù)雜的前、后處理過(guò)程，且設(shè)備簡(jiǎn)單，加工時(shí)間短，被廣泛應(yīng)用于刀具的強(qiáng)化和修復(fù)。Moro等[15]利用該方法在鉆頭刀刃上沉積一層WC強(qiáng)化層，大幅提高了鉆頭的使用壽命。Furutani等[16]提出在電極中添加磨粒，進(jìn)而在工件表面鍍覆磨粒的方法；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，制作電極所用原料為WC粉末、鈷粉末和氧化鋁顆粒，其材料重量比為7∶2∶1，加工時(shí)間為5 min，最后在工件表面得到一層以WC為主要成分、夾雜氧化鋁顆粒的強(qiáng)化層，其厚度為330 μm，氧化鋁顆粒所占的表面積百分比約7.2%。

目前，電火花強(qiáng)化工藝采用的強(qiáng)化材料主要以WC、TiC為主，且工件表面可鍍覆的磨粒也較少，鮮有使用電火花表面強(qiáng)化工藝，在工件表面鍍覆金剛石磨粒的研究報(bào)道。

鍍鈦金剛石顆粒具有在加工時(shí)能耐受更高加工溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，為了避免金剛石的碳化并增強(qiáng)粘接效果，本文使用以鍍鈦金剛石為主要成分的電極進(jìn)行了電火花強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，研究電流大小、電極壓制壓力、加工時(shí)間及電極中金剛石顆粒的含量等參數(shù)對(duì)鍍覆效果的影響規(guī)律。目的在于希望通過(guò)電火花強(qiáng)化技術(shù)快速制造出磨削性能優(yōu)良且以金剛石顆粒為主要成分的鍍層，為金剛石工具的快速制造和在線快速修復(fù)提供一種可行的工藝方案。

1 實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.1 電極的制備方法

在電火花強(qiáng)化工藝中，電極對(duì)鍍覆強(qiáng)化效果有極大的影響。電火花強(qiáng)化工藝的主要目的在于把電極的材料轉(zhuǎn)換到工件表面，故所用的電極材料不宜過(guò)于致密，以便其在加工過(guò)程中順利轉(zhuǎn)移。本實(shí)驗(yàn)使用的電極通過(guò)壓制成形，電極材料為400目的鍍鈦金剛石顆粒和1 μm的鈷顆粒，金剛石顆粒為主要的強(qiáng)化材料，鈷顆粒在電極壓制過(guò)程中主要起粘接劑的作用。將按所需質(zhì)量和配比稱量得到的二種粉末混勻后，在液壓壓力機(jī)上使用模具壓制成直徑12 mm、高6～8 mm的圓柱電極。通過(guò)壓制成形工藝得到的電極未經(jīng)燒結(jié)，其顆粒間的粘接力較弱，恰好能滿足電火花強(qiáng)化工藝對(duì)加工電極的要求。將成形電極通過(guò)導(dǎo)電膠粘接到用于夾持的銅基座上，最終使用的電極見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)用電極照片

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)

電火花強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)所用的電火花加工機(jī)床為Makino EDGE3S，強(qiáng)化用的基體材料為304不銹鋼板。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

電火花強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的影響因素包括加工電流、加工時(shí)間、占空比、脈寬與脈間、加工極性、擊穿電壓及電極的組成材料、壓制壓力等。本文主要研究電極中金剛石顆粒的含量、電極的壓制壓力、加工電流、加工時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響。Mohri等[17]研究證實(shí)，正極性、短脈寬加工有利于造成電極損耗，且低占空比（＜6%）對(duì)電火花強(qiáng)化過(guò)程更有利。因此，實(shí)驗(yàn)采用正極性加工，擊穿電壓保持在80 V不變，脈寬和脈間分別為8、295 μs（占空比2.7%）；此外，實(shí)驗(yàn)采用控制變量法。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法

在實(shí)驗(yàn)前、后分別對(duì)所用的電極用JA31002電子天平進(jìn)行稱量，以得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電極損耗量。對(duì)于實(shí)驗(yàn)得到的表面強(qiáng)化試樣，先用千分尺測(cè)量其強(qiáng)化層厚度；再用QUANTA 250掃描電子顯微鏡觀察其表面形貌，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析，得到強(qiáng)化表面上金剛石顆粒的大致分布情況和表面積分?jǐn)?shù)；然后，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣和電鍍金剛石磨片的磨削能力進(jìn)行對(duì)比；最后，對(duì)試樣進(jìn)行拉曼光譜檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極壓制壓力對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

由于壓制壓力過(guò)高會(huì)引起顆粒之間的結(jié)合力過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致電極在加工過(guò)程中的損耗速度減慢，不利于表面強(qiáng)化層的形成；而壓制壓力過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致電極過(guò)于松散，出現(xiàn)加工不穩(wěn)定的現(xiàn)象；并且，在相同的壓制壓力下，隨著電極中金剛石含量的提高，電極的結(jié)合強(qiáng)度將下降。因此，所用電極的金剛石含量和壓制壓力必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。通過(guò)電極壓制實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，在壓制壓力為100 MPa時(shí)，為了保證足夠的結(jié)合強(qiáng)度，電極中鍍鈦金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)40%；在壓制壓力為200 MPa時(shí)，電極中鍍鈦金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)60%。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3～圖5分別是在電極壓制壓力為100、200、300 MPa時(shí)得到的試樣表面形貌。通過(guò)測(cè)量強(qiáng)化層厚度及對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，隨著壓制壓力的降低，表面強(qiáng)化層的厚度越厚，強(qiáng)化層表面的金剛石顆粒含量越高。當(dāng)電極壓制壓力為100 MPa時(shí)，所得試樣的強(qiáng)化層厚度最厚，為400 μm；表面金剛石顆粒的表面積分?jǐn)?shù)最高，為13.5%；通過(guò)圖像處理得到的試樣上的金剛石顆粒分布見(jiàn)圖6。

圖3 壓制壓力為100 MPa時(shí)的試樣表面形貌

圖4 壓制壓力為200 MPa時(shí)的試樣表面形貌

圖5 壓制壓力為300 MPa時(shí)的試樣表面形貌

圖6 壓制壓力為100 MPa時(shí)的試樣表面金剛石顆粒分布

此外，不同的電極壓制壓力下的電極損耗量也不同，100 MPa時(shí)為1.54 g，200 MPa時(shí)為0.42 g，300 MPa時(shí)為0.06 g。可見(jiàn)，隨著壓制壓力的升高，電極中顆粒間的結(jié)合力得到提升，導(dǎo)致放電時(shí)電極材料難以損耗。這不僅代表從電極向基體轉(zhuǎn)移的材料總量較少，也意味著每次放電過(guò)程中從電極脫落的材料質(zhì)量較輕、重力較小，易被火花放電時(shí)產(chǎn)生的高壓所排出，導(dǎo)致這些材料難以順利地沉積到基體表面，從而降低了強(qiáng)化層的厚度，使強(qiáng)化層的金剛石顆粒含量減少。

2.2 加工電流對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

加工電流也是影響強(qiáng)化效果的重要因素之一，在放電加工過(guò)程中，并非所有從電極脫落的材料都能順利地轉(zhuǎn)移至工件上，即在加工過(guò)程中會(huì)有加工屑產(chǎn)生。前期的探索性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加工電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中產(chǎn)生大量的加工屑，這些加工屑堆積在加工區(qū)域，易發(fā)生電弧放電，破壞加工表面。如圖7所示，可清楚地觀察到在過(guò)大的加工電流下，由于電弧放電而產(chǎn)生的燒傷痕跡。因此，加工電流應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。最終確定的加工電流影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 加工電流影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)加工電流為5、10、20 A時(shí)，對(duì)應(yīng)的電極損耗量分別為0.07、0.46、1.54 g，說(shuō)明隨著加工電流的增大，放電通道能量增加，導(dǎo)致電極損耗量增大。圖8～圖10分別是在電流為5、10、20 A時(shí)得到的試樣表面形貌。通過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增大，強(qiáng)化層的厚度、強(qiáng)化層表面的金剛石顆粒數(shù)量及強(qiáng)化層材料分布的均勻程度都在提高，說(shuō)明在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，提高加工電流有助于強(qiáng)化層的形成和金剛石顆粒的沉積。

2.3 電極中的金剛石含量對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

從上述實(shí)驗(yàn)可看出，電極的結(jié)合強(qiáng)度是影響強(qiáng)化效果的一個(gè)重要因素，它除了與電極壓制壓力有關(guān)外，還和電極中的金剛石含量有很大關(guān)系。雖然電極中金剛石顆粒的含量越高可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)移到工件表面的金剛石越多，但在嘗試過(guò)不同的電極配比后發(fā)現(xiàn)，過(guò)高的金剛石顆粒含量會(huì)導(dǎo)致電極缺乏足夠的結(jié)合強(qiáng)度，且電阻較大，加工時(shí)易出現(xiàn)電極碎裂等現(xiàn)象。為了防止這些加工不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)探索性實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定出的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

由于電弧放電而產(chǎn)生的燒傷

圖7 加工電流過(guò)大時(shí)的試樣表面形貌

圖8 加工電流為5 A時(shí)的試樣表面形貌

圖9 加工電流為10 A時(shí)的試樣表面形貌

圖10 加工電流為20 A時(shí)的試樣表面形貌

表3 電極中金剛石含量影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖11～圖13分別是用金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%的電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的試樣表面形貌。通過(guò)對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，用金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的電極加工得到的試樣表面的金剛石顆粒含量最高，用另外二種電極加工得到的試樣表面均有較多的孔隙，且用金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的電極加工得到的試樣表面的孔隙尺寸更大。

實(shí)驗(yàn)中，三種電極的損耗量分別為0.04、0.42、1.02 g。當(dāng)電極中金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，由于金剛石含量較少，電極的結(jié)合強(qiáng)度較強(qiáng)，故轉(zhuǎn)移到基體材料上的金剛石顆粒數(shù)量也較少。而對(duì)于金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的電極，當(dāng)發(fā)生材料轉(zhuǎn)移時(shí)，雖然電極結(jié)合強(qiáng)度弱，電極易損耗，但由于電極中在基體材料和金剛石顆粒之間起粘接作用的鈷含量較低，所以從電極脫落下來(lái)的金剛石顆粒較難沉積到基體上，而對(duì)于少量順利沉積到基體表面的金剛石顆粒，由于與基體之間的結(jié)合力較弱，也極易發(fā)生脫落。如圖13所示的一些較大的孔隙就是由于金剛石顆粒脫落而留下的。因此，在一定范圍內(nèi)，隨著電極中金剛石含量的提高，強(qiáng)化效果隨之提升；但當(dāng)電極中金剛石含量超過(guò)一定范圍后，由于金剛石顆粒與基體材料之間結(jié)合力的減弱，表面沉積的金剛石顆粒數(shù)量反而會(huì)減少。由于電極壓制壓力和電極中金剛石顆粒含量共同決定了電極的結(jié)合強(qiáng)度，所以基體表面沉積的金剛石顆粒數(shù)量與電極中金剛石顆粒含量之間的關(guān)系的變化拐點(diǎn)取決于電極的壓制壓力。

圖11 金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時(shí)的試樣表面形貌

圖12 金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%時(shí)的試樣表面形貌

圖13 金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%時(shí)的試樣表面形貌

2.4 加工時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

加工時(shí)間也是影響鍍覆效果的一個(gè)重要因素。加工時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)見(jiàn)表4。圖14～圖16是加工時(shí)間分別為1、3、5 min時(shí)所得的試樣表面形貌，其對(duì)應(yīng)的電極損耗量分別為0.13、0.62、1.54 g，試樣的強(qiáng)化層厚度分別為126、250、400 μm。

表4 加工時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

從上述結(jié)果可看出，隨著加工時(shí)間的增加，電極損耗量、強(qiáng)化層厚度均增大，強(qiáng)化層中包含的金剛石顆粒數(shù)量也隨之增多。同時(shí)，從圖中還可發(fā)現(xiàn)，隨著加工時(shí)間的增加，強(qiáng)化表面的孔隙被逐漸填平，強(qiáng)化表面的材料分布情況變得越來(lái)越均勻。

圖14 加工時(shí)間為1 min時(shí)的試樣表面形貌

圖15 加工時(shí)間為3 min時(shí)的試樣表面形貌

圖16 加工時(shí)間為5 min時(shí)的試樣表面形貌

2.5 磨削能力的對(duì)比及拉曼光譜檢測(cè)結(jié)果

為了檢驗(yàn)所得強(qiáng)化試樣的磨削性能，本文自行設(shè)計(jì)了電火花強(qiáng)化試樣與電鍍金剛石磨片的磨削性能比較實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖17（壓在試樣上的負(fù)載質(zhì)量為400 g，試樣磨削的線速度為3 m/min）。

圖17 磨削裝置示意圖

分別用相同直徑的強(qiáng)化試樣和金剛石磨片對(duì)鋁板進(jìn)行磨削，時(shí)間為10 min。可發(fā)現(xiàn)，鋁板被磨削掉的量分別為0.06、0.08 g。電火花強(qiáng)化試樣在磨削過(guò)程中，雖然每層的金剛石顆粒含量較低，但隨著磨削過(guò)程的進(jìn)行，表層的金剛石顆粒脫落，表層下面新的金剛石顆粒顯露出來(lái)，使電火花強(qiáng)化試樣的磨削能力得到了補(bǔ)充。因此，磨削能力較接近。

在磨削實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，電火花強(qiáng)化試樣和金剛石磨片在磨削前、后，其質(zhì)量均有所減小，但電火花強(qiáng)化試樣的質(zhì)量減小程度遠(yuǎn)大于金剛石磨片，減小量分別為0.04、0.01 g，且可測(cè)得電火花強(qiáng)化試樣的磨損速率為20～30 μm/min。與金剛石磨片相比，由于電火花強(qiáng)化試樣表面的金剛石含量并不高，試樣表面有許多作為粘接劑的鈷存在。在磨削鋁板時(shí)，電火花強(qiáng)化試樣最表層的金剛石顆粒在磨削力的作用下發(fā)生脫落，表面剩余的鈷與鋁板直接相互作用，由于鈷的硬度較小，使其也會(huì)隨著磨削的進(jìn)行逐漸從試樣表面脫落，從而使試樣表面露出新的磨粒層；而電鍍金剛石磨片雖然僅有單層磨粒且制造時(shí)間較長(zhǎng)，但其表面的金剛石含量較高，表面鍍層厚度一般可達(dá)金剛石顆粒尺寸的2/3左右，故磨片上的金剛石顆粒與基體結(jié)合得較牢固，金剛石顆粒較難脫落，這就導(dǎo)致電火花強(qiáng)化試樣的減損量比電鍍金剛石磨片更大。但是，由于電鍍金剛石工具往往只有一層磨粒，且工具上的金剛石顆粒裸露在外的部分較少，在磨削過(guò)程中，裸露在外的金剛石顆粒磨損失效后，由于沒(méi)有新的磨粒補(bǔ)充，電鍍金剛石工具的切削能力將急劇下降；與其相比，從綜合效果來(lái)看，電火花強(qiáng)化試樣的磨削效果卻能隨著鍍覆層厚度的增加得到提高。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)電火花強(qiáng)化試樣進(jìn)行了拉曼光譜檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在試樣表面既出現(xiàn)了金剛石峰，又出現(xiàn)了石墨峰。經(jīng)分析，造成該現(xiàn)象的原因可能是：①在電火花放電過(guò)程中產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致金剛石顆粒發(fā)生了石墨化；②加工介質(zhì)煤油在火花放電過(guò)程中裂解產(chǎn)生的碳沉積到試樣表面，導(dǎo)致檢測(cè)出了石墨峰。但上述二個(gè)原因誰(shuí)占主導(dǎo)，目前尚無(wú)法辨明，后續(xù)需進(jìn)一步探究。

3 結(jié)論與展望

本文討論了電火花強(qiáng)化工藝中各種參數(shù)對(duì)制造金剛石強(qiáng)化層的影響，主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)合理控制電極的制造參數(shù)（如：電極中的金剛石顆粒含量、電極的壓制壓力），能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較厚的強(qiáng)化層，且強(qiáng)化層厚度和強(qiáng)化層中的金剛石顆粒含量隨著加工電流、加工時(shí)間的增加而增大。強(qiáng)化層表面的金剛石顆粒含量除了與加工電流、加工時(shí)間有關(guān)外，還和電極中的金剛石顆粒含量及電極的壓制壓力有關(guān)。電極壓制壓力越小，電極的結(jié)合強(qiáng)度越弱，沉積到基體表面的金剛石顆粒數(shù)量越多；當(dāng)電極中的金剛石顆粒含量小于一定范圍時(shí)，強(qiáng)化層表面的金剛石顆粒含量隨著電極中的金剛石含量的增加而提高；但當(dāng)電極中的金剛石顆粒含量超過(guò)一定范圍后，強(qiáng)化層表面的金剛石顆粒含量隨著電極中的金剛石顆粒含量的增加反而降低。基體表面沉積的金剛石顆粒數(shù)量與電極中的金剛石顆粒含量之間的關(guān)系的變化拐點(diǎn)取決于電極的壓制壓力。使用壓制壓力為100 MPa、質(zhì)量配比為40%鍍鈦金剛石-60%鈷的電極加工5 min，可得表面金剛石顆粒的表面積分?jǐn)?shù)為13.5%、厚度為400 μm的強(qiáng)化層。

（2）通過(guò)電火花強(qiáng)化可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較厚的金剛石顆粒強(qiáng)化層，與傳統(tǒng)的金剛石鍍覆方法相比，制造效率得到大幅提升。同時(shí)，通過(guò)磨損實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，雖然隨著磨削過(guò)程的進(jìn)行，電火花強(qiáng)化層表層的金剛石顆粒比電鍍金剛石工具的金剛石顆粒更易脫落，但電火花強(qiáng)化層表層下面新的金剛石顆粒會(huì)顯露出來(lái)，使強(qiáng)化層的磨削能力得到補(bǔ)充。從綜合效果來(lái)看，電火花強(qiáng)化試樣的磨削效果可隨鍍覆層厚度的增加得到提高。

[1] 王美娟，王日初，彭超群，等.固結(jié)磨粒金剛石線鋸的研究進(jìn)展[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23（5）：1368-1379.

[2] 曹連靜，孫玉利，左敦穩(wěn)，等.金剛石線鋸的復(fù)合電鍍工藝研究進(jìn)展 [J].金剛石與磨料磨具工程，2013，33（1）：53-59.

[3] 劉福慶.紫外光固化金剛石線鋸制造技術(shù)研究 [D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 竇百香.電鍍金剛石線鋸快速制造工藝及設(shè)備的研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2009.

[5] 張景濤.電鍍金剛石線鋸制造工藝及其性能的研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2013.

[6] LIU S X，XIAO B，ZHANG Z Y，et al.Microstructural characterization of diamond/CBN grains steel braze joint interface using Cu-Sn-Tiactive filler alloy[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2016，54：54-59.

[7] BUHL S，LEINENBACH C，SPOLENAK R，et al. Influence of the brazing parameters on microstructure，residual stresses and shear strength of diamond-metal joints[J].Journal of Materials Science，2010，45（16）：4358-4368.

[8] BUHL S，LEINENBACH C，SPOLENAK R，et al.Failure mechanisms and cutting characteristics of brazed single diamond grains[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，66（5-8）：775-786.

[9] HE Feng，ZHOU Qi，XIE Junlin，et al.Characterization of low sintering temperature and high strength SiO2-B2O3-CaO vitrified bondsfordiamond abrasive tools[J]. Ceramics International，2015，41（3）：3449-3455.

[10]LIN K H，PENG S F，LIN S T.Sintering parameters and wear performances of vitrified bond diamond grinding wheels[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2007，25（1）：25-31.

[11]AHMED A.Deposition and analysis of composite coating on aluminum using Ti-B4C powder metallurgy tools in EDM[J].Materials and Manufacturing Processes，2015，31（4）：467-474.

[12]WANG Zhenlong，F(xiàn)ANG Yu，WU Peinian，et al.Surface modification process by electrical discharge machining with Ti powder green compact electrode[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，129 （S1）：139-142.

[13]HO S K，ASPINWALL D K，VOICE W.Use of powder metallurgy (PM)compacted electrodesforelectrical discharge surface alloying/modification of Ti-6Al-4V alloy [J].Journal of Materials Processing Technology，2007，191（1-3）：123-126.

[14]PATOWARI P K，MISHRA U K，SAHA P，et al.Surface integrity of C-40 steel processed with WC-Cu powder metallurgy green compact tools in EDM[J].Materials and Manufacturing Processes，2011，26（5）：668-676.

[15]MORO T，GOTO G，MOHRI N，et al.Study on a cutting drills with TiC hard layerby electricaldischarge machining[J].Journal of the Japan Society of Precision Engineering，2002，68（8）：1062-1066.

[16]FURUTANI K，SUNADA H，F(xiàn)abrication of abrasive layer using dispersion of hard powder by electrical discharge machining(1st report)dispersion of insulating powder into deposit[J].Denki Kako Gakkaish，2004，37（84）：23-30.

[17]MOHRIN，SAITO N，TSUNEKAWA Y，etal.Metal surface modification by electrical discharge machining with composite electrode[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，1993，42（1）：219-222.

Experimental Study on Diamond Abrasive Layer Fabrication by Electrical Discharge Surface Intensifying

YING Weisheng，HAN Fuzhu
（Beijing Key Laboratory of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control，Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

To accomplish rapid manufacturing and online repair of diamond tools，a detailed experimental investigation on the feasibility of electrical discharge surface intensifying for fabricating diamond abrasive layers was conducted.Diamond-cobalt powder metallurgy green compact electrodes were used in the experiment and 304 stainless steel was chosen as the workpiece material.The influence rules of the diamond particle content and compaction pressure of the electrodes，discharge current and processing time were experimentally studied.It was found that a 400 μm diamond abrasive layer with an area proportion of diamond particles on the surface of 13.5%can be obtained in 5 min by using the green compact electrode，and the grinding ability of the diamond abrasive layer was good.

electrical discharge surface intensifying；diamond abrasive layer；influence rule

TG661

A

1009－279X（2017）02－0011-06

2016-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51575308）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20131019064）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2014ZX04001061）

應(yīng)煒晟，男，1992年生，博士研究生。